不完全的硝化反硝化是人工湿地系统中N2O产生的主要途径.在CW中, 局部低氧条件导致自养氨氧化细菌(AOB)好氧反硝化产生N2O, 而闲置段高DO浓度抑制了Nos的活性, 造成N2O的释放[25, 26].在SW中, N2O释放速率与系统内NO3--N浓度呈显著正相关(R2=0.754, P < 0.05).曝气段高DO浓度抑制了细菌Nos的活性, 导致N2O的积累.然而, 生物炭的投加增加了系统通气性, 改善了系统内部低氧区的DO条件, 减少了AOB好氧反硝化过程, 实现N2O的减排.在闲置段, 生物炭的投加使DO迅速降低[图 3(a)], 利于厌氧反硝化过程的完全进行, 降低N2O释放量.有研究发现, 生物炭的添加还能增加Nos基因丰度, 促进N2O还原为N2.另外, 生物炭作为潜在的碳源, 也可以促进反硝化过程中N2O还原为N2, 减少N2O的排放.
CW和SW各阶段末端溶解态N2O浓度如图 5所示.CW和SW系统平均溶解态N2O浓度分别为1.05 μg·L-1和0.83 μg·L-1.闲置段末端各系统溶解态N2O浓度明显高于曝气段末端, 这是由于闲置段溶解于水中的N2O在曝气过程中被吹脱释放所致.由于水中N2O溶解度有限, 反应初期各湿地N2O释放速率均较大, CW和SW内部溶解态N2O含量差异不显著(P>0.05);随着反应进行, SW较低的N2O释放速率使得其内部溶解态N2O浓度低于CW.系统N2O排放主要集中在曝气段, 而产生的N2O溶解于水中又被吹脱出来, 故系统中溶解态N2O只占释放总量的极少部分.
图中不同字母揭示不同处理的差异性(P < 0.05), 其中大写字母揭示不同阶段之间差异, 小写字母揭示不同湿地之间差异图 5 不同湿地各阶段末端溶解态N2O浓度
(1) 生物炭湿地系统曝气段DO较对照组湿地提高了0.43 mg·L-1, 且生物炭湿地系统闲置段DO下降速度快于对照组湿地.
(2) 各系统COD去除效果无明显差异, 去除率接近95.0%.生物炭的投加提高了系统5.1%的NH4+-N和6.9%的TN去除效果.
(3) 生物炭湿地系统N2O平均释放速率为0.27 mg·(m2·h)-1, 24 h累积释放量为6.58 mg·m-2, 较对照组湿地实现N2O减排70.0%.
随着污水排放标准的不断提高，国家严格限制水体中氮、磷营养元素的排入，使得污水处理厂必须具备脱氮除磷能力。同步脱氮除磷工艺以生物法为主，应用较多的主要有A2/O(anaerobic/anoxia/oxic)、UCT(university of cape town)、氧化沟、SBR(sequencing batch reactor)及其改良工艺等。这些工艺虽能实现较好的脱氮除磷效果，但在实现出水氮、磷稳定达标上仍面临一些问题，比如污水中碳源不足，硝化菌和聚磷菌二者泥龄冲突，除磷菌和反硝化菌对碳源的竞争。为解决这些问题，一些新技术、新工艺得到开发，其中反硝化除磷技术是近年来国内研究的热点。 系统周期内水质跟踪测定结果如图 3所示.CW和SW进水后半个小时内系统DO迅速降至2.11 mg·L-1和2.67 mg·L-1, 随后CW和SW系统曝气段DO稳定在2.2 mg·L-1和2.5 mg·L-1, 闲置段DO水平约为0.3 mg·L-1和0.2 mg·L-1.闲置段初期, SW系统DO下降速度明显快于CW系统.生物炭相对砾石来说, 其发达的空隙结构和比表面积不仅改善了系统通气性, 促进了气水的充分接触; 其较强的生物膜附着能力及较大的微生物附着量, 也有助于水中DO被微生物充分利用.两系统典型周期内COD变化无显著差异(P>0.05), 好氧-厌氧的交替环境为微生物提供了良好的生活环境.。
湿地系统脱氮主要依靠完整的硝化反硝化作用, 而系统内不同DO条件和充足碳源是保证硝化反硝化进行的关键.由图 3(c)可知, SW系统NH4+-N降解速率明显快于CW.SW系统在进水15 h后NH4+-N浓度已基本稳定在0.03 mg·L-1, 24 h后出水NH4+-N降解率达到99.9%;而CW系统在进水21 h后才趋于稳定, 出水NH4+-N浓度1.72 mg·L-1, 降解率为95.0%.CW和SW系统运行初期, 充足的DO和碳源为硝化反硝化反应提供了有利条件, NH4+-N被快速转化, 同时反硝化微生物进行厌氧/缺氧反硝化和好氧反硝化去除NO3--N.CW系统周期运行过程中无NO2--N和NO3--N积累, SW只有少量NO3--N积累[图 3(c)和3(d)].CW和SW系统TN去除效果同NH4+-N类似, 周期出水TN浓度分别为4.59 mg·L-1和1.85 mg·L-1, 生物炭的投加强化了湿地系统脱氮效果.CW和SW系统脱氮主要通过曝气段同步的硝化反硝化过程, 这与现有的相关研究吻合.在间歇曝气潜流人工湿中同时存在好氧、缺氧和厌氧区, 而生物炭的投加不仅能够促进系统通气性能, 生物炭层内部形成的不同DO梯度也能够改善系统好氧厌氧环境, 有利于系统脱氮.根据姜秀丽的研究方法, 气态N2O采集采用静态箱法:在反应周期的闲置段保证反应器完全密闭, 曝气段采样口开放以排气; 每间隔10~30 min抽取反应器上部空间混合器于气体采样袋中.溶解态N2O采用上部空间法:于反应器内取30 mL混合液缓慢加入顶空瓶中, 立即加入1 mL 3 g·L-1的HgCl2溶液(抑制微生物活性), 通入氮气排尽空气后迅速塞好橡胶塞, 置于恒温振荡器(ZWYR-2101, 上海智城, 中国)上振荡1 h, 取出后稳定15 min, 抽取上部空间气体于采样袋中.收集后的气体24 h内经气相色谱仪(7890D, Agilent, 美国)测定.