鐵碳微電解強(qiáng)化人工濕地系統(tǒng)脫氮除磷研究進(jìn)展

摘" 要：水體中氮、磷含量的增加會引起藻類大量繁殖造成水體富營養(yǎng)化，因此，對受氮、磷污染的水體進(jìn)行有效處理刻不容緩。人工濕地是一種建造價格經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行維護(hù)簡單的生態(tài)工程。但傳統(tǒng)人工濕地易受環(huán)境影響且脫氮除磷原理單一。該文介紹鐵碳微電解技術(shù)的作用機(jī)理和人工濕地的脫氮除磷機(jī)理，闡述鐵碳微電解耦合人工濕地強(qiáng)化脫氮除磷的機(jī)理和影響因素，并對該領(lǐng)域的研究提出展望。

關(guān)鍵詞：鐵碳微電解;人工濕地;脫氮除磷;污水處理;水體富營養(yǎng)化

中圖分類號：X703" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）11-0101-04

Abstract： The increase in nitrogen and phosphorus content in water will cause algae to proliferate and cause eutrophication of water. Therefore， it is urgent to effectively treat water polluted by nitrogen and phosphorus. Artificial wetlands are an ecological project that is economical to build and simple to operate and maintain. However， traditional constructed wetlands are easily affected by the environment and have a single principle of nitrogen and phosphorus removal. This paper introduces the mechanism of iron-carbon micro-electrolysis technology and the mechanism of nitrogen and phosphorus removal in constructed wetlands， expounds the mechanism and influencing factors of iron-carbon micro-electrolysis coupled with constructed wetlands to enhance nitrogen and phosphorus removal， and puts forward prospects for research in this field.

Keywords： iron-carbon microelectrolysis; constructed wetland; nitrogen and phosphorus removal; sewage treatment; water eutrophication

水中氮和磷的來源包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活污水、工業(yè)污水和大氣沉降，其中主要以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活污水為主要來源。未經(jīng)處理的氮、磷排放到水體中容易導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，引發(fā)水源污染，對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成極大的影響，甚至危害人類健康。人工濕地是一種利用水體中的植物、土壤和微生物通過物理、化學(xué)和生物作用去除水體中污染物質(zhì)的人工構(gòu)筑的污水處理系統(tǒng)。由于人工濕地運(yùn)行成本低、操作運(yùn)行簡單、出水效果好且具有景觀效果等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)村污水的處理[1]。人工濕地對氮、磷的去除原理主要依靠微生物反硝化脫氮和聚磷菌除磷，其次依靠水生植物吸收。其脫氮除磷過程單一，凈化周期較長且易受多種環(huán)境影響。此外，當(dāng)人工濕地中的電子供體不足時，溫室氣體N2O很容易在不完全的生物脫氮-反硝化過程中積累，從而影響大氣環(huán)境[2]。

鐵碳微電解技術(shù)是一種將廢水作為電解質(zhì)，并利用內(nèi)部碳化鐵和純鐵（或是其他的微電解填料）之間形成的微弱電勢差，以及外圍的鐵屑和碳粉形成的較大原電池反應(yīng)并共同形成內(nèi)外雙重電解的處理廢水的電化學(xué)方法。此方法在廢水中可以發(fā)生原電池反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、絮凝吸附和共沉降等作用。這項(xiàng)技術(shù)在處理含有難降解有機(jī)物、染料廢水、含有金屬離子的廢水等方面展示了優(yōu)異的處理效果。本文基于人工濕地和鐵碳微電解在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域中各自的優(yōu)勢，將兩者耦合，形成微電解強(qiáng)化人工濕地體系，綜述鐵碳微電解強(qiáng)化人工濕地脫氮除磷機(jī)理，探索鐵碳微電解強(qiáng)化人工濕地系統(tǒng)的影響因素，并對該領(lǐng)域的研究提出展望。

1" 鐵碳微電解強(qiáng)化人工濕地脫氮除磷機(jī)理

1.1" 鐵碳微電解強(qiáng)化人工濕地脫氮

1.1.1" 人工濕地脫氮機(jī)理

人工濕地脫氮的方式包括硝化與反硝化作用、植物吸收以及基質(zhì)吸附（圖1）[3-4]。微生物在人工濕地中會通過硝化與反硝化作用將氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為N2或N2O達(dá)到去除的效果[5]。植物吸收對人工濕地脫氮過程也起著關(guān)鍵的作用，植物不僅可以通過根系從水和土壤中直接吸收水溶性的氮化物（如氨氮和硝酸鹽氮），并將其轉(zhuǎn)化為植物組織，還可以改善微生物的生存環(huán)境。人工濕地中的基質(zhì)不僅能為植物和微生物提供生長元素，還能通過沉淀、過濾和吸附等作用去除污染物質(zhì)[6]。

1.1.2" 鐵碳微電解強(qiáng)化人工濕地脫氮機(jī)理

人工濕地的脫氮過程，易受到外部因素的影響降低脫氮效率，如碳源、溫度、病蟲害等問題。而鐵碳微電解的耦合可使人工濕地的脫氮效率得到強(qiáng)化。首先，鐵碳微電解會發(fā)生原電池反應(yīng)，產(chǎn)生大量的Fe2+和Fe3+， 可促進(jìn)人工濕地中植物的生長和葉綠素的生成，使植物更好地吸收廢水中的氮[7];其次，鐵碳微電解填料中由生物炭溶解的有機(jī)物能夠促進(jìn)反硝化微生物富集，提高鐵碳微電解的電解效率;最后，添加了鐵碳微電解填料的人工濕地中的變形菌門豐度得到了一定程度地提升[1]，變形菌門在反硝化反應(yīng)過程中也起到至關(guān)重要的促進(jìn)作用[8]。

1.2" 鐵碳微電解強(qiáng)化人工濕地除磷

1.2.1" 人工濕地除磷機(jī)理

人工濕地去除含磷污染物的主要途徑為植物吸收、微生物的同化吸收，基質(zhì)吸附過濾和物理化學(xué)作用（圖2）[9]。在人工濕地中，蘆葦、巨峰藻和黃菖蒲等常見植物都對環(huán)境有著很強(qiáng)的適應(yīng)能力，可以顯著吸收人工濕地的含磷污染物。此外，基質(zhì)的吸附過濾也能有效去除含磷污染物，當(dāng)含磷污水流經(jīng)人工濕地時，通過化學(xué)吸附作用直接將其固定于基質(zhì)表面。

1.2.2" 鐵碳微電解強(qiáng)化人工濕地除磷機(jī)理

人工濕地與鐵碳微電解系統(tǒng)耦合后，在NO3--N發(fā)生氧化還原反應(yīng)的過程中，大量H+被消耗，生成大量OH-，加速了H2O的水解，這導(dǎo)致了pH升高。人工濕地水體呈堿性時，為人工濕地內(nèi)部微生物群落為聚糖菌轉(zhuǎn)化成聚磷菌提供了適宜的生存環(huán)境，并有可能提高轉(zhuǎn)化效率。鐵碳微電解系統(tǒng)不僅增強(qiáng)了磷的吸附，還可通過電解釋放出的Fe2+、Fe3+共沉淀除磷。

1.2.3" 鐵碳微電解強(qiáng)化人工濕地脫氮除磷機(jī)理

由此可見，鐵碳微電解耦合人工濕地結(jié)合了人工濕地和鐵碳微電解的優(yōu)勢，通過一系列的生物協(xié)同作用和電化學(xué)反應(yīng)使得耦合系統(tǒng)的脫氮除磷機(jī)理得到強(qiáng)化。另外，可溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM）能夠顯著提高人工濕地中植物的活性，而鐵碳微電解填料中的生物炭就可以釋放出可溶解性有機(jī)質(zhì)，使其處理污染物的negligence得到強(qiáng)化。鐵碳微電解發(fā)生的電解反應(yīng)會產(chǎn)生大量的植物生長和葉綠素合成所需的Fe2+和Fe3+，植物吸收氮和磷在人工濕地脫氮除磷的過程中是必不可少的，所以鐵碳微電解填料促進(jìn)了植物生長的同時，也促進(jìn)了人工濕地脫氮除磷（圖3）。

沈友豪[1]的研究結(jié)果表明鐵碳微電解填料的添加可使人工濕地中脫氮除磷效能得到強(qiáng)化，相比于常規(guī)人工濕地，鐵碳微電解人工濕地對進(jìn)水中TN與TP的去除率分別增加43.16%、16.84%及54.22%、71.89%。田開放[10]研究表明，對比傳統(tǒng)人工濕地，鐵碳微電解對混合農(nóng)藥的去除率有小幅提高，對磷酸鹽的平均去除率提高了30%～40%。王文薈等[5]研究表明鐵碳微電解填料中的鐵可與磷酸根通過共沉淀機(jī)制結(jié)合形成共沉淀，且微電解過程產(chǎn)生的 Fe2+與Fe3+水解生成Fe（OH）3膠體絮凝劑對含磷化合物進(jìn)行吸附沉淀，使磷的去除效率得到提高。可見，隨著鐵碳微電解中Fe含量的增加，在一定條件下TP的去除率總體呈上升的趨勢，這說明了鐵碳微電解可以通過調(diào)節(jié)鐵碳配比強(qiáng)化基質(zhì)除磷能力。

2" 鐵碳微電解強(qiáng)化人工濕地脫氮除磷的影響因素

2.1" 溫度

溫度影響鐵離子溶解和微生物活性，進(jìn)而影響人工濕地的脫氮除磷效果。在夏季溫度較高的情況下，鐵溶解的速度加快，進(jìn)而增加溶解出的鐵離子，更多的鐵離子可以增加鐵的磷吸附量，從而提高除磷效果。而冬季溫度低阻礙植物的生長，影響微生物新陳代謝，導(dǎo)致其數(shù)量和活性下降[8]。

2.2" Fe/C比

由于Fe/C不同，發(fā)生的反應(yīng)和形成的原電池數(shù)量也不同。反應(yīng)類型和原電池數(shù)量會影響鐵碳微電解填料的處理效果。姚欣[11]在進(jìn)行不同F(xiàn)e/C體積比的處理效能實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)Fe/C為1∶1時對生活污水的綜合處理效能最佳，鐵碳系統(tǒng)對COD、NH4+-N和TN的去除率分別達(dá)到78.5%、74.9%和77.5%，而PO4--P的去除率受Fe/C體積比的影響較小，去除率達(dá)到98%。常邦等[12]在研究不同F(xiàn)e/C質(zhì)量比對填料除磷效果的影響時發(fā)現(xiàn)Fe/C從1∶1、2∶1、3∶1的除磷效果逐漸增加，F(xiàn)e/C質(zhì)量比為3∶1時效果最好，可達(dá)到90%以上。

2.3" 投加位置

鐵碳微電解填料在人工濕地中不同的投加位置也是影響脫氮除磷效果的因素之一。劉學(xué)燕等[13]將鐵碳微電解填料分別在水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地的表層、中層和偏底層3種不同的投放位置進(jìn)行對比試驗(yàn)，研究表明，水平潛流鐵碳人工濕地對氮磷的處理效果更好，同時鐵碳微電解填料處于表層時有利于氨氮的去除，鐵碳材料在濕地中部或底部時對硝態(tài)氮的去除更有利，是因?yàn)槿斯竦乇韺尤芙庋鹾枯^高，有利于附著在鐵碳填料上的微生物膜發(fā)生硝化反應(yīng)，從而提高了氨氮的去除效果;而人工濕地的中、底部溶解氧含量相對較低，更有利于反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，從而去除硝態(tài)氮。

2.4" 曝氣

溶解氧對濕地微生物活動的調(diào)節(jié)起到至關(guān)重要的作用，是硝化作用和有機(jī)物生物降解過程的重要參數(shù)。同時，溶解氧濃度直接影響微生物的氧化還原反應(yīng)，過高的溶解氧會抑制厭氧微生物的活性，進(jìn)而影響脫氮效果。尚亞丹等[14]研究了鐵碳填料在未曝氣、間歇曝氣和連續(xù)曝氣3種不同條件下人工濕地的脫氮除磷效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在間歇曝氣條件下鐵碳人工濕地對TN和TP的處理效果最佳。原因是間歇曝氣使?jié)竦貎?nèi)部交替出現(xiàn)好氧和缺氧環(huán)境，促進(jìn)硝化反硝化作用從而提高濕地的TN去除率;間歇曝氣有利于聚磷菌和釋磷菌的生存，提高了TP的去除率。

2.5" 鐵碳填料形態(tài)

傳統(tǒng)鐵碳微電解填料存在鈍化、板結(jié)和填料更換難等問題，這主要是因?yàn)橐恍﹤鹘y(tǒng)填料在水中保持強(qiáng)度的時間不理想，導(dǎo)致填料后期抗壓強(qiáng)度變差，或是填料比表面積和孔徑難以達(dá)到水體處理所需要求，隨時間的推移造成填料板結(jié)甚至鈍化，使填料作用弱化等。表1列舉了不同填料形態(tài)在應(yīng)用過程中的優(yōu)勢。

2.6" 鐵碳微電解組合類型

鐵碳微電解填料可與其他功能性填料形成組合填料強(qiáng)化人工濕地脫氮除磷效果。寄博華[19]將添加核桃殼（有機(jī)）的鐵碳人工濕地和添加硫鐵礦（無機(jī)）的鐵碳人工濕地進(jìn)行對比，研究發(fā)現(xiàn)，核桃殼的添加使鐵碳人工濕地脫氮除磷效果更好，而硫鐵礦的添加使鐵碳人工濕地的脫氮除磷效率稍微降低。這與核桃殼在系統(tǒng)中會釋放有機(jī)物來提高C/N比進(jìn)而提高對氮的處理有關(guān)。趙仲婧[20]研究發(fā)現(xiàn)了鐵碳填料與沸石填料相結(jié)合形成的組合填料能夠顯著提高人工濕地中NH4+-N的去除效率。沸石是一類具有穩(wěn)定的負(fù)電荷的多孔結(jié)構(gòu)礦物，能夠通過陽離子交換的方式移除溶液中的NH4+。沸石顆粒內(nèi)部的發(fā)達(dá)孔道結(jié)構(gòu)和空曠的骨架構(gòu)型，為硝化細(xì)菌等重要微生物提供了適宜的生存環(huán)境[21]。可見，鐵碳微電解填料與不同功能性填料組合能增強(qiáng)人工濕地脫氮除磷效果，其中核桃殼比硫鐵礦更有效，而沸石填料因其多孔結(jié)構(gòu)和負(fù)電荷特性利于微生物生存和陽離子交換能顯著增強(qiáng)對NH4+-N的處理。

3" 結(jié)束語

本文綜述了鐵碳微電解強(qiáng)化人工濕地系統(tǒng)脫氮除磷的作用機(jī)理，鐵碳微電解形成原電池產(chǎn)生Fe2+、Fe3+，促進(jìn)植物生長，為脫氮反硝化提供碳源，水解生成Fe（OH）3膠體絮凝劑吸附磷或與磷酸根反應(yīng)生成沉淀物質(zhì)強(qiáng)化人工濕地脫氮除磷效果。還探討了鐵碳微電解強(qiáng)化人工濕地脫氮除磷的影響因素包括溫度、Fe/C、填料投加位置、曝氣方式、鐵碳填料形態(tài)以及不同組合類型等，這些因素會對電解反應(yīng)、鐵離子溶解與微生物活性、溶解氧含量以及鐵碳微電解填料的作用效果和使用壽命造成一定影響，從而提高鐵碳微電解強(qiáng)化人工濕地系統(tǒng)的脫氮除磷效果，為未來鐵碳微電解人工濕地系統(tǒng)的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。

盡管目前國內(nèi)外有許多學(xué)者對鐵碳微電解人工濕地系統(tǒng)進(jìn)行了研究，但仍存在一些問題有待提高：目前鐵碳微電解人工濕地的應(yīng)用與研究多局限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，因此，如何將鐵碳微電解人工濕地應(yīng)用于實(shí)際廢水的處理，需從反應(yīng)體系、反應(yīng)時間和結(jié)構(gòu)等多方面系統(tǒng)研究。鐵碳微電解技術(shù)復(fù)雜性較強(qiáng)，應(yīng)當(dāng)關(guān)注如何在保證一定強(qiáng)化人工脫氮除磷處理效果時適當(dāng)簡化技術(shù)操作流程，以降低經(jīng)濟(jì)投入。

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