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(guò)程，而低溫季人工濕地對(duì)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(guó)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(duì)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(guó)平原河網(wǎng)地區(qū)，受到氣候､農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的周期變動(dòng)等影響，冬季原水水質(zhì)TN超標(biāo)又是一個(gè)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(yàn)。

　　目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)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(duì)象多為室內(nèi)試驗(yàn)或中小規(guī)模下的潛流濕地，重點(diǎn)集中在保溫､強(qiáng)化供氧等工程措施。對(duì)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(zhǎng)期以來(lái)一直缺少針對(duì)性的研究。本文綜述了表流濕地脫氮機(jī)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(shí)例，分析了在低溫季該濕地對(duì)各形態(tài)氮素的凈化效果，通過(guò)回歸分析對(duì)影響脫氮效果的因素進(jìn)行了論證，并從優(yōu)化運(yùn)行度角度出發(fā)，驗(yàn)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(jì)優(yōu)化､運(yùn)行和研究提供理論依據(jù)。

　　1 表流濕地脫氮機(jī)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(jī)氮(PON)､溶解有機(jī)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(jī)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(guò)濾､土壤吸附､離子交換､自然沉降等作用暫時(shí)離開水體，但對(duì)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(gè)短暫可逆的過(guò)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(guò)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(guò)程并不顯著[13]，部分NH3-N也可通過(guò)水生植物根系直接吸收利用，但大部分NH3-N將通過(guò)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(jī)碳源存在的厭氧條件下，通過(guò)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(guò)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(jī)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(diǎn)[5]。對(duì)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(huì)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(jī)質(zhì)含量較高，有機(jī)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(duì)于生物因素而言，低溫期大多數(shù)水生植物停止生長(zhǎng)并開始枯萎，不僅對(duì)氮素?zé)o吸收作用，相反可能會(huì)因?yàn)橹参餁報(bào)w的浸泡而釋放氮素;各類微生物的生化過(guò)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(shí)反硝化速度很慢[11]。

　　2 鹽龍湖表流濕地單元實(shí)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(guó)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(duì)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(duì)稱的18個(gè)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(shí)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(yùn)行，自2012年6月建成通水以來(lái)，目前已穩(wěn)定運(yùn)行了近2a。濕地對(duì)微污染原水有較強(qiáng)的脫氮效果，全年對(duì)TN､NH3-N的平均去除率可達(dá)20%和29%左右。

　　2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)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(diǎn)(通常認(rèn)為15℃)，水生植物停止生長(zhǎng)并完全枯萎的季節(jié)。我國(guó)各地氣象､物候條件不盡相同，根據(jù)鹽城地區(qū)的實(shí)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(diǎn)，每旬進(jìn)行3次取樣，共計(jì)進(jìn)行82組實(shí)驗(yàn)。其中:(1)在2013年2—4月濕地植物已收割，為全幅運(yùn)行工況實(shí)驗(yàn);(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(yùn)行工況實(shí)驗(yàn);(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(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)期間表流濕地連續(xù)進(jìn)水運(yùn)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http://szhmdq.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　水質(zhì)實(shí)驗(yàn)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(lái)源為國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局編寫的《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第4版)，有機(jī)氮(Org-N)的數(shù)據(jù)為同測(cè)次水樣的TN值減去NH3-N與硝態(tài)氮的值所得出。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)濕地的運(yùn)行工況進(jìn)行了同步記錄。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用了SPSS19軟件。

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