人工湿地氮去除途径及提高方法研究进展

孙振凯，董 彬，王雯慧，刘任鹏，吕晶晶，杜钱坤

(临沂大学 资源环境学院，山东 临沂 276000)

1 引言

人工湿地是用于处理污水的人工生态系统，包括基质，水生植物，微生物和水体。其效果稳定、去除污染物能力强、工艺技术相对简单、建造和运行费用便宜、系统容量大，是一种有效消减水体氮素污染的重要生态手段[1]。主要通过基质的吸附过滤，湿地植物的吸收同化、硝化-反硝化、氨化来净化污水。但是，在湿地系统的实际运行中，不同系统的脱氮效率存在差异，其中水体溶解氧(DO)、pH值、温度和基质是影响氮去除的主要因素。本文总结了人工湿地的脱氮途径和影响因素，并给出了提高脱氮效率的方法。

2 人工湿地氮去除的主要途径

2.1 基质的吸附和过滤

2.2 湿地植物的吸收同化作用

同化是一种生物过程，是指湿地植物从污水中获得氮元素进入细胞组分。通常用于人工湿地的植物包括芦苇、香蒲、菖蒲、美人蕉等。虽然植物对氮素的直接吸收作用在整个氮循环过程中所占比重比较小，但在整个系统中所起的综合作用是不可忽视的。植物湿地系统的氮去除效果明显优于无植物的湿地系统，有水生植物的湿地系统具有较好的脱氮效果。通过植物吸收同化去除的氮约占8%～16%。

2.3 湿地微生物分解转化

湿地系统中的微生物种类繁多，分布广，沉积物、水体、水生植物茎叶表面均有微生物存在，氮循环功能微生物参与的分解转化是污水中氮去除的关键。氮去除相关的微生物主要包括氨氧化微生物、硝化微生物、反硝化微生物、厌氧氨氧化微生物等，可占氮去除总量的60%～90%[1]。水生植物光合作用输氧可以使根系附近区域呈现好氧状态，好氧微生物可利用氧气分解该区域的大部分有机氮；硝化细菌则在这一区域进行硝化作用；远离根区的沉积物呈微氧或缺氧状态，反硝化微生物和厌氧氨氧化微生物将硝态氮和铵态氮还原为气体脱离水体。研究发现，污水中微生物数量，尤其是硝化菌和反硝化菌的数量，与氮去除效率存在正相关。

2.4 水生动物

湿地动物是湿地系统不可或缺的一部分，在人工湿地生态系统的生态平衡中起着重要作用，使系统更加稳定。蚯蚓等低级动物可以清洁垃圾，减少系统排泥次数；其他鱼类鸟类等动物可以在人工湿地中形成大规模的食物网，通过取食去除一定量的氮，同时防止蚊蝇虫害，保证湿地生态系统的稳定运行。

2.5 硝化-反硝化

3 人工湿地氮去除影响因素

3.1 溶解氧

水体中溶解氧DO的分布对脱氮效率影响较大，溶DO浓度与硝化反应密切相关。 硝化菌是好氧菌，供氧充分时会大量繁殖,而反硝化细菌多为厌氧菌，多生活在远离根区的缺氧、厌氧区域。提高溶解氧浓度将加速硝化反应的进程，提高好氧微生物生长速度，抑制反硝化作用。

3.2 pH值

3.3 温度

温度是湿地系统中氮去除效率的重要因素。 温度可影响微生物生长的速率和活性，并且影响硝化-反硝化的反应正常进行。湿地系统中除氮的适宜温度为20～25 ℃。温度下降会影响湿地植物的生理活动，减少植物的氮吸收和湿地系统氧气供应。因此，如果温度降低或过高，则系统中氮的去除率将降低。

4 提高氮去除效率的方法

4.1 科学选择搭配基质

由于系统中基质的种类及不同基质的组合方式、比例的物理化学性质不尽相同，对氮的去除率有显著的差异。因此要科学选择搭配基质，可以根据实际情况选择基质种类或组合基质，以提高除氮效率。

4.2 选择合适的湿地植物

湿地植物可以通过影响改变水中环境，从而影响氮去除速率。湿地植物的除氮效率随季节变化较大，污水去除效果很大程度上取决于湿地植物和微生物的季节性变化，选择合适的湿地植物非常重要。选择生长迅速、生物量大、根系发达、耐污性强、环境适应性强的湿地植物可显著提高湿地系统的稳定性。植物多样性高的人工湿地系统更有利于人工湿地的脱氮。

4.3 科学供氧

人工湿地系统在实际运行中易发生堵塞而造成系统内部缺氧，形成厌氧环境，不利于湿地的硝化菌的繁殖和硝化反应的进行，但若要厌氧区DO不可超过0.5 mg/L，则有利于反硝化过程高效运行，因此要在有效范围内科学合理控制DO含量，人为创造厌氧-有氧交替的异质性环境，促进微生物的繁殖，从而提高人工湿地的氮去除效率。

4.4 优化强化氮去除微生物

硝化细菌是硝化-反硝化过程中关键的部分，硝化速率与污水中硝化细菌的含量直接相关[3]。但由于人工湿地的内部环境随外界环境影响较大，有时无法满足微生物生长的最佳pH值和温度条件。因此，在人工湿地系统中筛选的高效硝化细菌和亚硝化细菌菌株，培养富集反硝化细菌并添加到湿地系统中，将显着提高氮去除效率。

4.5 引入水生动物

在湿地系统中加入蚯蚓、黄鳝、泥鳅等水生生物，可改善沉积物中的氧环境，加快能量流动和物质循环，保持湿地生态系统的紧密联系，降低植物根部和基质中铵态氮含量。而且动物的取食对除氮效率也有一定提高。

4.6 优化进水方式

系统的进水方式对污水和基质的接触程度、DO浓度、停留时间有较大影响。因此改进进水方式对于氮去除效率是非常重要的。不同进水方式的净水能力、除氮效率、成本、运行费用有所区别，要根据污水水质和其他因素选择最合适的进水方式。

5 结语

人工湿地已经广泛应用于各种领域的污染水体修复，但与日益增加的富氮污水量相比，人工湿地的污水处理量还远远不够。对如何尽可能多地使湿地中氮素以无污染的氮气(N2)的形式离开水体，减少温室气体氧化亚氮(N2O)、甲烷(CH4)等的排放，还需要深入研究，还需要改进和创新更加经济高效的人工湿地处理技术。