潛流型人工濕地低溫域脫氮的生態(tài)過(guò)程及功能強(qiáng)化

人工濕地是20世紀(jì)70年代新興的一種污水處理方式，其利用基質(zhì)、水生植物和微生物之間的相互作用，通過(guò)過(guò)濾、吸附、共沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水中有害物質(zhì)的去除，同時(shí)通過(guò)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分的循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水的凈化。近年來(lái)，人工濕地以其投資費(fèi)用低，建設(shè)、運(yùn)行成本低，處理過(guò)程能耗低，處理效果穩(wěn)定，景觀效應(yīng)良好等優(yōu)點(diǎn)多被用于改善景觀水體水質(zhì)之中。人工濕地還具有強(qiáng)大的生態(tài)功能，包括生物多樣性保護(hù)、水源凈化及保護(hù)與供給、氣候調(diào)節(jié)、野生資源開發(fā)以及生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究等諸多方面。

1人工濕地脫氮的機(jī)理及其主要影響因素

1.1脫氮機(jī)理

人工濕地中的氮通過(guò)微生物的氨化、硝化與反硝化作用，植物的吸收，基質(zhì)的吸附、過(guò)濾、沉淀等途徑去除。其中氨化、硝化與反硝化作用是去除氮的主要途徑，其基本條件是濕地中存在大量的氨化菌、硝化菌、反硝化菌和適當(dāng)?shù)臐竦赝寥拉h(huán)境條件。

氨氮可被植物直接攝取，合成植物蛋白質(zhì)與有機(jī)氮后，再通過(guò)植物的收割從濕地系統(tǒng)中除去。濕地植物根毛的輸氧及傳遞特性，使根系周圍連續(xù)呈現(xiàn)好氧、缺氧及厭氧狀態(tài)，相當(dāng)于許多串聯(lián)或并聯(lián)的處理單元，使硝化和反硝化作用可以在濕地系統(tǒng)中同時(shí)進(jìn)行。

基質(zhì)是人工濕地不可缺少的組成部分，它為人工濕地中微生物的生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的依附表面，為水生植物提供生長(zhǎng)載體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)，基質(zhì)本身對(duì)污水凈化也有重要的作用。

1.2影響脫氮的主要因素

1.2.1基質(zhì)

不同基質(zhì)類型對(duì)脫氮效果的影響不同。WendongTao等研究發(fā)現(xiàn)，石灰石基質(zhì)和鋪路石對(duì)氨氮和TN的去除效果無(wú)太大差別，但是石灰石基質(zhì)能夠增大亞硝酸鹽的含量，將其最高質(zhì)量濃度從3.6mg/L增加到4.7mg/L，從而更有利于厭氧氨氧化，提高對(duì)氮的去除率。

有研究表明：在相同進(jìn)水水質(zhì)和水力負(fù)荷條件下，頁(yè)巖填料對(duì)COD、TN、TP去除效果最好，最高去除率可分別達(dá)到60%、80%、85%，其次為頁(yè)巖與粗礫石組合填料，麥飯石去除效果較差。

周煒等的試驗(yàn)結(jié)果表明，在8月份，沸石床復(fù)合流人工濕地NH4+-N去除率在95%左右，TN去除率接近80%，硝態(tài)氮去除率在96%左右；而爐渣和礫石人工濕地與沸石床相比，除出水硝態(tài)氮無(wú)太大變化外（約為80%~90%），NH4+-N和TN的去除率較低，約為10%、50%。

此外，一般來(lái)說(shuō)，分層的基質(zhì)要比不分層的處理效果好。研究表明，不同粒徑分層級(jí)配基質(zhì)對(duì)COD的去除率均高于單一粒徑基質(zhì)，其中分層級(jí)配生物陶粒對(duì)COD的平均去除率高達(dá)72.91%。分層級(jí)配沸石對(duì)TN的凈化能力較單一粒徑基質(zhì)有所提高，平均去除率高達(dá)91.23%。

1.2.2水生植物

水生植物是人工濕地的重要組成部分，對(duì)氮的去除有很大的影響。張榮社等研究表明，無(wú)植物床、蘆葦床和茭草床TN去除率分別達(dá)48.7%、75.6%、63.5%?？梢娭参飳?duì)濕地中氮的去除有很大影響。

Z.Yousefi等通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了黃花鳶尾碎石床人工濕地與空白床對(duì)TN的去除效果，結(jié)果表明，黃花鳶尾床對(duì)TN的去除效果比空白床好，二者的去除率分別為49.4%、43.4%。

不同的濕地植物對(duì)人工濕地的凈化效果的影響不同。SixiZhu等研究發(fā)現(xiàn)，豆類植物不影響生物質(zhì)生產(chǎn)以及基質(zhì)中硝酸鹽和銨鹽的截留；C3類植物和C4類植物影響植物水上部分生物質(zhì)的生產(chǎn)；最重要的是，植物的多樣性越高越有利于生物質(zhì)的生產(chǎn)和基質(zhì)中氮的截留，因此，更有利于人工濕地脫氮。

韓蘇娟等研究結(jié)果表明：黃菖蒲、蘆葦、水莎草濕地對(duì)TN去除率較好，平均去除率分別為33.29%、30.58%、30.38%；臭蒲和香蒲對(duì)TN去除效果次之，分別為25.84%、22.92%；大紅草對(duì)TN去除效果最差，僅為18.09%。

水生植物不僅可以直接攝取污水中的富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而且其根系的泌氧功能為微生物分解轉(zhuǎn)化有機(jī)物提供了適宜的環(huán)境條件。植物向濕地中傳輸?shù)难鯕饬恐苯佑绊懫溥\(yùn)行機(jī)制。水生植物可以傳輸約90%的氧到根系周圍，從而加強(qiáng)微生物的硝化作用，去除水中氮。

1.2.3微生物

人工濕地中的微生物在有機(jī)物的降解轉(zhuǎn)化方面發(fā)揮著重要作用。付融冰等研究發(fā)現(xiàn)，在距人工濕地進(jìn)水沿程50cm處氨化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌個(gè)數(shù)最多，分別為：氨化細(xì)菌3.5×106mL-1，亞硝化細(xì)菌3.0×103mL-1，且此處TN的去除率也最高，為31.6%。隨著以上兩種細(xì)菌數(shù)的減少，TN的去除率也在降低。這說(shuō)明濕地的氮去除效果與硝化細(xì)菌等微生物數(shù)量呈正相關(guān)。

張鴻等實(shí)驗(yàn)表明，由于水芹濕地和鳳眼蓮濕地中含有大量的硝化細(xì)菌，水芹和鳳眼蓮濕地對(duì)氨氮的凈化率比對(duì)照組分別高8.7%、11.7%。這說(shuō)明微生物在濕地對(duì)氮的去除中發(fā)揮著很重要的作用。

1.2.4進(jìn)水的影響

YongjunZhao等研究表明，控制進(jìn)水m（C）∶m（N）∶m（P）在一定范圍內(nèi)，能使有植物的人工濕地中的微生物發(fā)生相似轉(zhuǎn)化，而無(wú)植物的人工濕地中的微生物則會(huì)出現(xiàn)脫離濕地的現(xiàn)象，因此，建議在建設(shè)人工濕地時(shí)應(yīng)盡量種植植物，并選擇合適的m（C）∶m（N）∶m（P），防止微生物異化和脫離濕地。

研究表明，濕地進(jìn)水碳氮比變化時(shí)，TN的去除率隨著碳氮比的增大而逐漸升高；NH4+-N的去除率隨著碳氮比的增加而降低。

2人工濕地除磷的機(jī)理及其主要影響因素

2.1除磷機(jī)理

人工濕地通過(guò)水生植物、基質(zhì)和微生物的共同作用來(lái)完成對(duì)磷的去除。研究證明，人工濕地中基質(zhì)對(duì)磷的去除是最主要途徑，包括物理去除和化學(xué)沉淀去除兩大過(guò)程。

無(wú)機(jī)磷也是植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素，廢水中無(wú)機(jī)磷可被植物吸收利用組成卵磷脂、核酸及ATP等，然后通過(guò)植物的收割而移去。

微生物對(duì)磷的去除包括對(duì)磷的正常同化和過(guò)量積累。由于人工濕地系統(tǒng)中植物光合作用光反應(yīng)、暗反應(yīng)交替進(jìn)行，根毛輸氧也交替出現(xiàn)，以及系統(tǒng)內(nèi)部不同區(qū)域?qū)ρ跸牧看嬖诓町悾瑥亩鴮?dǎo)致系統(tǒng)中好氧和厭氧情況交替出現(xiàn)，使磷的過(guò)量釋放和過(guò)量積累得以順利完成。

2.2影響除磷的主要因素

2.2.1基質(zhì)

不同基質(zhì)對(duì)磷的去除存在較大差異，若土壤中含有較多的鈣、鐵、鋁氧化物，則有利于生成溶解度很低的磷酸鐵或磷酸鋁，增強(qiáng)土壤的去磷能力。

A.Drizo等研究表明：粉煤灰對(duì)磷的吸附量最高，其次是頁(yè)巖、鋁礬土、石灰石、陶粒和沸石，其中頁(yè)巖和鋁礬土的累積磷吸附量最高，分別為730、355mg/kg，而X射線熒光分析發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖表面有大量的磷沉淀，由此可以得出，頁(yè)巖是這幾種人工濕地填料中除磷效果最好的填料。

YouqinZou等對(duì)比分別由陶粒和砂礫建成的兩組人工濕地發(fā)現(xiàn)，在水力負(fù)荷為2.53~6.74cm/d區(qū)間，陶粒床人工濕地對(duì)COD、NH4+-N、TP的去除率分別為83.3%、98.21%、98.98%，優(yōu)于砂礫人工濕地的處理效果。Y.Q.Zhao等研究發(fā)現(xiàn)，明礬污泥和碎石床人工濕地系統(tǒng)對(duì)TP的月去除率高達(dá)94%，對(duì)無(wú)機(jī)磷的月去除率高達(dá)97%，足見明礬污泥在濕地除磷中的前景。

2.2.2水生植物

水生植物在人工濕地除磷中有舉足輕重的作用，有植物的濕地對(duì)磷的去除有很好的效果。研究發(fā)現(xiàn)，黃花鳶尾碎石床人工濕地對(duì)TP的去除效果明顯優(yōu)于無(wú)植物碎石床，其TP去除率分別為67.6%、57.4%，可見黃花鳶尾對(duì)TP的去除有很大影響。

李林鋒等研究表明：有濕地植物的濕地TP去除率為56%~65%，遠(yuǎn)高于沒(méi)有植物的濕地對(duì)TP的去除率（約為45%）；其中，植有香蒲、蘆葦與茭白的人工濕地TP平均去除率約為62.6%，植有水蔥和千屈菜的人工濕地TP去除率約為57%，植有鳶尾和菖蒲的人工濕地TP去除率約為59%。

2.2.3微生物

微生物在濕地除磷中有著重要的作用。研究表明，由于水芹濕地和鳳眼蓮濕地中含有大量的磷細(xì)菌，水芹和鳳眼蓮濕地對(duì)磷的凈化率比空白床分別高16.0%、8.1%。由于含磷細(xì)菌量高于另外兩組濕地，水芹濕地在整個(gè)過(guò)程中對(duì)磷的去除率都高于對(duì)照組和鳳眼蓮濕地，平均高出16.0%、9.7%。

凌云等研究表明：微生物的增加使TP平均去除率達(dá)到20.9%，高于空白的18.3%。可見微生物對(duì)磷的去除有一定影響。

2.2.4進(jìn)水的影響

濕地進(jìn)水可影響濕地微生物及植物的生長(zhǎng)，從而影響處理效果。研究表明：隨著碳源的增加，釋磷菌能夠從進(jìn)水中獲得充足的碳源，從而可以比較充分地釋磷，因此，磷的去除率隨碳氮比的增加而提高。

湯顯強(qiáng)等研究表明：與無(wú)曝氣人工濕地系統(tǒng)相比，中部曝氣使可溶性活性磷（SRP）和TP月平均去除率分別提高10.2%、8.8%，底部曝氣則為7.7%、7.4%，可見間歇曝氣能夠有效提高人工潛流濕地磷去除效率。

3人工濕地脫氮除磷中存在的問(wèn)題及對(duì)策

3.1存在的主要問(wèn)題

雖然人工濕地在脫氮除磷方面有很大優(yōu)勢(shì)，但也存在很多問(wèn)題。如低溶解氧限制對(duì)氮、磷的去除；單一、單級(jí)基質(zhì)難達(dá)到預(yù)期處理效果；填料堵塞問(wèn)題；植物的合理選取與搭配以及植物枯萎造成對(duì)水體的二次污染等問(wèn)題。

3.2提高脫氮除磷的措施

人工濕地對(duì)氮磷的去除與基質(zhì)、微生物、植物種類、污水類型、水力負(fù)荷、水文特征、氣候特征等因素密切相關(guān)，為了提高對(duì)氮磷的去除效果，建議考慮采用以下措施：

（1）在污水進(jìn)入人工濕地前進(jìn)行充氧（曝氣、跌水等），提高污水的溶解氧濃度，為微生物創(chuàng)造一定的有氧環(huán)境，促進(jìn)亞硝酸菌和硝酸菌的增殖，從而提高人工濕地的硝化能力；也可利用垂直流人工濕地的特點(diǎn)，發(fā)揮其溶解氧含量高的優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)化對(duì)氮、磷的去除。

（2）采用沸石等富含Ca、Fe和Al等的基質(zhì)，提高對(duì)P的吸附去除；研究新型填料，強(qiáng)化對(duì)N、P的吸附作用；采用多種填料組合使用，提高填料的分級(jí)，選用合適的粒徑級(jí)配等措施來(lái)強(qiáng)化處理效果。

（3）改善進(jìn)水方式，采用間歇進(jìn)水，防止填料堵塞，提高對(duì)N的去除；對(duì)濕地進(jìn)水預(yù)處理，采用不同濕地類型交叉聯(lián)合設(shè)置提高處理效果的穩(wěn)定性。

（4）選用氮磷吸收能力強(qiáng)、具抗逆性、有一定經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值和景觀價(jià)值、易管理的濕地植物；考慮采用多種植物混合種植，提高去除效果。

（5）及時(shí)收割濕地植物和更換基質(zhì)，避免因植物枯萎和基質(zhì)吸附飽和釋放污染物對(duì)水體造成的二次污染。

近年來(lái)水處理專家側(cè)重于人工濕地組成的各個(gè)影響因素研究，從而局部上改進(jìn)了人工濕地脫除氮磷的效力，并實(shí)踐組合交叉不同類型的濕地，從整體上優(yōu)化人工濕地的作用。但作為人工建造的生態(tài)系統(tǒng)，人工濕地有其不足之處，脫氮除磷技術(shù)有待不斷完善和發(fā)展。在今后的研究中勢(shì)必要加強(qiáng)高效脫除氮磷基質(zhì)研究，根據(jù)污水中氮磷污染物的種類、特征采取幾種基質(zhì)的組合或開發(fā)復(fù)合基質(zhì)；加強(qiáng)人工濕地脫除氮磷機(jī)理的研究，使人工濕地與城市建設(shè)有機(jī)結(jié)合，解決生活污水高氮磷；通過(guò)試驗(yàn)篩選利于氮、磷雙方面脫除的微生物，并根據(jù)污水氮磷的具體情況合理組合微生物群。