潮汐流與曝氣人工濕地對低污染水中氮去除的研究進展

李榮濤，楊萍果，李琳琳，盧少勇，杜志超,4，孔維靜

(1.山西師范大學生命科學學院，山西 臨汾 041000;2.中國環(huán)境科學研究院國家環(huán)境保護洞庭湖科學觀測研究站/ 湖泊水污染治理與生態(tài)修復技術國家工程實驗室/ 國家環(huán)境保護湖泊污染控制重點實驗室，北京 100012;3.北京師范大學水科學研究院，北京 100875;4.遼寧工程技術大學土木工程學院，遼寧 沈陽 123000)

快速城市化和經(jīng)濟增長導致了水體污染和藻華等問題[1]，其中氮是重要污染物之一，嚴重影響了水環(huán)境和水生態(tài)[2]。一些達標排放尾水或污染較輕的溝渠水導致河湖水質(zhì)惡化[3]，這部分水中污染物雖濃度較低，但量大、成分復雜、區(qū)域差異大[4-5]。低污染水帶來的環(huán)境問題日益受到關注，低污染水治理逐漸成為我國水體治理的重要組成部分[6]。目前，國內(nèi)外采用的低污染水體治理技術主要包括常規(guī)和深度處理技術。常規(guī)處理技術主要包括吸附法(常用吸附劑有粉末、活性炭、黏土等)和預氧化法(常用氧化劑有氯氣、臭氧和高錳酸鉀等)。深度處理技術包括生物活性炭法、臭氧-活性炭聯(lián)用法、膜深度處理法(反滲透、超濾、微濾、納濾等)和光催化氧化法(以TiO2作催化劑，利用光能氧化水中有機物)[7]。因低污染水水量大、水質(zhì)波動性強、污染物濃度及碳氮比較低且污染物成分復雜，若用上述技術治理，不但運行成本高，而且運行難度大[8]。人工濕地的基建和運行成本低、技術要求低、耐沖擊負荷強、對營養(yǎng)物去除能力強、出水水質(zhì)穩(wěn)定且適于處理間歇排放污水[9]，因此在低污染水水質(zhì)凈化中不斷受重視并被推廣應用。

人工濕地是獨特的土壤-植物-微生物-動物系統(tǒng)，其除氮機理包括揮發(fā)、氨化、硝化-反硝化、植物攝取和基質(zhì)吸附等[10]。硝化需好氧環(huán)境，反硝化需厭氧環(huán)境，因此脫氮時濕地常會因氧含量變化而難以滿足硝化-反硝化需求[11-12]。水平潛流濕地的基質(zhì)長期處于淹沒狀態(tài)，床體總復氧量僅為1～8 g·m-2·d-1，氧環(huán)境較差，很難去除有機物及氨氮[13-14]。而垂直流人工濕地中污水在基質(zhì)中靠重力作用進行非飽和流動，雖然其復氧能力高于水平潛流濕地，也不能滿足有機物降解和氨氮硝化等的氧含量要求[15-16]。因此，DO濃度成為限制人工濕地凈化低污染水效果的關鍵因素。針對此問題，通過改變運行方式提高濕地DO濃度的強化增氧型人工濕地應運而生，最典型的為潮汐流和曝氣人工濕地。筆者通過文獻總結，綜述了低污染水的主要來源及特點，分析潮汐流和曝氣濕地的強化增氧機制及其對低污染水脫氮的效果和影響因素，得到這2類濕地處理低污染水的最優(yōu)設計參數(shù)及其存在的主要問題，以期供類似研究與設計參考。

1 低污染水來源及特點

1.1 城鎮(zhèn)地表徑流

在面源污染中，城鎮(zhèn)地表徑流主要指雨水及其形成徑流在流經(jīng)城市地面時攜帶污染物入水體而造成的污染，其主要污染物為懸浮物和有機物，也可能含氮、磷等[17-18]。全國不同地域代表性城市地表徑流中氮、磷等的濃度均高于GB/T 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中Ⅴ類水質(zhì)標準[17-22](表1)。城鎮(zhèn)地表徑流污染具隨機性、非連續(xù)性、突發(fā)性和徑流量大等特征，應將其納入低污染水范疇[3,23]。

表1 各城市地表徑流污染物含量

1.2 城鎮(zhèn)污水處理廠尾水

通過比較GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠尾水排放標準》與GB/T 3838—2002可知，處理廠尾水中各污染物濃度均高于地表水環(huán)境質(zhì)量標準，對自然水體而言仍為污染源，屬于低污染水(表2),若將其直接排入水體中會造成水體富營養(yǎng)化。目前，我國提高污水廠尾水水質(zhì)的主要方法是在傳統(tǒng)生化處理工藝下游增設高級氧化處理或者膜處理離子交換等方式。但工程造價及后期運行費用高，且氮、磷去除效果不理想，限制了其在城鎮(zhèn)污水處理中的大規(guī)模應用[24]。人工濕地因其處理效果好且穩(wěn)定、成本投入低和便于維護管理等優(yōu)點，越來越多地被用于污水廠尾水深度處理中[25]。

表2 城鎮(zhèn)污水處理廠尾水排放標準與地表水環(huán)境質(zhì)量標準比較

雖然低污染水在入湖過程中通過河、田、塘和濕地等自然系統(tǒng)的凈化，其污染物濃度會有所削減，但從流域污染物總量控制與目標污染物削減角度考慮，低污染水仍需引起重視[3]。作為典型生態(tài)處理技術，人工濕地因具工程投資及運行成本低、出水水質(zhì)好、二次污染小且景觀性好等優(yōu)點，被廣泛應用于低污染水水質(zhì)凈化與恢復、面源污染控制等領域[26]。但傳統(tǒng)人工濕地床體氧環(huán)境較差，對低污染水的處理難達預期效果。因此增氧型潮汐流和曝氣人工濕地的應用越來越廣泛[27]。

2 潮汐流與曝氣人工濕地對低污染水的脫氮研究

2.1 潮汐流與曝氣人工濕地的強化增氧機制

潮汐流與曝氣人工濕地是低污染水脫氮過程中最常見的強化增氧型人工濕地，但DO補給方式截然不同。潮汐流人工濕地作為間歇性進水的新型人工濕地，其除氮原理是利用潮汐運行中床體浸潤面變化產(chǎn)生的空隙吸力將大氣氧吸入濕地基質(zhì)或土壤空隙，可顯著提高濕地床的復氧能力和氧傳輸量[28]，提高污染物去除率。潮汐流人工濕地脫氮包括2個階段：(1)淹水階段：濕地床基質(zhì)利用表面的微孔及陽離子對污水中的NH3-N進行截留和吸附交換，使水中NH3-N最大程度地附著于基質(zhì)表面；(2)排空階段：空氣中的O2在排水負壓下迅速進入床體基質(zhì)孔隙，被吸入的O2在短時間內(nèi)即可傳輸?shù)轿⑸锬?nèi)部，完成硝化。在下輪周期性淹水階段，DO濃度較低，基質(zhì)表面的反硝化細菌可利用進水中的有機物等作為電子供體進行反硝化，去除污水中有機物和TN[14]。

曝氣人工濕地是通過在濕地床內(nèi)部設置曝氣管，利用外置空氣壓縮機壓縮空氣至濕地床體內(nèi)部來提高濕地氧的傳輸和利用率，其運行策略是在濕地內(nèi)部形成周期變化的好氧和缺氧環(huán)境。曝氣階段濕地內(nèi)部的好氧環(huán)境有利于硝化；停曝后，濕地內(nèi)部的缺氧環(huán)境有利于反硝化，最終可實現(xiàn)TN的高效去除目的[29-30]。曝氣不僅可提高除氮率，且可將表面流人工濕地內(nèi)的流態(tài)由層流轉變?yōu)槲闪?，紊流對濕地中污染物的去除可產(chǎn)生積極影響[31]。

2.2 潮汐流人工濕地對低污染水的脫氮效果及其影響因素

2.2.1潮汐流人工濕地對低污染水的脫氮效果

與傳統(tǒng)人工濕地比，潮汐流人工濕地因具有更好的復氧能力和好氧環(huán)境，在除氮方面優(yōu)勢較大。呂濤等[32]研究表明，在進水污染物濃度較低時，潮汐流人工濕地NH3-N去除率達95%，而有植物的水平潛流人工濕地僅為49%，無植物的水平潛流人工濕地最差，為34%。植物可改善人工濕地氧環(huán)境，但復氧效果遠不如潮汐流人工濕地。潮汐運行利于好氧微生物的生長，微生物活性達到水平潛流人工濕地的3倍。王帥等[33]研究表明，潮汐流人工濕地NH3-N和TN的凈化率較垂直潛流人工濕地分別提高了19.89%和12.76%,與陳靜雅等[34]的研究一致。相較于連續(xù)垂直流，潮汐運行優(yōu)化了濕地中好氧-厭氧的脫氮環(huán)境，TN去除率提高了20%。綜上可知，潮汐流人工濕地TN去除率比傳統(tǒng)濕地平均提高10%以上，且可大幅減少占地面積，降低建設成本。建造潮汐流人工濕地只需安裝一些時控器、電磁閥等控制設備，成本低且耗能少。因此，在土地資源緊張的治理區(qū)，潮汐流人工濕地可成為極具優(yōu)勢的生態(tài)污水處理技術[32]。

2.2.2潮汐流人工濕地脫氮的影響因素

潮汐流人工濕地在低污染水脫氮中較傳統(tǒng)潛流人工濕地優(yōu)勢大，但其脫氮效率也受多種因素的影響(表3)，如植物、基質(zhì)/填料、溫度、pH值、進水有機物濃度、DO濃度、淹沒反應時間、床體閑置時間、淹沒排空比、運行周期、進水方式及組合方式等。由于潮汐流人工濕地主要通過床體浸潤面變化產(chǎn)生的空隙吸力將大氣氧吸入基質(zhì)空隙，從而提高濕地床氧含量，因此，床體淹沒反應與床體閑置時間是潮汐流人工濕地脫氮效果的關鍵影響因素[35-37]。

表3 潮汐流人工濕地對低污染水中氮去除的影響因素

低污染水中NH3-N與TN的去除率受潮汐流濕地運行周期、閑置時間、反應時間、淹沒排空比和水力負荷等因素影響顯著(圖1)。

假設忽略潮汐流濕地快速進水與瞬時排水時間，則其運行周期為反應與閑置時間之和。濕地閑置時間是濕地自然復氧、生物膜進入內(nèi)源呼吸的過程，一定閑置時間能增加床體DO濃度，提高硝化速率，使NH3-N充分氧化為NO3--N。閑置時間過量的DO會抑制反硝化，不利于NO3--N去除。床體淹沒反應時間有助于微生物與氮充分接觸，同時淹沒床體的厭氧環(huán)境利于NO3--N還原去除，但反應時間過長會降低處理效率。因此，確定適當?shù)难蜎]反應和床體閑置時間對提高潮汐流人工濕地脫氮效率十分重要。

潮汐流濕地運行周期由閑置與反應時間共同決定，為提高處理率，濕地運行周期通常設置在4～24 h之間。潮汐流濕地對NH3-N與TN的去除率均隨運行周期的延長而升高，在運行周期為5～6 h時，絕大部分濕地NH3-N去除率可達50%，而欲顯著提高TN去除率，則至少需18 h的運行周期(圖2)。因為NH3-N去除主要受硝化反應影響，吳樹彪等[40]通過對比不同閑置和反應時間對低污染水中NH3-N的去除效果發(fā)現(xiàn)，一個運行周期內(nèi)最低閑置時間為3 h時，污染物氧化分解充分；而反應時間為3 h時，硝化反應完全，所以對NH3-N而言，運行周期以6 h為最優(yōu)。NH3-N去除率在3～12 h內(nèi)隨閑置與反應時間增加而增大，12 h以后趨于穩(wěn)定，并以此求得其淹沒排空比的最優(yōu)范圍為0.25～4。在閑置時間為3～14 h時，TN去除率隨時間增大而升高，14 h后其去除率隨閑置時間增大而降低。這是因為TN去除率受硝化與反硝化共同影響，當閑置時間超過14 h時，濕地DO含量過高，抑制了反硝化，從而導致TN去除率降低。TN去除率隨反應時間延長而增大，在反應時間超過12 h時，TN去除率達50%以上。對TN而言，潮汐流最優(yōu)反應時間為8～21 h，最優(yōu)閑置時間為3～16 h。通過反應與閑置時間，求得最優(yōu)淹沒排空比為0.5～7。

為繼續(xù)提高低污染水TN去除率，各組合型潮汐流人工濕地應運而生[49]，例如潮汐流-潛流組合人工濕地和潛流-潮汐流組合人工濕地。潮汐流人工濕地復氧效果好，水平潛流人工濕地含厭氧條件，潮汐流-水平潛流組合可更充分利用潮汐流和水平潛流人工濕地各自特點，強化硝化/反硝化作用，提高復合人工濕地的污水凈化效果[15]。利用潮汐流-潛流組合工藝凈化低污染水，結果表明該工藝比一般潛流和表面流人工濕地組合TN去除率提高20%～30%[38]；利用水稻和水雍菜構建經(jīng)濟植物型潮汐流人工濕地深度凈化低污染水，該組合工藝出水NH3-N和TN含量均達GB 18918—2002中一級A標準[39]。高紅杰等[46]對比了潮汐流-潛流組合人工濕地與潛流-潮汐流組合人工濕地對TN和NH3-N的去除率，結果表明，潮汐流-潛流組合人工濕地對NH3-N和TN的去除率分別為69.93%和71.03%，比潛流-潮汐流組合人工濕地分別提高15%和33%。當然裝置的組合方式、運行周期、淹沒排空比、基質(zhì)、植物等都影響運行結果，因此在進行人工濕地設計時可將潮汐流與潛流人工濕地組合并合理配置填料、植物、集布水等[37]。

2.3 曝氣人工濕地對低污染水的脫氮效果及其影響因素

2.3.1曝氣人工濕地對低污染水的脫氮效果

通過人工曝氣增氧方式可顯著增強潛流人工濕地的污染物去除率[42]。連續(xù)曝氣可為濕地中好氧微生物提供充足氧源，改善濕地硝化能力，且利于有機物降解，對聚磷菌好氧攝磷也有促進作用[50]。將微曝氣技術引入垂直流人工濕地處理低污染水，TN和COD去除率均可達90%以上，NH3-N去除率也達70%以上[51]。湯顯強等[52]研究表明，連續(xù)曝氣能有效提高NH3-N和NO2--N的去除效果，去除率分別可達84.88%和94.91%。LIU等[53]通過微生物研究發(fā)現(xiàn)間歇曝氣增加了功能菌數(shù)量，且曝氣人工濕地的TN去除率(91.31%～93.91%)明顯高于非曝氣人工濕地(12.22%～53.92%)。

2.3.2曝氣人工濕地脫氮影響因素

曝氣運行可有效提高濕地內(nèi)部DO濃度?？墒谷斯竦卅?DO)從0.2增加到7 mg·L-1[54]，但過量曝氣會阻礙缺氧環(huán)境形成，限制反硝化反應，從而影響除氮效率。曝氣方式是調(diào)節(jié)曝氣量的重要參數(shù)，如連續(xù)與間歇曝氣。間歇曝氣不僅可在人工濕地內(nèi)創(chuàng)造大量充氧條件，促進有機物好氧生物降解途徑，且還可刺激厭氧有機物降解[55]。有研究表明，在間歇和連續(xù)曝氣條件下，NH3-N去除率均達99%以上，且間歇曝氣比連續(xù)曝氣節(jié)能[56]。另外，合理人工曝氣還可使人工濕地在低溫(-5～10 ℃以下)時保持較高污染物去除率，有效解決低溫時人工濕地運行效率低的難題。黃雪玲等[57]將硫磺與石灰石按1∶1體積比填充于波形潛流濕地內(nèi)，輔助間歇人工曝氣，可有效解決人工濕地在冬季(10 ℃以下)脫氮效率低的問題，TN去除率高達59.4%，相比連續(xù)曝氣提高了20%～30%?？禃詷s等[58]利用間歇曝氣強化人工濕地低溫脫氮，發(fā)現(xiàn)在常溫季節(jié)(9—11月)，NH3-N和TN去除率分別為84.7%和79.1%，在低溫季節(jié)(12—2月)，NH3-N和TN去除率也可達76.4%和64.4%。因此在研究曝氣人工濕地時可優(yōu)先選擇間歇曝氣。

除曝氣方式外，曝氣位置對人工濕地脫氮效果有決定性影響。在水力負荷為0.2 m3·m-2·d-1、水力停留時間(HRT)為40 h時向垂直流人工濕地的不同位置投加釋氧材料，結果表明，在濕地下層曝氣TN去除率最高，且人工濕地的脲酶活性與TN去除相關，濕地下層TN去除率最高，且脲酶含量(60.37 μg·g-1)最高[59]，這與黃娟等[60]的研究結論一致。湯顯強等[52]研究表明，與無曝氣相比，底部和中部曝氣使NH3-N平均去除率分別提高24.4%和15.9%，TN平均去除率分別提高12.9%和8%，底部曝氣的脫氮效果明顯優(yōu)于中部曝氣。OUELLET-PLAMONDON等[61]在水平潛流人工濕地曝氣，發(fā)現(xiàn)在人工濕地前端底部曝氣可提高脫氮效果。陶敏等[62]在復合垂直流人工濕地曝氣，發(fā)現(xiàn)下行流池底部曝氣時脫氮效果較好。此外，曝氣量(氣水比)也是影響脫氮效果的重要因素。人工曝氣對基質(zhì)孔隙率衰減有明顯抑制作用，隨氣水比增強，堵塞現(xiàn)狀明顯改善。但氣水比并非越大越好，當氣水比為9時，過高曝氣強度會使基質(zhì)下層積累過量DO，破壞還原態(tài)環(huán)境并顯著抑制反硝化，影響除氮效率[63]。潘瑋等[64]構建三級串聯(lián)的潛流人工濕地來探究曝氣位置和曝氣量對人工模擬低污染水凈化效果的影響，結果表明，優(yōu)選曝氣位置為底層，優(yōu)選氣水體積比為6∶1，此時NH3-N去除率由7.80%提升到23.79%，這與鐘秋爽等[65]的研究結果一致。李想等[66]研究結果也表明，在濕地底層曝氣，氣水比6∶1為人工濕地的最佳運行條件，此時TN去除率最高(68%)。綜上，當氣水比為6∶1，曝氣位置為濕地底部時，濕地各污染物去除率最優(yōu)，其原因可能是在潛流人工濕地中，隨基質(zhì)淹水和基質(zhì)對污染物吸附，水體中DO濃度下降，相同曝氣量下，曝氣位置越接近底部，氣體與污水接觸面積越大，接觸時間越長，水中DO也越多，曝氣效果越好[64]。

3 潮汐流與曝氣人工濕地的脫氮效果比較

潮汐流和曝氣人工濕地對低污染水中NH3-N、TN和COD的去除率的統(tǒng)計分析(圖3)顯示，潮汐流和曝氣人工濕地對NH3-N、TN和COD的去除率存在顯著差異(P<0.05)。曝氣人工濕地對NH3-N和TN的平均去除率分別達86.57%和66.60%，較潮汐流人工濕地分別提高21.63%和22.23%。潮汐流人工濕地對COD的平均去除率達78.31%，較曝氣人工濕地高10.53%。SUN等[67]研究表明，潮汐流人工濕地的運行雖增強了氧在濕地基質(zhì)中的遷移，但大部分氧氣被用于有機質(zhì)分解，與傳統(tǒng)濕地相比，潮汐流濕地有更高的有機質(zhì)去除率，并沒有發(fā)生明顯的硝化。郭燁燁等[68]研究表明，曝氣運行有效提高了濕地內(nèi)部DO水平，曝氣時ρ(DO)可達6～9 mg·L-1，停止曝氣后，ρ(DO)速降至0.5 mg·L-1以下，在濕地內(nèi)部營造了一種交替的好缺氧環(huán)境，分別促進硝化和反硝化,可實現(xiàn)NH3-N和TN同步高效去除。馬劍敏等[69]研究了曝氣對垂直流和水平潛流人工濕地的影響，發(fā)現(xiàn)曝氣顯著提高了TN、NH3-N和NO3--N去除率。FAN等[70]在間歇曝氣時發(fā)現(xiàn)，潛流人工濕地可高效去除污染物，其NH3-N和TN去除率與未曝氣時相比分別提高了71%和52%。綜上，曝氣人工濕地對NH3-N和TN的去除率優(yōu)于潮汐流人工濕地，對COD去除率弱于潮汐流人工濕地。但從脫氮角度而言，曝氣人工濕地可較好地處理低污染水。

4 潮汐流與曝氣人工濕地在低污染水脫氮中存在的主要問題

4.1 潮汐流人工濕地在低污染水脫氮中存在的主要問題

4.1.1潮汐流人工濕地低溫下脫氮效果差

人工濕地脫氮的主要途徑是微生物的硝化-反硝化，潮汐流人工濕地較好的復氧能力和較高的氧利用率可更好地促進硝化，實現(xiàn)NH3-N最大程度被氧化為NO3--N。但潮汐流人工濕地除氮也會受溫度影響，隨著溫度降低，濕地中植物生長、硝化和反硝化都受影響(溫度低于5 ℃時反硝化變慢)[37]。陳靜雅等[34]研究表明，潮汐流人工濕地的除氮效果表現(xiàn)出顯著的季節(jié)性差異，夏季效果最好，冬季最差。HUANG等[71]研究表明，NH3-N和TN去除率與溫度明顯相關，且溫度對濕地植物生長有一定影響。

4.1.2潮汐流人工濕地容易堵塞

潮汐流濕地床體內(nèi)因自然抽吸作用會不斷形成好厭氧的交替環(huán)境，有利于微生物生長。但有研究表明，潮汐流濕地復氧量過大會導致微生物膜過量繁殖而使運行后期系統(tǒng)逐漸堵塞，水力傳導力逐漸變差[40]。難降解有機物和生物膜的積累、進水有機負荷及懸浮物都會影響濕地床體的基質(zhì)孔隙，進而影響濕地的使用壽命。

4.2 曝氣人工濕地在低污染水脫氮中存在的主要問題

4.2.1曝氣人工濕地耗能高

曝氣人工濕地雖創(chuàng)造了利于硝化的好氧環(huán)境，提高了總氮去除率。但曝氣中需消耗大量能量，曝氣機也需定期維護，同時，還要定期清洗曝氣管路中沉積污垢和微生物等，一旦曝氣機堵塞，不但降低充氧能力，還會造成能量浪費[14,40]。

4.2.2曝氣人工濕地易產(chǎn)生有害物質(zhì)

目前人工濕地關注的焦點是污染物去除率和處理成本，而不是廢氣排放。有研究表明，曝氣中會產(chǎn)生有害氣體，如硫化氫(H2S)、氨(NH3)和氧化亞氮(N2O)等，若直接擴散到大氣中，會產(chǎn)生嚴重的環(huán)境污染風險[72]。近年來，污水處理中N2O的高排放問題引起了極大關注。N2O已被列為重要溫室氣體，其導致全球變暖潛力是CO2的298倍。此外，從曝氣系統(tǒng)破裂氣泡中產(chǎn)生的微生物氣溶膠也不容忽視，其在空氣中的順風運動可能會加速空氣中細菌、病毒和真菌物種的擴散，對人體健康構成風險[73]。

5 結論與展望

(1)與傳統(tǒng)濕地比，潮汐流人工濕地對TN的去除率可平均提高10%以上。在淹沒排空比范圍為0.25～4和0.5～7時，對NH3-N和TN的最優(yōu)去除率可達80%以上。間歇曝氣是曝氣人工濕地常用有效曝氣方式，其最佳氣水比為6∶1，最佳曝氣位置通常是濕地底部，合理的曝氣可將TN去除率提高到90%以上。

(2)以往對潮汐流人工濕地氮去除的研究大多是從氮遷移轉化以及去除效果來考慮，但對不同地域處理不同性質(zhì)和負荷的低污染水的探究較少?？赏ㄟ^建立可靠的脫氮動力學模型，健全運行參數(shù)數(shù)據(jù)庫等，為潮汐流人工濕地長效運行及高效脫氮提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。合理曝氣可使人工濕地在低溫不利條件下保持較高污染物去除率，但隨環(huán)境因素變化，人工濕地系統(tǒng)所需合理曝氣量也會改變，如何在線監(jiān)測并自動調(diào)控曝氣量、快速優(yōu)選曝氣方式，以適應不同進水負荷與環(huán)境條件并保持出水穩(wěn)定是今后的探究方向。