人工湿地反硝化碳源补充研究进展

人工湿地处理系统是20世纪70年代发展起来的一种仿自然生物处理技术[1-2]。通过一系列物理、化学和生物的作用，人工湿地可以有效地去处污染水体中的有机物[1，3-9]，同时具有很高的脱氮潜能，但是在实际运行的人工湿地的相关报道中，氮的去除效果差异很大，最低可达30%，最高可超过90%[10]。人工湿地脱氮效果的差异与人工湿地的水力条件、运行温度、溶解氧、微生物群落和湿地中的碳源有关[11-12]。研究表明[13-14]，在以脱氮为主要目的的人工湿地中，碳源是湿地脱氮的主要限制性因素，而通过投加外源性碳源可以显著提高湿地的脱氮效果。本文对人工湿地脱氮机理和不同外加碳源对湿地脱氮效率的影响进行了描述。1人工湿地脱氮机理人工湿地氮的去除途径主要包括植物吸收、氨氮挥发、基质吸附和微生物硝化-反硝化等[2，15-16]。湿地植物在生长过程中会吸收污水中的无机氮，并合成植物蛋白等有机氮，通过植物收割可将这部分氮从湿地系统中去除[17]，但这一部分氮去除量仅占系统氮去除量的4%～11%[18]，仅在低氮负荷的人工湿地中作用比较显著。在pH大于9的条件下氨氮的挥发比较显著，在pH=7.5～8.0不显著，而在pH<7.5可忽略不计；水平潜流人工湿地中的pH一般不超过8.0，因此系统中的氨氮挥发时可以忽略[2，16]。此外，研究表明[15]，微生物硝化-反硝化是人工湿地脱氮的主要途径[15，19]。主要原因是湿地为微生物创造了良好的硝化-反硝化环境：（1）由于湿地植物的根系效应，植物根系周围形成了有利于微生物实现硝化作用的微好氧区[19]。通过调控人工湿地进水方式（间歇运行或使用垂直流人工湿地），可以有效地提高湿地中的溶解氧，强化硝化效果；（2）人工湿地中一般为缺氧条件，溶解氧低于0.3mg·L-1，氧化还原电位小于300mV，为反硝化反应创造了良好环境[14]；（3）湿地植物的生长和腐败过程可以释放有机碳源促进反硝化过程[20]。通过间歇运行和垂直流人工湿地的使用可以强化硝化作用，解决湿地低氧环境对硝化过程的限制[17]，从而反硝化成为湿地脱氮的限制性步骤。反硝化过程人工湿地反硝化碳源补充研究进展刘刚，闻岳，周琪（同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092）摘要：碳源作为反硝化过程的电子供体，是影响人工湿地反硝化过程的主要因素。人工湿地的反硝化碳源主要来自于进水，但是由于进水中的溶解性有机碳浓度很低，并且大部分为难降解有机碳，因此需要考虑使用外加碳源提供反硝化电子供体。研究中用于人工湿地反硝化碳源主要有污水、低分子碳水化合物和植物生物质等。植物生物质作为人工湿地反硝化碳源有其独特的优势，不仅价格低廉，来源充足，而且解决了湿地植物的处置问题，还不会增加系统的能耗和二氧化碳的排放量。本文结合现有人工湿地反硝化碳源补充的相关研究，描述了不同外加碳源对反硝化过程的作用，并对不同外碳源的效能进行了对比。关键词：人工湿地；反硝化；外碳源中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-3770(2010)04-0001-005收稿日期：2009-07-14作者简介：刘刚（1985－），男，硕士研究生，研究方向为污水处理理论与；E-mail：alexedsion@hotmail.com联系作者：闻岳，博士；联系电话：13816620491；E-mail：wenyue@yahoo.cn����NH�NO��NO�����������������N�,N�O图1人工湿地脱氮途径示意图Fig.1Pathwayofnitrogenremovalbytheconstructedwetlands第36卷第4期2010年4月水处理技术TECHNOLOGYOFWATERTREATMENTVol.36No.4Apr.,20101需要有机碳作为电子供体，以还原硝酸盐氮。因此，有机碳源是反硝化过程中必不可少的物质。人工湿地中的有机碳源包括内源性有机碳源和外源性有机碳源。内源性有机碳源主要包括，植物根系释放、死亡植物分解、微生物分解及湿地内部沉积有机物的缓慢释放产生的有机碳源。如果这部分碳源均可通过微生物的作用而被完全利用[13]。从这一点来看，虽然湿地内碳源的来源较多，但是作为反硝化碳源地提供者，这些碳源量还是不足的。湿地中的外源性碳源主要来自于进水和人工投加的碳源。在用于处理污水厂二级出水、河水和地下水的人工湿地中，由于污水中的有机物的本底值低或者大部分在好氧时被去除，导致人工湿地进水中的有机碳含量很低，并且多为难降解有机碳，限制了人工湿地反硝化速率，降低了脱氮效果[14]。研究表明，湿地中的反硝化速率与外源性碳源供应量成正比[21]。通过人工投加外源性碳源，改善湿地进水中的C/N，可以有效的强化人工湿地的反硝化作用，提升湿地系统的脱氮效率。在现有研究