人工濕地脫氮除磷機理及其影響因素研究綜述*

曾馨蓉，趙茜芮，顏海寧，卜兆偉，李 偉

(西藏大學理學院，西藏 拉薩 850000)

隨著科技、社會、工業(yè)的發(fā)展，水體富營養(yǎng)化已成為我國水資源可持續(xù)發(fā)展面臨的重要問題。水體富營養(yǎng)化[1]是指，生物所需的營養(yǎng)元素如氮、磷等大量進入水體，引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖，使水體透明度和溶解氧含量下降，水質(zhì)惡化，甚至影響飲用水的安全，最終會對人體健康造成威脅，因此，去除污水中的氮、磷等污染物迫在眉睫。

目前，常用的除氮磷的方法主要有生物法和化學法兩大類。生物法脫氮除磷主要有Bardenpho 、Phoredox 、A2/O 、UCT 、MUCT、VIP、氧化溝、SBR等[2]工藝，適用于處理含氮、磷濃度較低的污水?；瘜W法脫氮除磷主要包括混凝沉淀法、結(jié)晶法、離子交換吸附法、電滲析、反滲透[3]、超臨界水氧化(SCWO)[4]等工藝，適用于處理含氮、磷濃度較高的廢水。但上述方法存在成本高、效率低，難以應(yīng)用于實際污染環(huán)境，故而尋找一種耗能低、投資少、工藝簡單、便于管理和維護、脫氮除磷效果好的綠色生態(tài)處理技術(shù)是凈化水質(zhì)的關(guān)鍵，人工濕地便是順應(yīng)這些要求而生的新興污水凈化處理工藝。

1 人工濕地的概述

人工濕地是由人工構(gòu)建并控制運行的、與自然濕地相似的系統(tǒng)，主要是由預處理系統(tǒng)、進水系統(tǒng)和濕地處理系統(tǒng)組成[5]?；|(zhì)(填料)、植物、微生物是建造人工濕地的基礎(chǔ)，通過三者的協(xié)同作用可以去除污水中的氮、磷等污染，從而達到凈化水質(zhì)的目的。

2 人工濕地脫氮除磷的機理

2.1 人工濕地脫氮機理

氮元素是植物的重要養(yǎng)分，廢水中的污染物,如氨氮、硝酸鹽等,能被植物吸收并通過收割從系統(tǒng)中去除。濕地植被脫氮效率與其生物量呈正相關(guān)，但因為人工濕地中的植物種類較少,即人工濕地的生物量相對較低，故而濕地植物脫氮貢獻率較低，通常不超過18%[6]。

基質(zhì)是人工濕地的骨架，是建造人工濕地的基石。傳統(tǒng)基質(zhì)的主要作用，一是做植物生長的載體，二是為微生物提供大量的附著空間，其對于污水中含氮污染物的去除沒有明顯效果。近年來，隨著深入研究，發(fā)現(xiàn)了很多對TN(總氮)具有吸附作用的基質(zhì)，如沸石、紅泥、水洗砂和爐渣等。張燕等[7]研究發(fā)現(xiàn),含有CaO、SiO2、Na2O、MgO、 Al2O3和Fe2O3等成分的基質(zhì),對氨氮有較好的吸附效果。

微生物的吸收轉(zhuǎn)化是人工濕地脫氮最主要的途徑，其對氮的轉(zhuǎn)化方式包括氨化、硝化、反硝化、厭氧氨氧化、硫自養(yǎng)反硝化及同步硝化反硝等過程。黃娟等[8]對人工濕地中氮的轉(zhuǎn)移途徑進行了定量分析，結(jié)果表明，附著在基質(zhì)上的微生物通過同化吸收作用去除的總氮量約為31%，附著于植物根系的微生物降解去除的總氮量約為19%。總體而言，微生物對氮的去除率在50%左右。

2.2 人工濕地除磷機理

基質(zhì)的吸附和攔截作用是人工濕地除磷的主要途徑?；|(zhì)表面的物理吸附作用可使污水中磷的含量降低，而基質(zhì)內(nèi)部的陽離子與磷發(fā)生化學反應(yīng)生成難溶性鹽可達到除磷凈水的目的。研究發(fā)現(xiàn)，濕地基質(zhì)對污水中 TP (總磷)的去除率可達90%以上[9]。

微生物在除磷的過程中扮演著不太重要的角色，它對除磷的貢獻率僅為14.5%[10]，并且只有通過聚磷菌(嗜磷菌)的同化吸收和過量積累作用才對磷的去除有一定效果。仇付國等[11]研究發(fā)現(xiàn)，聚磷菌在富氧環(huán)境中可以吸收大量的磷，而在缺氧條件下，會將部分磷釋放到環(huán)境中，但總的來說，聚磷菌在富氧條件下吸收轉(zhuǎn)化的磷的量大于其在厭氧環(huán)境中釋放的量，故聚磷菌在除磷方面有一定作用。

植物在生長過程中會不斷吸收磷素合成DNA、RNA、ATP等有機成分，從而使污水中磷的濃度降低，但此途徑必須定時對濕地中的植物進行收割，否則當植物停止生長或枯萎后，會將磷元素重新釋放回濕地系統(tǒng)，導致水體含磷量升高，故而通過植物吸收除磷的效果不甚理想，去除率小于15%[12]。

3 影響人工濕地脫氮除磷的相關(guān)因素

3.1 影響人工濕地脫氮的相關(guān)因素

3.2 影響人工濕地除磷的相關(guān)因素

人工濕地對含磷污染物的凈化不僅受基質(zhì)、微生物和植物等自身理化性質(zhì)的影響，還受限于溫度、pH、水中溶解物、DO濃度、水力停留時間(HRT)、水力負荷等因素的影響。溫度不僅影響微生物和植物的生存、生長，而且還會影響基質(zhì)的除磷能力，因為環(huán)境溫度會影響基質(zhì)的化學吸附平衡；吸附質(zhì)在基質(zhì)內(nèi)部與表面的擴散作用也受溫度影響，溫度升高會使基質(zhì)表面的液膜阻力減小，便于磷進入基質(zhì)內(nèi)部且被基質(zhì)吸附固定[15]。pH通過干擾基質(zhì)的吸附能力進而影響其除磷效果，具體關(guān)系如表1所示。溶解氧量與微生物的生命活動相關(guān)，聚磷菌在有氧條件下吸收磷，在無氧條件下釋放磷。水力停留時間(HRT)是影響人工濕地除磷效果的一大關(guān)鍵因素，污水停留時間過短即污水與濕地接觸時間較短，會導致反應(yīng)不充分，適當延長污水的停留時間可提高磷的去除率，但停留時間過長會引發(fā)逆反應(yīng)使污染物被再次釋放出來。研究發(fā)現(xiàn)，在人工濕地實踐中水力停留的最佳時間為2d[16]。進水水力負荷對磷的吸附、沉淀過程都有影響，Calder等[17]研究發(fā)現(xiàn)，在達到吸附(沉淀)平衡之前，高濃度的含磷廢水有利于磷的吸收而低濃度的含磷廢水會導致土壤中磷的釋放。

表1 pH與除磷的關(guān)系

4 實際應(yīng)用中存在的問題

4.1 基質(zhì)

在實際運用中，人工濕地基質(zhì)的選擇需兼顧脫氮除磷效率和成本問題，除此以外，基質(zhì)飽和也是人工濕地研究的核心問題。因此，尋找高效、易得、吸附性強、穩(wěn)定性好的填料是人工濕地需要研究強化的重點。李強等[21]以聚氯化鋁(PACR)、膨潤土為主要原料，蛋殼為添加劑，制備出一種性能穩(wěn)定的陶?；|(zhì)，該基質(zhì)對磷的吸附率較高，可達99.74%，不僅可以廣泛運用于污水凈化處理，還能解決一些地區(qū)聚氯化鋁殘渣的后續(xù)處理問題，變廢為寶。田淼等[22]研究塑料流化床填料，發(fā)現(xiàn)在適宜的溶解氧濃度下，該材料對總氮和總磷均具有較好的吸附效果。

4.2 溫度和溶解氧量

溫度和溶解氧量是制約人工濕地發(fā)展的關(guān)鍵因素。在我國高寒缺氧地區(qū)(如青藏高原)，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，人工濕地是該地區(qū)污水處理的首選工藝，但因自然環(huán)境惡劣，植被生長周期短、生理性質(zhì)發(fā)生變化，微生物活性減弱，人工濕地凈水系統(tǒng)受到制約，導致其凈水效果下降。研究發(fā)現(xiàn)，改變運行操作，采用周期運行方式，進行人工曝氣，利用溫室進行隔離等[10]措施，對該地區(qū)人工濕地凈水有一定恢復作用。

4.3 植物和微生物

優(yōu)化植物配置、強化微生物的作用是促進人工濕地凈化污水的有力措施。據(jù)統(tǒng)計，在有關(guān)人工濕地植物凈水效果的相關(guān)報道中，出現(xiàn)頻數(shù)最多的前10種植物依次為：蘆葦、美人蕉、風車草、香蒲、菖蒲、旱傘草、燈心草、千屈菜、蔥和金魚藻，這些植物具有分布廣、對環(huán)境適應(yīng)性強、生長周期長、生長迅速、生物量大、根莖組織發(fā)達等特點。其中，種植蘆葦?shù)娜斯竦貙Π钡?、總氮的去除效果最好，平均去除率可達90%；風車草對磷的去除效果較好，約為70%[23]。強化微生物的作用要從菌群種類和數(shù)量著手，選擇脫氮除磷效果較好的菌群、增加微生物的數(shù)量、提高微生物的活性等都有利于加強微生物的作用。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

1)人工濕地脫氮除磷與基質(zhì)、植物、微生物各自的作用及三者的協(xié)同作用密不可分，其中，微生物在人工濕地脫氮中貢獻率最高，基質(zhì)在除磷方面的效果最好。本文對人工濕地脫氮除磷機理做了簡要總結(jié)，未進行深入探究，旨在為初步了解人工濕地提供參考。

2)影響人工濕地脫氮除磷的因素多而復雜，包括濕地自身結(jié)構(gòu)和各要素的理化性質(zhì)以及外部環(huán)境的影響。對影響因素進行探究，實現(xiàn)人工濕地可控化，有利于該技術(shù)更好的運用于實際、解決水體污染等問題。

5.2 展望

1)人工濕地在凈化污水方面有很大潛力，但其構(gòu)建規(guī)模較小且存在許多不可控因素，未來應(yīng)該運用更加全面先進的技術(shù)深入研究人工濕地凈水系統(tǒng)的機制和相關(guān)因素，把不可控因素變?yōu)榭煽匾蛩?，使人工濕地的功能發(fā)揮的更全面。

2)在脫氮除磷方面，人工濕地做出的貢獻非常矚目，但水資源污染不僅僅局限于氮、磷污染，隨著社會的發(fā)展，許多新型污染物質(zhì)相繼出現(xiàn)，未來可以對人工濕地凈化新型污染物質(zhì)進行相應(yīng)的研究探索。