Nitrogen removal in landscape water bodies using a vertical ecological module in Yuhuang Shannan Fund Town

场址位于杭州市玉皇山南基金小镇(30.21°N，120.15°E)的副景观区(图 1)。该区属于亚热带季风气候，光照充足，雨水充沛。2015年，全年平均气温为17.3 ℃，年总降水量为1 947.6 mm，年总日照时数为1 358.5 h。

Figure 1.  Geographical location of the experiment

以玉皇山南基金小镇水系中污染较为严重的副景观区水体作为治理对象，如图 1。该水体通过主景观区利用泵水房补给水，水流极缓，水深为1.5~2.0 m，进水污染物质量浓度变化较大，统计结果见表 1。根据GB3838-2002《地表水环境质量标准》可知：水质处于五类水以下(劣Ⅴ类水)。

立体生态模块由挺水植物模块、沉水植物模块及微生物填料模块组成，各模块设计如下：①挺水植物模块。选取香蒲Typha orientalis，美人蕉Canna indica，千屈菜Lythrum salicaria，构建3种挺水植物模块。模块大小：长×宽×高为1.75 m × 1.00 m × 0.20 m，以竹竿(内径D=6~8 cm)为支撑边，上面放置聚乙烯塑料浮板(长0.33 m ×宽0.33 m ×高0.06 m)，浮板内套软花盆(上口径0.15 m，下口径0.11 m，高0.13 m)，花盆内铺设0.10 m厚的陶粒，陶粒平均粒径为2.2 cm。植物种植于花盆内，栽植密度为16株·m^-2。②沉水植物模块。选取狐尾藻Myriophyllum verticillatum，竹叶眼子菜Potamogeton malaianus，伊乐藻Elodea nuttallii，构建3种沉水植物模块。模块尺度：长×宽×高为1.75 m × 1.00 m × 0.50 m，以竹竿(内径D=4~6 cm)为支撑边，上面布设纱网袋(100目)，网袋内铺设0.15 m厚的陶粒，陶粒平均粒径为2.2 cm。沉水植物栽植于网内，栽植密度为25株·m^-2。③微生物填料模块。选取碳纤维草(比表面积=1 000 m²·g^-1)，立体超细纤维草(比表面积=8 000 m²·m^-3)，构建2个微生物填料模块。生物填料模块为长方体(长1.75 m ×宽1.00 m ×高0.50 m)，框架用竹竿(内径D=4~6 cm)搭建，人工水草铺设体积率为5%。

将上述3种模块按照微生物填料模块→沉水植物模块→挺水植物模块的顺序从下至上固定，复合成18个立体生态模块。

18个立体生态模块建成后，放置于透明的有机玻璃(厚度T=2 mm)反应器(长1.85 m ×宽1.10 m ×高1.40 m)内，与周围水体隔离，安装于玉皇山基金小镇副景观区水系。其中进水口位于反应器一侧顶端直通入下部，在距离立体生态模块进水口端0.30，0.70和1.85 m处，距离立体生态模块底部0.25，0.75和1.10 m处，设采水管(直径d=2.0 cm)，共计9个，采水管不采样时处于闭管状态，出水口为9号采样口，如图 2所示。另设1个空白组。

Figure 2.  Diagram of vertical ecological modules

先试运行1.5个月，2016年5月13日起向模块进水，系统运行2个月，至2016年7月12日结束。进水方式：用流量泵将副景观区水抽至立体生态模块，通过模块进水口均匀持续进水，每个模块进水量均为15.00 m³·d^-1，水力负荷为7.37 m·d^-1。运行期内每周采集1次水样，5月13日14:00第1次采样，以后隔6 d在14:00采样1次，共采集9次水样。实验期间现场测定模块内pH值和水温。采集后的水样放置于采集瓶，其中入水口处水样为进水水质，9号采集管出水样为出水水质，1~3号采集管抽取10.00 mL混匀为0.30 m处水样，4~6号采集管抽取10.00 mL混匀为0.70 m处水样，7~9号采集管抽取10.00 mL混匀为1.85 m处水样。做好标记放于冰盒内运至分析室存于0 ℃冰箱内。24 h内完成分析。

采集水样主要测试指标有总氮、铵态氮、硝态氮、pH值(酸碱度)、温度，分析方法采用文献[10]所述方法，其中总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，铵态氮采用靛酚蓝比色法，硝态氮采用酚二磺酸分光光度法，pH值采用电极法，温度采用温度计法。平均质量浓度ρ_平均=(ρ₁+ρ₂+ρ₃+…+ρ_n)/n，其中：ρ表示质量浓度，ρ₁为第1次采集水样所测的质量浓度，ρ₂为第2次采集水样所测得质量浓度，其他以此类推。去除率=(ρ_进水-ρ_出水)/ρ_进水×100%。

由表 2可知：实验周期内，进水总氮质量浓度平均为5.60 mg·L^-1。经立体生态模块后，香蒲-伊乐藻-碳纤维草复合立体生态模块总氮质量浓度平均为0.13 mg·L^-1，低于其他立体生态模块(0.22~1.48 mg·L^-1)及空白组(3.87 mg·L^-1)。香蒲-伊乐藻-碳纤维草复合立体生态模总氮平均去除率为97.61%，高于其他立体生态模块(73.58%~96.10%)及空白组(30.87%)。对于铵态氮而言，香蒲-伊乐藻-碳纤维草复合立体生态模块出水总氮质量浓度平均为0.04 mg·L^-1，低于其他立体生态模块(0.08~0.88 mg·L^-1)及空白组(1.96 mg·L^-1)。香蒲-伊乐藻-碳纤维草复合立体生态模块的铵态氮平均去除率为98.68%，高于其他立体生态模块(71.05%~97.37%)及空白(35.53%)。而对硝态氮，去除效果仍以香蒲-伊乐藻-碳纤维草复合立体生态模块最好，去除率为96.97%，高于其他立体生态模块(63.93%~93.11%)及空白(20.50%)。

显著性分析(表 2)发现：立体生态模块与空白组相比较，对总氮、铵态氮、硝态氮去除率呈极显著差异，而且植物和生物填料类型对去除率有一定影响。空白的总氮质量浓度平均去除率极显著低于立体生态模块(P＜0.01)。在18个复合立体生态模块中，香蒲-伊乐藻-碳纤维草(97.64%)，美人蕉-伊乐藻-碳纤维草(96.02%)，香蒲-伊乐藻-立体超细纤维草(93.05%)3种复合立体生态模块对总氮去除效果最好，其中去除率最高的香蒲-伊乐藻-碳纤维草复合立体生态模块总氮平均去除率比空白组高70.61%。18个立体生态模块中，除香蒲-狐尾藻-碳纤维草、香蒲-竹叶眼子菜-碳纤维草、香蒲-狐尾藻-立体超细纤维草、美人蕉-狐尾藻-碳纤维草、美人蕉-竹叶眼子菜-碳纤维草、千屈菜-狐尾藻-碳纤维草、千屈菜-伊乐藻-立体超细纤维草7个复合立体生态模块外，其他复合立体生态模块均呈显著差异(P＜0.05)，这说明所选植物及生物填料不但能促进总氮去除，而且种类对总氮去除率也有一定影响。通过比较可知，由伊乐藻构建的沉水植物模块在所有模块中对总氮的去除率提高效果最显著；挺水植物模块中香蒲模块对总氮的去除率最高，其次是美人蕉，千屈菜降解率最低；碳纤维草模块对总氮的去除率高于立体超细纤维草模块。对于铵态氮质量浓度，空白组和18个立体生态模块组两者差异达显著水平(P＜0.01)，其中香蒲-伊乐藻-碳纤维草等14个立体生态模块又与立体生态模块整体呈显著差异。这说明不同植物及生物填料对铵态氮去除率影响比对总氮去除率显著。空白组硝态氮去除率和立体生态模块同样呈极显著差别。在18个立体生态模块中，去除率与模块整体呈显著差异达72.00%，同样说明植物和生物填料类型对硝态氮去除率有一定影响。

副景观区水体总氮质量浓度波动较大，分别为3.02~10.87 mg·L^-1，表明不同立体生态模块的抗冲击负荷能力差异显著。最高总氮进水质量浓度发生在2016年5月13日(10.87 mg·L^-1)，空白组的总氮去除率为19.96%，立体生态模块的总氮去除率为66.51%~95.22%。最低总氮进水质量浓度发生在2016年5月20日(3.02 mg·L^-1)，而空白的总氮去除率为29.80%，立体生态模块的总氮去除率为62.58%~94.70%。对比可见：总氮去除率，除空白组相差较大外，进水负荷对立体生态模块影响不大。说明立体生态模块具有较强的抗冲击负荷能力，对质量浓度波动较大的水体保持较高的去除率。

可见，副景观区污水通过立体生态模块净化后总氮降低，18个立体生态模块的平均出水质量浓度参照GB3838-2002《地表水环境质量标准》，总氮已达Ⅳ类水水质标准(1.5 mg·L^-1)。但其出水水质总氮尚未达到Ⅲ类地表水水质标准，一般不能直接作为接触性娱乐性景观用水。故对于副景观区，可以采取曝气充氧+立体生态模块工艺，再加上后续副景观区塘边缓冲带，以保障副景观区的水质。

选取对总氮降解率最高的3组(香蒲-伊乐藻-碳纤维草、香蒲-伊乐藻-立体超细纤维草、美人蕉-伊乐藻-碳纤维草复合立体生态模块)，考察各形态氮质量浓度的沿长度变化。由图 3A和图 3B可见：立体生态模块中总氮、铵态氮质量浓度均呈沿长度降低之势，且距出水口越近去除效果越好。由图 3C可知：虽各立体生态模块硝态氮质量浓度均低于进水，但立体生态模块在0.70 m后质量浓度下降更明显，而空白组硝态氮质量浓度稳定下降，变化曲线形状与总氮和铵态氮相似。立体生态模块全程无硝态氮积累，这与仅采用植物净化的效果不同^[11-14]。这可能和立体生态模块位于最低端的微生物填料模块的反硝化作用更强，促进了硝态氮的还原有关。香蒲-伊乐藻-碳纤维草复合立体生态模块在0.30，0.70和1.85 m处所取水样的总氮、铵态氮、硝态氮质量浓度低于空白组，香蒲-伊乐藻-立体超细纤维草和美人蕉-伊乐藻-碳纤维草复合立体生态模块，在3个立体生态模块中最低。

Figure 3.  TN, NH₄⁺-N, NO₃^--N concentration and pH change along flow direction in vertical ecological modules

选取去除率最高的3组(香蒲-伊乐藻-碳纤维草、香蒲-伊乐藻-立体超细纤维草、美人蕉-伊乐藻-碳纤维草复合立体生态模块)，考察pH值变化趋势及各子模块对增强氮去除效果。由图 3D可见：实验期各模块酸碱度为pH 7.15~7.40。空白组沿长度pH值均大于或等于pH 7.39且曲线变化幅度相对较小，尾端pH值有一定升幅，而香蒲-伊乐藻-碳纤维草、香蒲-伊乐藻-立体超细纤维草、美人蕉-伊乐藻-碳纤维草复合立体生态模块pH值均小于空白，pH值随长度增加均小幅度下降，其原因可能为立体生态模块中的挺水植物和沉水植物泌氧功能，通过立体生态模块中植物根系输氧能力和沉水植物光合作用使模块内挺水植物模块和沉水植物模块水体氧含量增加，硝化作用增强，释放了大量的质子，导致pH值沿长度下降，且低于空白组的pH值，这种变化趋势与黄季超等^[11]研究结果相似。因反应系统pH值均小于pH 7.50，故实验过程氨挥发可以忽略^[12]。以此推断，实验过程立体生态模块中氮的去除可能主要靠硝化/反硝化、厌氧氨氧化和植物光合作用，通常在有氧条件下，水体氮一部分经过铵盐→亚硝酸盐→硝酸盐的过程转化为水溶盐，含氮盐在缺氧条件下经过硝酸盐→亚硝酸盐→一氧化氮→一氧化二氮→氮气转化为气态氮；一部分氮在缺氧条件下经过铵盐→氮气直接经过厌氧氨氧化作用转化为气体^[15]。硝化菌最佳酸碱度为pH 7.0~8.6，反硝化菌和厌氧氨氧化菌酸碱度为pH 7.0~8.0^[14-15]。pH值监测结果表明：立体生态模块中pH值在此范围内，适合氮降解细菌的生长繁殖。在后期，为了深入探究反应过程pH值呈现这种变化的原因，可增设溶解氧(DO)，微生物种类及数量等指标监测，来论证现在的推断。

种植了植物和生物填料的立体生态模块的脱氮效果优于空白组。主要原因：①立体生态模块的水流受植物生长和生物填料影响，水流受到阻滞，延长停留时间；②植物生长吸收硝态氮和铵态氮；③挺水植物根系、沉水植物和生物填料为模块中微生物生长提供了繁殖场所^[16-18]，根系和生物填料会创造有利于多种微生物生长的小环境，在沉水植物及挺水植物根茎附近会形成有氧小环境，形成硝化好氧区，在远离沉水植物和挺水植物根茎、模块最底部的生物填料模块形成反硝化、氨氧化缺氧区。

本研究植物初始平均株高为香蒲1.56 m，美人蕉2.02 m，伊乐藻1.45 m，实验结束时植物平均株高为香蒲1.75 m，美人蕉1.32 m，而伊乐藻已覆盖整个沉水植物模块(长1.75 m ×宽1.00 m ×高0.50 m)纱网袋，并且分别于2016年5月27日和6月17日进行收割，水体氮盐可通过光合作用作为营养物质暂时储存于植物^[19]。长势最好的香蒲和伊乐藻对氮的去除效果最好。挺水植物和沉水植物组合成水生植物群落，比单一水生植物氮磷去除率更好。刘足根等^[20]研究表明：乡土种穗花狐尾藻Myriophyllum spicatum+狭叶香蒲Typha angustifolia的镶嵌组合对总氮、硝态氮的去除率分别达52.96%和61.74%，比单一生活型水生植物氮磷去除率更高，且净化效果更为稳定。所以，可选这些植物生长到一定季节，适时收割植物部分茎和叶，以达到对氮良好的去除效果。

挺水植物和沉水植物的泌氧功能在立体生态模块净化污水过程中发挥着重要作用。通过模块内植物根系和沉水植物茎叶的输氧，使其周围形成一个有氧区，而距离较远的区域形成缺氧、厌氧区，为好氧、厌氧微生物提供生存条件^[21]。水中铵态氮去除发生的硝化反应，与水中溶解氧有很大关系。硝化过程所需的氧主要为水中溶解氧，泌氧能力较强的植物可向模块水体输送更多氧气，有利于硝化作用增强，促进除氮能力。香蒲、伊乐藻、美人蕉3种植物都有很强的泌氧能力^[22-24]，且存活率和生长情况与本研究的其他3种(千屈菜、竹叶眼子菜、狐尾藻)相比较，表现出更好的长势，这可能是这3种复合立体生态模块去除氮效率较高的原因之一。

生物填料比表面积大、空隙率高，能让微生物在固体表面附着生长形成生物膜，从而实现对污水的生物处理^[25]。生物膜中的微生物可以利用污水中溶解氧和有机物促进自身生长繁殖，同时生物膜逐渐增厚，形成厌氧区^[26]。水中硝态氮的去除主要在厌氧区进行，香蒲-伊乐藻-碳纤维草、香蒲-伊乐藻-立体超细纤维草、美人蕉-伊乐藻-碳纤维草复合立体生态模块脱氮过程中均未出现硝酸根积累的现象，这与仅单纯用植物净化相比，关键因素可能因为处于底层的生物填料模块处于缺氧环境，又对反硝化菌有较好的吸附作用，促使反硝化菌在其表面形成生物膜。有研究表明^[27]：在较低负荷下硝化功能菌属Dechloromonas相对丰度的增加可能是引起填料生物膜反硝化脱氮能力提高的重要原因。为了深入了解生物填料对除氮的影响，可增设监测生物填料模块总氮、有机溶解氮、铵态氮、硝态氮等各类氮质量浓度变化。

模块长度受多因素影响，比如降水量、植物品种、生物填料类型等。本研究以玉皇山南基金小镇景观水水质净化为目的，以不同挺水植物、沉水植物、生物填料模块为控制变量，根据污水污染物降解和沿长度去除率变化确定生态立体模块最佳长度。用Origin 2017分析软件，根据立体生态模块对景观污水中氮的实际去除效果，分别拟合香蒲-伊乐藻-碳纤维草、香蒲-伊乐藻-立体超细纤维草、美人蕉-伊乐藻-碳纤维草复合立体生态模块总氮、铵氮、硝态氮的去除率和沿长度距离，表明总氮、铵氮、硝态氮和沿长度距离呈显著的指数关系(图 4和表 3)，所得拟合公式如表 3。

Figure 4.  TN, NH₄⁺-N and NO₃^--N removal rate change along flow direction in vertical ecological modules

拟合结果(表 3)显示：立体生态模块长度与污染物去除效果呈正相关，但受水体功能限制，不能将水体表面全部覆盖。玉皇山南基金小镇景观水域区总面积仅6 700 m²。为此，在有限的水域面，达到用立体生态模块控制副景观区污水的最佳效果，确定立体生态模块最佳长度。根据表 3拟合公式，计算出去除率为85.00%时的值，为不同模块复合条件下的最佳长度。结果表明：在本实验条件及周期内，总氮去除率为85.00%时，最佳立体生态模块长度为香蒲-伊乐藻-碳纤维草1.34 m，美人蕉-伊乐藻-碳纤维1.44 m，香蒲-伊乐藻-立体超细纤维草1.64 m，空白+∞。香蒲-伊乐藻-碳纤维草、美人蕉-伊乐藻-碳纤维、香蒲-伊乐藻-立体超细纤维草相比空白，让总氮去除率提升至85.00%成为可能。可见立体生态模块能显著提高水系除氮效果，合理的长度设计可有效减少水域面积覆盖度，增加水系景观的亲水性。

立体生态模块能有效净化景观水体中的氮且具有一定的抗冲击负荷能力。实验运营期内，立体生态模块对总氮、铵态氮、硝态氮去除率均明显高于空白组，且呈极显著差异(P＜0.01)。立体生态模块中当进水总氮平均质量浓度为5.60 mg·L^-1，出水总氮最低质量浓度平均值为香蒲-伊乐藻-碳纤维草复合立体生态模块的0.13 mg·L^-1，该模块平均去除率为97.61%。其余模块出水氮质量浓度为0.22~1.48 mg·L^-1，空白组出水氮质量浓度为3.87 mg·L^-1，均高于该模块。

植物种类和生物填料类型对氮的净化效果有一定影响。18个1.85 m长立体生态模块，总氮平均去除率为73.58%~97.61%，铵态氮平均去除率为71.05%~98.68%，硝态氮平均去除率为63.93%~96.97%，且分别有11个(总氮)、14个(铵态氮)、13个(硝态氮)模块与立体生态模块组呈显著差异(P＜0.05)。其中3种挺水植物模块中香蒲模块对总氮去除率最高，沉水植物模块中伊乐藻模块对总氮去除率最高，生物填料模块中碳纤维模块对总氮去除率高于立体超细纤维模块。对总氮去除率前3种复合模块类型为香蒲-伊乐藻-碳纤维草97.61%，美人蕉-伊乐藻-碳纤维96.10%，香蒲-伊乐藻-立体超细纤维草92.61%，去除率均与整体均呈极显著差异(P＜0.01)。

立体生态模块pH值在模块运行过程中呈现不同程度的降低，但均处在硝化/反硝化、厌氧氨氧化的最佳pH值范围内，这可能为氮的生化作用提供了较好的外在条件。后续可通过溶解氧、微生物种类及数量等的数据检测来证实。

植物和生物填料种类对确定立体生态模块最佳长度有一定影响。不同植物和生物填料复合成的立体生态模块最佳长度不同，对总氮去除率越高的植物模块和生物填料模块复合成的立体生态模块最佳长度越短，反之增长。在总氮去除率达85.00%时，在除氮效果前3的模块中，香蒲-伊乐藻-碳纤维草最佳长度为1.34 m，美人蕉-伊乐藻-碳纤维为1.44 m，香蒲-伊乐藻-立体超细纤维草为1.64 m。这不但提高了水体净化能力，而且有效减少水体覆盖度。最佳长度可为立体生态模块技术在景观水系修复工程应用提供参考。