潮汐流人工湿地(Tidalflowconstructedwetland,TF-CW)是一种间歇式进水的新型湿地生态系统(Sun等,1999),其原理是利用潮汐运行过程中床体浸润面的变化产生的空隙吸力将大气氧吸入湿地基质或者土壤空隙(Zhao等,2004),从而提高人工湿地的溶解氧含量,使得湿地可以保证氨氮发生硝化作用所需的氧气,从而加快氨氮的去除(Kearney等,2013)。目前,利用TF-CW来去除水体中的氮等污染物以改善水质以便水资源的再利用已经得到了广泛关注(Hu等,2014)。TF-CW运行主要包含4个阶段,分别是瞬时进水、反应、瞬时排空以及闲置阶段(叶捷等,2011)。当TF-CW完成进水后,首先发生微生物吸附作用,然后在瞬间排空的同时发生基质复氧,吸收的氧气提供给微生物,从而进行微生物好氧降解。这种间歇的运行方式,使湿地内部的氧化环境有利于好氧微生物的生长,提高微生物活性(吕涛等,2013),也使得稳定、高密度的微生物生物膜的形成更加迅速(Behrends等,2001),从而弥补植物根系放氧不足,提高了污染物去除率(宋铁红等,2005)。另一方面,TF-CW还可以有效抑制微生物生长过快造成湿地堵塞现。

潮汐流人工湿地基质硝化反硝化强度-国投盛世

TF-CW模拟装置为直径Φ=40cm,高度h=110cm的钢桶(图1),总体积约为138L,每隔15cm设置直径1cm的取样口,每一层次设置3个取样口。进水由时控器(TB-125,LUEABB)控制水泵进行,装置顶端设置洒水盖,小孔密布于盖子底部,保证均匀进水,出水则由时控器控制电磁阀门(2W常闭220V,LUEABB)实现。装置填充基质选用沸石,填充高度为90cm,沸石粒径为4~8mm,沸石孔隙率为42%。

潮汐流人工湿地基质硝化反硝化强度-国投盛世

温度对潮汐流人工湿地的氮去除有一定的影响,氨氮和总氮去除速率与温度明显相关(Huang等,2013)。虽然水体中硝化反硝化作用可以在较宽的温度范围内进行,但是要发生明显的反硝化作用温度需在5℃以上,温度低于5℃时反硝化速度很慢(卢少勇等,2006),因此本研究将温度控制在适宜的范围内保证细菌的活性,且4种进水方式的温度差异不显著(P=0.673)。

潮汐流人工湿地基质硝化反硝化强度-国投盛世

研究潮汐流人工湿地硝化反硝化强度随处理深度增加,在装置不同部位间的变化有利于探究湿地发生硝化反硝化作用的主要部位。因此对不同进水方式TF-CW装置内部硝化反硝化强度指标沿程变化规律进行了研究(图4,图5)。

潮汐流人工湿地基质硝化反硝化强度-国投盛世

潮汐流人工湿地基质硝化反硝化强度-国投盛世

硝化强度在装置上部0~30cm的处理阶段最大,随深度增加变化逐渐减小,而且在各个阶段,闲置/反应为2∶1的进水方式下(装置D)的硝化强度都较高于其他3种;反硝化强度在中部的30~60cm阶段较高,在此阶段中发生了明显的反硝化作用,且连续流的进水方式下(A装置)3个深度的反硝化强度都明显高于其他3种进水方式。因此在进行人工湿地设计时需综合考虑NH4+-N和NO3–N的整体去除效果,可将潮汐流人工湿地与连续流人工湿地进行组合并合理配置,对污染物的去除更加全面有效。