人工湿地脱氮除磷机理及应用现状

陈雷赵晶

(吉林建筑工程学院市政与环境工程学院，长春 130118)

0 引言

人工湿地(Construct Wetland)，它是模拟的自然湿地系统，利用系统中的物理、化学和生物的协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化［1］，同自然湿地生态系统相比，人工湿地生态系统在地点的选择上更加灵活、负荷量的承载能力更大，人工湿地的可控性更强、对污水的处理效果更好.

1 人工湿地的组成及分类

1.1 人工湿地的组成

人工湿地系统大体由5部分组成:①透水性基质，如砂、土壤、砾石、煤灰渣等;②植物:如芦苇、美人蕉等;③好氧微生物及厌氧微生物种群;④无脊椎或脊椎动物;⑤污染水体［2］.

1.2 人工湿地的分类

根据植物类型可将人工湿地分为:浮游植物系统、挺水植物系统、沉水植物系统(见表1).其中，挺水植物系统最常见，在实际应用中也更多.

根据废水流经的方式人工湿地系统可分为:表面流湿地(SFW)、水平潜流湿地(SSFW)、垂直流湿地(VFW).

表1 3种人工湿地处理污水系统类型比较［3］

2 人工湿地系统脱氮除磷机理

2.1 氮的去除机理

2.1.1 去除机理

湿地系统通过多种机理去除进水中的氮，这些机理主要包括生物、物理和化学反应几方面的协同作用［4］.物理机理包括:沉积、挥发(固体物质的重力沉淀通常对湿地中氮去除影响较小，而氨挥发受pH影响较大);化学机理主要是吸附(氨氮吸附通常快速且可逆，因此这并不是氮去除的长期途径);生物机理包括:微生物作用、植物吸收(氨化和硝化/反硝化，通常较著、适宜条件下植物摄取的氮量较显著［5］).人工湿地中氮的形态转化见图1.

2.1.2 影响因素

填料的氧化还原电位对除氮效果影响最大，因为它反应的是填料发生氧化还原反应能力的大小.土壤的氧化还原电位还会影响植物和微生物的代谢过程，从而间接影响除氮效果.

土壤的含水率也会影响除氮效率，含水率增加，反硝化作用就会增强.植物根系的输氧能力对氮的去除至关重要，因此，易取得、生物量大、根系发达、输氧能力强是湿地植物的首选原则.植物的种类与收割计划也会影响去除效果，因此在这方面也应另加考虑.如潜流人工湿地总氮的去除率分别为49.34%(芦苇系统)45.49%(茭白系统)［6］，有研究也表明，挺水植物通过吸收而后收割去除的氮的能力是(200～2 500)kg·hm-2·a-1，水葫芦有较高的除氮能力，大约为2 000 kg·hm-2·a-1，沉水植物的除氮能力较差，通常小于700 kg·hm-2·a-1［7］.

微生物的影响:在氮的去除过程中，氨化菌、硝酸菌、亚硝酸菌、反硝化菌共同发挥作用完成氮的循环.硝化菌与反硝化菌的数量直接影响了硝化与反硝化作用强度.湿地系统内部，特别是离根系较远处形成厌氧区，会限制硝化菌的生长和硝化作用的发生，因此硝化菌的快速富集、培养技术很重要，直接影响氮的去除.

温度的影响:影响微生物的活性，氨化、硝化、反硝化过程，继而影响氮的去除.温度较低时，酶的活性也会降低，这也会影响含氮有机物的降解.反之，温度高时，植物与微生物的代谢活动均会增强，可以提高氮的去除效率.如当温度在10℃左右时，硝化速率很稳定，但低于10℃，人工湿地系统处理效果会明显降低.当温度在5℃以下时，反硝化过程就很难发生.而若温度过高，30℃以上时，硝化与反硝化过程均会受到抑制［8］.

pH值的影响:pH值不同时植物与微生物的活性不同.在脱氮过程中，当pH值为7～8时，硝化过程较顺利，pH 值为6.5 ～7.5 时，反硝化过程较顺利［9］.

图1 人工湿地污水处理系统中的氮形态转化图［5］

2.2 磷的去除机理

2.2.1 去除机理

湿地中的磷元素以有机态和无机态两种形式存在着，而植物与微生物只能直接利用游离的正磷酸盐.在人工湿地系统中磷的迁移转化一般没有化合价的变化，它主要是通过泥炭积累、填料吸附、植物和微生物同化和沉淀等作用来去除.

表2 湿地中的磷去除机理［10］

2.2.2 影响因素

填料对磷的去除影响较大.填料对磷的吸附和滞留能力的决定因素有:氧化还原电位(ORP)，pH值，Fe，Ca，Al等矿物质.袁东海等［11］研究发现，填料吸附的磷转化为 Ca-P，Fe-P，Al-P，这三者的含量同填料Ca，Fe，Al的含量有极显著幂函数关系，基质全钙、氧化钙、水溶性钙、游离氧化铁、铝和胶体氧化铁、铝的含量越高，其固定形成的磷酸钙盐、磷酸铁盐、磷酸铝盐越多，填料净化磷素的能力越强.

植物的种类会影响磷的摄入量，如浮水植物对磷的摄入量约为350 kg·hm-2·a-1，挺水植物摄入量在(8.5～150)kg·hm-2·a-1之间，沉水植物对磷的摄入量一般小于120 kg·hm-2·a-1.

温度影响含磷化合物的沉淀，温度低，水的粘度大，沉淀会变慢［12］.

pH值对除磷效果的影响:只有在中性或碱性条件下，磷才会被钙吸附.酸性条件下，高浓度的铝和铁对磷的吸附最强［13］.

3 人工湿地的应用

国外对湿地的研究比较深入，应用技术也非常成熟，因此国外的人工湿地实际工程也很多.目前，美国就有600多处人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水，在丹麦、德国、英国等国有200多处人工湿地(主要是潜流湿地)系统，新西兰也有80多处人工湿地工程被投入使用［14］.

我国自“七五”开始对人工湿地研究，现已建成一些示范工程，并于1988年-1990年在北京昌平建立的自由表面流人工湿地［15］.1990年7月在深圳建起我国第一个人工湿地污水处理工程—白泥坑人工湿地处理系统.该人工湿地处理系统位于深圳市宝安县白泥坑村南500 m处.占地面积189亩，日处理量3100 m3/d废水.1996年胶南市充分利用风河下游北岸的大片盐碱荒滩，修建芦苇湿地系统，不仅很好地处理了工业废水和生活污水，而且吸引水鸟栖息，取得了良好的生态效益［16］.2002年，江苏泗洪县建成日处理污水5 000 t的人工湿地污水处理厂，沈阳、上海、深圳等城市也在开展相关设计、规划工作.

人工湿地也可处理一些特殊污水.如汪秀华等人［17］进行潜流式人工湿地系统处理天然橡胶加工废水的小型试验后，湿地系统对COD，BOD5，NH3-N去除率分别为90.42%，93.25%，75.37%，该系统耐冲击负荷强，出水水质稳定.李亚治［18］建造小型水葫芦-水草人工湿地处理再生浆造纸废水，处理后BOD 5，COD和SS的去除率分别为98%，93%和89%，系统性能稳定，出水水质可用于农田灌溉.

4 结语

人工湿地技术作为绿色环保的污水处理新技术，已成为环境科学研究的重要领域之一.目前，人工湿地系统主要应用于景观用水的净化及生活污水处理.为了进一步提高人工湿地的处理效率和拓展其运用范围，有必要开展一下几方面工作:

(1)高效的湿地植物、湿地基质、湿地微生物种群等筛选方面的研究;

(2)人工湿地系统中的反应动力学机制与水力学特性以及工艺优化与组合等方面的研究;

(3)建立人工湿地数据库，便于改进湿地的设计方法，模拟处理效果，从而减少重复劳动、减少风险.

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