常宝军 杨富莹

(天津市市政工程设计研究院，天津 300051)



人工湿地外加植物碳源强化脱氮的应用探讨

常宝军 杨富莹

(天津市市政工程设计研究院，天津 300051)

综述了国内外人工湿地外加植物碳源强化脱氮的研究进展，从脱氮效果、脱氮费用和CO2排放量的角度,分析得出植物碳源比小分子碳源更具明显的优势，并结合其降解难易程度，筛选出了更适合外加碳源的植物。

人工湿地,植物碳源,强化脱氮

0 引言

人工湿地是根据天然湿地净化污水的原理，以自然湿地工艺为主体，联合基质、微生物和植物作用，构建出的一种具有投资省、管理简单、运行费用低廉等优点的生态修复系统。经过近40年的发展，人工湿地作为一种极具潜力的污水脱氮技术，得到国内外的广泛应用。

人工湿地中脱氮的主要途径为植物吸收、填料吸附、氨氮挥发及微生物的硝化—反硝化等。而根据研究，反硝化作用是人工湿地中最主要的途径。有机碳源是湿地反硝化过程的主要限制性因素，对低碳氮比(C/N)水体的治理[1]，如污水厂二级出水、地表水、地下水等，通过外加碳源可以显著提高脱氮效果。污水、小分子有机物、植物秸秆和土壤等均可以作为外源性有机碳源强化湿地反硝化作用效率。研究表明，与其他碳源相比，外加植物碳源更具明显的优势。

1 外加植物碳源强化人工湿地脱氮的应用进展

目前，国内外关于外加植物碳源促进湿地脱氮开展了广泛研究。Fleming-singer和Horne采用外加香蒲枯叶的方式强化表面流人工湿地中硝酸盐的去除。试验设置了三个硝酸盐浓度水平和四个停留时间，结果表明，采用砂子与香蒲枯叶完全混合的反硝化速率低于二者分层填装约33%。成层填装的方式使植物残体沿水流方向的均匀布置，与混合处理相比更有利于硝酸盐的均匀分布处理。反硝化活性的测定结果表明，反硝化作用主要发生在植物层，这主要是由于一方面密集植物的茎和叶比表面积比较大，微生物提供了附着表面；另一方面植物残体分解产生的溶解性有机物为反硝化微生物提供了碳源。

2 外加植物碳源强化人工湿地脱氮的优势

2.1 脱氮效果

不同碳源类型对人工湿地脱氮效果的影响见表1。

表1 不同外碳源对人工湿地脱氮效果的影响

根据表1可以发现，添加小分子有机物或植物秸秆均能使人工湿地脱氮效果达到80%以上，虽然添加小分子有机碳对脱氮的促进作用强于植物秸秆，但是以小分子碳水化合物作为外碳源存在过量投加的风险。采用小分子外碳源，为了使湿地达到稳定的脱氮效果和高效的碳源使用效率，减缓进水水质波动引起的不利条件，需要增加碳源的投加系统，如加药泵、储药池、计量器和配套管路及防治投加过量而设置的监测系统，增加了系统维护的难度和运行费用。

采用植物秸秆作为外碳源时，由于生物碳分解受到附着微生物的制约，一定程度上缓解了传统工艺中使用可溶性有机碳源带来的弊端。同时，将湿地中的植物回收利用，解决了植物收割后无法处理的问题。

2.2 脱氮费用

与小分子碳水化合物相比，植物秸秆作为外加碳源具有独特优势，植物产生的物质可以从湿地中获取，价格低廉。不同外加碳源脱氮费用比较见表2。以小分子有机物为碳源时，去除1 kg氮需要花费19.20元～77.53元。以植物秸秆为碳源时，去除1 kg氮仅需1.26元～19.12元，与小分子有机物相比具有很大优势。

表2 不同碳源的脱氮费用

2.3 CO2排放

采用低分子有机物(葡萄糖、甲醇等)作为外碳源时，不仅会增加系统的投资和运行费用，而且其生产、运输、使用过程都会产生CO2排放[1]。植物生长主要依靠太阳能，且可以从湿地中获取，不会增加系统潜在能耗。根据Vit, et al.和Bruce and Perry对外加碳源产生的CO2理论计算可知，以植物碳源(以纤维素计)作为湿地外加碳源，每去除1 kg氮将产生0.79 kg CO2，而以低分子有机碳则会产生1.96 kg CO2～3.93 kg CO2，是植物碳源的4倍。另一方面，尽管外加的植物碳源在异养作用下将会产生一定量的CO2，但植物碳源碳主要来自光合作用过程从大气中吸收的CO2，不会对大气中CO2产生净增量。

3 外加植物碳源的选择

植物之所以能够成为湿地的碳源，主要是得益于植物体中木质纤维素、纤维素和半纤维素的三种成分。木质纤维素在微生物的水解和代谢作用下可释放单糖和其他营养元素；纤维素经水解可得到葡萄糖，且纤维素水解还会形成一些中间产物，包括纤维素四糖、三糖和二糖等；半纤维素水解产物包括低聚木糖、木糖以及少量阿拉伯糖、葡萄糖及半乳糖等。其中木质素很难被生物降解，而纤维素和半纤维素则相对容易降解，因此植物体中纤维素和半纤维素的含量直接影响植物体作为外加碳源的有效性。表3中列出了几种植物碳源的生物质组成成分。

表3 不同植物的生物质组成成分 %

考虑到植物中的木质素和纤维素含量能够显著影响反硝化速率，根据表3可以发现，作为重要的湿地植物，芦竹不但纤维素和半纤维素含量较高，而且木质素含量较低，是一种较适宜的植物碳源。

4 结语

外加植物碳源可显著的增强人工湿地的脱氮效果，氮素去除率、反硝化速率均有明显的提升。并且植物秸秆作为外加碳源相比小分子碳源具有独特优势，其主要体现在以下两个方面：低成本，去除1 kg氮仅需1.26元～19.12元；低CO2排放量，每去除1 kg氮CO2的产生量是植物碳源的1/4。通过对比几种植物碳源的生物质组成成分，芦竹由于其较低的木质素含量，更适宜作为人工湿地外加的植物碳源。

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Discussing on the application of external plant carbon sources for better denitrification in constructed wetlands

Chang Baojun Yang Fuying

(Tianjin Academy of Municipal Engineering Design, Tianjin 300051, China)

In this paper, the research progress of enhanced nitrogen removal from artificial wetlands at home and abroad was reviewed. From the nitrogen removal, removal of nitrogen costs and CO2emissions summed up the advantage of plant carbon source compared to small molecular carbon source. And compared with the degree of degradation the more suitable plant for additional carbon source is filtered out.

constructed wetland, plant carbon source, enhanced nitrogen removal

1009-6825(2016)12-0108-02

2016-02-18

常宝军(1988- )，男，硕士，助理工程师； 杨富莹(1990- )，男，硕士，助理工程师

X703

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