垂直流人工濕地系統(tǒng)中氮去除影響因素的研究

劉曦　陳芳清　楊丹等

摘要 垂直流人工濕地作為發(fā)展極為迅速的污水處理技術(shù)，在水體修復與生態(tài)建設(shè)方面發(fā)揮著重要作用?？偨Y(jié)分析了垂直流人工濕地系統(tǒng)中的基質(zhì)類型、植物種類、微生物過程等因素對氮去除的影響。

關(guān)鍵詞 垂直流濕地；氮去除；影響因素

中圖分類號 S181.6 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）15-226-03

Study on the Factors Influencing Nitrogen Removal in Vertical Flow Constructed Wetlands System

LIU Xi1，2， CHEN Fangqing1， YANG Dan2，3， XIONG Gaoming2，4* et al

（1. Collaborative Innovation Center for Geohazards and Ecoenvironment in Three Gorges Area， Yichang， Hubei 443002； 2. State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change， Institute of Botany， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100093； 3. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049； 4. Shihezi University， Shihezi， Xinjiang 832003）

Abstract As a kind of effective wastewater treatment technology， vertical flow wetland has had rapid development， and plays an important role in water body restoration and ecological construction. The effects of filtering media type， plant species， microbial processes in vertical flow constructed wetlands on nitrogen removal were summarized and analyzed.

Key words Vertical flow wetland； Nitrogen removal； Influencing factor

濕地生態(tài)系統(tǒng)是指介于水生、陸地生態(tài)系統(tǒng)之間的一種過渡性生態(tài)系統(tǒng)類型，其具有較高的物種多樣性、生態(tài)多樣性，同時具有水生和陸地生態(tài)系統(tǒng)的特點，具有多種生態(tài)功能，在生態(tài)系統(tǒng)中有著不可替代的地位。人工濕地在自然濕地的生態(tài)學原理基礎(chǔ)上，人為地控制濕地中發(fā)揮截污去污作用的因素，如植物、基質(zhì)、微生物和水力負荷等，通過過濾、吸附、沉淀、植物吸收、微生物分解，從而實現(xiàn)對污水中污染物的去除，并且能夠在實際生活中加以推廣應(yīng)用的新型污水處理系統(tǒng)。人工濕地是一種投資成本低，高效低耗及運行管理水平要求不高，集“生態(tài)水景”和“水中處理”功能于一體，具有廣泛應(yīng)用前景的污水處理系統(tǒng)。人工濕地因其構(gòu)成結(jié)構(gòu)的不同，可將其分為表面流、垂直流和潛流3種類型，且3種類型分別具有不同的優(yōu)缺點。

表面流人工濕地是污水在基質(zhì)的表面流動，因而其基質(zhì)及植物根系的作用未能夠充分發(fā)揮，對污染水體難以起到截污去污作用，因此現(xiàn)在的人工濕地已不常采用此類設(shè)計。垂直流和潛流人工濕地對氮、磷及有機物的去除有較好的作用，是目前應(yīng)用比較廣泛的人工濕地類型。垂直流人工濕地的設(shè)計構(gòu)造使?jié)竦卮搀w處于不飽和狀態(tài)、內(nèi)部布水更均勻、氧氣供給更充分、硝化能力更強，因而對有機物和氮磷有更好的凈化效果。垂直流人工濕地作為一種新的污水處理技術(shù)正在日益得到完善和發(fā)展，在實現(xiàn)富營養(yǎng)化水體改善和生態(tài)修復方面有著非常廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。

氮過量是引起水體富營養(yǎng)化、導致水質(zhì)惡化的重要因素之一，因此污水中氮去除一直是污水處理的重要任務(wù)之一。20世紀70年代末人工濕地開始應(yīng)用于污水凈化處理中，這之后世界各國都開展了大量的污水去氮研究，且取得了許多有意義的成果。

垂直流人工濕地對氮的去除效果主要與濕地中的基質(zhì)、植物和微生物有關(guān)，它們對去除污水中含氮污染物的作用是相對獨立而又相互聯(lián)系的。垂直流人工濕地對氮的去除機理是復雜的，不僅與濕地的植物、基質(zhì)和微生物有關(guān)，而且其他的一些因素也影響著垂直流濕地系統(tǒng)整體的去氮能力，如溫度、溶解氧、系統(tǒng)水力停留時間、系統(tǒng)水力負荷、氧化還原電位、微生物可利用的碳源和氮源、pH等[3-5]。

筆者主要研究了垂直流人工濕地對氮的去除作用的影響因素，并對垂直流人工濕地去氮研究進行了展望。

1 濕地基質(zhì)類型

人工濕地的主要構(gòu)成部分是基質(zhì)，這與自然濕地是極為不同的?；|(zhì)能夠為濕地植物和微生物提供載體和營養(yǎng)物質(zhì)，同時其自身也通過沉淀、過濾和吸附等作用參與濕地凈化污水的過程。自然泥土是人工濕地中比較常見的一種基質(zhì)，但是其透水、透氣性差，常常達不到更好的污水凈化效果，因而更多的濕地選用砂石來填充，粒徑從0～10 mm不等，還有石塊、沸石、礫石、瓦片、灰渣、煤灰渣、高爐渣、方解石、頁巖、蛭石、陶瓷濾料、圓陶粒等填充物。這些基質(zhì)通過吸附、吸收、過濾、沉淀、離子交換、絡(luò)合反應(yīng)等一系列反應(yīng)參與氮的去除，同時濕地植物的生長離不開基質(zhì)提供的載體和營養(yǎng)物質(zhì)，微生物的生長也是依附在基質(zhì)上的，基質(zhì)使得植物和微生物能夠更好地發(fā)揮其去氮的功效?；|(zhì)的選擇主要與植物的種類、污染物的濃度以及氣候條件有關(guān)，試驗中的選擇主要需要結(jié)合實際。

基質(zhì)主要是通過螯合作用、離子交換、沉降反應(yīng)等來發(fā)揮其去污作用，此過程一般比較復雜，基質(zhì)對氮的吸附機理目前尚不清楚。但是一般在濕地去氮過程中，要求基質(zhì)具有良好的吸附能力，具有較大的接觸面積，具有強大的聚集能力等。不同的基質(zhì)去除氮的效果不同，有研究認為，沸石有利于氮的分解；張春艷等、胡艷等的研究表明，蛭石對污水中的氮去除有很好的作用[6-7]；聶發(fā)輝的研究也表明，蛭石對氨氮的去除效果較佳；張翔凌等選取了8種填料為研究對象，發(fā)現(xiàn)沸石和陶瓷基質(zhì)對各種形態(tài)氮的去除效果顯著[8-9]；Torbjorn等研究5種不同的土壤對硝態(tài)氮的去除時發(fā)現(xiàn)，所有的土壤均具有較好的氮去除作用，其中田野泥炭土具有最高的脫氮率，沙土的脫氮率最低。

2 濕地植物類型

濕地植物是人工濕地中必不可少的部分，其在人工濕地對氮的去除過程中有著重要作用，而且其具有一定的觀賞價值和經(jīng)濟價值。濕地植物包括挺水植物、浮水植物和沉水植物。植物可以通過吸收和利用污水中的含氮化合物為其自身生長提供營養(yǎng)，同時植物根系可以阻攔吸附部分污染物，且植物根系的輸氧作用和水力傳輸，能夠使好氧和厭氧環(huán)境交替出現(xiàn)在濕地系統(tǒng)及周圍的微環(huán)境中，從而更有利于硝化和反硝化作用的進行，進而達到氮去除的效果，最后通過對濕地基質(zhì)的定期更換或植物刈割，可以將濕地系統(tǒng)中的污染物最終從系統(tǒng)中去除。如果不更換基質(zhì)，基質(zhì)的吸附作用將達到一個飽和值，將大大降低對污水氮的去除效果；如果不刈割植物，在植物的生長末期，因其自身的衰亡而腐敗分解，會將之前吸收的供其自身生長發(fā)育而用的氮又重新釋放到水體中。因而要提高濕地植物的氮去除率，在生長末期收割濕地植物就顯得額外重要，且部分濕地植物也可以用作飼料，將會產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益。

在一些對比研究試驗中，可以發(fā)現(xiàn)無植物的人工濕地系統(tǒng)的總氮去除率明顯低于種有植物的人工濕地系統(tǒng)，尤其是亞硝態(tài)氮的去除率明顯偏低。此外，一些研究發(fā)現(xiàn)人工濕地種植不同的植物將對氮的去除效果產(chǎn)生不同的影響。污水中氮去除與植物的種類有很大關(guān)聯(lián)，沉水植物的氮去除能力最差，有數(shù)據(jù)顯示通常<700 kg/（hm2·a），而挺水植物通過吸收、刈割后，其氮去除能力較強，約為200～2 500 kg/（hm2·a）。因水葫蘆生長繁育快，生物量大，因而其去氮能力大約為2 000 kg/（hm2·a），是一種具有較高的氮去除能力植物。垂直流人工濕地常種植的植物有蘆葦、燈芯草、茭白、美人蕉、香蒲、石菖蒲、風車草等。吳振斌等研究表明，茭白-菖蒲組合對氮的去除作用明顯；對總氮去除效果較好的植物有蘆葦、石菖蒲、美人蕉等[10-11]。

3 微生物的作用

微生物是人工濕地系統(tǒng)中氮去除的主要“執(zhí)行者”，是因為它在系統(tǒng)中是分解者的角色，它通過參與人工濕地系統(tǒng)中的生物化學反應(yīng)而發(fā)揮巨大作用。垂直流人工濕地在處理污水之前，其微生物的各項指標特征與自然濕地基本相同。但某些微生物的數(shù)量將會隨著人工濕地系統(tǒng)中污水的不斷輸入而逐漸增加，并在一定時間內(nèi)達到最大值后逐步趨于穩(wěn)定。垂直流人工濕地微生物中數(shù)量最多的一個類群是細菌，其在氮去除的過程中起到巨大作用，它使復雜的含氮有機物轉(zhuǎn)化為簡單的無機氮化合物，使得植物和微生物更好地利用，從而達到氮去除的作用。

垂直流人工濕地通過硝化和反硝化作用來去除氮。垂直流人工濕地的填料層表層和底層分別為氧飽和和厭氧狀態(tài)，因而分別分布著硝化細菌和反硝化細菌。賀峰等研究發(fā)現(xiàn)在人工濕地系統(tǒng)中，硝化和反硝化的細菌數(shù)量及其作用強度都與水流方向有關(guān)，硝化細菌數(shù)量和硝化作用強度沿水流方向明顯降低，反硝化細菌數(shù)量和反硝化作用強度較為穩(wěn)定，沿水流方向略有上升[12]。

植物根區(qū)的硝化和反硝化細菌數(shù)量與污水中氨氮的去除率呈顯著相關(guān)關(guān)系，從長遠來看，微生物脫氮作用可能是最徹底的氮去除機制。Oostrom認為通過供給有機碳和創(chuàng)造厭氧條件可以良好地脫氮，其中87%的氮可以由硝化-反硝化作用去除，而13%的氮可以由基質(zhì)通過過濾吸附和植物吸收而去除。李科等研究表明，污水中的氮去除與蘆葦系統(tǒng)內(nèi)根際微生物的相關(guān)性顯著。

4 其他因素

垂直流人工濕地的氮去除是多方面因素綜合調(diào)控的，溫度、溶解氧、氧化還原電位、微生物可利用的碳源和氮源、系統(tǒng)水力負荷、系統(tǒng)水力停留時間、pH等因素在垂直流人工濕地的氮去除過程中也發(fā)揮了效應(yīng)。

（1）溫度在人工濕地系統(tǒng)的氮去除上發(fā)揮了重要作用，主要是因為植物吸收和微生物的分解代謝在氮去除過程中占據(jù)了重要地位，而溫度又能調(diào)控植物的生長發(fā)育、微生物的新陳代謝等生命活動。當垂直流人工濕地系統(tǒng)的溫度為30～40 ℃時，硝化作用最強，溫度為10～30 ℃時，反硝化作用達到最佳狀態(tài)。龔紅琴的研究表明，溫度能夠在很大程度上調(diào)控垂直流人工濕地去氮效果，在一定范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，系統(tǒng)中的總氮和銨態(tài)氮的去除率增大。

（2）氧化還原電位能夠反映垂直流人工濕地的氧化還原環(huán)境的狀況，這個環(huán)境對氮去除的效果產(chǎn)生影響主要是因為微生物的硝化和反硝化作用都受其調(diào)控。李科德等在人工模擬蘆葦床處理生活污水的試驗研究中發(fā)現(xiàn)，好氧微生物活動的發(fā)生主要集中在具有較高氧化還原電位的蘆葦根際區(qū)，其為好氧微生物活動創(chuàng)造了有利的條件。

（3）有機碳源是制約反硝化作用過程的一個因素。厭氧狀況下，反硝化作用的菌群能夠利用水體中的有機碳作為碳源，硝化作用的產(chǎn)物NO3N為電子受體，將NO3N還原成氮氣從而從系統(tǒng)中去除。當人工濕地中NO3N含量高，表明硝化作用進行良好，這時制約反硝化作用的主要因素是微生物可利用有效碳（以COD表示）的多少。相反，若人工濕地系統(tǒng)碳源充足，但系統(tǒng)處于整體缺氧狀態(tài)，硝化作用減弱，則NO3N含量不足，制約反硝化作用的主要因素就是NO3N的含量。研究表明為了改善濕地系統(tǒng)反硝化作用的進行，可以采用添加CGT（Cotton gin trash）為濕地有機碳源的方式。