生物脱氮是去除水中硝酸盐经济有效的方法^〔1〕。人工湿地作为一种绿色环保、可持续技术用于各种类型废水的处理^〔2〕。人工湿地中，反硝化是氮去除的主要途径。异养反硝化效率高、操作简单，需外加有机碳源，在水处理领域应用广泛^〔3〕。近年来有研究发现微生物可进行自养反硝化，以氢、元素硫或还原性硫化合物为电子供体，无需外加碳源情况下可还原硝酸盐为氮气^〔4〕。与异养反硝化相比，自养反硝化处理低碳氮比废水不会造成二次污染，受到研究者的关注^〔5〕。

黄铁矿是储量丰富的硫化物矿物，可作为微生物的无机电子供体^〔6〕。相关研究已初步证实黄铁矿作电子供体时在某些微生物作用下处理含氮废水的可行性^〔7〕。现有文献以黄铁矿作为人工湿地基质的研究较少，且更多关注人工湿地对污染物的净化效果，忽视其脱氮过程中氮中间产物对环境的影响。因此，将黄铁矿作为基质引入人工湿地，通过投加不同比例的碳源，依靠自养/异养联合反硝化高效去除NO₃^--N，一定程度上为低碳氮比污水的高效反硝化脱氮处理提供一种节能环保的新思路。此外，了解人工湿地氮转化过程的中间产物对于评估潜在风险与带来可持续的环境效益至关重要。

笔者以黄铁矿、石英砂、砾石混合填料为基质，构建了栽有美人蕉的黄铁矿垂直流人工湿地（PCW）和对照组人工湿地（CW0），连续测定2组湿地进出水口及沿程取样口的水质变化，对比分析了CW0与PCW反硝化脱氮之间的差异，并探讨硝酸盐的去除机制，以期为人工湿地的设计运行提供支持，及高效处理以硝态氮为主的废水提供理论参考。

实验所需石英砂购自上海松江，黄铁矿购自河南栾川，砾石购自江苏南京。采用D/max-2550 PC X射线衍射仪（日本Rigaku公司）对黄铁矿进行分析，如图 1所示。用Aztec X-Max 20能量色散光谱仪（英国Oxford）分析黄铁矿的主要化学组成（以质量分数计）：Fe 29.18%、S 33.00%、O 19.51%、C 15.56%、Mg 0.61%、Si 0.65%、Al 0.50%、Ca 0.51%、N 0.48%。

将2组人工湿地搭建于室外，暴露于自然环境中，材质为PVC粗管（d=25 cm，H=85 cm），平均孔隙率37.9%。基质层高80 cm，进水口没过基质层，出水口高75 cm，在底部铺设1根钻有若干孔的PVC细管。废水通过重力挤压作用经内部细管从出水口流出。PCW基质从上至下填充：8 cm细石英砂（粒径2~4 mm）以促进废水扩散和植物生长，同时防止黄铁矿的氧化，64 cm粗石英砂与黄铁矿（粒径5~8 mm，体积1∶1混合，黄铁矿投加量为29.3 kg）为主要基质层，8 cm砾石（粒径8~12 mm）用作底层。CW0未添加黄铁矿，其余与PCW相同。在每组装置底部开1个直径10 mm的出水口，用于监测出水溶解氧。沿程设置8个取样口，距进水口分别为10、30、50、70 cm。实验装置如图 2所示。

用自来水配制硝酸盐废水，添加葡萄糖作碳源，用HCl和NaOH调节pH为中性。废水组成为NaNO₃ 303.6 g/L、MgCl₂·6H₂O 61.0 g/L、KH₂PO₄ 17.0 g/L、CaCl₂ 33.2 g/L、微量元素溶液1.0 mL/L，微量元素溶液组成在前人基础上得到^〔8〕。为了培养和驯化微生物，将上海松江污水处理厂采集的活性污泥添加到2组湿地中。前期将含微量元素和宏观营养物质的模拟废水通入湿地，经过近2个月处理，出水指标趋于稳定。后期为正式实验（2019-06-15~2020-01-16），期间采用连续进水方式，用蠕动泵控制HRT为6~36 h，碳氮比设为0、1、2、4、6，即每个碳氮比对应4个HRT。进水水质见表 1。

每周采集4~7次水样，经0.45 μm滤膜过滤后，分析DO、pH、NO₃^--N、NO₂^--N、NH₄⁺-N、TN、COD和SO₄^2-，均按标准方法进行分析^〔9〕。

HRT是表征人工湿地运行效率的重要参数。碳氮比一定时，在保证较为理想脱氮效果的前提下，选择合适的HRT对于节约资源、降低成本至关重要。考察了不同HRT下2组湿地的脱氮效果，结果见图 3。

HRT较短时，废水与湿地中的填料接触不充分，水流易冲刷掉附着于基质处的生物膜，造成脱氮效率偏低，因此，相应延长HRT可提高对污染物的去除能力。由图 3可知，未添加碳源，延长HRT至36 h，PCW对NO₃^--N、TN的去除率比CW0的略高，分析认为基质中的黄铁矿不易氧化，溶解度较低，因此湿地中的黄铁矿作为电子供体能够被微生物利用的部分十分有限。添加碳源后，HRT为6 h时，PCW对NO₃^--N、TN的去除率比CW0的去除率分别高4.1%~ 8.4%、5.0%~23.8%；HRT为36 h时，PCW对NO₃^--N、TN的去除率比CW0的去除率高5.9%~14.9%、8.1%~ 23.8%。延长HRT，废水中的碳源逐渐被消耗，异养反硝化有所减弱，而PCW中的自养反硝化作用逐渐占优势，造成2组湿地的NO₃^--N、TN去除率差异明显。当碳氮比为6、HRT为12 h时，CW0和PCW对NO₃^--N、TN的去除率均达到峰值，CW0去除率为88.1%、78%，PCW去除率为95.6%、92.1%。此后随着HRT继续延长，2组湿地对NO₃^--N、TN的去除率下降，原因可能是进入冬季（12月份以来）气温低、波动大，环境条件的改变使反硝化细菌群落变得敏感，低温抑制了这些菌群的活性。此外，冬季美人蕉枝叶枯黄、逐渐凋落，不及7、8月份枝叶繁茂，对含氮物质的利用能力较差，且枯萎植物吸收的氮会部分释放到湿地中，使出水含氮增加。与CW0相比，PCW的下降幅度较小，表明PCW脱氮效果较CW0稳定。

吴姣姣等^〔10〕认为HRT是影响氮形态和含量的重要因素。考察了不同HRT下NO₂^--N、NH₄⁺-N的变化情况，结果见图 4。

由图 4可知，随着碳氮比的增加，NO₂^--N最高积累量增大，积累时间变短，延长HRT后NO₂^--N降至低水平。由于NO₃^--N还原为NO₂^--N较NO₂^--N转化为N₂所需的能耗少，硝酸盐还原酶（NaR）比亚硝酸盐还原酶（NiR）的活性大且竞争电子能力强，因此与NO₂^--N转化为N₂相比，NO₃^--N还原为NO₂^--N更容易^〔10〕。HRT较短时，微生物无法充分利用碳源，一定程度上阻碍了反硝化阶段后期NO₂^--N的还原。

进水不含NH₄⁺-N，而2组湿地出水中均检测到NH₄⁺-N。异化硝酸盐还原为铵（DNRA）是造成NH₄⁺-N积累的主要原因^〔11〕。根据Xiaoyan Ge等^〔12〕的研究，PCW中的NH₄⁺-N在48 h内上升，而本实验中HRT为36 h时NH₄⁺-N下降，推测原因在于，HRT为36 h时DO较低，可能发生厌氧氨氧化从而影响NH₄⁺-N浓度，另外NH₄⁺-N极易发生离子交换^〔13〕，向下流过程中NH₄⁺-N在厌氧条件下的波动十分明显。与NO₃^--N相比，NH₄⁺-N是最易被生物利用但最不稳定的无机氮形式，HRT充足时NH₄⁺-N可能更多成为其他微生物的氮源。DNRA将NO₃^--N转化为NH₄⁺-N，NH₄⁺-N的最终去向仍需进一步研究。

综上，低HRT下NO₃^--N虽可得到去除，但NO₂^--N的高积累导致反硝化不彻底。CW0对TN的去除率较PCW低，很大程度上在于NO₂^--N积累过高。反硝化与DNRA在硝酸盐异化还原过程中发挥的作用不同，反硝化是NO₃^--N从生态系统脱除的过程，DNRA是将NH₄⁺-N以无机氮形式滞留在水中的一种氮素内循环过程，会加剧湿地污染状况。实际上，NO₃^--N还原为NO₂^--N及DNRA作用是不同形态氮的转化形式，不会降低TN。废水中TN的去除主要依靠异养反硝化（联合反硝化）生成N₂+N₂O来完成。

由前文可知，碳氮比为6、HRT为12 h时2组湿地的脱氮效果均达到最佳。为进一步考察碳氮比对湿地脱氮效果的影响，在HRT为12 h条件下讨论碳氮比对2组湿地脱氮效果的影响，结果见图 5。

由图 5可知，碳氮比越高，NO₃^--N去除率越大，说明更多NO₃^--N发生了转化。由于湿地进水中的氮主要为NO₃^--N，因此TN去除率提升很大程度在于NO₃^--N被去除完全。当碳氮比由0增至6，PCW和CW0对NO₃^--N去除率分别为16.5%~95.6%、14.1%~88.1%，对TN的去除率分别为16.4%~92.1%、14.1%~78%。增加碳源不仅为反硝化菌提供了营养物质，营造湿地内部良好的生境利于其生长繁殖，同时也有利于污染物的去除。可以看出，PCW的脱氮效果始终比CW0的好，说明添加黄铁矿强化了人工湿地对含氮废水的去除效果。

自养/异养反硝化贡献比按式（1）、式（2）计算。

(1)

(2)

式中：R₁——自养反硝化占比，%；

N₁——自养反硝化去除的NO₃^--N，采用未添加碳源时PCW中NO₃^--N的进出水含量差值，mg/L；

N——联合反硝化去除的NO₃^--N，采用不同碳氮比下PCW中NO₃^--N的进出水含量差值，mg/L；

R₂——异养反硝化占比，%。

表 2给出了PCW在不同碳氮比下的自养/异养反硝化所占比例。

由表 2可知，碳氮比较低时，PCW自养反硝化所占比例较高。在人工湿地中添加黄铁矿后，由于黄铁矿具有氧化与溶解作用，二价铁和硫化物均可作为电子供体，在微生物作用下参与反硝化过程，见式（3）。

(3)

由前文可知黄铁矿的生物利用性有限，湿地中碳源投加量较少时，反硝化所需的有机、无机电子供体数量不足，虽然PCW中的自养/异养反硝化作用可协同促进NO₃^--N去除，但脱氮效果不理想。随着碳氮比逐渐增大，异养反硝化所占比例增大，说明碳源充足，NO₃^--N主要依靠异养反硝化去除。C. Torrento等^〔14〕研究表明在受到硝酸盐污染的地下水中，反硝化细菌可以利用黄铁矿作为电子供体增强对氮素的去除，添加黄铁矿可促使反硝化菌数量的增加。因此，与CW0相比，PCW中的黄铁矿填料改变了微生物的群落比例，促进异养和自养反硝化菌数量增长（这2种菌群都可能参与NO₃^--N的去除）。此外，湿地碳源足够充足时，反硝化作用的电子供体数量较多，微生物代谢旺盛，有利于污染物彻底去除。

2组人工湿地中NO₂^--N、NH₄⁺-N的质量浓度变化见图 6。

如图 6所示，随着碳氮比由0增至6，CW0平均出水NO₂^--N先升至8.47 mg/L后降至3.93 mg/L，PCW出水NO₂^--N由3.53 mg/L降至0.86 mg/L。Shijian Ge等^〔15〕发现，以葡萄糖为碳源，碳氮比在1.0~15.0范围内越高，NO₂^--N最高积累值越大，碳氮比为6、HRT为10 h时NO₂^--N积累接近4.5 mg/L，与CW0接近。有研究认为，反硝化过程NO₂^--N的积累主要归因于酶活性、微生物种类、代谢途径及运行条件^〔16〕。

实验中PCW与CW0的操作条件相同，但PCW的NO₂^--N浓度明显较CW0的低。这是由于反硝化过程中NiR控制NO₂^--N的还原，还原酶中细胞色素cd1NiR可以催化NO₂^--N还原成NO，但这些酶的合成离不开二价铁^〔17〕。PCW中，黄铁矿在氧化过程中释放Fe²⁺，促进NiR的合成〔见式（4）〕。

(4)

Shuang Tong等^〔18〕认为NO₂^--N积累与黄铁矿的可利用性有关：可利用性增加，NO₂^--N积累降低〔见式（5）〕。

(5)

PCW中的黄铁矿能与NO₂^--N发生反应使其浓度降低。此外，Shunlong Jin等^〔19〕认为黄铁矿自养反硝化（PAD）的强度越大，NO₂^--N积累越少，与本实验结果相符。

2组湿地平均出水NH₄⁺-N均随碳氮比的升高而增加，碳氮比为6时达到最大值。一般认为，DNRA易发生在高碳氮比的连续流环境中^〔20〕。但也有研究表明无论何种细菌（反硝化菌和DNRA菌）占优势，均不抑制对方生长，共同利用环境中的碳源、氮源^〔10〕，这就合理解释了实验在低碳氮比下存在的DNRA现象。可以看出，碳氮比≥4时2组湿地的DNRA作用明显增强，说明一定比例的碳源对DNRA过程有促进作用。这是由于DNRA菌的生长离不开碳源，充足的碳源为菌体生长提供了足够能量，DNRA作用增强。与CW0相比，PCW中的NH₄⁺-N低于CW0，是由于在PCW中PAD过程会消耗一小部分NH₄⁺-N，使其浓度下降〔见式（6）〕。与反硝化过程相比，DNRA作用在2组湿地中表现较弱，这是由于DNRA竞争电子的能力不如反硝化，虽然两者可共同还原硝态氮，但是以反硝化作用为主。

(6)

在最佳工况条件下（碳氮比为6、HRT为12 h），2组湿地的出水NO₃^--N、TN、NO₂^--N、NH₄⁺-N以及SO₄^2-、COD对比见表 3。

由表 3可知，PCW出水中的NO₃^--N、TN明显较CW0的低。因冬季（气温5~13 ℃）时低温对微生物活性有抑制作用，2组湿地的脱氮效率有所减弱，在夏季脱氮效果会更好。2组湿地中COD在12 h时大幅降低，PCW去除率为83.0%，CW0为77.5%，说明异养反硝化过程需要消耗一定有机物，去除NO₃^--N的同时COD也得到去除。PCW出水COD低于CW0出水COD，是因为PCW中的微生物以铁呼吸的形式参与能量代谢，利用碳源合成生物膜，促使COD更好地去除。

PCW出水中的SO₄^2-略低于CW0出水的SO₄^2-，是由于黄铁矿填料层最上部铺设一定厚度的细石英砂，能有效减少黄铁矿的好氧氧化^〔21〕，不会造成出水中大量SO₄^2-积累。此外，2组湿地中硫酸盐还原菌的存在可能促进了SO₄^2-的转化，使得出水中SO₄^2-降低。Yi Chen等^〔22〕在富铁砾石（Fe_xS_y掺杂砾石）中用香蒲凋落物作为碳源，发现硫酸盐还原菌能极大促进湿地中SO₄^2-的去除。2组湿地中SO₄^2-转化的机理有待进一步研究。

大量测试表明，不同运行条件下氮形态的沿程变化具有相似规律。在碳氮比为6、HRT为12 h的最佳条件下探究沿程取样口的氮形态变化情况，结果见表 4。

由表 4可见，废水进入湿地床后在取样点①（⑤）处发生异养反硝化反应及部分吸附作用，2组湿地系统对NO₃^--N、TN的去除率相近。⑥（⑦）采样口处的NO₃^--N、TN去除效果明显优于②（③）采样口，可见NO₃^--N、TN的去除主要发生在黄铁矿填料层。这是由于废水经过湿地上部细石英砂填料层后消耗了大量DO，同时黄铁矿氧化会消耗DO，为中部黄铁矿填料层营造缺氧条件，有利于联合反硝化作用。

NO₂^--N在2组湿地内部产生不同程度的积累：10~30 cm处NO₂^--N积累最高，70 cm处降至较低水平，黄铁矿填料层中NO₂^--N积累明显降低。NH₄⁺-N在2组湿地中呈递增趋势，可以发现最上部采样口处的NH₄⁺-N质量浓度相对较低，可能是湿地上部DO含量较高。⑥（⑦）采样口处NH₄⁺-N浓度增长较②（③）采样口低，说明一小部分NH₄⁺-N在黄铁矿层被消耗。COD呈现沿水深逐渐下降的趋势，且在2组湿地上部10~30 cm处大部分得到去除。分析原因认为该位置距离进水口较近，植物根系发达、泌氧能力强及大气复氧等作用使DO含量较高，COD在该处大部分被去除。

（1）CW0和PCW的脱氮效果与HRT、碳氮比有关，HRT延长、碳源增加可提高湿地的脱氮效果。就实验而言，中性条件下，进水NO₃^--N为50 mg/L、碳氮比为6、HRT为12 h时PCW脱氮效果最好，对NO₃^--N、TN和COD的去除率分别为95.6%、92.1%、83.0%，比CW0提高7.5%、14.1%、5.5%。

（2）与CW0相比，PCW对NO₃^--N、TN的去除率高且彻底，脱氮过程中产生的NO₂^--N、NH₄⁺-N、SO₄^2-积累较低。PCW运行简单、脱氮效果稳定，具有良好的应用前景，更适用于处理含氮废水。

（3）2组湿地沿程去除NO₃^--N、TN、COD的规律类似，湿地内部不同填料区微生物参与的反应不同，黄铁矿填料层更利于NO₃^--N、TN、COD的去除。湿地上部10~30 cm处，COD大部分得到去除，此时NO₂^--N积累达到最大值。底部50~70 cm深度以下区域，COD去除处于低效状态，NO₂^--N、NH₄⁺-N维持在较低水平。