人工湿地因其造价低、 无二次污染等优点广泛应用于我国农村地区^[1,2]. 然而传统人工湿地在脱氮和复氧方面存在的诸多缺陷限制其广泛地应用和发展^{[3, 4, 5]}. 人工湿地能够很好地去除BOD、 TSS和大肠杆菌等^[6]，却不能很好地脱氮^{[4, 7, 8, 9]}. 硝化反硝化作用被认为是湿地脱氮的最主要形式^[4,9]，这就要求人工湿地中要有明确的好氧环境和缺氧环境供硝化菌和反硝化菌的生长^[10]，并在缺氧段有足够的碳源保证反硝化反应的发生^[11]. 目前常用的跌水复氧^[12]、 通气管复氧^[13]等增氧方式只能单方面解决湿地供氧不足的缺陷，无法在单级湿地内部营造好氧、 缺氧环境，过度的充氧反而会抑制反硝化反应的进行，不利于TN的去除. 湿地中反硝化碳源可以分为以下三类^[14]：污水中的碳源、 湿地系统内的碳源和外加碳源. 湿地系统内碳源主要依靠植物根系释放、 植物死亡分解，远远满足不了反硝化的需要^[15]. 甲醇、 乙醇等低分子有机物被认为是理想的外加碳源，但该类物质存在一些不容忽视的缺点，如本身的毒性会对环境造成潜在的危害，且管理要求高、 出水COD也高，同时增加运行管理费用^[14]. 因此合理利用污水中的碳源促进反硝化反应发生对于增强人工湿地脱氮具有重要意义. 有学者^[16,17]通过间歇曝气的方式同时实现了对湿地供氧和增强反硝化脱氮，但对于如何优化间歇曝气的运行参数未能继续深入研究. 本研究通过对间歇曝气中两个重要参数(周期内曝气时间与间歇时间的比例、 间歇曝气周期)进行优化来探讨间歇曝气提高湿地脱氮能力的内在机制.

如图 1(a)所示，实验场地在上海市闵行污水处理厂内，实验进水取自污水厂沉砂池后集水井. 湿地反应柱由蠕动泵控制进水流量. 湿地反应柱结构见图 1(b)，由高2 m、 直径0.4 m的PVC圆柱制成，柱体填充高1.5 m、 粒径10 mm左右的瓜子片作为湿地基质，其上覆土0.2 m作为布水层，进水管设置在覆土中央. 控制湿地淹没水深0.45 m作为缺氧段. 曝气管安装在0.5 m高度位置，与气泵相连，由气体流量计控制流量，时控开关控制曝气时间. 在1.1 m位置填埋穿孔管，外部安装球阀，用于测定基质内部氧气含量. 在0.4 m处设置采样口用于测定进入缺氧段的污水，底部设置排空管.

图 1

Fig. 1

图 1 人工湿地实验场地及装置 Fig. 1 Experimental site and configuration of the constructed wetland

实验中主要测定的污染物和相关指标以及使用的仪器见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 实验中检测方法及使用仪器 Table 1 Detection methods and instruments used in the experiment 序号 检测项目 检测方法 主要仪器 1 COD 重铬酸钾法 恒温加热器 2 SCOD 重铬酸钾法 恒温加热器、 抽滤装置 3 NH4+-N 纳氏试剂分光光度法 分光光度计 4 TN 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法 高压蒸汽灭菌锅、 分光光度计 5 NO3--N 酚二磺酸分光光度法 分光光度计 6 pH — WTW手持式多参数水质测试仪 7 水温 — WTW手持式多参数水质测试仪 8 DO — WTW手持式多参数水质测试仪 9 O2 — Oxyman氧气测量仪

表 1 实验中检测方法及使用仪器 Table 1 Detection methods and instruments used in the experiment

实验期间湿地反应柱进水水质见表 2.

表 2(Table 2)

表 2 实验期间进水水质 Table 2 Water quality of the influent during the experiment period 项目 COD/mg·L-1 SCOD/mg·L-1 NH4+-N/mg·L-1 TN/mg·L-1 水温/℃ DO/mg·L-1 范围 168.7~357.2 104.4~168.3 26.6~38.6 32.3~45.2 18.6~26.4 0~0.18 均值 262.2 135.8 35.5 41.7 21.7 0.06

表 2 实验期间进水水质 Table 2 Water quality of the influent during the experiment period

本实验分为间歇曝气比例实验(2015-04-30~2015-06-04)和间歇曝气周期实验(2015-06-10~2015-07-15)两个部分. 控制水力负荷0.7 m³·(m²·d)^-1，瞬时曝气量0.5L·min^-1(气水比8:1). 实验具体工况如表 3所示.

表 3(Table 3)

表 3 实验工况 Table 3 Experiment conditions 装置编号 比例实验 周期实验 周期 曝气时间/间歇时间(比例) 比例 曝气周期(曝气与不曝气时间) A 6 h 4 h/2 h (2∶1) 3∶1 2 h (1.5 h/0.5 h) B 6 h 4.5 h/1.5 h (3∶1) 3∶1 3 h (2.25 h/0.75 h) C 6 h 4.8 h/1.2 h (4∶1) 3∶1 4 h (3 h/1 h) D 6 h 5 h/1 h (5∶1) 3∶1 6 h (4.5 h/1.5 h) E 对照组 连续曝气 3∶1 8 h (6 h/2 h)

表 3 实验工况 Table 3 Experiment conditions

间歇曝气比例实验中，湿地按照设定的运行参数挂膜两周后出水水质基本稳定，每隔2 d对进出水污染物质量浓度进行测定，期间共进行11次水质测定. 各湿地反应柱出水污染物质量浓度情况如图 2所示. 从图 2(a)和2(b)中可以看出，周期内随着曝气时间与不曝气时间比例的增大，出水COD和NH₄⁺-N平均质量浓度逐渐降低. 当该比例达到3:1时，出水COD和NH₄⁺-N平均质量浓度分别为54 mg·L^-1和6.1 mg·L^-1，均能达到城镇污水处理厂一级B排放标准^[18]. COD和NH₄⁺-N的去除依赖于氧气的供给^[19]，好氧条件有利于微生物对有机物的降解，而NH₄⁺-N的去除途径主要依靠硝化菌的硝化作用. 因此在同一周期内，随着曝气时间的延长，湿地内部氧气的供给量越充足，其去除率也就越高，实验结果充分证明了这一点.

图 2

Fig. 2

图 2 各湿地反应柱出水污染物浓度 Fig. 2 Effluent pollutant concentrations of different reaction columns

从图 2(c)中可以看出，间歇曝气的A~D反应柱出水TN质量浓度均低于连续曝气的E反应柱，E反应柱出水TN质量浓度平均值为21.1 mg·L^-1，去除率仅为49.4%； 而间歇曝气的A~D反应柱出水平均质量浓度均在18 mg·L^-1以下. 其中比例为3:1时，出水TN质量浓度最低，仅为15.8 mg·L^-1，去除率较连续曝气提高了20.5%.

间歇曝气周期工况中共进行10次水质测定. 各湿地反应柱出水污染物质量浓度情况如图 3所示. 从图 3(a)中可以看出，随着曝气周期长度增加，湿地对COD的去除能力大体上在不断下降. 反应柱A曝气周期为2 h时，COD出水质量浓度最低，平均质量浓度仅为27.5 mg·L^-1，去除率达到89.5%； 反应柱E曝气周期为8 h时，COD出水质量浓度最高，平均质量浓度为57 mg·L^-1，去除率为78.3%. 反应柱B、 C曝气周期分别为3 h和4 h，其出水COD平均质量浓度较为接近.

图 3

Fig. 3

图 3 各湿地反应柱出水污染物浓度 Fig. 3 Effluent pollutant concentrations of different reaction columns

从图 3(b)中可以看出，湿地对NH₄⁺-N的去除表现出与COD十分相似的规律. 随着曝气周期长度的增加，湿地对NH₄⁺-N的去除率逐渐下降. 反应柱A出水NH₄⁺-N质量浓度最低，仅为3 mg·L^-1，去除率达到91.5%； 反应柱B、 C的NH₄⁺-N出水平均质量浓度较为接近，分别为3.9 mg·L^-1和4.1 mg·L^-1. 而反应柱D和E出水NH₄⁺-N质量浓度相对较高，分别为5.3 mg·L^-1和5.5 mg·L^-1. 总体而言，湿地对NH₄⁺-N的去除效果均较为理想. 各反应柱出水NH₄⁺-N平均质量浓度均能达到城镇污水处理厂污染物排放一级B标准.

从上面的实验结论可以看出，随着曝气周期的不断延长，湿地对COD和NH₄⁺-N的去除呈现相同的趋势，即曝气周期越长，出水质量浓度越高. 曝气周期直接影响湿地的供氧频率，周期越短，湿地供氧越频繁，因而对湿地内部复氧越有利. 这点从图 3(d)各湿地出水溶解氧不难得到证明. 随着曝气周期的延长，湿地出水溶解氧平均质量浓度呈现下降趋势. 周期最短的反应柱A出水DO质量浓度能达到0.91 mg·L^-1，而周期最长的E反应柱出水DO平均质量浓度仅为0.55 mg·L^-1.

用土壤氧气测定仪在反应柱1.1 m位置对土壤中氧气含量进行测定，对每个湿地反应柱从曝气周期开始进行测定，每隔30 min测一次，直至周期结束. 测定结果如图 4所示.

图 4

Fig. 4

图 4 各反应柱周期内基质含氧量的变化 Fig. 4 Change of oxygen content in the substrate of different reaction columns during the cycle

从图 4中可以清楚地看出不同曝气周期条件下各湿地内部基质的含氧量变化情况. 空气中氧含量为20.9%，反应柱A曝气周期为2 h，曝气周期刚开始时，基质中氧含量仅为20.1%. 一旦曝气开始，基质中氧含量迅速恢复到大气中的水平，即为20.9%，当在1.5 h时曝气停止，此时氧含量逐渐下降，下降到20.1%时新一轮的曝气周期又开始. 因此对于曝气周期较短的反应柱A，湿地中耗氧微生物无法在较短时间内大量消耗掉氧气，致使湿地中含氧量始终保持在较高水平(20%以上)，这就造成湿地出水溶解氧质量浓度较高、 对COD和NH₄⁺-N的去除率高于其他四组. 而同理可以分析其他四组基质内氧含量变化情况，随着曝气周期的延长，湿地内基质氧含量在曝气间歇时下降逐渐增大，这也就导致其缺氧段污水溶解氧逐渐降低，同时在好氧段对COD和NH₄⁺-N的去除率也逐渐减低.

人工湿地在间歇曝气的运行模式下，曝气时间与不曝气时间的比例决定着整个运行过程中湿地内部处于好氧状态和缺氧状态的时间比例，直接影响着湿地的供氧量，该比例过大不仅使运行成本增加也不利于创造反硝化环境； 过小则提供不了湿地污染物去除所需要的氧量.

湿地TN的去除主要依赖于硝化反硝化作用，需要湿地有好氧缺氧交替环境. 好氧条件下NH₄⁺-N发生硝化反应被转化为硝态氮，进入缺氧环境后在反硝化菌的作用下发生反硝化反应产生氮气使得TN被去除. 一般认为溶解氧高于0.5 mg·L^-1会对反硝化菌产生抑制作用^[20]，一定程度上阻碍反硝化反应的进行. 从图 2(d)中可以看到，在连续曝气的条件下，反应柱出水DO平均质量浓度高达1.1 mg·L^-1，无法满足反硝化所需要的缺氧环境，因此总氮去除率较低. 大部分反硝化菌为异养菌，它们以有机物作为电子供体还原硝态氮. 因此除了缺氧环境，碳源也是反硝化反应必不可少的因素. 反硝化菌优先利用易降解的有机物作为碳源，一般以溶解性COD值作为碳源，硝酸盐氮作为氮源，通过二者的比值(即C/N)来衡量反硝化反应是否能够充分进行^[21]. 将湿地反应柱0.4 m高度采样口的水样作为进入缺氧段前的水样，对其SCOD和硝酸盐氮进行测定，结果如图 5所示.

图 5

Fig. 5

图 5 缺氧区SCOD、 硝酸盐氮质量浓度及碳氮比 Fig. 5 Concentrations of SCOD, nitrate and C/N in the anoxic zone

从图 5可以看出，随着周期内曝气时间的延长，曝气间歇时间缩短，进入缺氧段的污水SCOD质量浓度逐渐减低，硝酸盐氮质量浓度逐渐升高，因此造成C/N值逐渐降低，当曝气与不曝气时间比例为2:1时，C/N为9.4，而连续曝气时该值仅为0.9. 结合图 2(c)不难发现，连续曝气时湿地TN去除率最低，一方面由于缺氧段DO质量浓度较高，不利于反硝化反应的发生； 另一方面，缺氧段碳源质量浓度过低，C/N值仅为0.9，无法满足反硝化菌对碳源的需求. 从反应柱E~B，曝气时间逐渐减少，TN去除率逐渐升高，这是由于随着曝气时间缩短，进入缺氧段的碳源逐渐增多，C/N值逐渐升高，从而TN去除率逐渐升高. 而反应柱A的C/N值高达9.4，而TN的去除率却低于反应柱B. 反应柱A在曝气时间与不曝气时间比例为2:1的条件下进入缺氧段的硝酸盐氮只有6.8 mg·L^-1，在好氧段硝化能力不足导致缺氧段硝酸盐氮质量浓度成为反硝化反应的限制因素，从而导致TN去除率降低.

因此不难得出结论，传统人工湿地由于复氧能力有限，硝化能力不足，硝酸盐氮质量浓度低成为反硝化反应的制约因素，从而导致TN去除率低； 而连续曝气时，湿地内有机物被大量去除导致反硝化碳源不足，同样制约反硝化反应，导致TN去除率低. 控制合适的曝气时间和不曝气时间有利于提高湿地TN的去除率.

以TN的去除率为目标变量对实验结果进行单因素方差分析得到表 4.

表 4(Table 4)

表 4 间歇曝气比例的单因素方差分析 Table 4 One-way AVONA of intermittent aeration ratio 项目 自由度 平方和 均方 F值 显著性概率 模型误差(组间) 4 0.113 59 0.028 4 14.041 98 9.495 26E-8 随机误差(组内) 50 0.101 11 0.002 02 总和 54 0.214 7

表 4 间歇曝气比例的单因素方差分析 Table 4 One-way AVONA of intermittent aeration ratio

由于显著性概率小于0.05，因此可认为在置信度0.05水平下，间歇曝气的比例对TN去除率有显著性影响.

间隙曝气运行模式中，周期是另一个至关重要的运行参数. 周期的长短决定着湿地的供氧频率. 在曝气时间与不曝气时间的比例一定条件下，周期越短则供氧频率越高，周期越长则供氧频率越低. 频率过高一方面对控制设备要求高，另一方面可能导致湿地充氧效果过好； 而频率过低则不利于湿地污染物去除，尤其当周期超过湿地水力停留时间时则部分污水相当于没有经过好氧处理.

从图 3(c)中可以明显看出，反应柱D总氮出水平均质量浓度明显低于其他4组，仅为14.4 mg·L^-1，去除率达到65.5%. 而其他4组出水总氮平均质量浓度均在17 mg·L^-1以上. 从缺氧段溶解氧和反硝化碳源数量来对其进行分析，由上面分析可知，曝气周期越短，湿地供氧频率越高，湿地中基质氧含量变化越小，缺氧段污水溶解氧越高，从图 3(d)可看出，反应柱A~E出水溶解氧逐渐降低，因此反应柱A~D总氮去除率大体逐渐升高. 而对于反应柱E较低的TN去除率，可以从反硝化碳源方面进行分析.

将各湿地400 mm高度溶解性COD和硝酸盐氮的质量浓度及比值(即C/N值)绘制如图 6所示，从中可以看出，曝气周期较短的A、 B、 C反应柱缺氧段碳源明显不足，C/N值较低，因此反硝化反应不充分，TN去除率不高. 反应柱D和E碳源量接近，C/N值也接近，但反应柱D的总氮去除率却远高于反应柱E.

图 6

Fig. 6

图 6 各反应柱缺氧段SCOD、 NO3--N质量浓度及C/N Fig. 6 Concentrations of SCOD, nitrate and C/N in the anoxic zone

这跟反应柱水力停留时间有关系，根据计算在水力负荷0.7 m³·(m²·d)^-1，连续进水的条件下，该反应柱水力停留时间为6 h. 由于反应柱E曝气周期为8 h，超过了湿地的水力停留时间，因此当湿地曝气时，大量经过好氧处理的污水进入湿地下部，这部分污水碳源含量极少，硝态氮含量却非常多，无法满足反硝化反应需求； 而当湿地处于曝气间歇时，该好氧污水一部分已经流出湿地，补充进来的碳源只能供部分污水进行反硝化. 因此随着周期的更替，始终有部分硝态氮含量很高的污水无法得到足够碳源参与反硝化反应，而同样始终有部分碳源充足的污水得不到足够的硝态氮进行反硝化.

以TN的去除率为目标变量对实验结果进行单因素方差分析得到表 5.

表 5(Table 5)

表 5 间歇曝气周期的单因素方差分析 Table 5 One-way AVONA of intermittent aeration cycle 项目 自由度 平方和 均方 F值 显著性概率 模型误差(组间) 4 0.070 08 0.017 52 16.866 4 1.624 11E-8 随机误差(组内) 45 0.046 74 0.001 04 总和 49 0.116 83

表 5 间歇曝气周期的单因素方差分析 Table 5 One-way AVONA of intermittent aeration cycle

由于显著性概率小于0.05，因此可认为在显著性水平0.05下，间歇曝气的周期对TN去除率有显著性影响.

传统湿地污染物去除率不高的原因在于氧气的供给有限，曝气能大幅度提高COD和氨氮的去除率. 但同时曝气提高了湿地污水的溶解氧，抑制反硝化反应，不利于总氮的去除. 这与多位学者的研究结论相一致^[22,23]. 人工湿地为了提高总氮的去除率，需要强化作为湿地脱氮主要途径的硝化反硝化反应过程. 湿地中需要有明确的好氧环境和缺氧环境供硝化反应和反硝化反应的进行，在反硝化段还需要有碳源供反硝化菌生长. 谢海林^[24]利用多级湿地创造好氧-缺氧环境，利用原污水回流充当碳源，这样不仅增加了湿地占地面积，同时也提高了运行和管理的难度. 实验证明，在单级湿地中通过人工间歇曝气的方式实现总氮的去除是一条有效的途径. 曝气时，在湿地好氧段COD被大量去除，硝化反应充分进行，氨氮大量转化为硝酸盐氮； 曝气间歇时，在反应柱上部大部分非溶解性COD通过过滤截留的方式被去除，溶解性COD作为反硝化碳源被大量保留进入下部缺氧段参与反硝化反应. 当湿地反应柱由不曝气变为连续曝气时，限制反硝化反应的因素由硝酸盐氮变为碳源，因此间歇曝气需要找到适合的比例和周期. 实验证明: 当曝气周期6 h，周期内曝气时间与间歇时间比例为3:1时，进入反硝化段的污水碳氮比能达到4.8，总氮去除率达到65.5%，较连续曝气提高18%.

(1) 控制合适间歇曝气比例有利于提高湿地TN的去除率. 该比例过大时，反硝化碳源缺失成为脱氮的限制因素； 比例过小时，硝化反应不足成为脱氮限制因素. 实验中控制该比例为3:1时取得最好的脱氮效果.

(2)合理的间歇曝气周期对TN的去除也至关重要. 曝气周期太短，湿地供氧频繁，内部始终处于好氧状态，不利于反硝化反应发生； 曝气周期太长，超过缺氧段水力停留时间时使得碳源补充不及时，反硝化反应受限. 实验中控制曝气周期为6 h时，TN去除率最高，达到65.5%.

(3) 在间歇曝气比例为3:1、 间歇曝气周期为6 h时，其出水COD、 NH₄⁺-N、 TN均能达到城镇污水处理厂污染物排放标准一级B标准.