2017, Vol. 29 
人工湿地能有效净化污染水体，被广泛应用于点源和面源污染的治理.垂直流人工湿地系统氧转移能力较强[1-2]，硝化作用明显[3]，但反硝化作用往往受到限制，而且碳源不足也是制约反硝化过程的重要因素之一，因此碳源补充是提高湿地系统反硝化能力、增强脱氮效率的有效途径之一. Zhang等[4]使用植物发酵液作为人工湿地的反硝化碳源，发现随着植物发酵液投加量的增加，系统中硝酸盐的去除率显著增加. Sikora等[5]以低分子碳水化合物乙酸为外加碳源，系统中硝酸盐的去除效率最高可达70%，可见低分子碳水化合物可有效促进人工湿地的反硝化进程.同时，因为单一湿地类型不能同时提供充分的好氧和厌氧条件，限制了污染物的去除效率[6-7]，人工湿地应用已不再局限于单一的水流方式，研究者们开始将不同类型的人工湿地进行组合[8].本研究提出了一种阶梯垂直流人工湿地工艺，采用下行流上行流下行流的组合形式，强化了污染物的去除效果[9].
为了提高阶梯垂直流人工湿地的氮去除效率，本研究将分级进水应用于阶梯垂直流人工湿地，一方面可以适应不同地形地势，用以维持水体在系统内部的重力流形式；另一方面通过分级进水为系统内反硝化过程提供碳源，加强脱氮效果.本文通过分析比较不同进水配比下污染物的去除效果，从而得出最优的进水方式，为阶梯组合式垂直流人工湿地的设计和运行提供合理参数.
1 材料与方法 1.1 阶梯垂直流人工湿地小试系统共构建4套阶梯垂直流人工湿地小试系统.每套人工湿地系统由3级垂直流人工湿地单元组合而成(图 1)，分别填充0.45 m高度的沸石、页岩和陶粒. 3种填料的基本物理化学性质见表 1.湿地的3级单元均种植西伯利亚鸢尾(Iris sibirica)，种植密度为20株/m2.
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图 1 阶梯垂直流人工湿地小试系统 Fig.1 Lab-scale multi-stage vertical flow constructed wetland |
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表 1 填料物理化学性质 Tab.1 Physical and chemical properties of the medias |
每级湿地顶部和底部均设有直径为20 mm的穿孔PVC管用于布水或集水.第3级湿地出水口设置虹吸管，虹吸管出口位于25 cm处.
1.2 实验设计实验前用自来水冲洗湿地填料，去除其表面灰尘和其他污染物.取上海市杨浦区某污水厂初沉池出水作为湿地进水，进水化学需氧量(COD)、总氮(TN)、铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、亚硝态氮(NO2--N)、总磷(TP)和磷酸盐(PO43-)的浓度分别为142.3±24.5、36.83±3.81、32.68±1.93、0.87±0.18、0.05±0.12、4.39±0.92和3.10±0.90 mg/L.对湿地系统微生物进行培养驯化，水力负荷为60 mm/d，定期测试出水水质，直至处理效果稳定后再提高进水负荷.实验周期为2016年4—8月，历时4个月左右.
4套系统总进水负荷均为100 mm/d，设置0%、10%、20%和30% 4个不同的2级进水份额的处理方式：0%的第1级进水份额为100%；10%的第1级进水份额为90%，第2级为10%；20%的第1级进水份额为80%，第2级为20%；30%的第1级进水份额为70%，第2级为30%.
1.3 样品采集与测试实验期间采集每套湿地的第1、2和3级出水和进水，用于水质分析，采样频率为1次/周.水质测试指标为COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TN、PO43-和TP浓度. COD浓度采用哈希消解仪DRB 200和分光光度计DR 2800测定，其他指标均采用标准方法测定[10].
1.4 数据处理污染物的去除率(%)计算公式为：
| $ {\rm{去除率 = }}\left( {1-{C_{{\rm{out}}}}/{C_{{\rm{in}}}}} \right) \times 100\% $ | (1) |
污染物质量去除速率(g/(m2·d))计算公式为：
| $ 质量去除速率 = \left( {{C_{{\rm{in}}}} \cdot {V_{{\rm{in}}}}-{C_{{\rm{out}}}} \cdot {V_{{\rm{out}}}}} \right)/\left( {S \cdot HRT} \right) $ | (2) |
式中，Cin和Cout分别为进、出水浓度(mg/L)；Vin和Vout分别为进、出水体积(m3)；S为人工湿地面积(m2)；HRT为水力停留时间(d).
去除贡献率(%)计算公式为：
| $ {\rm{系统第1级去除贡献率 = }}\left( {1{\rm{级}}{C_{{\rm{in}}}}-1{\rm{级}}{C_{{\rm{out}}}}} \right)/\left( {1{\rm{级}}{C_{{\rm{in}}}}-3{\rm{级}}{C_{{\rm{out}}}}} \right) \times 100\% $ | (3) |
| $ {\rm{系统第2级去除贡献率 = }}\left( {1{\rm{级}}{C_{{\rm{out}}}}-2{\rm{级}}{C_{{\rm{out}}}}} \right)/\left( {1{\rm{级}}{C_{{\rm{in}}}}-3{\rm{级}}{C_{{\rm{out}}}}} \right) \times 100\% $ | (4) |
| $ {\rm{系统第3级去除贡献率 = }}\left( {2{\rm{级}}{C_{{\rm{out}}}}-3{\rm{级}}{C_{{\rm{out}}}}} \right)/\left( {1{\rm{级}}{C_{{\rm{in}}}}-3{\rm{级}}{C_{{\rm{out}}}}} \right) \times 100\% $ | (5) |
使用IBM SPSS 20软件对数据进行统计分析，采用单因素方差分析法分析不同分级进水比例条件下处理效果的差异性，P＜0.05表明具有显著性差异.
2 结果与讨论 2.1 COD去除效果4种分级进水条件下人工湿地对COD的去除效果差异不显著(图 2)，其去除率为86.66%~87.80%，质量去除速率为12.36~12.53 g/(m2·d)，说明阶梯垂直流人工湿地能有效适应本实验中4种分级进水方式，普遍具有较好的COD去除效果.湿地系统的有机物主要通过附着于基质上的生物膜和微生物的代谢去除[11]，垂直流人工湿地系统充氧能力较好，为微生物分解污染物提供了有利条件. Vymazal等[3]研究不同进水方式下复合垂直流人工湿地对COD的去除效果差异，发现COD的去除效率均能稳定达到80%，且当进水负荷增大时，COD的去除效果也没有显著变化.
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图 2 不同分级进水比例条件下阶梯垂直流人工湿地对COD的去除效果 Fig.2 COD removal efficiencies of MS-VFCW under different step feeding ratios |
4个分级进水条件下湿地系统进水和各级出水COD浓度如图 3所示.在进水浓度为142.3±24.5 mg/L时，4套系统3级出水COD浓度平均值为17.5 mg/L，处理组间差异不显著.出水COD浓度远低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准. 4套系统的第1级对COD去除的贡献率平均为82.18%，进水中大部分有机物在第1级得以去除，这是因为污水从位于填料上部的布水管均匀流入，与空气接触后进入第1级，系统的好氧状况为COD的去除提供了有利条件. 4套系统第2级对COD去除的平均贡献率仅为1.29%.研究表明，厌氧或缺氧条件下，有机物可被厌氧自养细菌降解去除[12]，但其新陈代谢速率远小于异养微生物，对有机物的降解作用也较弱[13].系统第3级出水COD浓度较第2级有明显降低，对COD去除的贡献率平均为16.53%.因此本实验中COD的去除过程主要发生在湿地系统的第1级.李剑波[14]研究了组合人工湿地对COD的去除效果，并计算得到第1级垂直流人工湿地对COD去除的贡献率高达92.6%，垂直流人工湿地COD去除主要集中在第1级.
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图 3 不同分级进水比例条件下阶梯垂直流人工湿地中COD的沿程变化 Fig.3 COD changes among stages of MS-VFCW under different step feeding ratios (1、2和3表示湿地的第1、2和3梯级，不同字母表示差异显著，下同) |
4个进水条件下TN去除效果较为稳定，去除率分别为45.03%±7.74%、48.74%±6.05%、61.70%±4.48%和46.98%±10.34%，对应的质量去除速率分别为1.67±0.38、1.81±0.39、2.28±0.35和1.75±0.53 g/(m2·d) (图 4).分级进水比例为20%时TN去除效果最好，去除率和质量去除速率明显高于其他3种进水方式(P＜0.05)，这与湿地中氮的去除机制有关. Li等[15]的研究发现，采用分级进水方式后垂直流人工湿地对TN的去除率可达60.6%.人工湿地中通过植物吸收和填料吸附去除的氮含量仅占总去除量的3%左右，微生物降解是氮素去除的最主要路径[14].
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图 4 不同分级进水比例条件下阶梯垂直流人工湿地对总氮的去除效果 Fig.4 Total nitrogen removal efficiencies of MS-VFCW under different step feeding ratios |
4个进水条件下进水和各级出水中TN以NH4+-N为主(图 5).进水TN浓度为36.83±3.81 mg/L，4套系统出水TN浓度分别为21.04±2.62、18.73±1.62、14.04±1.65以及19.30±3.10 mg/L.出水TN浓度基本达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级B或者一级A标准.从湿地沿程变化来看，每级出水TN浓度随梯级不断下降，其中分级进水比例为20%的条件下第1级出水浓度为27.66 mg/L，较进水下降了9.17 mg/L. 4套系统第1级对TN去除的贡献率分别为34.50%、41.51%、36.52%和47.24%.考虑到本实验系统第1级虽然是下向流，但填料底部也会存在厌氧区域，一部分NO3--N被还原成N2O、NO和N2去除.本研究试验周期为4—8月，温度较高，且4套系统1级出水平均pH值为7.63，具备厌氧氨氧化发生的条件，研究表明，在没有任何接种和富集的情况下，人工湿地系统中也有厌氧氨氧化细菌存在，可以NH4+-N和NO2--N为电子供体和电子受体，将氮素转化成N2排出系统[16].此外，阶梯垂直流人工湿地第1级填充了对于NH4+-N具有较好吸附作用的沸石，部分NH4+-N可通过沸石的离子交换作用去除.
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图 5 不同分级进水比例条件下阶梯垂直流人工湿地中氮元素的沿程变化 Fig.5 Nitrogen changes among stages of MS-VFCW under different step feeding ratios |
垂直流人工湿地为硝化作用提供了有利条件，但反硝化过程往往受到限制.本研究采用从阶梯垂直流湿地第2级补充污水提供碳源，结合上行水流为系统提供的厌氧环境，强化了反硝化作用，提升了氮的去除效果，因此系统第2级出水TN浓度也在第1级的基础上有大幅降低，系统第2级对TN去除的贡献率分别为42.81%、40.56%、36.71%和31.64%.但分级进水比例并不是越高越好，比较不同系统的2级出水氮元素组成，发现随着2级进水比例的提高，新加入的NH4+-N未能及时转化成NO3--N，导致出水NH4+-N浓度有所增加.二级进水导致出水NO3--N浓度明显下降，分级进水补充的碳源作为反硝化电子供体，促进了NO3--N向N2O、NO和N2的转化.
比较各系统第3级TN出水浓度，发现分级进水比例为20%的第3级出水TN浓度显著低于其他3个处理组，达到了最高的TN去除效果，3个梯级对TN的去除贡献率分别为36.52%、42.11%和21.37%.当第2级进水比例为30%时，TN的去除效率反而呈现下降趋势，可能是因为第2级补充的过多污水中的氮无法完成硝化过程，导致整体的TN去除效率下降.可见分级进水的比例必须控制在合适范围内才能提升该湿地系统的除氮效果. Fan等[17]以蔗糖为外加碳源，研究其不同添加量对垂直流人工湿地TN去除效果的影响，发现当碳氮比为10并添加曝气装置的情况下，TN的去除效率可高达90%.本小试实验出水中仍有部分NH4+-N剩余，可考虑进水曝气以达到更高的TN去除效果. Zhao等[18]模拟生活污水污染物的浓度进行人工配水，研究不同碳氮比(C/N)条件下，小型垂直流人工湿地脱氮效果的差异性，发现当C/N在2.5~5时，TN去除率普遍较高.本研究以生活原污水为补充碳源，随着分级进水比例的提高，2级进水C/N(TOC/NO3--N)由1.83上升到3.06、5.50和10.14.且当C/N为5.50时, TN去除率高达61.70%，随着C/N的进一步增加，TN去除效率不升反降，与Zhao等的结果类似.
2.3 磷去除效果4个分级进水比例条件下，TP去除率为72.14%~81.17%，质量去除速率为0.32~0.36 g/(m2·d)(图 6).同COD相似，各处理间TP去除效果不存在显著性差异，说明进水方式对磷的去除影响不大.实际上，人工湿地中主要通过填料吸附来实现磷的去除[19-20].本实验出水TP浓度基本达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级B标准.
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图 6 不同分级进水比例条件下阶梯垂直流人工湿地对总磷的去除效果 Fig.6 Total phosphorus removal efficiencies of MS-VFCW under different step feeding ratios |
4套系统进水和各级出水中的磷主要以PO43-形式存在，约占进水TP浓度的70.62%. 4个系统出水TP浓度分别为1.16±0.66、0.79±0.52、0.87±0.54和0.84± 0.59 mg/L，各处理之间不存在显著差异(图 7).
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图 7 不同分级进水比例条件下阶梯垂直流人工湿地中磷元素的沿程变化 Fig.7 Phosphorus changes among stages of MS-VFCW under different step feeding ratios |
污水经湿地第1和第2级处理后TP浓度并未显著降低，但经第3级后其浓度明显减少，4套系统第1、2级对TP去除的贡献率平均分别为30.66%和14.97%，第3级对TP去除的贡献率平均为54.37%，表明该湿地系统对磷的去除主要在第3级完成.第3级填料陶粒中富含的氧化钙在基质与磷溶液的混合体系中，与水分子结合形成氢氧化钙，进而电离出钙离子，溶液中的磷酸根离子最终通过非晶体的磷酸钙沉淀去除[21-22].我们在填料对KH2PO4溶液等温吸附的前期实验中发现，陶粒对TP的吸附效果远优于页岩和沸石，陶粒对磷的最大吸附量可达714.29 mg/kg，与蒋丽等[23]的研究结果相当.
沸石、页岩、陶粒都是常见的人工湿地基质，张迎颖等[24]以静态吸附试验研究湿地填料净化磷的性能，发现单一种类填料对TP的去除效果不太理想，通常需要多级连用以达到较好的效果.本研究利用沸石、页岩、陶粒填料，采用3级串联的配置方式，总体上达到了较高的磷去除效率.
3 小结1) 阶梯垂直流人工湿地对COD具有稳定的去除效果，未受到不同分级进水方式的影响，大部分的COD在系统第1级去除，各系统3级出水浓度均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准.
2) 阶梯垂直流人工湿地对TP去除效果明显，各级均具有一定的TP去除能力，其中第3级TP去除贡献最为明显，陶粒有利于污水除磷.系统TP出水浓度基本能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级B标准，可以通过适宜基质的配置进一步降低TP出水浓度.
3) 分级进水比例对系统的氮去除效果影响显著.当该比例为20%时，TN去除效率最高，达61.70%，质量去除速率为2.28 g/(m2·d).该结果可以为阶梯垂直流人工湿地的设计和运行提供依据.分级进水能有效提高氮的去除效率，后续可通过研究反硝化速率以及功能基因丰度等阐明分级进水对系统脱氮的影响及其机制.
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