摘要：為探究兩種不同基質的電解強化潛流人工濕地對氮磷污染物的凈化效果差別以及兩種不同基質的電解強化潛流人工濕地的最適電流強度，構建了以沸石為基質的濕地系統A和以磚塊為基質的濕地系統B，以及各自的空白a、b。在啟動階段，A對氨氮的去除效果顯著高于B，說明使用沸石為基質對電解強化潛流人工濕地的氨氮去除效果更優。穩定運行階段時，B的總氮最大去除率只達到A最大去除率的一半，說明以沸石為基質的電解強化潛流人工濕地在脫氮效果上更明顯。在穩定運行階段，A和B對磷的去除效果會隨著電流強度的增強而不斷變大，當電流強度為100mA時，兩系統中磷的去除率均達到最大值。而對氮的去除效果則是：當A在電流強度為30mA時，氮的去除率最高，而B在電流強度為50mA時，氮的去除率最高，且兩系統在達到最佳電流強度后，隨著電流強度的增加，兩系統對氮的去除能力均會下降。綜合分析，A的最佳運行電流強度為30mA，而B的最佳運行條件為50mA。

　　關鍵詞：電解強化人工濕地;基質;電流強度;脫氮除磷

　　隨著農村生活水平的提高，農村生活污水已經不能如從前那樣簡單直接地排放到環境中。農村生活污水中含有的大量氮、磷等物質，直接排入水體或者農田會造成嚴重污染[1-2]，于是人工濕地污水處理系統被廣泛應用于此類污水的處理[3]。

　　然而，傳統類型的人工濕地缺陷較多，特別是其脫氮除磷能力亟待提高，需考慮采用一定的技術手段和調控措施強化該工藝的運行性能[4-6]。其中，將電解強化措施與人工濕地系統耦合，進而提高該生態處理工藝的污染物去除率是當前的研究熱點之一[7]。農村生活污水中的氮素主要以氨氮的形式存在，硝態氮和亞硝態氮的含量較少，污水中的磷主要是正磷酸鹽，有機磷含量較少[2]。

　　因此去除農村生活污水中的氮、磷營養鹽，主要是降低出水中氨氮和正磷酸鹽的含量。傳統的人工濕地主要通過基質、微生物和植物的協同作用去除污水中的氮磷污染物[8]。其中，基質對濕地系統的凈化能力至關重要[9]，然而，其在傳統濕地中對于氮磷的去除效果并不理想，且填料在對污染物吸附飽和后，還存在解析的現象[10-11]。電解強化人工濕地除以上作用外增加了電化學作用，應可對人工濕地的處理效果有所促進[12]。

　　截至目前，關于電解強化人工濕地中基 質的影響較少研究，如不同基質的人工濕地增加電解裝置后的凈化效果有何差別，不同基質的最適電流強度都尚需更多研究。因此，本試驗構建了兩種不同基質的電解強化潛流人工濕地裝置，包括沸石基質和磚塊基質以及對應的空白組，模擬農村生活污水，探究兩種電解裝置的啟動時間、脫氮除磷效果;穩定運行后，分析不同電流強度對兩種裝置凈化氮磷污染物的影響。篩選出兩種系統的最佳電解條件，探討相同電解條件下，兩種基質對系統中脫氮除磷的貢獻差別。

　　1材料與方法

　　1.1試驗裝置

　　試驗過程中，共構建12個裝置，其中電解裝置A及其空白a裝置各3個，電解裝置B及其空白b各3個。空白組與試驗組裝置結構相同，但未添加電解設備。兩種不同基質的電解強化潛流人工濕地(E-HFCW)裝置，裝置的主體(L×W×H=670mm×450mm×300mm)是由塑料水箱加工而成，其中裝置A中填充的填料主要為沸石，裝置B中主要填充的為磚塊。兩個裝置中填料的質量均是50kg，填充高度均為200mm，表層均覆蓋厚度30mm的河沙，填充體積均設定為50L。兩種裝置均使用純鐵作為電極材料，陽極電極(L×W×T=250mm×150mm×0.3mm，表面打孔，孔徑20mm，孔距20mm)設置在系統中心，陰極極板均勻地設置在陽極的兩側，各極板相距120mm。

　　使用銅線(直徑2mm)將電極與直流穩壓電源(同門科技提供的型號eTM-305F，0~30V，0~5A)相連，為電解系統提供恒定電流。各裝置均種植同等數量蘆葦，因為在室內試驗，植物生長狀況較差。裝置采用間歇式進水方式，模擬污水由蠕動泵、定時開關和液體流量計共同控制，通過管徑為35mm的PVC管進入系統，處理后的水體則通過水閥排出。

　　1.2試驗條件和模擬廢水

　　該部分試驗分成兩個階段，分別為啟動階段和穩定運行階段。兩個階段中室溫控制在25~30℃，裝置的HLR為0.06m3·(m2·d)-1，HRT為1d，系統處理污水量為15L·d-1。在啟動階段，E-HFCW系統的電流強度設置為15mA，電解時間為8h。

　　穩定運行階段，電解時間始終設置為8h，電流強度分別為8、15、30、50和100mA。該試驗進水使用葡萄糖(分析純)、氯化銨(分析純)、磷酸二氫鉀(分析純)和自來水進行人工配制，模擬農村生活污水。在使用前要靜置1h，待化學藥品完全溶解、混勻。污水中COD、TN和TP含量分別為(266.14±23.02)、(56.26±6.63)和(4.80±0.44)mg·L-1。

　　1.3采樣點設置定期從固定出水口采集裝置進出水水樣進行測定，測定時每個樣品要進行3次重復。

　　1.4水質測定與分析方法

　　啟動階段和穩定運行階段的水樣測定指標包括：pH、溫度、DO、ORP、TN、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TP和PO43--P和Fe2+和總溶解鐵(TDFe)，水質指標測定時均參照《水與廢水水質測定方法》(第4版)[13]。

　　水體中Fe3+的含量，采用TDFe含量減去Fe2+含量的形式獲得。pH、溫度和ORP采用pH電極測定，DO采用便攜式溶氧儀測定。在啟動階段，各裝置先運行15d后，再每天進行測定。穩定運行階段，各裝置每天測定1次。試驗結束后，對各裝置中填料的全磷含量進行測定。填料的全磷測定使用硫酸/高氯酸消解-鉬銻抗分光光度法，參照《土壤農化分析》第3版[14]。

　　1.5數據處理

　　數據計算使用Excel2018，用Pearson檢驗方法和配對T檢驗來進行相關性分析和差異顯著性分析，檢驗數據間相關水平的統計分析通過SPSS20.0進行。

　　2結果與分析

　　2.1啟動階段兩種裝置對污水中氨氮和正磷酸鹽的凈化情況

　　2.1.1兩種裝置對污水中氨氮的凈化效果

　　啟動階段，氨氮的去除情況：進水的氨氮含量為(55.16±9.35)mg·L-1電解裝置A、B出水中氨氮的含量范圍分別為0.11~2.48mg·L-1和14.47~0.07mg·L-1，平均去除率分別為(98.34±1.41)%和(46.82±11.60)%;而對應的空白組裝置a、b出水中氨氮的含量范圍分別為0.06~3.62mg·L-1和12.44~37.80mg·L-1，平均去除率分別為(96.38±1.69)%和(49.71±14.67)%。

　　沸石具有多孔隙結構，對氨氮有選擇吸附的能力，因此裝置A對氨氮的去除效率極顯著高于裝置B(P<0.01，n=30)。雖然裝置A和a具有相同的基質和環境條件，但兩者對氨氮的去除效果存在極顯著差異(P<0.01，n=30)，即說明在啟動階段，電解能夠促進以沸石為基質的人工潛流濕地對氨氮的凈化效果[4]。而裝置B和b對氨氮的去除效率沒有顯著差異(P>0.05，n=30)，即說明該階段，電解并沒有促進以磚塊為基質的濕地系統對氨氮的去除。

　　2.2電流強度對兩種電解強化潛流人工濕地脫氮除磷能力的影響

　　2.2.1電流強度對電解強化潛流人工濕地脫氮效果的影響

　　各裝置啟動階段結束后，讓其分別在電流強度為8、15、30、50和100mA的條件下運行，電解時間均設置為8h，HRT為1d，室溫控制在25~30℃之間。通過試驗分析二者在不同的電流強度下對脫氮效果的影響，以便進一步篩選出兩種裝置的最佳電解條件。

　　整個過程中進水的TN平均含量為(56.27±6.65)mg·L-1，在上述5個電流強度下，出水的總氮含量及其去除率：裝置A對TN的去除效果較好，當電流強度從8mA升高到30mA的過程中，其出水中TN含量降低至(0.92±0.34)mg·L-1，去除率從(95.29±1.26)%升高至(98.33±0.58)%;但當電流強度從30mA升高到100mA的過程中，A出水中的TN含量逐漸升高到(7.47±2.13) mg·L-1，去除率降至(87.37±2.82)%。

　　通過差異顯著性分析，發現A在不同電流強度下對TN的去除率存在極顯著的差異(P<0.01，n=10)。對于B來說，當電流強度從8mA升高到50mA的條件下，其出水中TN的含量從(34.45±2.33)mg·L-1降至(22.75±4.16)mg·L-1，去除率從(41.76±3.23)%提高到(57.56±5.00)%，但當電流升高到100mA時，TN去除率下降為(51.66±4.78)%。且當B在前4個電流強度下，TN去除率間均有極顯著差異(P<0.01，n=10)。

　　兩種裝置NH4+-N去除情況跟TN的去除情況相同，A在30mA條件下，系統的去除率最高(99.31±0.41)%，而后隨著電流強度的增加去除率不斷下降，最低值為(89.59±2.74)%。B在電流強度為50mA時，平均去除最大值為(57.66±4.98)%，而后在100mA條件下，去除率下降為(53.63±2.86)%。兩個系統中進出水中的硝態氮和亞硝態氮的情況，A、B兩種裝置中NO3--N和NO2--N含量均較少，對系統中氮的去除率影響極小，但是二者作為硝化和反硝化作用中的中間產物，會隨著濕地系統的運行，存在不同程度的積累。

　　電解與人工濕地耦合可以顯著提高系統對氮的凈化能力[7]， 但其去除效果很大程度上依賴于填料的理化性質。因而A對氮的去除效果要顯著優于B，且二者的最佳的電流強度也不同，對于A來說，最佳電解條件為30mA，而B的最佳運行電流為50mA。

　　2.3不同電流強度下，水體中Fe含量

　　兩種E-HFCW中Fe含量隨電流強度的變化情況。A、B中Fe2+和TDFe的含量均隨電流強度的增強而不斷變大，在電流強度從8mA升高到100mA的過程中，兩裝置TDFe含量分別從(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+的含量從(1.17±0.31)mg·L-1升高至(4.91±0.96)mg·L-1，B出水中Fe2+從(3.35±0.80)mg·L-1升高至(9.74±0.62)mg·L-1。

　　相較于Fe2+和TDFe的變化情況，Fe3+變化相對較小。不同電流強度下A出水中的Fe3+含量分別為(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在不同電流強度下，Fe3+含量分別為(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。鐵離子的引入能夠有效地促進系統對P的去除[15]，但是如果含量過高，亦會污染水體，破壞生態環境，因此我們需要選擇適當的電流強度，既提高污染物的去除率，又避免二次污染的風險。

　　3討論與結論

　　本試驗構建了兩種不同基質的電解強化潛流人工濕地，采用模擬農村生活污水，探究了二者的最佳電解條件和對氮磷污染物的去除效果對比。在啟動階段，各裝置電流強度相同。以沸石為基質的電解系統A對氨氮的去除效果均顯著高于以磚塊為基質的電解系統B。

　　且裝置A和a對氨氮的去除效果存在極顯著差異，而裝置B和b對氨氮的去除效率沒有顯著差異，說明在啟動階段，電解能夠促進以沸石為基質的人工潛流濕地對氨氮的凈化效果，而沒有促進以磚塊為基質的濕地系統對氨氮的去除。在系統運行初期，濕地填料的吸附和沉淀作用強，對磷的去除效果均好[18]，隨著填料吸附作用減小，而后主要依靠電極氧化產生的Fe2+的沉淀絮凝作用。裝置A在系統運行的第41天，對正磷酸鹽的去除率由最低值40.47%回升維持在70%左右，而裝置B從系統運行的第29天開始，其對正磷酸鹽的去除效果就由最低值60.06%回升至(75.20±3.12)%。

　　說明以磚塊為基質的電解強化人工濕地系統在除磷上效果更快及明顯。但與未加電解的裝置a、b相比，a、b的去除率持續降低，在第45天去除率分別為15.20%和46.53%。可以看出電解對于以沸石為基質的濕地系統在對磷的去除上起到了更大的作用，去除率提升了約4.5倍;對于以磚塊為基質的濕地系統去除率僅提升了約1.5倍。在穩定運行階段，A的TN去除效率在電流強度為30mA時達到最大值(98.33±0.58)%，而B在電流強度為50mA時，TN的去除率達到最大值(57.56±5.00)%，并且氮的去除效率并不會隨著電流強度的持續增加而不斷變大，相反，當系統達到最佳電流強度后，氮的去除效果會隨著電流強度的增大而呈現相對下降趨勢，且B的TN最大去除率也只能達到A最大去除率的一半左右。

　　說明以沸石為基質的電解強化潛流人工濕地在脫氮效果上更明顯。在穩定運行階段，各系統中磷的去除效果均隨著電流強度的增大而不斷升高。當電流強度為100mA時，A、B對TP的去除率分別為(91.85±1.85)%和(97.16±2.03)%，對于磷的去除來說，雖然A中填料對磷的吸附和沉淀作用較弱，但是由于電解過程中產生的鐵離子強化了系統對磷的去除能力，彌補了沸石填料對磷去除能力的劣勢。

　　兩種電解裝置在運行過程中，電解產生的Fe2+和TDFe的含量均隨電流強度的增大而增大。當電流強度為100mA時，A、B中產生的TFe含量分別為(9.19±0.71)mg·L-1和(14.70±1.37)mg·L-1，而Fe3+的含量相對較少，其含量分別為(4.28±1.00)mg·L-1和(4.96±1.09)mg·L-1。由于沸石對金屬陽離子具有吸附作用[19-20]，因而A中的鐵離子含量要低于B。在啟動階段，相同電流強度下，電解能夠促進以沸石為基質的人工潛流濕地對氮的凈化效果，而沒有促進以磚塊為基質的濕地系統對氮的去除。A、B與各自的空白組a、b相比，電解系統與人工濕地的組合，顯著提高了A脫氮除磷的能力，提高了B的除磷效率。

　　兩種不同基質的電解強化潛流人工濕地在不同電流強度下運行的結果表明，電解可以促進系統對氮磷污染物的去除，且相較傳統濕地而言，在運行過程中的副產物更少。當A在電流強度為30mA時，氮的去除效果達到最大值，而B在電流強度為50mA時，氮的去除效果最佳。而A、B對磷的去除效率隨著電流強度的增強而持續變高，當電流強度為100mA時，TP的去除率分別達到最高。綜合兩種系統在運行過程中對氮磷污染物的凈化能力以及副產物的產量考慮，A的最佳運行電流強度為30mA，而B的最佳運行條件為50mA。

　　參考文獻：

　　[1]王俊能,趙學濤,蔡楠,等.我國農村生活污水污染排放及環境治理效率[J].環境科學研究,2020,33(12): 2665-2674.

　　[2]劉曉慧.安徽省農村生活污水成分特征與排放規律研究[D].合肥:合肥工業大學,2016.

　　[3]林卉,姜忠群,冒建華.人工濕地在農村生活污水處理中的應用及研究進展[J].中國農業科技導報,2020,22(5):129-136.

　　[4]符東,付馨烈,王成端,等.穩定表流-潛流組合人工濕地系統處理生活污水的研究[J].環境工程技術學報,2020,10(4):598-605.

　　[5]MICEKA,JÓŹWIAKOWSKIK,MARZECM,etal.TechnologicalreliabilityandefficiencyofwastewatertreatmentintwohybridconstructedwetlandsintheroztoczeNationalPark(Poland)[J].Water,2020,12(12):3435.

　　[6]LUSB,ZHANGXL,WANGJH,etal.Impactsofdifferentmediaonconstructedwetlandsforruralhouseholdsewagetreatment[J].JCleanProd,2016,127:325-330.

　　[7]高燕.電解強化人工濕地脫氮除磷過程與機理研究[D].南京:南京大學,2017.

　　作者：錢琪卉1，于元超1，王皓1，王振1，巫厚長1*，鐘耀華2