Effects of plants and temperature on nitrogen removal and microbiology in pilot-scale horizontal subsurface flow constructed wetlands treating domestic wastewater

植物和溫度對處理生活污水的中試水平潛流人工濕地脫氮及微生物學的影響

來源：Ecological Engineering, Volume 108, 2017, Pages 70-77

《生態工程》，第108卷，2017年，70-77頁

 

摘要

摘要部分闡述研究通過兩個中試水平潛流人工濕地（HSSFCWs），一個種植菖蒲（Acorus calamus），一個種植蘆葦（Phragmites australis），用于處理生活污水，評估植物根際和非根際的脫氮特性。在2012年9月19日至12月12日期間，平均總氮（TN）去除效率為45.2%，水力負荷率為0.15 m3 m?2 d?1。根際的硝化強度、亞硝酸鹽氧化細菌和氨氧化細菌數量顯著高于非根際，與植物根系釋氧相關；而非根際的反硝化強度和反硝化細菌數量較高。盡管菖蒲根際溶解氧濃度和氮處理細菌數量高于蘆葦，但兩種濕地脫氮效率相似，可能因處理廢水氮濃度較低。NH4+-N和NO3--N去除效率與水溫顯著正相關。

 

研究目的

研究的主要目的是調查植物對水平潛流人工濕地脫氮的影響，包括比較根際和非根際的硝化與反硝化強度、氮循環細菌數量、以及根際氧濃度，并分析溫度對脫氮效率的影響，以優化人工濕地的設計和操作。

 

研究思路

研究思路包括設置兩個中試規模的水平潛流人工濕地，分別種植菖蒲和蘆葦，以間歇模式操作，處理生活污水。通過采樣監測進水出水的氮濃度（TN、NH4+-N、NO3--N、NO2--N），測量根際和非根際的硝化強度、反硝化強度、氮循環細菌數量（氨氧化細菌、亞硝酸鹽氧化細菌、反硝化細菌），并使用丹麥Unisense微電極測量根際溶解氧濃度。進行統計分析和相關性分析（如ANOVA、Pearson相關），以評估植物種類和溫度對脫氮過程的調控機制。

 

測量的數據及研究意義

1 氮濃度數據：來自Fig.2，顯示進水和出水的TN、NH4+-N、NO3--N濃度變化及去除效率。研究意義在于量化濕地的脫氮性能，證實間歇操作下平均TN去除效率為45.2%，并揭示NH4+-N和NO3--N去除與水溫正相關，為優化濕地運行參數提供依據。

 

2 硝化和反硝化強度數據：來自Fig.3和Fig.4，顯示根際和非根際的硝化強度（NH4+-N氧化）和反硝化強度（NO3--N還原）。研究意義在于表明根際硝化強度顯著高于非根際，而非根際反硝化強度較高，突出植物根系釋氧創造好氧微環境促進硝化，而非根際缺氧條件利于反硝化，深化對濕地內部氮轉化空間分異的理解。

 

 

3 氮循環細菌數量數據：來自Fig.5，顯示根際和非根際的氨氧化細菌、亞硝酸鹽氧化細菌和反硝化細菌數量。研究意義在于驗證根際硝化細菌數量顯著高于非根際，反硝化細菌在非根際更豐富，說明微生物群落分布受植物調控，直接影響氮轉化路徑，為濕地微生物管理提供基礎。

 

4 根際溶解氧濃度數據：來自Fig.6，顯示菖蒲和蘆葦根際的溶解氧濃度。研究意義在于菖蒲根際氧濃度顯著高于蘆葦，證實植物種類影響根際氧釋放，從而調控硝化細菌活性，但因廢水氮負荷低，未導致脫氮效率差異，強調濕地設計需考慮植物選擇和進水負荷。

 

5 溫度相關性數據：來自Table 1，顯示水溫與NH4+-N、NO3--N去除效率的Pearson相關系數。研究意義在于證實溫度正相關于脫氮效率，水溫降低時硝化速率下降，指導濕地季節性運行策略。

 

 

結論

1 植物根際通過釋氧促進硝化強度和硝化細菌生長，而非根際缺氧環境更利于反硝化，顯示濕地內部微環境空間異質性對氮去除的關鍵作用。

2 植物種類（菖蒲 vs 蘆葦）對根際氧濃度和細菌數量有顯著影響，但因處理廢水氮濃度較低，未造成脫氮效率差異，表明在低氮負荷下植物選擇可能非限制因子。

3 溫度顯著影響脫氮效率，水溫與NH4+-N和NO3--N去除正相關，提示溫度調控是濕地運行的重要考慮因素。

4 間歇操作結合植物微生物交互作用可實現穩定脫氮，為人工濕地優化提供實踐參考。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

在研究中，丹麥Unisense電極用于高精度測量植物根際溶解氧濃度（如Fig.6所示），數據顯示菖蒲根際氧濃度（平均82.7 μmol L?1）顯著高于蘆葦（56.5 μmol L?1）。測量意義在于直接量化了植物根系釋氧能力，證實根際好氧微環境的存在，從而解釋硝化細菌在根際的富集和更高硝化強度。這些數據鏈接了植物生理（如氧釋放）與微生物過程（硝化），為理解濕地中植物-微生物互作機制提供實驗證據。Unisense電極的高分辨率測量凸顯了根際氧動態對氮轉化的調控作用，強調在濕地設計中優選釋氧能力強的植物以增強硝化，尤其在處理較高氮負荷廢水時。因此，該技術是揭示人工濕地內部微環境機制的關鍵工具。