基质种类和电流强度对电解强化潜流人工湿地运行性能影响

　　摘要：为探究两种不同基质的电解强化潜流人工湿地对氮磷污染物的净化效果差别以及两种不同基质的电解强化潜流人工湿地的最适电流强度，构建了以沸石为基质的湿地系统A和以砖块为基质的湿地系统B，以及各自的空白a、b。在启动阶段，A对氨氮的去除效果显著高于B，说明使用沸石为基质对电解强化潜流人工湿地的氨氮去除效果更优。稳定运行阶段时，B的总氮最大去除率只达到A最大去除率的一半，说明以沸石为基质的电解强化潜流人工湿地在脱氮效果上更明显。在稳定运行阶段，A和B对磷的去除效果会随着电流强度的增强而不断变大，当电流强度为100mA时，两系统中磷的去除率均达到最大值。而对氮的去除效果则是：当A在电流强度为30mA时，氮的去除率最高，而B在电流强度为50mA时，氮的去除率最高，且两系统在达到最佳电流强度后，随着电流强度的增加，两系统对氮的去除能力均会下降。综合分析，A的最佳运行电流强度为30mA，而B的最佳运行条件为50mA。

　　关键词：电解强化人工湿地;基质;电流强度;脱氮除磷

　　随着农村生活水平的提高，农村生活污水已经不能如从前那样简单直接地排放到环境中。农村生活污水中含有的大量氮、磷等物质，直接排入水体或者农田会造成严重污染[1-2]，于是人工湿地污水处理系统被广泛应用于此类污水的处理[3]。

　　然而，传统类型的人工湿地缺陷较多，特别是其脱氮除磷能力亟待提高，需考虑采用一定的技术手段和调控措施强化该工艺的运行性能[4-6]。其中，将电解强化措施与人工湿地系统耦合，进而提高该生态处理工艺的污染物去除率是当前的研究热点之一[7]。农村生活污水中的氮素主要以氨氮的形式存在，硝态氮和亚硝态氮的含量较少，污水中的磷主要是正磷酸盐，有机磷含量较少[2]。

　　因此去除农村生活污水中的氮、磷营养盐，主要是降低出水中氨氮和正磷酸盐的含量。传统的人工湿地主要通过基质、微生物和植物的协同作用去除污水中的氮磷污染物[8]。其中，基质对湿地系统的净化能力至关重要[9]，然而，其在传统湿地中对于氮磷的去除效果并不理想，且填料在对污染物吸附饱和后，还存在解析的现象[10-11]。电解强化人工湿地除以上作用外增加了电化学作用，应可对人工湿地的处理效果有所促进[12]。

　　截至目前，关于电解强化人工湿地中基 质的影响较少研究，如不同基质的人工湿地增加电解装置后的净化效果有何差别，不同基质的最适电流强度都尚需更多研究。因此，本试验构建了两种不同基质的电解强化潜流人工湿地装置，包括沸石基质和砖块基质以及对应的空白组，模拟农村生活污水，探究两种电解装置的启动时间、脱氮除磷效果;稳定运行后，分析不同电流强度对两种装置净化氮磷污染物的影响。筛选出两种系统的最佳电解条件，探讨相同电解条件下，两种基质对系统中脱氮除磷的贡献差别。

　　1材料与方法

　　1.1试验装置

　　试验过程中，共构建12个装置，其中电解装置A及其空白a装置各3个，电解装置B及其空白b各3个。空白组与试验组装置结构相同，但未添加电解设备。两种不同基质的电解强化潜流人工湿地(E-HFCW)装置，装置的主体(L×W×H=670mm×450mm×300mm)是由塑料水箱加工而成，其中装置A中填充的填料主要为沸石，装置B中主要填充的为砖块。两个装置中填料的质量均是50kg，填充高度均为200mm，表层均覆盖厚度30mm的河沙，填充体积均设定为50L。两种装置均使用纯铁作为电极材料，阳极电极(L×W×T=250mm×150mm×0.3mm，表面打孔，孔径20mm，孔距20mm)设置在系统中心，阴极极板均匀地设置在阳极的两侧，各极板相距120mm。

　　使用铜线(直径2mm)将电极与直流稳压电源(同门科技提供的型号eTM-305F，0~30V，0~5A)相连，为电解系统提供恒定电流。各装置均种植同等数量芦苇，因为在室内试验，植物生长状况较差。装置采用间歇式进水方式，模拟污水由蠕动泵、定时开关和液体流量计共同控制，通过管径为35mm的PVC管进入系统，处理后的水体则通过水阀排出。

　　1.2试验条件和模拟废水

　　该部分试验分成两个阶段，分别为启动阶段和稳定运行阶段。两个阶段中室温控制在25~30℃，装置的HLR为0.06m3·(m2·d)-1，HRT为1d，系统处理污水量为15L·d-1。在启动阶段，E-HFCW系统的电流强度设置为15mA，电解时间为8h。

　　稳定运行阶段，电解时间始终设置为8h，电流强度分别为8、15、30、50和100mA。该试验进水使用葡萄糖(分析纯)、氯化铵(分析纯)、磷酸二氢钾(分析纯)和自来水进行人工配制，模拟农村生活污水。在使用前要静置1h，待化学药品完全溶解、混匀。污水中COD、TN和TP含量分别为(266.14±23.02)、(56.26±6.63)和(4.80±0.44)mg·L-1。

　　1.3采样点设置定期从固定出水口采集装置进出水水样进行测定，测定时每个样品要进行3次重复。

　　1.4水质测定与分析方法

　　启动阶段和稳定运行阶段的水样测定指标包括：pH、温度、DO、ORP、TN、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TP和PO43--P和Fe2+和总溶解铁(TDFe)，水质指标测定时均参照《水与废水水质测定方法》(第4版)[13]。

　　水体中Fe3+的含量，采用TDFe含量减去Fe2+含量的形式获得。pH、温度和ORP采用pH电极测定，DO采用便携式溶氧仪测定。在启动阶段，各装置先运行15d后，再每天进行测定。稳定运行阶段，各装置每天测定1次。试验结束后，对各装置中填料的全磷含量进行测定。填料的全磷测定使用硫酸/高氯酸消解-钼锑抗分光光度法，参照《土壤农化分析》第3版[14]。

　　1.5数据处理

　　数据计算使用Excel2018，用Pearson检验方法和配对T检验来进行相关性分析和差异显著性分析，检验数据间相关水平的统计分析通过SPSS20.0进行。

　　2结果与分析

　　2.1启动阶段两种装置对污水中氨氮和正磷酸盐的净化情况

　　2.1.1两种装置对污水中氨氮的净化效果

　　启动阶段，氨氮的去除情况：进水的氨氮含量为(55.16±9.35)mg·L-1电解装置A、B出水中氨氮的含量范围分别为0.11~2.48mg·L-1和14.47~0.07mg·L-1，平均去除率分别为(98.34±1.41)%和(46.82±11.60)%;而对应的空白组装置a、b出水中氨氮的含量范围分别为0.06~3.62mg·L-1和12.44~37.80mg·L-1，平均去除率分别为(96.38±1.69)%和(49.71±14.67)%。

　　沸石具有多孔隙结构，对氨氮有选择吸附的能力，因此装置A对氨氮的去除效率极显著高于装置B(P<0.01，n=30)。虽然装置A和a具有相同的基质和环境条件，但两者对氨氮的去除效果存在极显著差异(P<0.01，n=30)，即说明在启动阶段，电解能够促进以沸石为基质的人工潜流湿地对氨氮的净化效果[4]。而装置B和b对氨氮的去除效率没有显著差异(P>0.05，n=30)，即说明该阶段，电解并没有促进以砖块为基质的湿地系统对氨氮的去除。

　　2.2电流强度对两种电解强化潜流人工湿地脱氮除磷能力的影响

　　2.2.1电流强度对电解强化潜流人工湿地脱氮效果的影响

　　各装置启动阶段结束后，让其分别在电流强度为8、15、30、50和100mA的条件下运行，电解时间均设置为8h，HRT为1d，室温控制在25~30℃之间。通过试验分析二者在不同的电流强度下对脱氮效果的影响，以便进一步筛选出两种装置的最佳电解条件。

　　整个过程中进水的TN平均含量为(56.27±6.65)mg·L-1，在上述5个电流强度下，出水的总氮含量及其去除率：装置A对TN的去除效果较好，当电流强度从8mA升高到30mA的过程中，其出水中TN含量降低至(0.92±0.34)mg·L-1，去除率从(95.29±1.26)%升高至(98.33±0.58)%;但当电流强度从30mA升高到100mA的过程中，A出水中的TN含量逐渐升高到(7.47±2.13) mg·L-1，去除率降至(87.37±2.82)%。

　　通过差异显著性分析，发现A在不同电流强度下对TN的去除率存在极显著的差异(P<0.01，n=10)。对于B来说，当电流强度从8mA升高到50mA的条件下，其出水中TN的含量从(34.45±2.33)mg·L-1降至(22.75±4.16)mg·L-1，去除率从(41.76±3.23)%提高到(57.56±5.00)%，但当电流升高到100mA时，TN去除率下降为(51.66±4.78)%。且当B在前4个电流强度下，TN去除率间均有极显著差异(P<0.01，n=10)。

　　两种装置NH4+-N去除情况跟TN的去除情况相同，A在30mA条件下，系统的去除率最高(99.31±0.41)%，而后随着电流强度的增加去除率不断下降，最低值为(89.59±2.74)%。B在电流强度为50mA时，平均去除最大值为(57.66±4.98)%，而后在100mA条件下，去除率下降为(53.63±2.86)%。两个系统中进出水中的硝态氮和亚硝态氮的情况，A、B两种装置中NO3--N和NO2--N含量均较少，对系统中氮的去除率影响极小，但是二者作为硝化和反硝化作用中的中间产物，会随着湿地系统的运行，存在不同程度的积累。

　　电解与人工湿地耦合可以显著提高系统对氮的净化能力[7]， 但其去除效果很大程度上依赖于填料的理化性质。因而A对氮的去除效果要显著优于B，且二者的最佳的电流强度也不同，对于A来说，最佳电解条件为30mA，而B的最佳运行电流为50mA。

　　2.3不同电流强度下，水体中Fe含量

　　两种E-HFCW中Fe含量随电流强度的变化情况。A、B中Fe2+和TDFe的含量均随电流强度的增强而不断变大，在电流强度从8mA升高到100mA的过程中，两装置TDFe含量分别从(3.28±0.47)mg·L-1、(6.82±0.85)mg·L-1增加到(9.19±0.71)mg·L-1和(14.70±1.37)mg·L-1。A出水中Fe2+的含量从(1.17±0.31)mg·L-1升高至(4.91±0.96)mg·L-1，B出水中Fe2+从(3.35±0.80)mg·L-1升高至(9.74±0.62)mg·L-1。

　　相较于Fe2+和TDFe的变化情况，Fe3+变化相对较小。不同电流强度下A出水中的Fe3+含量分别为(2.11±0.36)mg·L-1、(4.03±0.69)mg·L-1、(4.41±0.63)mg·L-1、(4.08±1.08)mg·L-1和(4.28±1.00)mg·L-1。而B在不同电流强度下，Fe3+含量分别为(3.47±0.56)mg·L-1、(4.09±0.75)mg·L-1、(4.26±1.07)mg·L-1、(4.89±1.38)mg·L-1和(4.96±1.09)mg·L-1。铁离子的引入能够有效地促进系统对P的去除[15]，但是如果含量过高，亦会污染水体，破坏生态环境，因此我们需要选择适当的电流强度，既提高污染物的去除率，又避免二次污染的风险。

　　3讨论与结论

　　本试验构建了两种不同基质的电解强化潜流人工湿地，采用模拟农村生活污水，探究了二者的最佳电解条件和对氮磷污染物的去除效果对比。在启动阶段，各装置电流强度相同。以沸石为基质的电解系统A对氨氮的去除效果均显著高于以砖块为基质的电解系统B。

　　且装置A和a对氨氮的去除效果存在极显著差异，而装置B和b对氨氮的去除效率没有显著差异，说明在启动阶段，电解能够促进以沸石为基质的人工潜流湿地对氨氮的净化效果，而没有促进以砖块为基质的湿地系统对氨氮的去除。在系统运行初期，湿地填料的吸附和沉淀作用强，对磷的去除效果均好[18]，随着填料吸附作用减小，而后主要依靠电极氧化产生的Fe2+的沉淀絮凝作用。装置A在系统运行的第41天，对正磷酸盐的去除率由最低值40.47%回升维持在70%左右，而装置B从系统运行的第29天开始，其对正磷酸盐的去除效果就由最低值60.06%回升至(75.20±3.12)%。

　　说明以砖块为基质的电解强化人工湿地系统在除磷上效果更快及明显。但与未加电解的装置a、b相比，a、b的去除率持续降低，在第45天去除率分别为15.20%和46.53%。可以看出电解对于以沸石为基质的湿地系统在对磷的去除上起到了更大的作用，去除率提升了约4.5倍;对于以砖块为基质的湿地系统去除率仅提升了约1.5倍。在稳定运行阶段，A的TN去除效率在电流强度为30mA时达到最大值(98.33±0.58)%，而B在电流强度为50mA时，TN的去除率达到最大值(57.56±5.00)%，并且氮的去除效率并不会随着电流强度的持续增加而不断变大，相反，当系统达到最佳电流强度后，氮的去除效果会随着电流强度的增大而呈现相对下降趋势，且B的TN最大去除率也只能达到A最大去除率的一半左右。

　　说明以沸石为基质的电解强化潜流人工湿地在脱氮效果上更明显。在稳定运行阶段，各系统中磷的去除效果均随着电流强度的增大而不断升高。当电流强度为100mA时，A、B对TP的去除率分别为(91.85±1.85)%和(97.16±2.03)%，对于磷的去除来说，虽然A中填料对磷的吸附和沉淀作用较弱，但是由于电解过程中产生的铁离子强化了系统对磷的去除能力，弥补了沸石填料对磷去除能力的劣势。

　　两种电解装置在运行过程中，电解产生的Fe2+和TDFe的含量均随电流强度的增大而增大。当电流强度为100mA时，A、B中产生的TFe含量分别为(9.19±0.71)mg·L-1和(14.70±1.37)mg·L-1，而Fe3+的含量相对较少，其含量分别为(4.28±1.00)mg·L-1和(4.96±1.09)mg·L-1。由于沸石对金属阳离子具有吸附作用[19-20]，因而A中的铁离子含量要低于B。在启动阶段，相同电流强度下，电解能够促进以沸石为基质的人工潜流湿地对氮的净化效果，而没有促进以砖块为基质的湿地系统对氮的去除。A、B与各自的空白组a、b相比，电解系统与人工湿地的组合，显著提高了A脱氮除磷的能力，提高了B的除磷效率。

　　两种不同基质的电解强化潜流人工湿地在不同电流强度下运行的结果表明，电解可以促进系统对氮磷污染物的去除，且相较传统湿地而言，在运行过程中的副产物更少。当A在电流强度为30mA时，氮的去除效果达到最大值，而B在电流强度为50mA时，氮的去除效果最佳。而A、B对磷的去除效率随着电流强度的增强而持续变高，当电流强度为100mA时，TP的去除率分别达到最高。综合两种系统在运行过程中对氮磷污染物的净化能力以及副产物的产量考虑，A的最佳运行电流强度为30mA，而B的最佳运行条件为50mA。

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　　作者：钱琪卉1，于元超1，王皓1，王振1，巫厚长1*，钟耀华2