进水条件对不同类型人工湿地处理效果的对比分析

滕逸飞，汪思宇，单国平，周克梅，吕锡武,*

(1. 东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096；2. 南京水务集团有限公司，江苏南京 210000)

人工湿地以其运行维护简单、改善生态、高效低耗的特点，现已被广泛应用于污水处理领域[1]。传统的人工湿地主要分为表流人工湿地和潜流人工湿地。其中，潜流湿地还可划分为水平潜流人工湿地和垂直流人工湿地；表流湿地占地面积大、污染负荷小、卫生条件较差；潜流湿地的占地面积小、污染负荷大、卫生条件好[2]。

在传统湿地的基础上，发展出了各种经过改进的湿地类型，如复合流湿地、微生物燃料电池耦合人工湿地。其中，潮汐流人工湿地的原型是潜流湿地，原理是通过强化床体内的复氧条件来强化湿地对氮磷的去除效果。其复氧途径主要有2种：一是在排空床体时，因负压，氧气进入床体，二是湿地在排空期时，湿地中氧气浓度的降低与空气中的氧气存在浓度梯度，从而引起对流，氧气进入床体[3]。

传统的潜流人工湿地由于床体的长期淹没，厌氧环境促进了反硝化作用，但也抑制了硝化作用的进行。由此改进的潮汐流人工湿地因床体的好氧环境，强化了硝化反应，但也限制了反硝化的进行，导致TN去除率不高，据研究[3]，对磷的去除效果也较差。在传统湿地的基础上，许多研究者也进行了深入研究。Babatunde等[4]研究了在潮汐流湿地中用明矾污泥强化磷的去除。Nivala等[5]通过监测15个中试规模的潜流湿地系统，研究了不同深度、基质和运行方式下的湿地处理效果差异。

很多学者都对表面水力负荷、碳氮负荷、运行方式等参数对湿地的影响做了大量研究，但不同进水条件对湿地处理效果影响的研究较少。因此，本文探究不同进水条件对湿地处理效果的影响。

本研究在确定湿地最优参数的基础上，通过改变进水的C/N和氮素组成，以潜流人工湿地和潮汐流人工湿地为研究对象，对比分析水质因素变化对不同湿地类型的出水水质影响，同时对床体内基质生物膜的微生物指标进行了简单的机理分析，以期为人工湿地处理技术提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验装置

图1 潜流及潮汐流湿地一体化处理装置Fig.1 Integrated Treatment Device for Subsurface Flow and Tidal Flow Wetland

1.2 试验处理

1.2.1 进水水质

试验用水为人工配置的模拟污水，污水存于装置旁500 L的配水桶中，主要水质指标如表1所示。

表1 实验室条件及配水水质指标Tab.1 Laboratory Conditions and Water Quality Indicators

1.2.2 湿地基本参数确定

在湿地开始运行前，移栽蕹菜。潮汐流人工湿地的装置中栽种20株空心菜苗，待缓苗成活后，开始运行湿地，运行期间室温约为30 ℃，湿地进水水质依照配水水质。

潮汐流人工湿地需要确定湿地的淹没时间和闲置时间。考虑到双因素影响试验，采用好点推进法进行优选[7]。首先确定最佳淹没时间，在此基础上确定最佳闲置时间。淹没时间分别取2、4、8、12、16、20、24、30、32、34、36、38、40 h进行初步连续监测，在选定的范围内确定最佳淹没时间。选定淹没时间后，水平的闲置时间，在稳定运行2个周期后，对下一个周期进行测定，找出最佳闲置时间。选取水力负荷为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m3/(m2·d)5个水平，确定潜流湿地的最佳水力负荷。潜流湿地的栽种密度同潮汐流湿地，为100株/m2，与潮汐流湿地中的为同一批。装置进水采用蠕动泵进水。

1.2.3 C/N和氮素组成

1.3 取样方法

1.3.1 水质监测取样方法

湿地进水配制均匀后，在进水时取样；潮汐流人工湿地在到达运行周期后取样，每次取样用一次性注射器接软管在湿地中部位置进行取样；潜流人工湿地在到达水力停留时间后，在出水处进行取样；每次取样各采集3个平行样，采用100 mL聚乙烯瓶存放，取样完毕后加酸调至pH值<2，置于4 ℃保存。

1.3.2 微生物取样方法

在进水条件试验结束后的试验末期，2种湿地稳定运行几个周期后进行取样。由于湿地的稳定运行和湿地的深度问题，仅在湿地近一半、不破坏植物和植物根系的位置取新鲜的绿沸石基质，用工具在2块湿地的中间位置各取相同深度的新鲜基质，采集时避开植物根系，采集后混合均匀，待用。再取未使用过的基质作为对照，试验时各作3个平行样。

1.4 分析方法

1.4.1 水质分析

1.4.2 基质微生物分析

微生物量的测定[8]：称取陶瓷坩埚质量为X0，取一定量的基质置于陶瓷坩埚内，放入烘箱，在105 ℃条件下烘干后称重X1，再放入马弗炉中以700 ℃灼烧，烧后称重X2，得到单位质量基质上的微生物量为(X1-X2)/(X1-X0)。

微生物酶活性[9]：将10 g基质放入50 mL锥形瓶中，将配置好的磷酸缓冲液(pH值=7.60)和0.4 mL荧光素二乙酸酯(FDA)加入锥形瓶中，恒温振荡2 h后，立即加入15 mL氯仿/甲醇(2∶1)，溶液分层后取上层清液离心过滤，最后在分光光度计上以490 nm的波长测定吸光度。经研究[10]，2∶1的氯仿/甲醇作为反应停止剂的效果最佳，能停止长达50 min。

1.5 数据处理

水质指标分析采用Excel和Origin 8.5进行统计和绘图，用SPSS 25.0处理试验数据。

2 结果与分析

2.1 湿地基本参数的确定

图2 潮汐流人工湿地出水指标随淹没时间变化Fig.2 Variation of Effluent Index of Tidal Flow Constructed Wetland with Submersion Time

提取的总RNA经琼脂糖凝胶电泳鉴定，可见较清晰的条带，表明总RNA降解较少，且无DNA污染。计算得ROR-γt、Foxp3和β-actin基因的扩增效率分别为96%、98%和95%，扩增效率接近于100%，扩增效率达到最佳，因此所用比较Ct的2-ΔΔCt法计算的基因相对表达量结果更接近于真实值，ROR-γt(A)、Foxp3(B)和 β-actin(C)基因各组的扩增曲线，见图1。

图3 潮汐流人工湿地出水指标随闲置时间的变化Fig.3 Variation of Effluent Index of Tidal Flow Constructed Wetland with Idle Time

将不同闲置时间的各项指标进行权重综合评价，5项水质指标权重同为0.2，得到表2。由表2可知，综合评价最高的为6 h，因此，考虑将闲置时间定为6 h。

表2 闲置时间-去除率间接评分加权和直观分析计算Tab.2 Idle Time-Removal Rate of Indirect Score Weighting and Visual Analysis Calculation

5个水平的水力负荷试验结果如图4所示。随着水力负荷的增大，出水的各项水质指标均有不同程度的下降，结合潮汐流湿地的停留时间，最后考虑将潜流湿地的水力负荷定为0.4 m3/(m2·d)，便于后续的对比分析。在水力负荷为0.4 m3/(m2·d)时，处理效果处在最佳范围，水力负荷继续上升，停留时间变短，反硝化所需时间不足，处理效果有较大程度的下降。

由于后续需要进行进水因素的研究，将湿地调整为最佳运行参数。最后，将潮汐流湿地的淹没闲置时间比定为36 h∶6 h，潜流湿地的水力负荷确定为0.4 m3/(m2·d)。此时，潜流湿地的水力停留时间为36 h，进水流量为48 L/d。

图4 潜流人工湿地出水指标随水力负荷的变化Fig.4 Variation of Effluent Water Index of Subsurface Flow Constructed Wetland with Hydraulic Load

2.2 C/N对出水效果的影响

图5 潮汐流和潜流人工湿地出水指标随C/N的变化Fig.5 Variation of Effluent Water Index of Tidal Flow and Subsurface Flow Constructed Wetland with C/N Ratio

2.3 氮素组成对出水效果的影响

图6 潮汐流和潜流人工湿地出水指标随氮素组成的变化Fig.6 Variation of Effluent Water Index of Tidal Flow and Subsurface Flow Constructed Wetland with Nitrogen Composition

2.4 基质微生物分析

对湿地装置中取出的基质进行微生物分析，结果如表3所示。潮汐流人工湿地中的微生物量高于潜流人工湿地。

表3 基质微生物指标Tab.3 Substrate Microorganism Index

微生物的酶活性方面，在数据上两者的关系与微生物量成正比。潮汐流湿地的基质微生物酶活性高于潜流湿地，这是由于与潜流湿地的厌氧环境相比，潮汐流湿地周期性好氧-缺氧/厌氧交替运行，改善了湿地内部的氧环境，存在的好氧环境利于好氧微生物的生长。由表3可知，2种湿地的基质微生物量比蒋炳伸等[9]研究的绿地土壤微生物活性均较高，主要是由于绿沸石的表面粗糙多孔，粒径较小，比表面积大，易于生物膜的附着生长。

3 结论

本研究运行了潮汐流人工湿地和潜流人工湿地，控制2种类型湿地的外部条件，研究潮汐流人工湿地的最佳淹没时间和最佳闲置时间。在此基础上，分别改变进水C/N和氮素组成，对2种类型的人工湿地进行对比分析，同时结合湿地内部的微生物指标对湿地的运行方式进行分析，得出以下结论。