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user: 3. 结果与讨论 3.1. COD的去除效果 各反应器COD去除率在整个实验周期内(2009.12至2010.7)的变化情况如图2所示。从图2可以看出，经过一个月的启动期，各组反应器的COD去除率相对于运行初期均有了大幅的提升，均高于50%。而对比同时期各组反应器的表现，在反应器达到稳定运行后的整个周期内，各曝气组反应器对COD的去除率始终保持高于未曝气组的水平。 对比表3中的数据可以发现，各曝气组反应器相对于未曝气组的COD平均去除率分别提高了10.6% (低曝气组)、28.4% (中曝气组) 和30.7% (高曝气组)。这说明曝气强度越高，植物根系周围溶解氧浓度越高，好氧微生物也随之增强，能够更加充分地降解有机污染物，并减少了各种降解反应中间产物的生成和积累，从而使出水COD浓度得到进一步削减。然而，各曝气组反应器对COD去除率的相对提升率均没有超过30%，且而当气水比超过6时，COD的去除率受人工曝气强度的增强的收益也不显著(仅仅2.3%)。造成这一现象的原因这可能是基质内部参与降解进水中有机污染物的微生物种群除各好氧菌群外，兼性厌氧菌如及部分厌氧菌群也同样发挥了重要的作用，而后者对溶解氧的变化并不敏感，在较低的氧化还原电位水平下也能够正常地吸收和降解进水中的有机物质，从而保持一定的COD去除效率。结果说明，在一定浓度的有机污染物的进水情况下，微生物对于系统内部溶解氧的需求量存在阈值。这同时也验证了基质内人工曝气对COD去除率的提升效果是轻微和有限的。 图2. 试验期间各反应器出水COD去除率变化曲线 Table 3 Average and peak COD removal rates (% 去除率 未曝气组 低曝气组 中曝气组 高曝气组 平均去除率 52.36 57.91 67.23 68.43 峰值去除率 68..89 75.01 87.94 85.77 表3. COD平均及峰值去除率(%) 3.2. 氮的去除效果 整个试验期间，各组湿地系统对 NH 4 + -N 的去除及沿反应器深度方向 NH 4 + -N 质量浓度的分布分别见图3、图4。 图3显示，与未曝气组及低曝气组单元反应器比较，中曝气组与高曝气组单元反应器对 NH 4 + -N 的去除率在经过约一个月的启动期后即得到了显著的提升，随后一直保持高于40%的水平，而与此同时，未曝气组与低曝气组的 NH 4 + -N 去除率在整个运行周期的前半段一直在10%~30%间波动，并没有显著的提升，直至进入实验中期后(120天左右)才表现出明显的提高。这说明在较高的曝气强度下，较为有利于硝化细菌与亚硝化细菌的繁殖，其挂膜与形成发挥稳定的脱氨功能所需要的周期较短。其生物活性相较未曝气组及低曝气组则更为活跃。 从表4可以发现，未曝气组反应器对 NH 4 + -N 平均去除率仅有30.13%，三组曝气组反应器相对于未曝气组对 NH 4 + -N 的平均去除效率分别提升了26.5% (低曝气组)、105.6% (中曝气组)及109.3% (高曝气组)。明显可以看出曝气组比未曝气组去除 NH 4 + -N 的效率更高，曝气强度越高， NH 4 + -N 的去除效率越高。 图3. 试验期间各反应器出水 NH 4 + -N 去除率变化曲线 Table 4 Average and peak removal rates of NH 4 + -N (% 去除率 未曝气组 低曝气组 中曝气组 高曝气组 平均去除率 30.13 38.12 61.97 63.06 峰值去除率 48.36 82.15 87.93 99.15 表4. NH 4 + -N 平均及峰值去除率 (%) 由图4可知，在未曝气组中， NH 4 + -N 浓度沿床深变化曲线总体上变化平稳，在基质顶层其浓度相较进水原始浓度降低了5%左右，其变化很小。到了中层浓度才降低的多一点，植物根系就处于基质的中层，因此很大可能 NH 4 + -N 会被植物的根系吸收并降解，然而从图中也可以发现在基质的中层对 NH 4 + -N 的去除效率也没有达到最高，所以可以得知植物的根系对 NH 4 + -N 的吸收和降解作用也是有限的。而在基质底层，此时整个湿地系统处于一定的缺氧状态，硝化作用和反硝化作用并存，故基质底层 NH 4 + -N 质量浓度下降的趋势得到了缓和。在出水处，各反应器中 NH 4 + -N 质量浓度与底层浓度也相差无几，但是各反应器出水中 NH 4 + -N 质量浓度由高到低分别是：未曝气组、低曝气组、中曝气组和高曝气组，这说明随着曝气强度的增加， NH 4 + -N 的总削减量也随之上升。另外，各反应器中对 NH 4 + -N 的去除主要集中在氧气较充足的基质中上层，因此可以通过人工曝气使人工湿地基质中上层处于好氧状态，从而为硝化细菌及亚硝化细菌提供良好的溶解氧环境，使其能够有效地将进水中的大量 NH 4 + -N 转化为硝酸盐及亚硝酸盐，达到削减 NH 4 + -N 含量的目的。 图4. 各反应器出水 NH 4 + -N 浓度沿床深变化曲线 各组湿地系统沿反应器深度方向 NO 2 − -N 、 NO 3 − -N 质量浓度的分布分别见图5、图6。 图5. NO 2 − -N 浓度沿床深变化曲线 图6. NO 3 − -N 浓度沿床深变化曲线 比较图5和图6可观察得，四组反应器中 NO 2 − -N 和 NO 3 − -N 的质量浓度沿床深分布具有一定的相似性，均是由进水后开始迅速积累，并在基质中层到达最大值，然后开始下降，其中未曝气组、低曝气组和中曝气组在出水处浓度都几乎降到0。人工湿地基质中同时存在着硝化细菌及亚硝化细菌，因此在人工湿地系统中亚硝化作用及硝化作用是相互连贯的整体，这也是 NO 2 − -N 及 NO 3 − -N 具有相似的质量浓度分布的原因之一。同时，由于硝化细菌和亚硝化细菌对生存条件要求差不多，故而人工曝气强度对两种细菌生化作用的影响也差不多，这也是 NO 2 − -N 及 NO 3 − -N 具有相似的质量浓度分布的原因之一。由图5和图6也可以看出两种细菌对 NO 2 − -N 和 NO 3 − -N 降解速率的影响随着人工曝气强度增加而收到一定的抑制作用。这种抑制作用在低曝气组和中曝气组中并不明显，在高曝气组中抑制作用就比较明显，可能是高强度曝气使整个处理系统中的溶解氧浓度过高，微生物及细菌不能够将这些过剩的溶解氧消耗掉，反硝化细菌所需要的缺氧环境也得不到满足了，所以反硝化细菌并不能有效的降解 NO 2 − -N 及 NO 3 − -N ，导致 NO 2 − -N 及 NO 3 − -N 的出水质量浓度偏高。 各反应器出水TN浓度变化见图7所示。由图7可知，整个试验周期内各反应器TN的去除效率与 NH 4 + -N 的去除率分布类似。值得注意的是，与 NH 4 + -N 的去除情况不同，整个运行周期后期低曝气组的反应器TN的去除率要显著高于未曝气组，这可能是由于在溶解氧缺乏的情况下，未曝气组中好氧硝化菌群总量及生物活性受到明显抑制，硝化脱氨进程受阻，硝态氮的浓度受到影响从而导致反硝化作用受阻，大部分的氮素脱除是通过植物根系的吸收作用而贡献的，而在低曝气情况下，硝化脱氨作用仍可进行，故除植物吸收外，仍有一部分是通过随后的反硝化进程脱除的。 图7. 各反应器出水TN去除率变化曲线 对比表5中的数据可以发现，未曝气组反应器对TN的去除效率要远远不如三组曝气组，未曝气组仅有28.77%的TN平均去除率，而与此同时，各曝气组反应器的TN去除率则相对其分别提升了33.23% (低曝气组)、109.21% (中曝气组)及100.63% (高曝气组)。总体上，人工湿地对TN的去除率随着人工曝气强度增强而提高。但是，高曝气组的TN平均去除率相比中曝气组反而下降了8.58%，这说明人工曝气强度对TN去除的促进作用存在阈值。同时结合前述对反应器中两种形态氮的含量分布的分析可以得出，过高的曝气强度在促使 NH 4 + -N 大量转化为 NO 2 − -N 及 NO 3 − -N 的同时，高强度曝气使整个处理系统中的溶解氧浓度过高，微生物及细菌不能够将这些过剩的溶解氧消耗掉，反硝化细菌所需要的缺氧环境也得不到满足了，所以反硝化细菌并不能有效的降解 NO 2 − -N 及 NO 3 − -N ，导致 NO 2 − -N 及 NO 3 − -N 的出水质量浓度偏高，从而最终降低出水TN的去除率。 Table 5 Average and peak TN removal rates (% 去除率 未曝气组 低曝气组 中曝气组 高曝气组 平均去除率(%) 28.77 38.33 60.19 57.72 最大去除率(%) 45.28 68.91 83.30 74.72 表5. TN平均及峰值去除率(%) 3.3. TP的去除效果 试验期间各反应器出水TP浓度变化见图8所示。 图8. 试验期间各反应器出水TP去除率变化曲线 由图8可知，在反应器运行前15天，各反应器从一开始就保持了较高的TP去除率(均高于80%)，并随着运行时长增加TP的去除率还有上升的趋势。但是，从15天到45天内TP的去除率呈逐渐下降的趋势。而从45天之后中曝气组的TP去除率又得到提升，并始终保持在90%以上，而未曝气组及低曝气组及高曝气组的TP去除率则显示出了较大的波动。这一现象说明，人工湿地的基质颗粒对磷化合物的沉降与吸附作用是其去除TP的主要途径 [ 12 ]。而在这个过程中，化合物间的络合反应起到很重要的作用。如中性或酸性环境中，在好氧条件下，Fe 3+ 与磷络合成稳定化合物，但在厌氧条件下，Fe 3+ 被还原为Fe 2+ ，磷被释放出 [ 13 ] [ 14 ]。所以溶解氧浓度是基质对磷素的吸附作用强弱的一个因素。人工曝气使基质处于好氧状态，这时基质颗粒中的Fe等化合物能和水体中的磷形成大量稳定化合物，这些稳定的化合物会被基质颗粒所截留，从而达到基质对污水中TP的去除。