人工湿地脱氮除磷机理及其影响因素研究综述*

时间：2024-07-28

曾馨蓉，赵茜芮，颜海宁，卜兆伟，李伟

(西藏大学理学院，西藏拉萨 850000)

随着科技、社会、工业的发展，水体富营养化已成为我国水资源可持续发展面临的重要问题。水体富营养化[1]是指，生物所需的营养元素如氮、磷等大量进入水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，使水体透明度和溶解氧含量下降，水质恶化，甚至影响饮用水的安全，最终会对人体健康造成威胁，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学法两大类。生物法脱氮除磷主要有Bardenpho 、Phoredox 、A2/O 、UCT 、MUCT、VIP、氧化沟、SBR等[2]工艺，适用于处理含氮、磷浓度较低的污水。化学法脱氮除磷主要包括混凝沉淀法、结晶法、离子交换吸附法、电渗析、反渗透[3]、超临界水氧化(SCWO)[4]等工艺，适用于处理含氮、磷浓度较高的废水。但上述方法存在成本高、效率低，难以应用于实际污染环境，故而寻找一种耗能低、投资少、工艺简单、便于管理和维护、脱氮除磷效果好的绿色生态处理技术是净化水质的关键，人工湿地便是顺应这些要求而生的新兴污水净化处理工艺。

1 人工湿地的概述

人工湿地是由人工构建并控制运行的、与自然湿地相似的系统，主要是由预处理系统、进水系统和湿地处理系统组成[5]。基质(填料)、植物、微生物是建造人工湿地的基础，通过三者的协同作用可以去除污水中的氮、磷等污染，从而达到净化水质的目的。

2 人工湿地脱氮除磷的机理

2.1 人工湿地脱氮机理

氮元素是植物的重要养分，废水中的污染物,如氨氮、硝酸盐等,能被植物吸收并通过收割从系统中去除。湿地植被脱氮效率与其生物量呈正相关，但因为人工湿地中的植物种类较少,即人工湿地的生物量相对较低，故而湿地植物脱氮贡献率较低，通常不超过18%[6]。

基质是人工湿地的骨架，是建造人工湿地的基石。传统基质的主要作用，一是做植物生长的载体，二是为微生物提供大量的附着空间，其对于污水中含氮污染物的去除没有明显效果。近年来，随着深入研究，发现了很多对TN(总氮)具有吸附作用的基质，如沸石、红泥、水洗砂和炉渣等。张燕等[7]研究发现,含有CaO、SiO2、Na2O、MgO、 Al2O3和Fe2O3等成分的基质,对氨氮有较好的吸附效果。

微生物的吸收转化是人工湿地脱氮最主要的途径，其对氮的转化方式包括氨化、硝化、反硝化、厌氧氨氧化、硫自养反硝化及同步硝化反硝等过程。黄娟等[8]对人工湿地中氮的转移途径进行了定量分析，结果表明，附着在基质上的微生物通过同化吸收作用去除的总氮量约为31%，附着于植物根系的微生物降解去除的总氮量约为19%。总体而言，微生物对氮的去除率在50%左右。

2.2 人工湿地除磷机理

基质的吸附和拦截作用是人工湿地除磷的主要途径。基质表面的物理吸附作用可使污水中磷的含量降低，而基质内部的阳离子与磷发生化学反应生成难溶性盐可达到除磷净水的目的。研究发现，湿地基质对污水中 TP (总磷)的去除率可达90%以上[9]。

微生物在除磷的过程中扮演着不太重要的角色，它对除磷的贡献率仅为14.5%[10]，并且只有通过聚磷菌(嗜磷菌)的同化吸收和过量积累作用才对磷的去除有一定效果。仇付国等[11]研究发现，聚磷菌在富氧环境中可以吸收大量的磷，而在缺氧条件下，会将部分磷释放到环境中，但总的来说，聚磷菌在富氧条件下吸收转化的磷的量大于其在厌氧环境中释放的量，故聚磷菌在除磷方面有一定作用。

植物在生长过程中会不断吸收磷素合成DNA、RNA、ATP等有机成分，从而使污水中磷的浓度降低，但此途径必须定时对湿地中的植物进行收割，否则当植物停止生长或枯萎后，会将磷元素重新释放回湿地系统，导致水体含磷量升高，故而通过植物吸收除磷的效果不甚理想，去除率小于15%[12]。

3 影响人工湿地脱氮除磷的相关因素

3.1 影响人工湿地脱氮的相关因素

3.2 影响人工湿地除磷的相关因素

人工湿地对含磷污染物的净化不仅受基质、微生物和植物等自身理化性质的影响，还受限于温度、pH、水中溶解物、DO浓度、水力停留时间(HRT)、水力负荷等因素的影响。温度不仅影响微生物和植物的生存、生长，而且还会影响基质的除磷能力，因为环境温度会影响基质的化学吸附平衡；吸附质在基质内部与表面的扩散作用也受温度影响，温度升高会使基质表面的液膜阻力减小，便于磷进入基质内部且被基质吸附固定[15]。pH通过干扰基质的吸附能力进而影响其除磷效果，具体关系如表1所示。溶解氧量与微生物的生命活动相关，聚磷菌在有氧条件下吸收磷，在无氧条件下释放磷。水力停留时间(HRT)是影响人工湿地除磷效果的一大关键因素，污水停留时间过短即污水与湿地接触时间较短，会导致反应不充分，适当延长污水的停留时间可提高磷的去除率，但停留时间过长会引发逆反应使污染物被再次释放出来。研究发现，在人工湿地实践中水力停留的最佳时间为2d[16]。进水水力负荷对磷的吸附、沉淀过程都有影响，Calder等[17]研究发现，在达到吸附(沉淀)平衡之前，高浓度的含磷废水有利于磷的吸收而低浓度的含磷废水会导致土壤中磷的释放。

表1 pH与除磷的关系

4 实际应用中存在的问题

4.1 基质

在实际运用中，人工湿地基质的选择需兼顾脱氮除磷效率和成本问题，除此以外，基质饱和也是人工湿地研究的核心问题。因此，寻找高效、易得、吸附性强、稳定性好的填料是人工湿地需要研究强化的重点。李强等[21]以聚氯化铝(PACR)、膨润土为主要原料，蛋壳为添加剂，制备出一种性能稳定的陶粒基质，该基质对磷的吸附率较高，可达99.74%，不仅可以广泛运用于污水净化处理，还能解决一些地区聚氯化铝残渣的后续处理问题，变废为宝。田淼等[22]研究塑料流化床填料，发现在适宜的溶解氧浓度下，该材料对总氮和总磷均具有较好的吸附效果。

4.2 温度和溶解氧量

温度和溶解氧量是制约人工湿地发展的关键因素。在我国高寒缺氧地区(如青藏高原)，生态环境较为脆弱，人工湿地是该地区污水处理的首选工艺，但因自然环境恶劣，植被生长周期短、生理性质发生变化，微生物活性减弱，人工湿地净水系统受到制约，导致其净水效果下降。研究发现，改变运行操作，采用周期运行方式，进行人工曝气，利用温室进行隔离等[10]措施，对该地区人工湿地净水有一定恢复作用。

4.3 植物和微生物

优化植物配置、强化微生物的作用是促进人工湿地净化污水的有力措施。据统计，在有关人工湿地植物净水效果的相关报道中，出现频数最多的前10种植物依次为：芦苇、美人蕉、风车草、香蒲、菖蒲、旱伞草、灯心草、千屈菜、葱和金鱼藻，这些植物具有分布广、对环境适应性强、生长周期长、生长迅速、生物量大、根茎组织发达等特点。其中，种植芦苇的人工湿地对氨氮、总氮的去除效果最好，平均去除率可达90%；风车草对磷的去除效果较好，约为70%[23]。强化微生物的作用要从菌群种类和数量着手，选择脱氮除磷效果较好的菌群、增加微生物的数量、提高微生物的活性等都有利于加强微生物的作用。