人工濕地的脫氮效果受微生物?植物?基質(zhì)?水力條件?溫度等多因素的影響，呈多參數(shù)相互關(guān)聯(lián)的非線性復(fù)雜生態(tài)過程，而低溫季人工濕地對TN的去除效果下降又是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的難題。黃翔峰等[1]總結(jié)了國內(nèi)外的研究案例發(fā)現(xiàn)，在冬季低溫條件下，人工濕地對NH3-N?TN 的去除率分別比夏季低12.0% ~40.0%?12.3% ~27.0%。而在我國平原河網(wǎng)地區(qū)，受到氣候?農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的周期變動等影響，冬季原水水質(zhì)TN超標(biāo)又是一個普遍的現(xiàn)象。在內(nèi)外因素的共同作用下，人工濕地在低溫季的脫氮效果面臨著巨大考驗。
目前，國內(nèi)外學(xué)者針對改善人工濕地低溫季TN去除效果開展了若干研究[2-10]，研究對象多為室內(nèi)試驗或中小規(guī)模下的潛流濕地，重點集中在保溫?強化供氧等工程措施。對于表流濕地而言，由于占地面積較大，一般的工程措施從經(jīng)濟(jì)?技術(shù)和管理成本上均不適用，長期以來一直缺少針對性的研究。本文綜述了表流濕地脫氮機理及低溫季限制因素，以鹽城市區(qū)飲用水源地鹽龍湖工程的表流濕地單元為實例，分析了在低溫季該濕地對各形態(tài)氮素的凈化效果，通過回歸分析對影響脫氮效果的因素進(jìn)行了論證，并從優(yōu)化運行度角度出發(fā)，驗證或歸納了若干適用于大型表流濕地處理微污染水體的脫氮效果提升措施。旨在為表流濕地在冬季低溫地區(qū)的應(yīng)用與推廣提供參考，為今后表流濕地的設(shè)計優(yōu)化?運行和研究提供理論依據(jù)。
1 表流濕地脫氮機理及低溫季限制因素
自然界水體中氮素存在的基本形態(tài)為:顆粒有機氮(PON)?溶解有機氮(DON)?氨氮(NH3-N)和硝態(tài)氮[11，12]，不同形態(tài)的氮素在表流濕地中的脫除機理有所不同。含氮水體進(jìn)入表流濕地后，PON可經(jīng)水生植物的莖葉攔截過濾?土壤吸附?離子交換?自然沉降等作用暫時離開水體，但對于連續(xù)進(jìn)水的表流濕地而言，土壤吸附與離子交換僅是一個短暫可逆的過程[11]，沉積在土壤上的PON最終仍將在微生物的分解作用下逐步轉(zhuǎn)化為DON而重新進(jìn)入水體，而DON在氨化細(xì)菌的作用下將轉(zhuǎn)化為NH3-N，其轉(zhuǎn)化速率主要與pH值?水溫有關(guān)[12];NH3-N在水溫適宜?pH值大于9的條件下，可直接通過大氣揮發(fā)去除[11，12]，但由于表流濕地內(nèi)部通風(fēng)條件不佳，通常這一過程并不顯著[13]，部分NH3-N也可通過水生植物根系直接吸收利用，但大部分NH3-N將通過硝化及亞硝化細(xì)菌的作用轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮;硝態(tài)氮可直接被水生植物吸收，但并非主要去除途徑[14]，硝態(tài)氮的最終去除主要依靠表流濕地中的反硝化細(xì)菌在有機碳源存在的厭氧條件下，通過反硝化作用轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮(N2?N2O)離開水體[15，16]。
綜上，影響表流濕地脫氮效果的中間過程及最終途徑的主要因素可分為環(huán)境因素與生物因素兩類，其中環(huán)境因素主要包括:水溫?氮素本底值及其形態(tài)組成?pH值?有機碳源?溶解氧等;生物因素主要包括:水生植物?微生物(氨化細(xì)菌?硝化及亞硝化細(xì)菌?反硝化細(xì)菌等)。表流濕地的脫氮效率具有明顯的季節(jié)性特點[5]。對于環(huán)境因素而言，低溫期水溫降低，原水中總氮濃度通常會受微生物活性下降而有所增加，氮素形態(tài)組成也將發(fā)生相應(yīng)變化;表流濕地土壤有機質(zhì)含量較高，有機碳源的供給量受溫度的影響不大;氧氣的溶解度將隨水溫的降低而大大升高。對于生物因素而言，低溫期大多數(shù)水生植物停止生長并開始枯萎，不僅對氮素?zé)o吸收作用，相反可能會因為植物殘體的浸泡而釋放氮素;各類微生物的生化過程顯著放慢，其中硝化速率在10℃以下受抑制，在6℃以下急劇下降[17]，在4℃以下趨于停止[6]，反硝化速率在15℃ 以下急劇下降[1]，在溫度低于5℃時反硝化速度很慢[11]。
2 鹽龍湖表流濕地單元實例研究
2.1 濕地基本情況
鹽龍湖位于江蘇省鹽城市龍岡鎮(zhèn)境內(nèi)蟒蛇河南岸，是目前我國規(guī)模最大的飲用水源地原水生態(tài)凈化工程，其總占地面積223hm3，按水流方向依次由預(yù)處理區(qū)?濕地生態(tài)凈化區(qū)(挺水植物單元?沉水植物單元)以及深度凈化區(qū)串聯(lián)構(gòu)成。本研究的對象是該工程的挺水植物區(qū)(圖1)，該區(qū)占地規(guī)模約42hm2，由左右對稱的18個表流濕地單元并聯(lián)而成，現(xiàn)階段日均處理水量為2.0×104 m3/d，水深0.3~0.5m，水力停留時間在5~20h之間。濕地基質(zhì)以輕粉質(zhì)壤土?粉質(zhì)粘土組成，按照根系深淺搭配原則，濕地灘面主要種植蘆葦?狹葉香蒲與茭草，3種挺水植物種植面積比例分別約為16.7%?33.3%和50.0%。該表流濕地為連續(xù)不間斷進(jìn)水運行，自2012年6月建成通水以來，目前已穩(wěn)定運行了近2a。濕地對微污染原水有較強的脫氮效果，全年對TN?NH3-N的平均去除率可達(dá)20%和29%左右。
2.2 實驗設(shè)計與實驗方法
本文所述低溫季，是指平均水溫低于硝化-反硝化作用出現(xiàn)急劇下降的轉(zhuǎn)折點(通常認(rèn)為15℃)，水生植物停止生長并完全枯萎的季節(jié)。我國各地氣象?物候條件不盡相同，根據(jù)鹽城地區(qū)的實際情況，將低溫季確定為11月至次年4月。
我們于2013年2—4月?2013年11月—2014年3月期間，在表流濕地的進(jìn)出水口分別設(shè)置取樣點，每旬進(jìn)行3次取樣，共計進(jìn)行82組實驗。其中:(1)在2013年2—4月濕地植物已收割，為全幅運行工況實驗;(2)2013年11月—2014年1月濕地植物未收割，為表流濕地的半幅運行工況實驗;(3)2014年2—3月濕地植物已收割，為表流濕地全幅—半幅交替工況實驗。實驗期間表流濕地連續(xù)進(jìn)水運行，進(jìn)水負(fù)荷根據(jù)調(diào)度需求不斷調(diào)整，日進(jìn)水量在1.0×104 ~4.0×104m3/d之間，水溫變化幅度在3~15℃之間。具體參見污水技術(shù)資料更多相關(guān)技術(shù)文檔。
水質(zhì)實驗的分析指標(biāo)為:總氮(TN)?氨氮(NH3-N)?硝態(tài)氮?水溫以及pH值等。各水質(zhì)指標(biāo)的分析方法來源為國家環(huán)境保護(hù)總局編寫的《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)，有機氮(Org-N)的數(shù)據(jù)為同測次水樣的TN值減去NH3-N與硝態(tài)氮的值所得出。在實驗過程中對濕地的運行工況進(jìn)行了同步記錄。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用了SPSS19軟件。
