人工濕地是20世紀70年代新興的一種污水處理方式，其利用基質、水生植物和微生物之間的相互作用，通過過濾、吸附、共沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解等方式來實現對廢水中有害物質的去除，同時通過營養物質和水分的循環，實現對水的凈化。近年來，人工濕地以其投資費用低，建設、運行成本低，處理過程能耗低，處理效果穩定，景觀效應良好等優點多被用于改善景觀水體水質之中。人工濕地還具有強大的生態功能，包括生物多樣性保護、水源凈化及保護與供給、氣候調節、野生資源開發以及生態環境科學研究等諸多方面。

 

　　1、人工濕地脫氮的機理及其主要影響因素

 

　　1.1脫氮機理

 

　　人工濕地中的氮通過微生物的氨化、硝化與反硝化作用，植物的吸收，基質的吸附、過濾、沉淀等途徑去除。其中氨化、硝化與反硝化作用是去除氮的主要途徑，其基本條件是濕地中存在大量的氨化菌、硝化菌、反硝化菌和適當的濕地土壤環境條件。

 

　　氨氮可被植物直接攝取，合成植物蛋白質與有機氮后，再通過植物的收割從濕地系統中除去。濕地植物根毛的輸氧及傳遞特性，使根系周圍連續呈現好氧、缺氧及厭氧狀態，相當于許多串聯或并聯的處理單元，使硝化和反硝化作用可以在濕地系統中同時進行。

 

　　基質是人工濕地不可缺少的組成部分，它為人工濕地中微生物的生長提供穩定的依附表面，為水生植物提供生長載體和營養物質，同時，基質本身對污水凈化也有重要的作用。

 

　　1.2影響脫氮的主要因素

 

　　1.2.1基質

 

　　不同基質類型對脫氮效果的影響不同。WendongTao等研究發現，石灰石基質和鋪路石對氨氮和TN的去除效果無太大差別，但是石灰石基質能夠增大亞硝酸鹽的含量，將其最高質量濃度從3.6mg/L增加到4.7mg/L，從而更有利于厭氧氨氧化，提高對氮的去除率。

 

　　有研究表明：在相同進水水質和水力負荷條件下，頁巖填料對COD、TN、TP去除效果最好，最高去除率可分別達到60%、80%、85%，其次為頁巖與粗礫石組合填料，麥飯石去除效果較差。

 

　　周煒等的試驗結果表明，在8月份，沸石床復合流人工濕地NH4+-N去除率在95%左右，TN去除率接近80%，硝態氮去除率在96%左右；而爐渣和礫石人工濕地與沸石床相比，除出水硝態氮無太大變化外（約為80%~90%），NH4+-N和TN的去除率較低，約為10%、50%。

 

　　此外，一般來說，分層的基質要比不分層的處理效果好。研究表明，不同粒徑分層級配基質對COD的去除率均高于單一粒徑基質，其中分層級配生物陶粒對COD的平均去除率高達72.91%。分層級配沸石對TN的凈化能力較單一粒徑基質有所提高，平均去除率高達91.23%。

 

　　1.2.2水生植物

 

　　水生植物是人工濕地的重要組成部分，對氮的去除有很大的影響。張榮社等研究表明，無植物床、蘆葦床和茭草床TN去除率分別達48.7%、75.6%、63.5%。可見植物對濕地中氮的去除有很大影響。

 

　　Z.Yousefi等通過實驗對比了黃花鳶尾碎石床人工濕地與空白床對TN的去除效果，結果表明，黃花鳶尾床對TN的去除效果比空白床好，二者的去除率分別為49.4%、43.4%。

 

    不同的濕地植物對人工濕地的凈化效果的影響不同。SixiZhu等研究發現，豆類植物不影響生物質生產以及基質中硝酸鹽和銨鹽的截留；C3類植物和C4類植物影響植物水上部分生物質的生產；最重要的是，植物的多樣性越高越有利于生物質的生產和基質中氮的截留，因此，更有利于人工濕地脫氮。

 

　　韓蘇娟等研究結果表明：黃菖蒲、蘆葦、水莎草濕地對TN去除率較好，平均去除率分別為33.29%、30.58%、30.38%；臭蒲和香蒲對TN去除效果次之，分別為25.84%、22.92%；大紅草對TN去除效果最差，僅為18.09%。

 

　　水生植物不僅可以直接攝取污水中的富營養物質，而且其根系的泌氧功能為微生物分解轉化有機物提供了適宜的環境條件。植物向濕地中傳輸的氧氣量直接影響其運行機制。水生植物可以傳輸約90%的氧到根系周圍，從而加強微生物的硝化作用，去除水中氮。

 

　　1.2.3微生物

 

　　人工濕地中的微生物在有機物的降解轉化方面發揮著重要作用。付融冰等研究發現，在距人工濕地進水沿程50cm處氨化細菌和亞硝化細菌個數最多，分別為：氨化細菌3.5×106mL-1，亞硝化細菌3.0×103mL-1，且此處TN的去除率也最高，為31.6%。隨著以上兩種細菌數的減少，TN的去除率也在降低。這說明濕地的氮去除效果與硝化細菌等微生物數量呈正相關。

 

　　張鴻等實驗表明，由于水芹濕地和鳳眼蓮濕地中含有大量的硝化細菌，水芹和鳳眼蓮濕地對氨氮的凈化率比對照組分別高8.7%、11.7%。這說明微生物在濕地對氮的去除中發揮著很重要的作用。

 

　　1.2.4進水的影響

 

　　YongjunZhao等研究表明，控制進水m（C）∶m（N）∶m（P）在一定范圍內，能使有植物的人工濕地中的微生物發生相似轉化，而無植物的人工濕地中的微生物則會出現脫離濕地的現象，因此，建議在建設人工濕地時應盡量種植植物，并選擇合適的m（C）∶m（N）∶m（P），防止微生物異化和脫離濕地。

 

　　研究表明，濕地進水碳氮比變化時，TN的去除率隨著碳氮比的增大而逐漸升高NH4+-N的去除率隨著碳氮比的增加而降低。

 

　　2、人工濕地除磷的機理及其主要影響因素

 

　　2.1除磷機理

 

　　人工濕地通過水生植物、基質和微生物的共同作用來完成對磷的去除。研究證明，人工濕地中基質對磷的去除是最主要途徑，包括物理去除和化學沉淀去除兩大過程。

 

　　無機磷也是植物必需的營養元素，廢水中無機磷可被植物吸收利用組成卵磷脂、核酸及ATP等，然后通過植物的收割而移去。

 

　　微生物對磷的去除包括對磷的正常同化和過量積累。由于人工濕地系統中植物光合作用光反應、暗反應交替進行，根毛輸氧也交替出現，以及系統內部不同區域對氧消耗量存在差異，從而導致系統中好氧和厭氧情況交替出現，使磷的過量釋放和過量積累得以順利完成。

 

    2.2影響除磷的主要因素

 

　　2.2.1基質

 

　　不同基質對磷的去除存在較大差異，若土壤中含有較多的鈣、鐵、鋁氧化物，則有利于生成溶解度很低的磷酸鐵或磷酸鋁，增強土壤的去磷能力。

 

　　A.Drizo等研究表明：粉煤灰對磷的吸附量最高，其次是頁巖、鋁礬土、石灰石、陶粒和沸石，其中頁巖和鋁礬土的累積磷吸附量最高，分別為730、355mg/kg，而X射線熒光分析發現，頁巖表面有大量的磷沉淀，由此可以得出，頁巖是這幾種人工濕地填料中除磷效果最好的填料。

 

　　2.2.2水生植物

 

　　水生植物在人工濕地除磷中有舉足輕重的作用，有植物的濕地對磷的去除有很好的效果。研究發現，黃花鳶尾碎石床人工濕地對TP的去除效果明顯優于無植物碎石床，其TP去除率分別為67.6%、57.4%，可見黃花鳶尾對TP的去除有很大影響。

 

　　李林鋒等研究表明：有濕地植物的濕地TP去除率為56%~65%，遠高于沒有植物的濕地對TP的去除率（約為45%）；其中，植有香蒲、蘆葦與茭白的人工濕地TP平均去除率約為62.6%，植有水蔥和千屈菜的人工濕地TP去除率約為57%，植有鳶尾和菖蒲的人工濕地TP去除率約為59%。

 

　　2.2.3微生物

 

　　微生物在濕地除磷中有著重要的作用。研究表明，由于水芹濕地和鳳眼蓮濕地中含有大量的磷細菌，水芹和鳳眼蓮濕地對磷的凈化率比空白床分別高16.0%、8.1%。由于含磷細菌量高于另外兩組濕地，水芹濕地在整個過程中對磷的去除率都高于對照組和鳳眼蓮濕地，平均高出16.0%、9.7%。

 

　　凌云等研究表明：微生物的增加使TP平均去除率達到20.9%，高于空白的18.3%。可見微生物對磷的去除有一定影響。

 

　　2.2.4進水的影響

 

　　濕地進水可影響濕地微生物及植物的生長，從而影響處理效果。研究表明：隨著碳源的增加，釋磷菌能夠從進水中獲得充足的碳源，從而可以比較充分地釋磷，因此，磷的去除率隨碳氮比的增加而提高。

 

　　湯顯強等研究表明：與無曝氣人工濕地系統相比，中部曝氣使可溶性活性磷（SRP）和TP月平均去除率分別提高10.2%、8.8%，底部曝氣則為7.7%、7.4%，可見間歇曝氣能夠有效提高人工潛流濕地磷去除效率。

 

　　3、人工濕地脫氮除磷中存在的問題及對策

 

　　3.1存在的主要問題

 

　　雖然人工濕地在脫氮除磷方面有很大優勢，但也存在很多問題。如低溶解氧限制對氮、磷的去除；單一、單級基質難達到預期處理效果；填料堵塞問題；植物的合理選取與搭配以及植物枯萎造成對水體的二次污染等問題。

 

　　3.2提高脫氮除磷的措施

 

　　人工濕地對氮磷的去除與基質、微生物、植物種類、污水類型、水力負荷、水文特征、氣候特征等因素密切相關，為了提高對氮磷的去除效果，建議考慮采用以下措施：

 

　　（1）在污水進入人工濕地前進行充氧（曝氣、跌水等），提高污水的溶解氧濃度，為微生物創造一定的有氧環境，促進亞硝酸菌和硝酸菌的增殖，從而提高人工濕地的硝化能力；也可利用垂直流人工濕地的特點，發揮其溶解氧含量高的優點，強化對氮、磷的去除。

 

    （2）采用沸石等富含Ca、Fe和Al等的基質，提高對P的吸附去除；研究新型填料，強化對N、P的吸附作用；采用多種填料組合使用，提高填料的分級，選用合適的粒徑級配等措施來強化處理效果。

 

　　（3）改善進水方式，采用間歇進水，防止填料堵塞，提高對N的去除；對濕地進水預處理，采用不同濕地類型交叉聯合設置提高處理效果的穩定性。

 

　　（4）選用氮磷吸收能力強、具抗逆性、有一定經濟利用價值和景觀價值、易管理的濕地植物；考慮采用多種植物混合種植，提高去除效果。

 

　　（5）及時收割濕地植物和更換基質，避免因植物枯萎和基質吸附飽和釋放污染物對水體造成的二次污染。

 

　　近年來水處理專家側重于人工濕地組成的各個影響因素研究，從而局部上改進了人工濕地脫除氮磷的效力，并實踐組合交叉不同類型的濕地，從整體上優化人工濕地的作用。但作為人工建造的生態系統，人工濕地有其不足之處，脫氮除磷技術有待不斷完善和發展。在今后的研究中勢必要加強高效脫除氮磷基質研究，根據污水中氮磷污染物的種類、特征采取幾種基質的組合或開發復合基質；加強人工濕地脫除氮磷機理的研究，使人工濕地與城市建設有機結合，解決生活污水高氮磷；通過試驗篩選利于氮、磷雙方面脫除的微生物，并根據污水氮磷的具體情況合理組合微生物群。

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