氮作為引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素之一，從水體中脫除氮素對(duì)保護(hù)水環(huán)境具有重要意義 〔1〕。人工濕地作為一種節(jié)能的生態(tài)污水處理技術(shù)，其可承受較大的水力負(fù)荷和污染物負(fù)荷，尤其適用于去除水中的有機(jī)物、懸浮物和氮磷，是控制水環(huán)境點(diǎn)源和非點(diǎn)源氮污染的有效技術(shù)〔2〕。人工濕地中存在多種脫氮機(jī)理，包括植物吸收、基質(zhì)吸附、氨揮發(fā)、硝化-反硝化等，其中硝化-反硝化被認(rèn)為是zui主要的脫氮過(guò)程〔3〕。研究表明，硝化-反硝化除氮量占氮去除總量的60%～86%〔4〕。

　　硝化-反硝化過(guò)程中，硝化反應(yīng)主要受制于濕地溶解氧水平的高低，而反硝化反應(yīng)則受制于碳源供給量的多少〔5〕。受限于濕地的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部溶解氧水平普遍較低，抑制了好氧微生物的活動(dòng)和各種生化反應(yīng)的進(jìn)行，嚴(yán)重影響了人工濕地脫氮除污的效果 〔6〕。此外，目前很多城市污水的碳氮比值普遍偏小，并且難降解有機(jī)物在其中占有一定的比重〔7〕，不利于濕地反硝化作用的正常進(jìn)行，也嚴(yán)重影響了濕地脫氮的效率〔8〕。投加外碳源可以有效提高人工濕地的反硝化速率。然而，補(bǔ)充過(guò)量碳源又會(huì)因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)溶解氧而限制硝化反應(yīng)的有效進(jìn)行。如何同時(shí)保障硝化-反硝化這一重要脫氮機(jī)制的暢通是提高濕地脫氮效率的關(guān)鍵所在。

　　在目前已有研究中，對(duì)于通過(guò)提高溶解氧水平和投加外碳源來(lái)改善濕地脫氮效果的研究已有不少報(bào)道，但對(duì)溶解氧和碳源在人工濕地脫氮中耦合關(guān)系的分析卻鮮有報(bào)道，也缺乏系統(tǒng)總結(jié)。筆者對(duì)溶解氧和碳源在人工濕地脫氮中的作用及主要來(lái)源進(jìn)行了描述，重點(diǎn)論述并分析了溶解氧和碳源在人工濕地脫氮中的耦合關(guān)系，對(duì)同時(shí)保障濕地硝化-反硝化這一重要脫氮機(jī)制的暢通提出了建議。

　　1 溶解氧和碳源的作用及其主要來(lái)源

　　1.1 溶解氧與濕地脫氮

　　污水中的氮主要以有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮兩種形態(tài)存在。污水進(jìn)入人工濕地后，有機(jī)氮被氨化成無(wú)機(jī)氮，通過(guò)硝化及反硝化作用進(jìn)一步被去除。硝化作用受床體中溶解氧(DO)含量的影響很大，當(dāng)濕地中DO含量足已支持好氧硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)時(shí)，硝化反應(yīng)才得以順利進(jìn)行〔9〕。許多文獻(xiàn)中提到DO質(zhì)量濃度超過(guò)1.5 mg/L才是硝化反應(yīng)發(fā)生的先決條件〔10〕;當(dāng)DO濃度過(guò)低時(shí)，不僅降低硝化反應(yīng)速率和總脫氮率，而且出現(xiàn)亞硝酸鹽的積累，但是人工濕地系統(tǒng)中的氧不僅僅被消耗于氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的降解，還被消耗于有機(jī)物質(zhì)的降解，本就有限的DO含量在濕地系統(tǒng)脫氮過(guò)程中就變得更為有限。因此，濕地氧環(huán)境關(guān)系到濕地的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及其凈化效果〔11〕。提高濕地硝化脫氮的效果，關(guān)鍵在于改善濕地內(nèi)部的供氧環(huán)境，增加DO含量。

　　人工濕地中的DO主要來(lái)源于植物輸氧作用、大氣復(fù)氧和水體更新復(fù)氧〔12〕。大氣復(fù)氧是濕地供氧的主要來(lái)源，對(duì)濕地系統(tǒng)的有效除污及正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要意義。溫度對(duì)人工濕地中大氣復(fù)氧量有重要影響〔13〕。標(biāo)準(zhǔn)氣壓下飽和DO濃度公式為：

　　Os=14.54-0.39T+0.01T2

　　式中：Os——飽和DO質(zhì)量濃度，mg/L;

　　T——溫度，℃。

　　水體更新復(fù)氧的特點(diǎn)是人工濕地系統(tǒng)內(nèi)水體的每次更新，都會(huì)帶入所有進(jìn)水中的溶解氧〔14〕。植物輸氧的特點(diǎn)是人工濕地中植物能將光合作用產(chǎn)生的氧通過(guò)氣道輸送至根區(qū)，并在根區(qū)附近形成好氧、厭氧和缺氧的根區(qū)微環(huán)境，為根區(qū)的好氧、兼性和厭氧微生物發(fā)揮功效提供了適宜的生存環(huán)境〔15〕。其中，植物輸氧和大氣復(fù)氧是人工濕地自然供氧的主要途徑。不同類型濕地由于構(gòu)造的不同，對(duì)氧的主要獲取途徑也存在差異。對(duì)于表面流人工濕地，通過(guò)水體表面可以直接進(jìn)行大氣復(fù)氧。而對(duì)于潛流式人工濕地，由于污水流動(dòng)方式和基質(zhì)的阻礙作用，大氣復(fù)氧只能提供非常有限的氧含量，植物輸氧作用是潛流式人工濕地中溶解氧的主要來(lái)源。和水平潛流人工濕地相比，垂直流人工濕地*的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水利流態(tài)使其更有利于濕地內(nèi)部的供氧，創(chuàng)造出較好的氧環(huán)境〔11〕。考慮到垂直流人工濕地有較好的硝化能力，水平潛流人工濕地反硝化作用較好，兩者結(jié)合構(gòu)建復(fù)合人工濕地技術(shù)已成為提高濕地脫氮除污效果的一種有效途徑。但是，通常大氣復(fù)氧及植物輸氧無(wú)法滿足污水中各類污染物質(zhì)的生化需氧量，也進(jìn)一步造成濕地因缺乏足夠的溶解氧而無(wú)法有效地去除各類污染物質(zhì)，嚴(yán)重影響了濕地的脫氮除污效果。為了提高人工濕地對(duì)多種污染物的去除效率，各類人工增氧技術(shù)已逐步被應(yīng)用到人工濕地中，主要包括改進(jìn)濕地工藝設(shè)計(jì)和進(jìn)水方式、自動(dòng)增氧、進(jìn)水預(yù)曝氣和鋪設(shè)曝氣管等〔15〕。合理應(yīng)用各類增氧技術(shù)對(duì)提高濕地溶解氧水平和增加濕地脫氮效率起著重要作用。

　　1.2 碳源與濕地脫氮

　　根據(jù)反硝化原理，反硝化過(guò)程是NO3-在反硝化細(xì)菌的作用下被還原為N2或N2O從污水中溢出，其中反硝化菌可以利用碳源作為電子供體來(lái)脫氮，因此碳源對(duì)濕地反硝化脫氮效果的影響很大〔16, 17〕。

　　人工濕地中的碳源主要包括進(jìn)入濕地的污水中所含的碳源、內(nèi)源碳和外加碳源。濕地中的內(nèi)碳源主要包括微生物分解或植物根系分泌產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)、植物枯落物分解產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)和基質(zhì)中沉積的有機(jī)物質(zhì)。外加碳源包括糖類物質(zhì)(葡萄糖、蔗糖、果糖等)和液體碳源(甲醇、乙醇、乙酸等)為主的易生物降解的傳統(tǒng)碳源〔18〕、天然植物材料(植物秸稈、農(nóng)業(yè)廢棄物、植物枯葉等)和天然有機(jī)物(報(bào)紙、棉花、稻殼等)為主的新型碳源〔19〕。

　　以糖類物質(zhì)和液體碳源為外加碳源時(shí)，費(fèi)用較高，同時(shí)也增加了處理工藝的運(yùn)行成本，且甲醇、乙酸等有機(jī)碳源具有一定毒性，也進(jìn)一步阻礙其開(kāi)發(fā)使用。為了進(jìn)一步降低水體脫氮的成本，一些來(lái)源充足、取材方便且成本低廉的天然植物材料和天然有機(jī)物等新型碳源正日益受到廣泛關(guān)注〔20〕。已有研究表明〔21〕，以天然植物材料為代表的新型碳源因本身富含纖維素類物質(zhì)，通過(guò)合理利用可以有效解決人工濕地處理低碳氮比污水時(shí)脫氮效率低的難題。

　　2 溶解氧和碳源在脫氮中的耦合關(guān)系分析

　　在濕地硝化-反硝化脫氮的過(guò)程中，硝化反應(yīng)只是將NH4++-N轉(zhuǎn)化成NO3--N，并沒(méi)有從根本上使氮從水體中脫除。而反硝化作用則是將NO3--N轉(zhuǎn)換成N2或N2O，zui終使水體中的氮轉(zhuǎn)化成氣態(tài)氮逸出系統(tǒng)。因此，反硝化反應(yīng)往往被認(rèn)為是控制濕地脫氮的限制性因素〔22〕。有機(jī)碳源是反硝化作用主要的電子供體，碳源的不足是制約反硝化的關(guān)鍵因素。補(bǔ)充碳源提高了水體中的碳氮比，為微生物反硝化作用提供了充足的電子供體，因此提高進(jìn)水碳氮比被認(rèn)為是提高濕地反硝化脫氮效果的有效途徑〔23〕。但是隨著碳氮比的增加，造成在硝化階段碳源與NH4++-N競(jìng)爭(zhēng)消耗溶解氧，導(dǎo)致NH4++-N因缺乏足夠的溶解氧而無(wú)法有效地去除和轉(zhuǎn)化。陳慶昌等〔17〕研究也發(fā)現(xiàn)，碳氮比越大，人工濕地系統(tǒng)對(duì)NH4++-N的去除效果越差，碳氮比的提高抑制了濕地硝化作用的進(jìn)行，從而抑制了NH4++-N的有效轉(zhuǎn)化，NH4++-N去除率隨碳氮比提高而降低。因此，合理調(diào)整濕地進(jìn)水中的碳氮比被認(rèn)為是提高濕地脫氮效率的關(guān)鍵所在。

　　Yi Ding等〔4〕研究發(fā)現(xiàn)，在濕地系統(tǒng)進(jìn)水時(shí)檢測(cè)到的DO介于3.8~4.7 mg/L，而出水時(shí)檢測(cè)到的DO僅為0.5~1.7 mg/L，DO主要通過(guò)好氧呼吸和化學(xué)需氧的過(guò)程被消耗?？紤]到部分DO可能在氧化有機(jī)物質(zhì)的過(guò)程中已經(jīng)被消耗，可供硝化反應(yīng)發(fā)生的氧含量更加有限。隨碳氮比的提高，DO含量減少，同時(shí)NH4++-N去除率隨碳氮比的升高而降低。碳氮比為6.0被認(rèn)為是zui適宜的進(jìn)水碳氮比，此時(shí)總氮平均去除率達(dá)51%。連小瑩等〔24〕研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)潛流式人工濕地進(jìn)水碳氮比由2.0增大到6.0時(shí)，總氮的去除效率由45%提高到70%;而當(dāng)進(jìn)水碳氮比由6.0增大到14.0時(shí)，總氮的去除效率僅由70%提高到85%，提高的幅度相對(duì)較小。潛流式人工濕地對(duì)總氮的去除效率隨NH4++-N/TN的增加而降低，隨著NO3--N/TN的增加而提高。碳氮比為6.0是系統(tǒng)中有機(jī)物濃度成為濕地脫氮限制性因素的臨界點(diǎn)，因此也被認(rèn)為是zui適宜的進(jìn)水碳氮比值。陳慶昌等〔17〕研究發(fā)現(xiàn)，碳氮比為7.1~8.1是系統(tǒng)脫氮zui適宜的進(jìn)水碳氮比值。賈文林等〔23〕研究發(fā)現(xiàn)，TN 的去除率隨碳氮比的增大而逐漸提高，當(dāng)碳氮比為5時(shí)，TN去除率能達(dá)到63.8%，當(dāng)碳氮比大于5后，TN去除率變化不大。NH4++-N去除率隨著碳氮比的增加而降低。碳氮越高，反硝化過(guò)程越*，NO3--N的去除也越*。因此，碳氮比為5.0被認(rèn)為是系統(tǒng)脫氮的zui適宜進(jìn)水碳氮比值。通過(guò)合理調(diào)控進(jìn)水碳氮比，不僅能提高系統(tǒng)脫氮效率，還能降低系統(tǒng)脫氮的成本〔21〕。上述已有研究表明進(jìn)水碳氮比為5.0~8.0是充分發(fā)揮人工濕地硝化-反硝化脫氮效果的進(jìn)水范圍。

　　3 結(jié)論

　　溶解氧和碳源是影響人工濕地硝化-反硝化脫氮的兩個(gè)關(guān)鍵因素。其中，硝化反應(yīng)主要受制于濕地溶解氧水平的高低，而反硝化過(guò)程則受制于碳源供給量的多少。氮的去除主要是依靠微生物的反硝化作用使其轉(zhuǎn)化為氣體逸出系統(tǒng)。因此，在進(jìn)水總氮濃度一致的情況下，進(jìn)水中有機(jī)物濃度的增加有利于反硝化過(guò)程的順利進(jìn)行。但是隨著碳氮比的增加，造成在硝化階段碳源與NH4++-N競(jìng)爭(zhēng)消耗溶解氧，導(dǎo)致NH4++-N因缺乏足夠的溶解氧而無(wú)法有效地去除和轉(zhuǎn)化。因此，合理調(diào)整濕地進(jìn)水中的碳氮比被認(rèn)為是提高濕地脫氮效率的關(guān)鍵所在。通過(guò)合理調(diào)控進(jìn)水碳氮比，還能降低系統(tǒng)脫氮的成本。通過(guò)對(duì)人工濕地中溶解氧水平和碳源含量之間耦合關(guān)系的界定分析，從而確定zui適宜的進(jìn)水碳氮比值，已有研究表明進(jìn)水碳氮比為5.0~8.0是充分發(fā)揮人工濕地硝化-反硝化脫氮效果進(jìn)水范圍。