水平潛流人工濕地的脫氮技術

　　在當前我國面臨的水環境污染形勢中，水體富營養化已經成為突出的污染問題。氮是造成水體富營養化的主要因素之一，從水體中高效脫氮已成為水環境領域的研究熱點。水平潛流人工濕地(HSSFCWs)作為一種生態化、低成本的污水處理和生態修復技術，其可承受較大的水力負荷和污染物負荷，在全球范圍內被廣泛應用于污廢水的脫氮處理。污染物在水平潛流人工濕地中的去除和轉化綜合了物理、化學和生物學過程，水平潛流人工濕地的脫氮能力正是源于其中的協同機制。水平潛流人工濕地中存在多種脫氮機理，包括植物吸收、基質吸附、硝化-反硝化等，利用微生物進行硝化-反硝化是水平潛流人工濕地脫氮的主要途徑。影響水平潛流人工濕地脫氮的主要因素包括溶解氧、基質、植物、碳源及運行條件等。筆者綜述了水平潛流人工濕地脫氮的各種機理和影響系統脫氮的主要因素，同時論述了提高系統脫氮效果的措施，并對今后的相關研究方向進行了展望。

　　1 水平潛流人工濕地脫氮機理

　　水平潛流人工濕地中氮的去除方式主要包括植物吸收、基質吸附和硝化-反硝化作用等，其中硝化-反硝化作用是其比較主要的脫氮機理。污水中的氮主要以有機氮和無機氮2種形態存在，污水進入水平潛流人工濕地后，有機氮被氨化成無機氮，通過硝化及反硝化作用被進一步去除。硝化過程在好氧條件下由亞硝化細菌和硝化細菌來完成：

　　硝化作用取決于濕地中的溶解氧含量，當濕地中的溶解氧含量足已支持好氧硝化細菌的生長時，硝化反應才得以順利進行。

　　反硝化過程則在缺氧條件下由反硝化細菌來完成。根據反硝化原理，反硝化過程是從NO3-到NO2-、NO、N2O、N2。每個半反應如下：

　　反硝化作用取決于濕地中的碳源含量，充足的碳源可以為反硝化作用提供足夠的電子供體，進而推動上述各半反應的順利進行。

　　在水平潛流人工濕地脫氮的過程中，硝化反應僅僅將氨氮轉化成硝態氮，并沒有使氮從水體中真正脫除。反硝化作用則將硝態氮轉換成N2或N2O,使水體中的氮轉化成氣態氮逸出系統。因此，反硝化作用被認為是系統脫氮的關鍵因素。

　　2 影響脫氮的主要因素

　　2.1 植物

　　植物是水平潛流人工濕地重要的組成部分。植物通過生物量增長從濕地中吸收氮素被認為是濕地脫氮的重要途徑之一。研究表明，植物吸收的比較大總氮量占進水量的5%～15%。此外，植物根系的輸氧功能可改變水平潛流人工濕地系統內部的溶解氧環境，為微生物硝化-反硝化作用的進行提供適宜的環境條件，進一步促進氮的去除轉化。

　　不同植物因其生理特性、根系輸氧能力等的不同，對氮的吸收能力也存在較大差異，比較終導致濕地除污效果的明顯不同。表 1對比了幾種常見濕地植物的脫氮效果。

　　在選擇濕地植物時，應根據當地環境、經濟價值和景觀效果等篩選生物量大、耐污能力強、根系發達且抗逆性強的植物。同時，應重視植物之間的合理搭配及使用，充分發揮不同植物的去污特點，通過優化物種組合提高水平潛流人工濕地的凈化效果。

　　2.2 基質

　　基質作為水平潛流人工濕地重要組成部分，在為植物和微生物提供生長介質的同時，還能夠通過沉淀、過濾和吸附等從濕地中去除氮素。不同種類基質，對氮的凈化機理不同，對氮的去除效率也有明顯的差異。表 2比較了幾種常見基質的脫氮效果〔25, 26, 27〕。

　　濕地基質的理化屬性也可能影響其對污水的脫氮效果�；�質的粒徑大小與孔隙度決定著水平潛流人工濕地滲透系數的大小。一般孔隙率大的基質可使廢水比較容易地滲透到其中，除氮的各種機理可以在基質內部發生，從而提高脫氮效率。

　　在選擇濕地基質時，應遵循材料的易得、高效、價廉及安全無毒等原則。應首先篩選對污染物去除能力強的當地材料，這樣既能提高水平潛流人工濕地對污水的凈化能力，又能減少成本投入。此外，應重視基質材料之間的組合使用，通過發揮各基質的優勢效應提高水平潛流人工濕地的去污能力。

　　2.3 碳源

　　水平潛流人工濕地具有較好的反硝化效果，而碳源是系統反硝化脫氮的重要保障之一 〔28〕。不同碳源物質被反硝化菌利用的程度及代謝產物均不相同，因而對反硝化過程產生的影響亦不相同，即使外加碳源投加量相同，反硝化效果也有所不同〔29〕。目前，人工濕地脫氮工藝大多采用傳統碳源，包括一些糖類物質和易生物降解的液體碳源(甲醇、乙酸等),費用較高，且該類有機碳源具有一定毒性。為了降低脫氮成本，尋找經濟、無毒、高效、實用的新型碳源成為研究趨勢。其中，天然植物材料不僅富含纖維素且可作為資源化利用的有機碳源，包括濕地植物的枯枝落葉、廢棄的木材、農用廢棄物稻桿或麥稈等各種植物秸稈材料。表 3對比了新型植物碳源和傳統碳源的脫氮效果〔30, 31, 32〕。在達到近似脫氮效果的前提下，植物碳源提取液的使用成本僅占傳統碳源的19%~27%,且其使用量僅為傳統碳源的28%~40%,對出水水質沒有任何影響。

　　2.4 溶解氧

　　微生物硝化-反硝化作用是水平潛流人工濕地脫氮的主要機理。其中，硝化作用和反硝化作用對氧的需求是不一樣的。硝化作用是好氧過程，通常情況下發生硝化作用時溶解氧應高于2.0 mg/L;反硝化作用則是厭氧過程，溶解氧應低于0.5 mg/L〔33〕。濕地氧環境關系到濕地的正常運轉及其凈化效果〔34〕。和垂直流人工濕地相比，水平潛流人工濕地的構造決定了其內部整體厭氧的環境，使其具有較好的反硝化脫氮效果。為了保障濕地硝化-反硝化這一重要脫氮機制的暢通，需同時提高硝化和反硝化脫氮的效率。周斌等〔35〕研究發現，間歇運行方式對水平潛流人工濕地床體中上層氧環境有較明顯地提升，落干時間的延長可以增強復氧效果，硝化反應強度可隨濕地氧環境的改善而提高，且間歇運行方式下的反硝化能力高于連續運行方式。周健等〔36〕的研究也表明，采用間歇進水方式，氨氮和總氮平均去除率可分別達到89.0%和74.0%,比連續式進水的氨氮和總氮去除率分別提高3.0%和32.0%.因此，間歇運行方式被認為是保障水平潛流人工濕地硝化-反硝化脫氮的有效途徑。為進一步提高濕地系統脫氮效率，可采用人工增氧技術改善濕地氧環境，主要包括改進濕地工藝設計、自動增氧、進水預曝氣和鋪設曝氣管等〔37〕。

　　2.5 運行條件

　　2.5.1 進水水質

　　進水碳氮比對水平潛流人工濕地硝化-反硝化作用的影響很大，污水中低碳氮比是導致系統脫氮效率低的主要原因。因此，在進水總氮含量恒定的情況下，碳源的增加有利于系統反硝化作用的順利進行。但是隨著碳氮比的不斷增加，碳源與氨氮競爭消耗溶解氧，導致硝化反應無法有效進行。賈文林等〔38〕研究發現，總氮去除率隨碳氮比的增大而逐漸提高，而氨氮去除率則隨著碳氮比的增加而降低。碳氮比越高，反硝化過程越徹底。陳慶昌等〔39〕的研究也證實，碳氮比的提高抑制了硝化反應的進行，從而限制了氨氮的轉化。因此，合理調整進水碳氮比將是提高濕地脫氮效率的重要途徑。對以硝態氮為主的污水，提高碳氮比可保證反硝化脫氮的順利進行。對以氨氮為主的污水，還必須考慮系統復氧的問題。

　　2.5.2 布水方式

　　出水回流的運行方式可以增加污水在水平潛流人工濕地中的停留時間，使污水與附著在植物根系與基質上的生物膜充分接觸，有利于提高水平潛流人工濕地的脫氮效率〔5〕。包涵等〔40〕分析了不同回流方式及回流比對水平潛流人工濕地脫氮效果的影響，結果表明，當回流比為10∶1時，濕地內部的溶解氧升高，氨氮去除率顯著提高;而無論有無回流，水平潛流人工濕地內部都能進行高效的反硝化反應。張濤等〔41〕研究發現，將水平潛流人工濕地出水按1/3的回流比回流到濕地進水口時，可獲得較好的總氮去除率，總氮去除率達到60%以上，相比未回流處理，總氮去除率提高了約 20%.當水平潛流人工濕地出水回流時，回流混合液中的反硝化細菌可利用原污水中的有機物作為碳源，將回流中的硝態氮還原成N2或N2O,從而達到脫氮目的。

　　2.5.3 水力停留時間

　　水力停留時間是影響水平潛流人工濕地脫氮效果的重要因素，通常情況下，隨著水力停留時間的延長，污水中的氮與附著在植物根系與基質上的微生物有充分的接觸和反應時間，因而脫氮效率也會隨之升高。崔芳等〔42〕研究發現，水力停留時間在4~24 h時，水平潛流人工濕地對污水中氨氮的去除率僅為29.0%~30.69%;隨著停留時間的延長，在48 h時，氨氮去除率達到40.25%;隨后氨氮去除率隨停留時間的延長而降低，這是因為停留時間過長，系統處于缺氧狀態，硝化作用受到抑制，導致氨氮去除率下降。Yi Ding等〔18〕研究發現，在進水碳源充足的條件下，當水力停留時間為2 d時，硝態氮和總氮去除率分別僅為70.0%和46.0%,而當水力停留時間為4 d時，硝態氮和總氮去除率可分別達到97.1%和94.4%,水力停留時間對水平潛流人工濕地反硝化過程有著顯著影響。

　　3 結語和展望

　　隨著生態文明建設的推進，我國在水環境領域亟需經濟高效的工藝設備和技術。水平潛流人工濕地因具有投資省、操作簡便、運行費用低等優勢，目前應用非常廣泛，尤其適合于我國農村中、小城鎮的污水處理，具有較高的環境效益、經濟效益及社會效益。作為引起水體富營養化的主要因素，氮素在水平潛流人工濕地中主要經過微生物的硝化-反硝化作用被去除，如何確保硝化-反硝化的順利進行將是未來研究的重點。當前已有不少研究者關注新型“綠色”碳源和基質材料的研發，這些材料符合無毒、經濟、高效的使用原則，可更好地提高水平潛流人工濕地的脫氮效率。此外，針對目前水平潛流人工濕地占地面積大的不足，已有研究人員研發了一種占地面積小的塘床耦聯復合型人工濕地凈水系統，旨在通過組合技術更高效地凈化污染水體，同時可有效緩解當前用地緊張與治污建設之間的矛盾，對水平潛流人工濕地在更大范圍內的推廣使用具有重要意義。

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