人工濕地脫氮除磷影響因素及改進(jìn)措施研究

李勇 王文鵬 劉靜

（1 山東省安丘市環(huán)境保護(hù)局監(jiān)測站, 山東 安丘262100；2 青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院生物與化工學(xué)院,山東青島 266555；3 山東省安丘市工商業(yè)聯(lián)合會(huì), 山東 安丘262100）

人工濕地污水處理系統(tǒng)是一類模仿自然濕地建造的綜合生態(tài)系統(tǒng)，是傳統(tǒng)污水處理系統(tǒng)的有效替代，其作為一種綠色的廢水處理工藝，被廣泛應(yīng)用于凈化處理生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)廢水等。人工濕地具有運(yùn)行成本小，維護(hù)要求較低，產(chǎn)生污泥少，消耗能量低，經(jīng)濟(jì)、環(huán)境收益佳等優(yōu)點(diǎn)。人工濕地污水處理系統(tǒng)在提高氮、磷去除率方面起到了至關(guān)重要的作用。本文通過文獻(xiàn)檢索和分析，從非生物因素和生物因素兩個(gè)方面闡述了溫度、pH值、植物和微生物等因素對(duì)人工濕地污水處理系統(tǒng)脫氮除磷效果的影響，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案，以期為后續(xù)人工濕地的研究和發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 脫氮除磷影響因素

1.1 非生物因素

1.1.1 溫度 氮磷在人工濕地的去除過程主要是利用土壤—微生物—植物這個(gè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)調(diào)作用通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物分解來實(shí)現(xiàn)的。而溫度對(duì)于填料、植物、微生物的作用都有不同程度的影響（張軍等, 2004; Tan et al, 2017）。已有研究表明，在溫度較低的條件下，粒徑較大的懸浮顆粒附著在基質(zhì)上并不斷增多，進(jìn)而會(huì)堵塞人工濕地（孔慧敏等, 2016）。且低溫使微生物生長代謝受到抑制，微生物的硝化反硝化過程受到影響，從而降低了脫硝率。此外，由于冬季植物生長遲緩，氧氣轉(zhuǎn)移受到限制，不利于硝化的進(jìn)行，因此低溫導(dǎo)致人工濕地處理污水時(shí)氮的去除率降低（Wang et al, 2012）。相反，溫度升高會(huì)使?jié)竦刂参锛拔⑸锏纳锘钚栽鰪?qiáng)，對(duì)氮磷的吸收分解速率加快，進(jìn)而提高脫氮除磷的效率。

1.1.2 pH值 pH值是影響脫氮除磷效果的重要因素之一。人工濕地的脫氮除磷是植物、基質(zhì)和微生物的共同作用，但微生物的轉(zhuǎn)化占主導(dǎo)地位。一般來說，微生物的活性具有最適pH值范圍，如硝化菌的最適pH值范圍為8.0～8.4（鄧春光等,2007），但反硝化菌的最適pH值范圍為6.5～7.5（張自杰等, 2000）。在氮的去除過程中，pH值的變化會(huì)使硝化反硝化細(xì)菌的活性發(fā)生改變，進(jìn)而影響脫氮效率。故人工濕地凈化廢水時(shí)，pH值的變化會(huì)對(duì)微生物的種類和數(shù)量有重要影響，一旦脫離廢水處理的最適pH值范圍，就會(huì)造成成本增加，脫氮除磷效率減慢等問題。

1.1.3 水力停留時(shí)間 已有研究表明人工濕地脫氮除磷的效率受水力停留時(shí)間(HRT)的影響（徐麗等, 2014; 楊林, 2013）。隨著水力停留時(shí)間的減少，總氮的去除率表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，而總磷的去除率則持續(xù)減小?？偟コ实淖兓怯捎谖鬯摰饕揽堪被?、硝化、反硝化作用，經(jīng)人工濕地處理的污水中的氮首先經(jīng)過基質(zhì)的吸附，水力停留時(shí)間越長，氮的去除率越高，但經(jīng)過一段時(shí)間后，最初由基質(zhì)吸附為微生物提供原料的氮多數(shù)被吸收，微生物反應(yīng)逐漸減緩，最終趨于不變。而總磷去除率的變化是由于污水除磷的主要途徑為植物攔截和底物吸附，當(dāng)廢水經(jīng)過基質(zhì)時(shí)，一部分磷被基質(zhì)直接攔截，還有一部分磷與基質(zhì)中的鈣離子、鐵離子、鋁離子等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以沉淀的形式留于濕地中，隨著水力停留時(shí)間的延長，磷的去除效果提高。

1.1.4 流入C/N比 不同流入C/N比會(huì)對(duì)人工濕地除氮效果產(chǎn)生影響（Yan et al,2012;Ding et al,2012；Zhu et al,2012; He et al,2012)。人工濕地脫氮的主要機(jī)理是硝化和反硝化過程，而碳源是影響脫氮的關(guān)鍵因素。當(dāng)C/N比偏低時(shí)，碳源不足，微生物活性低，抑制脫氮過程，而隨著碳源的增加，C/N比增大，生物活性增加，促進(jìn)反硝化過程，從而獲得較高的氮去除率。但過量的碳源會(huì)使有機(jī)物過量消耗溶解氧，抑制硝化微生物的活性，使氮去除效率降低。因此，在人工濕地運(yùn)行過程中尋求最佳流入C/N比對(duì)提高脫氮效率有重要意義。

1.1.5 分流比 分流比能夠影響人工濕地的脫氮效率，但對(duì)除磷效果影響不大。分子生物學(xué)分析表明，氮轉(zhuǎn)化細(xì)菌的豐度受分流比的影響，當(dāng)分流比大于0:1時(shí)，反硝化和厭氧反應(yīng)增強(qiáng)。Wang Zhen等（2017）探討了單階段潮汐流人工濕地在5種不同分流比下的氮轉(zhuǎn)化，發(fā)現(xiàn)1:2的分流比去氮效果最佳。

1.1.6 溶解氧 溶解氧水平是影響人工濕地脫氮除磷效果的重要因素之一（熊家晴等,2013)。廢水中氨氮的去除在很大程度上取決于氧氣的供應(yīng),許多研究表明，若系統(tǒng)中含有充足的氧氣，微生物將進(jìn)行生物降解，提高有機(jī)物和氮去除的系統(tǒng)效率。硝化與反硝化作用是人工濕地脫氮除磷的主要去除過程。硝化作用主要依靠于溶解氧的供應(yīng)，但濕地溶解氧的水平普遍較低，抑制了微生物活性和各種生化反應(yīng)的進(jìn)行，使人工濕地的除污效果尤其是對(duì)氮類物質(zhì)的脫除受到了制約。此外，用于硝化和反硝化的氧氣要求存在不同，不適當(dāng)?shù)娜芙庋醴植家矔?huì)降低人工濕地的氧氣利用效率，進(jìn)而影響污染物去除效率。

1.2 生物因素

1.2.1 植物 植物的存在是濕地最顯著的特征之一，植被被認(rèn)為是控制濕地除氮的關(guān)鍵因素（Wu et al,2016)。大多數(shù)研究表明具有植被的人工濕地處理系統(tǒng)具有較高的污水處理效率，能夠更好地實(shí)現(xiàn)氮磷的去除，且不同的植物脫氮除磷效率是不同的（盛辛辛等,2013;趙麗娜等,2007;付凌等, 2014;Zhu et al,2017）。此外，植物物種豐度同樣影響著人工濕地的氮素去除。Chang Jie等（2017）的研究結(jié)果表明，氧化氮的排放隨植物物種豐富度的增加而增加，而氮素的濃度隨著物種豐富度的增加而降低。因此，選擇合適的植被類型和搭配能夠顯著提高脫氮除磷的效率。

1.2.2 微生物 人工濕地系統(tǒng)由基質(zhì)、植物、微生物組成，不同的成員在系統(tǒng)中發(fā)揮著不同的作用，但在污染處理過程中，微生物群落起到了關(guān)鍵作用（吉鳳麗等,2014;Coban et al,2017)，故適當(dāng)添加微生物有助于水處理效率的提高（凌云等, 2009;董亮,2013）。微生物對(duì)人工濕地脫氮除磷效率的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面，溫度、pH值、植物等對(duì)廢水處理效果的影響機(jī)理主要是通過影響微生物的活性來實(shí)現(xiàn)的。另一方面，人工濕地中微生物分布廣泛，種類繁多，包括大量的好氧、厭氧和兼性細(xì)菌。人工濕地脫氮主要依靠好氧氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌，而除磷則與磷細(xì)菌有關(guān)。故微生物的種類、數(shù)量和活性直接影響廢水處理過程，從而影響脫氮除磷效率。

2 改進(jìn)措施

2.1 采取保溫措施

低溫能夠抑制人工濕地對(duì)氮磷去除的效率，人工濕地在低溫下運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意保溫，通常情況下采取的措施是覆蓋隔離物。由于非理想的覆蓋材料會(huì)降低治療效果，故需使用合適的覆蓋材料。理想的覆蓋材料必須具有以下特點(diǎn)：分解不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成二次負(fù)荷；pH值中性，營養(yǎng)成分平衡；結(jié)構(gòu)蓬松，隔熱效果好；種子與覆蓋物接觸；具有良好的保濕能力等(Wallace et al,2001)。

2.2 添加外部碳源

較高的C/N比能夠提高人工濕地的脫氮除磷效率，但廢水的C/N比通常較低，所含的碳源不足以支撐整個(gè)反硝化過程，氮去除效率受限。因此，在人工濕地中添加諸如葡萄糖、甲醇、果糖、污泥和植物組織等碳源可以促進(jìn)氮的去除（Lu et al,2009）。其中，植物性碳源可以提供額外的有機(jī)物質(zhì)，建立更多的厭氧帶，促進(jìn)濕地微生物的生長，實(shí)現(xiàn)部分的硝化和反硝化過程，提高除氮效率（Fu et al,2016)。

2.3 人工曝氣

人工濕地中氮去除效率低的首要原因是氧氣供應(yīng)不足，而人工曝氣是保證充足氧氣供應(yīng)的有效處理方法。目前大多數(shù)地下流人工濕地研究中的人工曝氣是以連續(xù)模式進(jìn)行的，這種模式不僅運(yùn)行成本高，而且缺乏有利的硝化、反硝化條件，不利于污水的脫氮。因此，采用間歇性人工曝氣代替連續(xù)性人工曝氣，這樣不僅可以在地下流人工濕地中很好地交替需氧和厭氧條件，而且相較于連續(xù)模式，間歇性曝氣具有更多的能源經(jīng)濟(jì)性（Fan et al,2013)。

2.4 逐步進(jìn)料

逐步進(jìn)料通常是通過在人工濕地的一個(gè)位置安裝分流管來實(shí)現(xiàn)的，所以分流比成為發(fā)揮關(guān)鍵作用的重要參數(shù)。因分流比可以通過改變氧氣傳輸速率影響參與氮轉(zhuǎn)移的功能性微生物，以此影響氮的去除，故在廢水處理中選擇合適的分流比至關(guān)重要。

2.5 與其他工藝相結(jié)合

2.5.1 與微生物燃料電池耦合 微生物燃料電池是近年來出現(xiàn)的一種廢水凈化技術(shù)（許丹等,2015)，具有不產(chǎn)生二次污染，無需曝氣設(shè)施且能夠產(chǎn)生能源的優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于人工濕地來說，微生物電池對(duì)面積要求不高，安裝和運(yùn)行費(fèi)用較低。

人工濕地和微生物燃料電池是兼容技術(shù)，都依賴于細(xì)菌的作用來去除廢水中的污染物。微生物燃料電池所需的氧化還原條件可以在人工濕地中得以實(shí)現(xiàn)。因此，近年來出現(xiàn)了將兩種技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)（CW-MFC技術(shù))，在提高濕地污水處理能力的同時(shí)進(jìn)行能量生產(chǎn)。但目前該技術(shù)發(fā)展還不成熟，需要進(jìn)行更多的研究和改進(jìn)。

2.5.2 與高效藻池結(jié)合 硝化和反硝化通常被認(rèn)為是人工濕地中最重要的脫氮方式，這兩個(gè)過程主要取決于系統(tǒng)中的氧含量和碳源水平。將高效藻池（HRAP）與人工濕地（CW）相結(jié)合，氧和有機(jī)物質(zhì)被藻類光合作用和藻類雜物富集，可以優(yōu)化硝化和反硝化過程來提高氮去除性能（Ding et al,2016)。

2.5.3 與生物膜電極反應(yīng)器相結(jié)合 生物膜電極反應(yīng)器（BER）結(jié)合了生物和電化學(xué)方法，具有高效除氮以及沒有外部有機(jī)碳源添加的優(yōu)點(diǎn)，可以作為低C/N廢水有效去除硝酸鹽的裝置，并已得到了廣泛應(yīng)用。人工濕地與生物膜電極反應(yīng)器（CW-BER）相結(jié)合是一種以相對(duì)較高的總無機(jī)氮濃度處理廢水的新技術(shù)（He et al,2016)。與單一反應(yīng)器相比，人工濕地和生物膜反應(yīng)器的組合能夠更好地去除廢水中的硝酸鹽和氨氮，進(jìn)而促進(jìn)最終流出物中總氮的去除效率。

3 結(jié)論

人工濕地在污水脫氮除磷方面起著不可替代的作用。本文從生物和非生物兩大方面深入剖析了影響人工濕地脫氮除磷的因素，明確了其作用機(jī)理及最適條件，并且提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。但在實(shí)際應(yīng)用中，每種人工濕地的設(shè)計(jì)參數(shù)與運(yùn)行條件不同，需要根據(jù)不同濕地類型的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)才能發(fā)揮系統(tǒng)的最大優(yōu)勢。因此，在未來的研究中仍需進(jìn)行相關(guān)方面的探索，以推動(dòng)人工濕地處理污水過程中氮磷去除能力的有效提升。

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