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人工湿地主要利用湿地系统中基质、植物和微生物间的协同作用，通过基质过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物的分解来实现对污水的高效净化[1]。人工湿地在废水处理的过程中也会带来温室气体的排放，CH4和N2O是2种重要的温室气体，百年尺度内其单位质量的全球变暖潜势分别是CO2的27倍和273倍[2]。在人工湿地中，CH4主要产生于微生物的厌氧分解，产甲烷菌会将细菌厌氧分解有机物产生的乙酸、CO2和H2在厌氧的环境下转化为CH4[3-4]。N2O主要是通过硝化和反硝化产生。硝化过程由两部分组成：氨氧化细菌(AOB)的硝化作用和亚硝酸盐氧化菌(NOB)的亚硝化作用，而N2O产生于亚硝化过程中[5]。反硝化作用主要是通过硝酸盐还原酶(Nar)、亚硝酸盐还原酶(Nir)、一氧化氮还原酶(Nor)和氧化亚氮还原酶(Nos)的酶促反应，将NO3−-N还原成NO2−-N、NO、N2O和N2的过程[6]。由于Nos对氧化还原条件更敏感，酶活性若受到抑制会导致N2O的积累和排放[7-8]。
反硝化作用去除NO3−-N是一个得电子的过程，由于不同酶对电子具有竞争作用，若电子供体不足会造成NO2−-N的积累，从而导致N2O的排放[9-11]。而碳源作为一种重要的电子供体，已被广泛运用于提高人工湿地中氮的去除[12]。LYU等[13]以葡萄糖作为人工湿地的外加碳源，发现当投加的C/N=4时，N2O的排放总量是C/N=10和7的10倍。除了反硝化作用的内部竞争外，产甲烷过程也会争夺电子[11]，CHEN等[11]研究发现，在硝酸盐消耗殆尽且氧化还原电位适宜的条件下，产甲烷菌会利用剩下的碳源进行产甲烷活动，因此，当碳源充足时，反硝化作用发生在产甲烷之前。目前，常用的液体碳源有葡萄糖、乙酸钠、果糖以及甲醇等，其含糖量高且易被分解利用[14-15]。但液态碳源成本高，投加量难以控制，这不仅增加了处理成本，且会造成二次污染[16]。植物碳源因其成本低廉，来源充足，取材方便等特点，目前受到了广泛关注[17]。植物碳源在浸泡过程中会释放出大量的碳，但仅释放少量的氮[18]，为人工湿地提供充足碳源的同时可避免增加系统内含氮污染物。许兵等[19]以梧桐叶、荷叶、芦苇作为植物碳源添加到人工湿地系统中，发现当C/N为6、HRT为3 d、温度为25~30 ℃时，系统对TN的去除率为64.1%~75.5%，远高于空白组的24.5%~37.0%；卢兴顺等[20]研究结果表明，以碱热处理过的芦苇作为外加碳源，人工湿地系统中TN的去除率可达75.67%。赵联芳等[21]以树叶和芦苇为植物碳源，发现添加了植物碳源的人工湿地系统N2O平均释放量显著低于对照组(P<0.05)，TN去除率比对照组高15%左右。
为进一步探究植物碳源对人工湿地水质净化的影响，本研究采用稀碱加热的玉米芯和普通玉米芯为植物碳源，对比分析了2种植物碳源以及在不同的碳源投加量下对人工湿地水质净化的强化作用和对温室气体排放的影响，以期为人工湿地的设计运行提供理论参考。
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在重庆北碚西南大学的玻璃温室大棚内建立模拟人工湿地中试实验，大棚内通风和光照条件良好。人工湿地装置为高60 cm，内径30 cm的PVC材料圆柱形容器。装置内底部为高5 cm的砾石承托层，承托层上部填充50 cm高的不同湿地填料。根据湿地填料的不同共设置了9个人工湿地(编号1~9)，1~3为铁碳-沸石人工湿地(TF，40%铁碳+60%沸石，以体积计，下同)，4~6为铁碳-砾石人工湿地(TL，40%铁碳+60%砾石)，7~9为砾石人工湿地(LS，100%砾石)，其中3、6、9为对照组。向装置中垂直插入3根直径为4 cm、长为55 cm的穿孔PVC管，其中1根装有和人工湿地系统基质相同且等高的填料，用于采集基质提取微生物，另外2根用于添加碳源、虹吸排水和水样的采集，具体设置请见图1。装置所用砾石为天然青石，粒径1~3 cm，孔隙率53.00%；沸石为天然斜发沸石，粒径4~8 mm，孔隙率47.0%；铁碳微电解填料主要成分为废铁屑/铁钉和活性炭，粒径1~3 cm，孔隙率56.8%，比表面积165.6 m2·g−1，铁碳比65%。
实验所用植物碳源为风干后的玉米芯，剪碎后颗粒体积为1~2 cm3，用蒸馏水清洗干净后，于50 ℃烘干至恒质量后装入密封袋置于干燥器备用。取烘干后的玉米芯进行稀碱加热预处理，将玉米芯和2.0% NaOH溶液按固液比(以质量计)1:30混合加入烧杯中，并置于90 ℃的恒温水浴锅中浸煮1 h，浸煮完成后过滤取出玉米芯，并用纯水冲洗3次以去除多余的碱液，最后将玉米芯于50 ℃烘箱中烘干至恒质量后取出，放入干燥器中保存，处理后得到的玉米芯统称为玉米芯(预)。实验分2个阶段进行：第1阶段运行时间为2021-08-18—2021-10-01；第2阶段运行时间为2021-10-15—2021-11-04，分别探究植物碳源预处理和不同碳源投加量对人工湿地水质净化效果和温室气体排放的影响。各阶段湿地装置及碳源添加设置见表1，C/N配制参考胡曼利[22]的计算方法。湿地植物采用野生菖蒲(Acorus calamus L.)，取自重庆北碚区某河流沿岸，经驯化后以40株·m−2的密度移栽至人工湿地装置中。
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人工湿地装置进水采用人工配置的模拟污水，进水方式采用间歇进水，将配置好的污水从装置顶部倒入，设置水力停留时间为48 h，进水COD/TN控制在2.5左右。模拟污水中各组分质量浓度见表2，COD、NH4+-N和NO3−-N分别由蔗糖、NH4Cl和KNO3提供；每升进水中还包括0.1 mL微量元素溶液，每升微量元素溶液中包含3.50 g EDTA-Na2、1.70 g H3BO3、1.08 g MnCl2·4H2O、1.30 g ZnSO4·7H2O、0.30 g CuSO4·5H2O和0.049 g H2MoO4·4H2O。采用间歇曝气的方式运行，曝气时间设置采用ZHOU等[23]的实验结果，每天曝气2 h，具体为每天11:00—12:00和22:00—23:00。进水DO质量浓度(7.00±0.18) mg·L−1、pH为7.09±0.01，曝气段DO最高控制在4 mg·L−1左右。
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在采样当天9:00~10:00进行水样的采集，使用虹吸法采集水样，1个实验装置共采集1个水样300 mL，每个水样设3个平行。水温、DO和pH使用SG98型梅特勒-多参数测定仪(瑞士)进行原位测定，COD、NH4+-N、NO3−-N、NO2−-N和TN的测定按照水和废水的国家标准方法进行[24]。CH4和N2O的采集使用静态暗箱法，采集频率为1周1次，具体时间为上午8:30—10:30。气体采集装置及CH4和N2O的排放通量计算如赵仲婧等[25]所述。
本文使用Origin 2021进行图表绘制，使用Microsoft Excel 2016进行实验数据的初步处理，使用软件SPSS 26.0进行实验数据的相关性分析和显著性检验分析。
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1) COD的去除效果。不同处理人工湿地出水COD变化情况如图2((a)~(c))所示。在TF、TL和LS人工湿地中，对照组人工湿地的出水COD值分别为(8.80±2.80)、(7.88±3.56)和(8.82±3.52) mg·L−1，均显著低于玉米芯(预)和玉米芯组人工湿地(P<0.01)。TF、TL和LS中添了玉米芯(预)的出水COD值分别为(25.97±10.65)、(24.39±15.58)和(19.25±10.67) mg·L−1，玉米芯的分别为(23.56±12.63)、(22.55±18.10)和(22.22±16.84) mg·L−1，二者之间的差异不显著(P>0.05)。系统运行6 d以后各人工湿地出水COD值均低于《地表水环境质量标准》(GB
3838 —2002)中的Ⅴ类水COD限值(40 mg·L−1)。3组人工湿地中，玉米芯(预)的COD平均去除率在82.61%~87.12%，玉米芯的在84.22%~85.13%，对照组在94.10%~94.73%。2) NH4+-N的去除效果。不同处理人工湿地出水NH4+-N质量浓度变化情况如图3(a)所示。3组人工湿地出水NH4+-N质量浓度在运行15 d后均处于相对稳定状态，且TF和TL出水NH4+-N质量浓度比LS更稳定。整个运行期内，TF中玉米芯(预)、玉米芯和对照组出水NH4+-N平均质量浓度最低，分别为(2.35±2.47)、(2.25±2.88)和(0.29±0.67) mg·L−1，且玉米芯(预)和玉米芯的出水NH4+-N质量浓度显著高于对照组(P<0.01)，在LS中也呈现相同的显著性。TL中玉米芯(预)和玉米芯组出水NH4+-N平均质量浓度也高于对照组，但差异不显著。在相同碳源处理条件下，添加玉米芯(预)的人工湿地中，TF、TL和LS出水NH4+-N平均质量浓度的大小关系为TF((2.35±2.47) mg·L−1)<TL((4.42±4.46) mg·L−1)<LS((5.49±4.33) mg·L−1)。其中TF出水NH4+-N平均质量浓度显著低于LS(P<0.05)，TF和TL、TL和LS之间的差异不显著(P>0.05)，在添加玉米芯的3组人工湿地中也呈现出与之相同的显著性。TF中玉米芯(预)、玉米芯和对照组的NH4+-N平均去除率分别为92.53%、92.86%和99.04%，在TL中分别为85.92%、86.82%和92.48%，LS中分别为82.44%、78.27%和96.55%。可见，通过添加植物碳源会降低系统对NH4+-N的去除。
3) NO3−-N的去除效果。人工湿地运行期间出水NO3−-N质量浓度变化情况如图3(b)所示。在湿地的运行期间内，3组人工湿地的出水NO3−-N质量浓度未见明显的波动变化。在TF中，添加了玉米芯(预)((0.14±0.05) mg·L−1)和玉米芯((0.47±0.94) mg·L−1)的出水NO3−-N平均质量浓度显著低于对照组((10.08±1.54) mg·L−1)(P<0.01)，其对应的平均去除率分别为99.55%、98.45%和66.86%。在TL中，系统对NO3−-N的去除能力和在TF中也保持一致：玉米芯(预)(99.44%)>玉米芯(99.30%)>对照组(61.11%)，其中对照组的NO3−-N平均去除率显著低于另外2组(P<0.01)。同样，LS中对照组与另外两组出水NO3−-N平均质量浓度差异也较大(P<0.01)，与玉米芯(预)((0.14±0.08) mg·L−1)和玉米芯((0.20±0.28) mg·L−1)相比，对照组((6.09±1.21) mg·L−1)出水NO3−-N平均质量浓度较高。虽然玉米芯(预)的出水NO3−-N平均质量浓度均低于玉米芯组，但是差异不显著。
4) NO2−-N的去除效果。不同处理人工湿地出水NO2−-N质量浓度变化如图3(c)所示。在TF和TL中，对照组人工湿地出水NO2−-N平均质量浓度分别为(0.218±0.218) mg·L−1和(0.099±0.046) mg·L−1，显著高于玉米芯(预)(TF为(0.045±0.047) mg·L−1、TL为(0.043±0.042) mg·L−1)和玉米芯组(TF为(0.063±0.116) mg·L−1、TL为(0.041±0.064) mg·L−1)(P<0.01)。在LS中，添加了植物碳源的人工湿地和对照组之间的出水NO2−-N质量浓度不存在显著性差异(P>0.05)，者之间的大小关系为对照组((0.088±0.077) mg·L−1)>玉米芯(预)((0.046±0.076) mg·L−1)>玉米芯((0.039±0.069) mg·L−1)，玉米芯(预)和玉米芯组相比于对照组的NO2−-N质量浓度分别下降了47.73%和55.68%。可见，通过添加植物碳源极大改善了人工湿地NO2−-N的累积状况。
5) TN的去除效果。图3(d)为运行期内3组人工湿地出水TN的质量浓度变化情况。在整个运行期内，TF和TL中添加了玉米芯(预)和玉米芯的人工湿地出水TN质量浓度一直都低于各自对照组，TF中对TN的平均去除率分别为玉米芯(预)95.86%、玉米芯95.54%和对照组81.48%，TL中分别为92.49%、92.95%和76.00%，植物碳源的添加取得了良好的强化效果。而在LS中，2~30 d的运行期里，玉米芯(预)、玉米芯组和对照组人工湿地的出水TN平均质量浓度都无显著差异(P>0.05)，但在第30~44天，玉米芯(预)((1.74±0.76) mg·L−1)和玉米芯组((2.76±1.31) mg·L−1)人工湿地出水TN平均质量浓度显著低于对照组((6.30±0.53) mg·L−1)(P<0.01)。所以在LS中，添加植物碳源可强化系统对TN的去除效果。
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不同处理下人工湿地CH4和N2O排放通量如图4所示。玉米芯(预)、玉米芯和对照组人工湿地的CH4平均排放通量分别为0.38、0.23和0.01 mg·(m2·h)−1。从图中可以看出，人工湿地运行期间，3组人工湿地CH4的平均排放通量逐渐升高，在运行的第11天出现了CH4平均排放通量为负的情况，即没有排放出CH4。在第42天达到了最大值，分别为0.67 mg·(m2·h)−1 (玉米芯(预))、0.43 mg·(m2·h)−1 (玉米芯组)和0.18 mg·(m2·h)−1 (对照组)。
在人工湿地的运行期内，不同处理下N2O的平均排放通量整体上是呈现一个下降的趋势，玉米芯(预)、玉米芯和对照组人工湿地的N2O平均排放通量分别为1 176.72，382.52和99.35 µg·(m2·h)−1。在运行的第11天，3组碳源人工湿地的N2O的平均排放通量分别达到了2 891.94、980.24和194.36 µg·(m2·h)−1；而在人工湿地运行的第25天，排放通量分别下降了89.62%、91.04%和75.10%；最后达到了一个稳定状态。
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以玉米芯(预)作为外加植物碳源，按照C/N为6、5、4的碳源投加量加到人工湿地中，各人工湿地出水COD变化情况如图5((a)~(c))所示。在TF中C/N为6的情况下，除了在前面2 d的运行期内出水COD值大于40 mg·L−1外，在其后的运行期内，出水COD值都满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的V类水COD限值(40 mg·L−1)，且在第8天后，9个人工湿地出水COD值都满足《地表水环境质量标准》(GB
3838 —2002)中的III类水COD限值(20 mg·L−1)。不同C/N投加下COD平均去除率如图5(d)所示，在C/N=6、C/N=5和C/N=4时，COD平均去除率分别为86.38%、88.76%和92.38%，其中C/N=4的COD平均去除率要显著高于另外2组(P<0.01)。不同C/N投加下出水COD值如表3所示，随着C/N比的增加，出水COD值也逐渐增加，相应的COD的去除率也逐渐降低。但出水COD值在可控范围之内，符合相应的地表水质量标准。不同C/N投加下各个人工湿地出水NH4+-N、NO3−-N和NO2−-N平均质量浓度如表3所示。在C/N=6、5、4的碳源投加量下，出水NH4+-N平均质量浓度极低，去除率均达到99%以上。在本阶段中出水NO3−-N质量浓度相比第一阶段有大幅的提升，去除率也有所下降。由表3可以看出，随着C/N的增加，出水NO3−-N质量浓度都有所降低，9个人工湿地中出水NO3−-N质量浓度最低的为TF中C/N=6((8.74±3.92) mg·L−1)。在整个运行期内，3组人工湿地中C/N=6的NO3−-N去除率在55.62%~70.95%，C/N=5的NO3−-N去除率在50.13%~65.83%，显著高于C/N=4的人工湿地(39.88%~52.22%)(P<0.01)。出水TN主要以NO3−-N为主，C/N=6、5、4的TN平均去除率分别为80.97%、80.30%和73.33%，其中C/N=4的TN去除率显著低于另外两组(P<0.01)。
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不同C/N投加下人工湿地温室气体平均排放通量如图6所示。人工湿地运行的第1天，C/N=6、5、4的CH4通量均表现为吸收值，在系统运行的第10天，C/N=6和5的人工湿地开始逐渐排放出CH4，而C/N=4的人工湿地在系统运行的第19天开始排放出CH4。在人工湿地的运行期内，随着C/N的降低，CH4的平均排放通量也在降低，C/N=6、5、4的人工湿地CH4平均排放通量分别为0.070、0.056和0.008 mg·(m2·h)−1，表现为CH4的弱源。
此阶段N2O的平均排放通量与第一阶段有着相似的排放特征。在整个运行期内，C/N=6、C/N=5和C/N=4的人工湿地中N2O的平均排放通量分别为1 449.81、436.50和123.26 μg·(m2·h)−1。不同C/N投加下N2O的平均排放通量也是呈现出下降的趋势，在第10天，3种C/N人工湿地的N2O平均排放通量分别下降了94.37%、86.29%和52.40%，其后也达到稳定的状态。
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在系统运行期内，各组人工湿地CH4和N2O的全球增温潜势(global warming potential, GWP)如表4所示。N2O是综合GWP的主要贡献源，占全球变暖潜势的90%以上。在第1阶段实验中，3组碳源人工湿地的综合GWP大小顺序分别为玉米芯(预)>玉米芯组>对照组，可见通过添加碳源增加了人工湿地的综合GWP。在第2阶段实验中，C/N=6、5、4的人工湿地综合GWP分别为(397.69±193.34)、(120.68±46.70)和(33.86±5.19) mg·(m2·h)−1(以CO2-eq计)，随着C/N的增加，人工湿地的综合GWP也在增加。
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投加了2种植物碳源的TF、TL和LS人工湿地中出水COD要显著高于对照组。这是因为植物碳源表面的可溶性小分子有机物大量释放，且碳源在湿地中吸水溶胀，内部的可溶性有机物也持续释放[26]，同时植物碳源表面的纤维素和半纤维素物质也发生水解[27]，从而使得植物碳源组人工湿地出水中COD要高于对照组。由于系统刚运行时进水的COD和DO质量浓度较高，为微生物提供了一个良好的好氧环境，从而微生物能够快速分解水中的有机物，使得COD下降[28]。除此以外，底物的过滤和植物根系的吸收也会降低系统出水COD[29]。在系统的整个运行期内，添加了玉米芯(预)和玉米芯的人工湿地的COD去除率要显著低于对照组人工湿地。植物碳源所释放的大部分有机物可以被微生物所利用，但也存在部分不能被吸收，比如木质素等成分[30]，因此，系统出水COD增加，COD的去除率降低。
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除了植物的吸收和基质的吸附以外，微生物的硝化作用是人工湿地中NH4+-N去除的主要途径[31]。TF和TL中添加了植物碳源的人工湿地出水NH4+-N质量浓度变化比LS更低更稳定，是因为铁碳中的Fe3+能够作为电子受体，接受NH4+-N的电子使其转化为NO2−-N进而促进硝化过程[32]。沸石作为一种常见的硅酸盐矿物，其独特的晶体结构能够通过离子交换作用吸收水体中的NH4+-N[33]，大量研究[34-36]表明，沸石对污水中NH4+-N的去除率可达70%以上，所以沸石的存在进一步降低了TF出水中的NH4+-N质量浓度。添加了植物碳源的人工湿地的NH4+-N去除率要显著低于对照组，该结果与ZHOU等[37]的研究结果一致。水体中NH4+-N的去除主要是通过微生物的硝化作用将NH4+-N转化为NO3−-N，而硝化过程通常在高DO的环境下发生[38]。不同碳源处理下各人工湿地出水DO平均质量浓度如表5所示，添加了植物碳源的人工湿地出水DO质量浓度均低于对照组，这是因为向垂直流人工湿地中添加碳源会刺激微生物呼吸消耗更多的DO，优先进行有机物的好氧去除，从而会抑制对NH4+-N去除至关重要的好氧硝化过程[39]。此外，碳源添加引起的根际低氧环境也会影响到植物对NH4+-N的吸收[37]。最后导致添加了植物碳源的人工湿地出水NH4+-N质量浓度升高，从而降低了对NH4+-N的去除率。
反硝化过程主要是将NO3−-N转化为N2O和N2的过程，在碳源充足和DO质量浓度低的情况下更容易发生[40]。微生物完整的反硝化过程包括以下4个步骤：NO3−-N→NO2−-N、NO2−-N→NO、NO→N2O和N2O→N2[41]。添加玉米芯(预)的人工湿地出水NO3−-N质量浓度低于添加玉米芯的人工湿地。有研究发现，破碎、热水浸泡、γ射线、酸处理和碱处理等预处理方法可以有效提高植物碳源的碳持续释放能力和微生物利用率[42-44]。在本研究中，对植物碳源都进行了破碎处理，但玉米芯(预)进一步进行了稀碱加热处理，其纤维素的结晶度会降低，所以玉米芯(预)的碳持续释放能力会强于玉米芯，故添加玉米芯(预)的人工湿地反硝化能力更好，出水NO3−-N质量浓度要低于玉米芯组人工湿地，因此，玉米芯(预)更适合用于人工湿地的外加碳源。在系统的整个运行期内，添加了植物碳源的人工湿地出水NO3−-N质量浓度显著低于对照组，这与XU等[45]的研究结果一致。微生物反硝化过程容易受到碳源不足的限制，添加植物碳源可以为反硝化细菌提供电子供体[9]，促进NO3−-N的还原。
NO2−-N是反硝化过程的中间产物，NO2−-N的积累标志着反硝化过程不完全进行[46]。有研究表明，pH[47]、温度、DO以及碳源[48]等因素会影响到NO2−-N的积累情况。对照组人工湿地出水NO2−-N质量浓度显著高于玉米芯(预)和玉米芯组，在湿地运行的中后期出现了NO2−-N积累的情况。结合对照组人工湿地出水COD值的变化情况，分析原因是在湿地运行中后期碳源不足造成了NO2−-N的积累。在反硝化过程中，硝酸盐还原酶(Nar)和亚硝酸盐还原酶(Nir)对电子的竞争能力不同，前者竞争能力强于后者[26]。若出现碳源不足的情况，会优先进行NO3−-N还原为NO2−-N，而NO2−-N的还原会受到抑制，从而造成NO2−-N的积累。
与微生物的作用相比，基质吸附、氨的挥发和植物的吸收对人工湿地脱氮的影响很小[49]。JIA等[50]研究发现，植物吸收仅占TN去除的4.34%，基质吸附仅占TN去除的2.97%。在人工湿地的整个运行期内，玉米芯(预)和玉米芯人工湿地出水TN中NH4+-N占比分别为93.86%和85.75%，说明TN主要以NH4+-N的形式存在；而在对照组中，出水TN中NO3−-N占比为88.91%，说明TN主要以NO3−-N的形式存在。TN中主要成分的变化反映出湿地中硝化和反硝化进行的速率和完成度[26]。可见，向人工湿地中投加玉米芯(预)和玉米芯后，促进了微生物的反硝化作用，提高了对氮的去除效果，在对照组人工湿地中，由于碳源的缺乏，导致反硝化过程受到限制，影响到了NO3−-N的去除。微生物的反硝化过程需要足够的碳源才能够将NO3−-N转化为N2，若碳源缺乏，反硝化细菌缺少相应的电子供体，会导致人工湿地系统出水TN的去除率降低[27]。
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在人工湿地运行前期，玉米芯(预)、玉米芯组和对照组人工湿地的CH4通量均表现为吸收值，到中后期开始排放出CH4，植物碳源的添加并没有显著增加CH4的排放。在运行前期，CH4的负排放通量可能是因为甲烷氧化菌在湿地基质内部消耗CH4，导致CH4的净吸收[51]。随着系统的运行，系统内有机物的释放逐渐增多，为产甲烷菌提供了充足的底物，故CH4的排放通量逐渐升高。同时，水生植物残体及根系分泌物能够为CH4的产生提供丰厚的底物，提高CH4的产生效率，进而也会导致CH4排放通量的升高[52]。
N2O是微生物硝化和反硝化反应的中间产物[53]。在本研究中，添加了植物碳源的人工湿地N2O排放通量明显高于对照组，这与许兵等[54]的研究结果一致。一方面，植物碳源在分解过程中释放的氮素参与了人工湿地的氮循环，造成了N2O排放通量的升高[22]，从而导致玉米芯(预)和玉米芯组人工湿地的N2O排放通量高于对照组；另一方面，在硝化过程中若出现低DO情况或者是在反硝化过程中出现高DO的情况，N2O极易产生[55]。在本研究中，添加了植物碳源的人工湿地释放的有机物含量高，微生物好氧分解消耗大量DO，DO质量浓度都低于对照组人工湿地，进而导致硝化过程中N2O的排放增多。而在玉米芯(预)和玉米芯组人工湿地中，前者DO质量浓度(0.17 mg·L−1)要高于后者(0.13 mg·L−1)，所以也可能导致反硝化过程中玉米芯(预)人工湿地所释放的N2O要高于玉米芯组人工湿地。
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碳源是限制人工湿地污水处理效率的重要因素，碳源投加量过高，会导致出水COD值过大，影响到对COD的去除效果；碳源投加量过低，微生物的反硝化过程受到抑制，湿地系统脱氮性能下降[56]。在本研究中，随着C/N的增加，人工湿地出水COD值也在增加，分析是因为植物碳源的添加量过大导致超过了微生物的可利用范围，部分未被利用的有机物随着出水流出，从而导致系统出水COD值的升高[57]。但是各人工湿地出水COD值都满足相应的《地表水环境质量标准》，同时在本研究中发现最佳COD去除率的C/N为4。
相比第1阶段，第2阶段各人工湿地出水中TN主要以NO3−-N为主，NH4+-N含量极低。在第1阶段系统运行期内的平均温度为27.43 ℃，本阶段系统运行期内的平均温度为18.04 ℃，相比大约下降了9 ℃。而硝化微生物正常生长的温度为5~40 ℃，并且对温度的变化能够产生适应性[58]，反硝化微生物的最适温度为30 ℃[59]。故在本阶段中，反硝化微生物的活性或受到抑制，反硝化速率有所降低，从而导致NO3−-N的积累，NO2−-N相比第一阶段也有一定的积累。何强等[53]通过研究冬季((15±3) ℃)和夏季((30±3) ℃)对垂直流人工湿地脱氮效果的影响也发现了类似的现象，温度的变化对NO3−-N的去除率有显著的影响，与夏季相比，冬季的NO3−-N去除率下降了29.7%~45.7%。
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相比第1阶段，第2阶段CH4排放通量更低。在运行的第1天，3组不同C/N的人工湿地均未排放出CH4，分析可能是由于第2阶段中较低的温度影响到了系统中生物酶的活性，导致产CH4的速率降低。C/N=4的人工湿地在运行的第19天开始排放出CH4，平均排放通量最低，这既受到温度的影响，也受到了底物质量浓度的调控。类似的现象在CHEN等[11]的研究中也有发现，在其研究中C/N=4的人工湿地CH4的排放通量最低。充足的有机物作为底物是CH4产生的基础[60]，在C/N=4的人工湿地中，反硝化作用消耗掉部分有机物后，剩余的底物质量浓度不足以为产甲烷菌所利用，从而导致CH4的排放通量降低。同时湿地系统中存在铁碳填料，填料中的铁还原菌会与产甲烷菌竞争有机酸或氢等底物，进一步抑制了CH4的生成[61]。而Fe3+作为电子受体具有很高的氧化还原电位，也会对CH4进行氧化[62]。
第2阶段的N2O排放通量高于第1阶段，这是由于温度的影响限制了反硝化微生物的活性，反硝化过程进行得不彻底，造成了N2O的积累。而在整个运行期内，C/N的增加，N2O的排放通量也逐渐增加，随着碳源投加量的增大，促进了微生物的反硝化过程[10]，但是低温的影响导致反硝化停留在了中间过程，从而导致了N2O的排放。
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1)添加了玉米芯(预)的和玉米芯的人工湿地的COD平均去除率分别在82.61%~87.12%和84.22%~85.13%，添加植物碳源后显著提高了人工湿地出水COD值(P<0.01)；随着C/N的增加，COD的去除率逐渐降低。
2)在TF和TL中，添加了玉米芯(预)和玉米芯的人工湿地NH4+-N平均去除率均在85%以上，植物碳源的添加会影响到系统对NH4+-N的去除；添加了两种碳源的人工湿地NO3−-N的去除率都达到了99%以上，TN的去除率在90%左右，表现出了良好的脱氮性能。
3)玉米芯(预)和玉米芯的添加并没有导致人工湿地CH4排放通量的显著上升，但往人工湿地中添加两种植物碳源均增加了N2O的排放通量，且随着C/N的增加而增加；不同C/N投加下的人工湿地表现为CH4的弱源。在本实验设计的人工湿地模拟实验装置的运行条件下，该模拟实验装置实验结果表明：添加植物碳源增加了人工湿地的综合GWP，并且随着C/N的增加，综合GWP也在增加。
植物碳源添加对人工湿地水质净化效果和温室气体排放的影响
Impact of plant carbon addition on water quality purification and greenhouse gas emissions in constructed wetlands
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摘要: 人工湿地在处理低C/N污水时存在碳源缺乏而严重限制反硝化进行的问题。为了补充反硝化需要的碳源，选择稀碱加热后的玉米芯(下称玉米芯(预))和普通玉米芯作为外加碳源引入湿地系统，开展了两个阶段的实验，分别为植物碳源预处理和不同碳源投加量(C/N=6、5、4)对人工湿地水质净化效果和温室气体排放的影响。第1阶段实验结果表明，人工湿地投加植物碳源后，会降低COD和NH4+-N的去除率，投加了玉米芯(预)和玉米芯的人工湿地出水COD值分别在19.25~25.97 mg·L−1和22.22~23.56 mg·L−1，COD平均去除率分别在82.61%~87.12%和84.22%~85.13%，NH4+-N的平均去除率分别在82.44%~92.53%和78.27%~92.86%，而对照组NH4+-N的平均去除率均在90%以上。投加碳源后，系统对NO3−-N的平均去除率都在99%以上。植物碳源的添加并没有显著增加CH4的排放通量，但会明显增加N2O的排放通量(P<0.05)。第2阶段实验结果表明，随着C/N的增加，出水COD值也逐渐增加，C/N=6、5、4的COD平均去除率分别为86.38%、88.76%和92.38%；C/N=6、5、4的出水NH4+-N质量浓度都极低，去除率均达99%以上，出水TN主要以NO3−-N为主，C/N=6、5、4下的NO3−-N平均去除率分别为62.75%、58.41%和47.70%；人工湿地N2O的排放通量随着C/N的增加而增加，而CH4的排放通量相比第1阶段均有所降低，C/N=6、5、4的人工湿地表现为CH4的弱源。以上研究结果表明植物碳源的添加提高了系统对氮素的去除，随着C/N的增加，系统对氮素的去除效率也在增加；但植物碳源的添加增加了温室气体N2O的排放，且N2O是综合GWP的主要贡献源，贡献率占90%以上。Abstract: Constructed wetlands have the problem of severely limiting denitrification by the lack of carbon sources when treating low C/N wastewater. To supplement the carbon source for denitrification, dilute alkaline-heated corncobs (hereinafter referred to as precorn) and common corncobs were selected as the additional carbon sources of the constructed wetlands. Two stages of experiments such as plant carbon sources pretreatment and the different amounts of carbon sources added (C/N=6, 5, and 4) were conducted to study their effect of water purification and greenhouse gas emissions from constructed wetlands. The results of the first stage experiments showed that the constructed wetlands with plant carbon sources dosing decreased the removal rates of COD and NH4+-N. The COD of the effluent from the constructed wetlands with precorn and corncobs dosing were 19.25~25.97 mg·L−1 and 22.22~23.56 mg·L−1, and the average COD removal rates were in the range of 82.61%~87.12% and 84.22%~85.13%, respectively. The average removal rates of NH4+-N were 82.44%~92.53% and 78.27%~92.86%, respectively, while those of the control groups were above 90%. After adding carbon sources, the average removal rates of NO3−-N in the system were all above 99%. The addition of plant carbon sources did not significantly increase the emission flux of CH4 flux, but it significantly increased the N2O flux (P<0.05). The results of the second stage of the experiment showed that the effluent COD increased gradually with the increase of C/N. The average COD removal rates were 86.38%, 88.76%, and 92.38% when C/N ratios were 6, 5, and 4, respectively. The effluent NH4+-N concentrations at C/N ratio of 6, 5, and 4 were all extremely low, and their removal rates were higher than 99%, the effluent TN was mainly dominated by NO3−-N. The average removal rates of NO3−-N were 62.75%, 58.41%, and 47.70% at C/N ratio of 6, 5, and 4, respectively. The N2O flux from the constructed wetlands increased with increasing C/N. The CH4 flux was lower compared to that at the first stage, and constructed wetlands was weak sources of CH4 at C/N ratios of 6, 5, and 4. In summary, the addition of plant carbon sources improved N removal by constructed wetlands, and the increase of C/N enhanced N removal rate. However, the addition of plant carbon sources increased the N2O emission, which was the main contributor to the integrated GWP, accounting for more than 90%.
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Key words:
- constructed wetland /
- plant carbon sources /
- corncobs /
- C/N /
- greenhouse gases
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图 1 人工湿地处理系统装置示意图
Figure 1. Schematic diagram of equipment for constructed wetlands treatment system
图 2 不同处理人工湿地出水COD变化情况及去除率
Figure 2. Changes of COD in effluent from constructed wetlands with different treatments and removal rate
图 3 不同处理人工湿地出水NH4+-N、NO3−-N、NO2−-N和TN质量浓度变化情况
Figure 3. Changes in mass concentrations of NH4+-N, NO3−-N, NO2−-N and TN in effluent from constructed wetlands with different treatments
图 4 不同处理人工湿地温室气体平均排放通量
Figure 4. Average greenhouse gas flux of constructed wetlands with different treatments
图 5 不同碳源投加量人工湿地出水COD变化情况及COD去除率
Figure 5. Variations of COD in effluent from constructed wetlands with different carbon source dosages and COD removal rate
图 6 不同碳源投加量人工湿地温室气体平均排放通量
Figure 6. Average greenhouse gas flux of constructed wetlands with different carbon source dosages
表 1 人工湿地装置基本情况
Table 1. Basic information of constructed wetland equipment
装置编号 填料组成 各阶段碳源添加设置 第1阶段 第2阶段 1 40%铁碳+60%沸石 玉米芯(预)(C/N=6) 玉米芯(预)C/N=6 2 40%铁碳+60%沸石 玉米芯(C/N=6) 玉米芯(预)C/N=5 3 40%铁碳+60%沸石 — 玉米芯(预)C/N=4 4 40%铁碳+60%砾石 玉米芯(预)(C/N=6) 玉米芯(预)C/N=6 5 40%铁碳+60%砾石 玉米芯(C/N=6) 玉米芯(预)C/N=5 6 40%铁碳+60%砾石 — 玉米芯(预)C/N=4 7 砾石 玉米芯(预)(C/N=6) 玉米芯(预)C/N=6 8 砾石 玉米芯(C/N=6) 玉米芯(预)C/N=5 9 砾石 — 玉米芯(预)C/N=4 注：“—”代表不添加植物碳源。 
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表 2 人工湿地进水各组分质量浓度
Table 2. Mass concentration of each component in influent of constructed wetlands
成分 质量浓度/(mg·L−1) 成分 质量浓度/
(mg·L−1)第1阶段 第2阶段 COD 149.43±2.98 149.85±3.81 KH2PO4 22.45 NH4+-N 30.76±1.54 33.05±1.93 MgSO4·7H2O 97.50 NO3−-N 30.43±0.58 29.73±1.46 CaCl2 58.30 TN 58.81±1.63 58.79±2.65 蛋白胨 10.00
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表 3 不同碳源投加量人工湿地各出水指标平均质量浓度
Table 3. Average mass concentrations of various effluent indicators in constructed wetlands with different carbon source dosages
mg·L−1 湿地 碳源
投加量COD NH4+-N NO3−-N NO2−-N TN DO TF C/N=6 24.17±10.47 0.013±0.009 8.74±3.92 0.31±0.07 8.56±3.70 0.24±0.13 C/N=5 19.93±6.74 0.018±0.011 10.28±4.07 0.22±0.08 10.07±3.92 0.28±0.19 C/N=4 11.21±3.79 0.011±0.007 14.24±2.73 0.21±0.07 14.31±2.59 0.47±0.38 TL C/N=6 19.51±3.61 0.024±0.016 11.50±3.67 0.14±0.04 11.26±3.73 0.39±0.12 C/N=5 16.12±8.54 0.023±0.021 12.23±4.59 0.20±0.03 10.14±4.82 0.41±0.19 C/N=4 12.15±4.00 0.058±0.030 17.88±2.94 0.08±0.02 17.69±2.71 0.52±0.29 LS C/N=6 17.17±7.68 0.029±0.016 13.30±4.18 0.13±0.07 13.45±4.21 0.43±0.17 C/N=5 14.16±6.98 0.021±0.016 14.95±5.25 0.15±0.07 14.26±4.02 0.45±0.21 C/N=4 10.58±5.06 0.027±0.032 14.61±3.38 0.26±0.14 14.81±3.61 0.69±0.42
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表 4 人工湿地CH4及N2O排放通量及综合GWP
Table 4. CH4 and N2O fluxes and comprehensive GWP of constructed wetlands
处理 CH4排放通量/
(mg·(m2·h)−1)GWP-CH4
(以CO2-eq计)/(mg·(m2·h)−1)N2O排放通量/
(μg·(m2·h)−1)GWP-N2O
(以CO2-eq计)/(mg·(m2·h)−1)GWP(CH4+N2O)/
(mg·(m2·h)−1)玉米芯(预) 0.38±0.14 10.31±3.80 1 176.72±495.18 321.25±135.18 331.56±131.41 玉米芯 0.23±0.10 6.30±2.58 382.52±172.55 104.43±47.11 110.73±44.54 对照 0.01±0.06 0.23±1.51 99.35±27.45 27.12±7.49 27.35±6.31 C/N=6 0.070±0.041 1.89±1.09 1 449.81±711.31 395.80±194.19 397.69±193.34 C/N=5 0.056±0.032 1.52±0.86 436.50±173.27 119.17±47.30 120.68±46.70 C/N=4 0.008±0.016 0.20±0.44 123.26±20.16 33.65±5.50 33.86±5.19
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表 5 不同处理人工湿地出水DO平均质量浓度
Table 5. Average mass concentration of DO in effluent from constructed wetlands with different treatments
处理 DO/(mg·L−1) TF TL LS 玉米芯(预) 0.17±0.15 0.23±0.21 0.11±0.12 玉米芯 0.11±0.15 0.23±0.24 0.06±0.10 对照 0.25±0.18 0.25±0.24 0.20±0.19
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