潮汐流人工濕地(Tidalflowconstructedwetland,TF-CW)是一種間歇式進水的新型濕地生態系統(Sun等,1999),其原理是利用潮汐運行過程中床體浸潤面的變化產生的空隙吸力將大氣氧吸入濕地基質或者土壤空隙(Zhao等,2004),從而提高人工濕地的溶解氧含量,使得濕地可以保證氨氮發生硝化作用所需的氧氣,從而加快氨氮的去除(Kearney等,2013)。目前,利用TF-CW來去除水體中的氮等污染物以改善水質以便水資源的再利用已經得到了廣泛關注(Hu等,2014)。TF-CW運行主要包含4個階段,分別是瞬時進水、反應、瞬時排空以及閑置階段(葉捷等,2011)。當TF-CW完成進水后,首先發生微生物吸附作用,然后在瞬間排空的同時發生基質復氧,吸收的氧氣提供給微生物,從而進行微生物好氧降解。這種間歇的運行方式,使濕地內部的氧化環境有利于好氧微生物的生長,提高微生物活性(呂濤等,2013),也使得穩定、高密度的微生物生物膜的形成更加迅速(Behrends等,2001),從而彌補植物根系放氧不足,提高了污染物去除率(宋鐵紅等,2005)。另一方面,TF-CW還可以有效抑制微生物生長過快造成濕地堵塞現。

TF-CW模擬裝置為直徑Φ=40cm,高度h=110cm的鋼桶(圖1),總體積約為138L,每隔15cm設置直徑1cm的取樣口,每一層次設置3個取樣口。進水由時控器(TB-125,LUEABB)控制水泵進行,裝置頂端設置灑水蓋,小孔密布于蓋子底部,保證均勻進水,出水則由時控器控制電磁閥門(2W常閉220V,LUEABB)實現。裝置填充基質選用沸石,填充高度為90cm,沸石粒徑為4~8mm,沸石孔隙率為42%。

溫度對潮汐流人工濕地的氮去除有一定的影響,氨氮和總氮去除速率與溫度明顯相關(Huang等,2013)。雖然水體中硝化反硝化作用可以在較寬的溫度范圍內進行,但是要發生明顯的反硝化作用溫度需在5℃以上,溫度低于5℃時反硝化速度很慢(盧少勇等,2006),因此本研究將溫度控制在適宜的范圍內保證細菌的活性,且4種進水方式的溫度差異不顯著(P=0.673)。

研究潮汐流人工濕地硝化反硝化強度隨處理深度增加,在裝置不同部位間的變化有利于探究濕地發生硝化反硝化作用的主要部位。因此對不同進水方式TF-CW裝置內部硝化反硝化強度指標沿程變化規律進行了研究。

硝化強度在裝置上部0~30cm的處理階段最大,隨深度增加變化逐漸減小,而且在各個階段,閑置/反應為2∶1的進水方式下(裝置D)的硝化強度都較高于其他3種;反硝化強度在中部的30~60cm階段較高,在此階段中發生了明顯的反硝化作用,且連續流的進水方式下(A裝置)3個深度的反硝化強度都明顯高于其他3種進水方式。因此在進行人工濕地設計時需綜合考慮NH4+-N和NO3–N的整體去除效果,可將潮汐流人工濕地與連續流人工濕地進行組合并合理配置,對污染物的去除更加全面有效。