1 引言
人工濕地作為一種生態(tài)化、低成本的水處理技術(shù)，具有較好的脫氮能力，目前在國內(nèi)外已廣泛用于廢水的脫氮處理.人工濕地中去除硝態(tài)氮的方式有植物吸收、填料吸附過濾和微生物反硝化，其中微生物反硝化作用是濕地去除硝態(tài)氮的主要方式.反硝化過程中，微生物以濕地中的有機(jī)物作為電子供體，將NO3-和NO2-還原為N2或N2O從濕地中去除.因此，是否存在足夠的電子供體影響著反硝化過程能否順利完成.
鐵有0、+2、+3 3種價態(tài)，在有氧的環(huán)境中鐵(Ⅱ)很容易被氧化為鐵(Ⅲ)，而在還原環(huán)境中鐵(Ⅲ)又很容易被還原為鐵(Ⅱ)，鐵的價態(tài)可變性使其在生物地球化學(xué)循環(huán)中具有重要意義.其中濕地是研究鐵循環(huán)的熱點(diǎn)區(qū)域，有研究表明濕地水中的可溶性鐵與總氮顯著正相關(guān).已有報道在淡水或者海洋表面沉積物中存在鐵-氮耦合氧化還原過程，研究者也已在多種環(huán)境中如濕地、沉積物等中發(fā)現(xiàn)了能夠氧化亞鐵并還原硝態(tài)氮的微生物，該類型微生物分別以亞鐵和硝態(tài)氮作為電子供體和受體，將亞鐵氧化為三價鐵的同時還原硝態(tài)氮，可見鐵-氮反應(yīng)過程在自然系統(tǒng)中大量存在.鐵-氮過程發(fā)生時以Fe2+提供電子硝酸鹽接受電子，這對于尤其是低碳氮比的廢水中硝酸鹽氮的去除具有一定的積極意義，以亞鐵作為電子供體參與反硝化作用可以減少有機(jī)碳源的添加.另外，亞鐵在有效去除硝酸鹽的同時可以減少亞硝酸鹽積累、有機(jī)物過剩等現(xiàn)象.亞鐵在參與反硝化作用時轉(zhuǎn)化為三價鐵，當(dāng)反應(yīng)體系中的硝態(tài)氮消耗殆盡時，微生物可利用有機(jī)物將三價鐵還原為亞鐵.亞鐵的存在可以提高反硝化能力，目前已有將鐵-氮過程應(yīng)用在UASB、SBR反應(yīng)器等廢水處理工藝中，然而在人工系統(tǒng)中的應(yīng)用鮮有報道.因此研究人工濕地中鐵-氮過程其對氮素去除的影響具有一定的意義.
本研究的主要目的是考察不同初始Fe2+濃度時人工濕地 硝態(tài)氮去除效果的差異以及C/N對Fe2+參與人工濕地反硝化作用的影響，為亞鐵強(qiáng)化脫氮的人工濕地設(shè)計和運(yùn)行提供理論參考.
2 材料與方法
2.1 實(shí)驗(yàn)裝置
本實(shí)驗(yàn)采用水平潛流小試人工濕地.裝置為5個50 cm×39 cm×35 cm的PVC材質(zhì)實(shí)驗(yàn)箱，在實(shí)驗(yàn)箱距離底部5 cm處設(shè)置出水口，以粒徑4~6 mm的石英砂作為填充介質(zhì)，其表面種植株高15 cm左右的幼苗期美人蕉，種植密度為20株· m-2.
2.2 濕地進(jìn)水
利用葡萄糖、硝酸鈉、硫酸亞鐵、磷酸二氫鉀、氯化鈣、氯化鉀、碳酸氫鈉以及微量元素等配置人工污水.Fe2+濃度和C/N以FeSO4 · 7H2O和C6H12O6 · H2O調(diào)節(jié)，以NaHCO3調(diào)節(jié)進(jìn)水pH.具體實(shí)驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)如表 1.不同C/N主要由以下幾個方面確定：①確定在無碳源存在的條件下Fe2+是否參與反硝化作用;②人工濕地經(jīng)常需要處理低碳氮比的污水，研究低碳氮比時Fe2+對反硝化作用的影響;③無氧條件下，反硝化作用所需理論C/N為4.6 ∶ 1，有文獻(xiàn)認(rèn)為人工濕地最適反硝化C/N為5.25，本研究中添加了不同濃度Fe2+，C/N需根據(jù)亞鐵加入量進(jìn)行確定;④高COD條件下反硝化作用通常可以很好的完成，無需外加Fe2+提高反硝化能力.
表1 實(shí)驗(yàn)進(jìn)水的水質(zhì)指標(biāo)
2.3 運(yùn)行條件
人工濕地運(yùn)行方式為間歇進(jìn)水，水力負(fù)荷為28 L · d-1.實(shí)驗(yàn)裝置于2014年9月底構(gòu)建完成，10月初在每個濕地中加入2.8 L活性污泥進(jìn)行馴化.馴化期間以NO3--N=30 mg · L-1，COD=60 mg · L-1及微量元素配水，每天換水1次.35 d后，其中4個濕地的配水中添加5 mg · L-1 Fe2+，另一個濕地作為對照不添加Fe2+，每3 d換水1次，每5 d測定1次出水，20 d后出水達(dá)到穩(wěn)定，12月初進(jìn)入實(shí)驗(yàn)測定階段.整個實(shí)驗(yàn)分為兩個階段：第一階段設(shè)置5個Fe2+濃度梯度，分別是0、5、15、30和45 mg · L-1，C/N為2，共5個周期，每個周期運(yùn)行3 d，每天取樣測定;第二階段測定不同C/N時Fe2+濃度為5、15、30和45 mg · L-1的出水水質(zhì)，設(shè)置4組C/N，分別為0、2、4和6，水力停留時間(HRT)為2 d，每組C/N條件下進(jìn)行5個周期.整個實(shí)驗(yàn)在自然條件下進(jìn)行，溫度為2~10 ℃.
2.4 分析方法
分析項目包括pH、DO、NO3--N、NO2--N、NH3-N、TN、COD、Fe2+和總鐵.DO和pH采用Hach HQ 40 d測定，NO3--N和TN采用紫外分光光度計測定，NO2--N采用GMA3202氣相分子吸收光譜儀測定，NH3-N采用HI9 3733氨氮離子濃度比色測定，COD、Fe2+和總鐵采用DR 900多參數(shù)水質(zhì)分析儀測定.采用Microsoft Excel 2013軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖，SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)與方差分析.
3 結(jié)果與分析 3.1 亞鐵離子濃度對反硝化作用的影響 3.1.1 初始Fe2+濃度對NO3-去除影響
圖 1為3種HRT時不同初始Fe2+濃度的人工濕地硝態(tài)氮去除效果.可見，不添加Fe2+時，NO3--N在HRT為1 d、2 d、3 d的去除率分別僅為6.89%、10.18%和14.21%左右.添加Fe2+的濕地NO3--N去除率顯著增加(p<0.05)且隨初始Fe2+濃度的增大而逐漸增大.添加45 mg · L-1Fe2+的NO3--N去除率分別提高到30.8%，35.36%和40.43%左右.不同HRT時NO3--N的去除率與初始Fe2+濃度間的關(guān)系呈現(xiàn)一致性，NO3--N去除率與初始Fe2+濃度正相關(guān)，HRT為2 d、3 d的NO3--N去除率均隨初始Fe2+濃度增加而顯著增加(p<0.05).這表明添加Fe2+可以促進(jìn)人工濕地的反硝化作用，原因可能是Fe2+參與了人工濕地的反硝化過程，與NO3-發(fā)生反應(yīng)從而去除硝態(tài)氮.
圖1 不同初始進(jìn)水Fe2+濃度硝氮去除率(注：圖中表示在相同HRT下，不同初始Fe2+濃度硝氮去除率的顯著性比較(n=3)，其中同系列柱形圖上具有相同字母的表示差異不顯著(p<0.05)
3.1.2 人工濕地內(nèi)亞硝態(tài)氮的生成情況
一定條件下，人工濕地的反硝化過程會導(dǎo)致NO2-的積累，NO2-對人體有一定的健康危害，地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14848-93)中，Ⅳ類水的NO2-N濃度不能大于0.1 mg · L-1. 因此，分析反硝化人工濕地出水NO2-濃度是十分必要的.
人工濕地進(jìn)水的NO2--N濃度小于0.01 mg · L-1，由圖 2可以看出不加Fe2+的人工濕地中出水NO2--N較進(jìn)水有一定的積累.HRT為1 d時NO2--N濃度為0.18 mg · L-1左右，2 d后濃度顯著提高到0.72 mg · L-1左右，第3天下降到0.59 mg · L-1左右;而添加了5 mg · L-1Fe2+的人工濕地，3種HRT時出水NO2--N濃度為0.07 mg · L-1、0.12 mg · L-1、0.15 mg · L-1.隨著初始Fe2+濃度增加，人工濕地出水NO2--N濃度逐漸減少，當(dāng)添加30和45 mg · L-1 Fe2+時NO2--N出水濃度和進(jìn)水濃度基本一致，小于0.01 mg · L-1.這說明Fe2+的加入可以減少NO2-的積累，這可能是Fe2+提供了電子，促進(jìn)反硝化過程徹底進(jìn)行.
圖2 不同初始進(jìn)水Fe2+濃度出水亞硝氮濃度
3.1.3 出水亞鐵、總鐵情況
圖 3與圖 4分別為人工濕地出水Fe2+與總鐵濃度.可見，出水Fe2+濃度基本小于0.1 mg · L-1，總鐵濃度小于0.3 mg · L-1，隨著添加的Fe2+增加，出水Fe2+與總鐵濃度逐漸增加，但出水Fe2+與總鐵濃度基本不影響人工濕地出水水質(zhì).在接近中性條件下Fe(Ⅲ)通常以氫氧化物存在，本研究中出水Fe2+與總鐵濃度較低可能是Fe2+與NO3-反應(yīng)生成的Fe(Ⅲ)以氫氧化物形式存留在人工濕地中.
?圖3 不同初始進(jìn)水Fe2+濃度的出水Fe2+濃度
圖4 不同初始進(jìn)水Fe2+濃度出水總鐵濃度
由圖 3與圖 4也可以看出Fe2+與總鐵的出水濃度具有周期性，出水濃度隨時間先增大后減少，HRT為2 d時出水濃度最大，這說明鐵在人工濕地中存在一定的循環(huán)作用.可能是Fe2+還原NO3-后變?yōu)镕e(Ⅲ)，水中的有機(jī)物又將Fe(Ⅲ)還原為Fe2+.另外，出水Fe2+、總鐵濃度與進(jìn)水Fe2+濃度分別具有很好的線性關(guān)系，這為進(jìn)水Fe2+濃度的確定提供了一定的參考意義.
3.2 碳氮比對亞鐵反硝化作用的影響
由以上可知，不同HRT時Fe2+對人工濕地反硝化作用的影響規(guī)律基本一致，故本節(jié)選取HRT為2 d研究不同C/N對Fe2+參與的反硝化作用影響.
3.2.1 C/N對硝態(tài)氮去除率的影響
圖 5為不同C/N對外加Fe2+的人工濕地的硝態(tài)氮去除效果的影響.可見，不加碳源時，不同初始Fe2+濃度的人工濕地硝態(tài)氮去除率較低，分別為5.6%、7.1%、9.8%和12.1%左右;當(dāng)C/N為4時，不同初始Fe2+濃度的硝態(tài)氮去除率顯著提高到25.61%、32.07%、44.10%和53.00%左右.硝態(tài)氮的去除率隨C/N的增加顯著增加(p<0.05).一方面，因?yàn)樘荚吹脑黾佑欣诖龠M(jìn)人工濕地的反硝化作用;另一方面，可能是有機(jī)碳源的存在可以促進(jìn)亞鐵參與的反硝化作用.對初始Fe2+濃度與C/N作兩因素方差分析，由表 2可知兩者具有交互作用且三者對硝態(tài)氮去除率貢獻(xiàn)大小為：C/N > 初始Fe2+濃度> C/N *初始Fe2+濃度，初始Fe2+濃度與C/N對硝態(tài)氮去除率都有顯著影響(p<0.05).
?圖5 不同C/N條件下的不同F(xiàn)e2+濃度的硝氮去除率(注：圖中表示在相同條件下，初始進(jìn)水Fe2+濃度不同C/N時硝氮去除率的顯著性比較(n=3)，其中同系列柱形圖上具有相同字母的表示差異不顯著(p<0.05)
表2 亞鐵離子與碳氮比的主體間效應(yīng)的檢驗(yàn)
3.2.2 不同C/N時NO2-的生成情況
由圖 6可見隨C/N的增加，NO2--N的濃度先增加后減少，在碳氮比為4時出現(xiàn)了最大值，達(dá)到1.2 mg · L-1.陸松柳的研究中也發(fā)現(xiàn)不加碳源的人工濕地出水亞硝氮濃度為0.1 mg · L-1，而添加碳源后約為3 mg · L-1，表 明碳源的添加會導(dǎo)致亞硝氮的積累.本研究加入了Fe2+，結(jié)果表明出水NO2--N濃度有所減少，且隨初始Fe2+濃度增加，NO2--N的濃度逐漸減少.這說明亞鐵可以促進(jìn)人工濕地反硝化作用的進(jìn)行，減少亞硝態(tài)氮的積累，原因可能是亞鐵可以作為電子供體參與人工濕地的反硝化作用.
圖6 不同C/N的出水亞硝氮濃度
3.2.3 不同C/N時出水Fe2+、總鐵濃度
圖 7、圖 8分別為不同C/N人工濕地出水Fe2+、總鐵濃度.可見，不加碳源的人工濕地出水Fe2+濃度小于0.1 mg · L-1、總鐵濃度小于0.25 mg · L-1.隨C/N增加，不同初始Fe2+濃度的人工濕地出水Fe2+和總鐵的濃度均逐漸增加，C/N為6，初始Fe2+濃度為45 mg · L-1的人工濕地出水Fe2+與總鐵濃度顯著增加(p<0.05).原因可能是人工濕地中以葡萄糖和Fe2+兩種物質(zhì)同時作為電子供體進(jìn)行反硝化作用，且由表 2知C/N對反硝化作用的貢獻(xiàn)作用大于Fe2+，因此有機(jī)物增加會減少Fe2+作為反硝化作用的電子供體，從而出水的Fe2+和總鐵的濃度會增加.另外，出水Fe2+和總鐵濃度分別與C/N具有很好的指數(shù)關(guān)系，這也為確定人工濕地進(jìn)水C/N和Fe2+濃度提供了一定的依據(jù).
?圖7 不同C/N出水Fe2+濃度
圖8 不同C/N出水總鐵濃度
4 討論
4.1 亞鐵參與人工濕地反硝化作用
本研究結(jié)果表明，添加Fe2+后可以顯著提高人工濕地硝態(tài)氮的去除率(p<0.05)且去除率隨初始Fe2+濃度增加而逐漸增加.表明Fe2+可以促進(jìn)反硝化過程的進(jìn)行，F(xiàn)e2+可能參與反硝化作用從而去除硝態(tài)氮.Nielsen研究添加亞鐵對污水處理廠活性污泥硝態(tài)氮去除率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)很多污水處理廠的活性污泥在添加亞鐵后的硝態(tài)氮去除率都明顯提高，與本研究結(jié)論一致.亞鐵參與人工濕地反硝化作用的機(jī)制有兩種.一方面Fe2+與硝酸鹽可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)方程如下：
然而一般液相條件下，化學(xué)反硝化作用不容易發(fā)生或反應(yīng)很緩慢，在固相界面或者存在某些金屬離子、金屬氧化物等固相物質(zhì)時可以促進(jìn)化學(xué)反硝化的進(jìn)行.另一方面，F(xiàn)e2+與硝酸鹽可以發(fā)生生物反硝化作用.在鐵存在下硝態(tài)氮依賴某些微生物進(jìn)行還原代謝，這種微生物可以在氧化Fe2+的同時還原NO3-.人工濕地是一種含有基質(zhì)、微生物豐富的綜合生態(tài)處理系統(tǒng)，這為硝態(tài)氮的化學(xué)和生物反硝化作用的發(fā)生提供了良好的條件.
4.2 有機(jī)物與亞鐵反硝化的相互影響作用
本研究顯示，有機(jī)物的存在對亞鐵參與反硝化產(chǎn)生很大的影響，有機(jī)物與Fe2+對人工濕地的反硝化作用具有交互作用.有機(jī)物對Fe2+參與的反硝化作用既有直接影響也有間接影響.首先，F(xiàn)e2+反硝化反應(yīng)后生成的Fe(Ⅲ)可以通過有機(jī)物再次還原成Fe2+，有機(jī)物可以促進(jìn)鐵的循環(huán)，從而促進(jìn)反硝化的進(jìn)行.Coby等通過不斷改變反應(yīng)體系中乙酸和NO3-的負(fù)荷，使體系中持續(xù)進(jìn)行鐵的氧化還原循環(huán)和氮素同步轉(zhuǎn)化.其次，對于生物反硝化作用而言，有機(jī)物是微生物生長、生存的必要條件，其通過影響微生物的生長來影響反硝化作用.大多數(shù)亞鐵氧化微生物僅能在有機(jī)碳源存在的條件下氧化亞鐵并同時還原硝態(tài)氮.
對于有機(jī)物較少但富含鐵的廢水而言，亞鐵可以參與人工濕地反硝化作用具有較大的意義，這解決了人工濕地脫氮過程中碳源不足的問題.對于有機(jī)物含量過高的體系，一方面有機(jī)物作為反硝化作用的電子供體參與反應(yīng);另一方面，有機(jī)物過高時可能被厭氧降解為甲烷，排放到空氣中會造成溫室效應(yīng).如果人工濕地中存在三價鐵或二價鐵，則可以減少CH4的產(chǎn)生.因?yàn)橛袡C(jī)物可以被用來還原二價鐵，這樣減少了有機(jī)物通過發(fā)酵作用變成CH4.也有研究表明，三價鐵的存在使得鐵異化還原菌與產(chǎn)甲烷菌發(fā)生競爭，從而可以抑制甲烷的產(chǎn)生.綜上所述，不管對于有機(jī)物含量高還是有機(jī)物含量低的污廢水，亞鐵的存在都有一定的積極意義.
5 結(jié)論
1)人工濕地進(jìn)水中添加Fe2+可以顯著提高硝態(tài)氮的去除率，NO3--N的去除率隨初始Fe2+濃度增加而增加，F(xiàn)e2+的存在也可以減少NO2--N的生成.表明Fe2+可以參與反硝化作用，其作為人工濕地反硝化的電子供體具有一定的可行性.
2)在人工濕地的反硝化過程中，C/N與初始Fe2+濃度對反硝化作用都具有顯著影響且兩者具有交互作用，有機(jī)碳源的存在可以促進(jìn)亞鐵參與的反硝化作用.具體參見 污水處理技術(shù)資料或污水技術(shù)資料更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3)出水Fe2+與總鐵的濃度與初始Fe2+濃度和C/N有關(guān).出水Fe2+、總鐵濃度分別與初始Fe2+濃度線性相關(guān)，與C/N指數(shù)相關(guān).出水Fe2+與總鐵濃度不高，表明Fe2+反應(yīng)后可能生成難溶性物質(zhì)存留在人工濕地中.
