【污水處理技術】人工濕地生態(tài)系統(tǒng)提高氮磷去除率的研究進展
人工濕地應用于污水凈化的研究始于20世紀70年代末，它是一個自適應系統(tǒng)，克服了在污水處理中使用化學方法易造成二次污染和物理方法治標不治本的缺點，具有投資小、處理效果好、運行維護方便等特點，可作為傳統(tǒng)污水處理技術的一種有效替代方案。目前人工濕地被廣泛應用于工業(yè)廢水、生活污水、礦山及石油開采廢水的處理，水體富營養(yǎng)化問題的治理，以及污染水體的生態(tài)修復，并將人工濕地系統(tǒng)構建成為觀賞性美學景觀；特別是人工濕地生態(tài)系統(tǒng)為處理污水中的氮、磷的去除提供了一種新的選擇。
人工濕地是指人工建造和監(jiān)督控制的，類似于沼澤的地面，其設計是通過對濕地自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學和生物作用的優(yōu)化組合，利用這3種作用的協(xié)調關系來實現(xiàn)污水的凈化作用。水體、基質、濕生植物和微生物是構成人工濕地污水處理系統(tǒng)的4個基本要素?；|在為植物和微生物提供生長介質的同時，也能夠通過沉淀、過濾和吸附等作用直接去除污染物。大型濕地植物既是微生物的“固定化載體”，氧氣的生產和運輸“機器”，同時還能夠穩(wěn)固濕地床表面，起到冬季保溫和支撐冰面的作用。微生物是消除污染物的作用者，它能夠在去除氮、磷等營養(yǎng)物的同時把有機質作為豐富的能源轉化為營養(yǎng)物質和能量。
人工濕地根據(jù)其具體用途至少可分為4大類：①人工生境濕地，協(xié)助天然濕地用于生物多樣性的保護；②人工抗洪濕地，用于控制洪水或泄洪；③人工水產濕地，用于農業(yè)生產與水產養(yǎng)殖；④人工處理濕地，用于污水污物處理。目前提及的人工濕地污水凈化系統(tǒng)通常是指處理濕地。
人工濕地還可以按污水在濕地床中流動的方式不同而分為三種類型：地表濕地（Surface Flow Wetland，SFW）、潛流濕地（Subsurface Flow Wetland，SSFW）和垂直流濕地（Vertical Flow Wetland，VFW）。
人工濕地有以下特點：①造價和運行費用便宜，易于維護；②可進行有效可靠的廢水處理；③可緩沖對水力和污染負荷的沖擊；④可產生效益，如水產、畜產、造紙原料、建材、綠化、野生動植物棲息、娛樂和教育等方面。
1、人工濕地氮磷的去除機理
人工濕地生態(tài)系統(tǒng)凈化污水的原理是利用系統(tǒng)中的物理、化學、生物的協(xié)同作用，通過土壤過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現(xiàn)對污水的高效凈化。即污水在沿一定方向流動的過程中，在濕地土壤、植物和微生物共同作用下得到了高效的凈化。
1.1 氮的去除
人工濕地對氮的去除主要依靠微生物的氨化、硝化、反硝化等作用完成。這三個重要的過程一般可以同時發(fā)生在人工濕地系統(tǒng)中，但其發(fā)生的程度卻有所不同。反硝化作用是系統(tǒng)最有效的除氮途徑，即進入系統(tǒng)的氧化態(tài)氮越少，系統(tǒng)總氮的去除效果越有效。其次是硝化作用，此過程需要有一定的溶解氧水平，對于1.0 mg/L的氨氮，當系統(tǒng)中溶解氧大于4.6 mg/L時，硝化過程才能順利進行，但也有研究表明氮的去除主要通過廢固體物的沉積作用而去除的，去除率是進水氮量的57.6%，再者是反硝化作用，約占40.9%。氨氮的去除受季節(jié)變化的影響，主要起作用的是溫度、質量負載率和流入鹽度三個因素。其中質量負載率是控制氨氮去除率的關鍵因素，它隨著溫度的升高呈指數(shù)下降，與鹽度成反比。水流速、水力負荷以及植物的覆蓋也是關系到氮去除率的重要因素。
濕地植物雖然亦吸收一部分無機氮作為自身的營養(yǎng)成分，用于合成植物蛋白等有機氮，進而通過植物的收割而去除。但這一部分僅占總氮量的8%~16%，因而不是脫氮的主要過程。植物除了對污染物直接吸收外，還有重要的間接作用：將氧氣從上部輸送至植物根部，從而在植物根部附近形成一個好氧環(huán)境，而隨著離根系距離的逐漸增大，濕地中依次出現(xiàn)缺氧、厭氧狀態(tài)，這樣的條件有利于硝化菌和反硝化菌的生長，進而增強濕地微生物的硝化和反硝化作用，提高污水中氮的凈化效率。此外，重金屬有阻礙植物吸收氨氮的作用。去除氮的過程還可能涉及揮發(fā)作用、填料吸附的作用，但它們所攝取的氮量是十分有限的。
總而言之，由于基質吸附的氮素數(shù)量有限，從人工濕地長期運行角度來看，濕地微生物的硝化和反硝化作用是其氮素凈化的主要途徑，濕地植被根系微生物能增強其作用，提高人工濕地的氮素凈化效率。氮的去除機理和反應過程十分復雜，但也是上述人工濕地污水處理系統(tǒng)的4個基本要素相互作用的結果。
1.2 磷的去除
污水中磷的存在形態(tài)取決于污水中磷的類型，最常見的有磷酸鹽（包括PO4-、HPO4-、PO43-）、聚磷酸鹽和有機磷酸鹽等。人工濕地對于磷亦有較好的去除效果，主要取決于植物吸收、基質的吸附過濾和微生物轉化三者的共同作用。磷和氮一樣，都是植物的必需元素，污水中的無機磷在植物的吸收和同化作用下被合成ATP等有機成分，通過收割而從系統(tǒng)中去除。微生物對磷的去除作用包括微生物對磷的正常吸收和過量積累，濕地中某些細菌種類因從污水中吸收超過其生長所需的磷，而微生物細胞的內含物儲存過量積累，可通過對濕地床的定期更換而將其從系統(tǒng)中去除。
濕地中土壤和填料在為植物和微生物提供生長介質的同時，還能通過離子交換、專性與非專性吸附、螯合和沉降反應等作用直接去除磷，從而使土壤和填料中的這些元素聚積量急劇升高。填料對磷的吸附隨著填料的不同而存在著差異。當填料含有較多鐵、鉛氧化物時，磷酸根可通過配位體交換被吸附到鐵、鉛離子表面，也有利于形成溶解度很低的磷酸鐵與磷酸鉛；而當填料中鈣含量較高時，磷可與鈣反應生成不溶性的磷酸鈣而從污水中沉淀下來。
人工 濕地去除P主要是由于吸附、結合，與Ca、Al、Fe和土壤顆粒的沉淀反應及泥炭積累，其中泥炭積累是不可持續(xù)的工藝。當系統(tǒng)中填料的吸附容量達到飽和，且進水濃度較低時，會發(fā)生P的釋放，使得出水的P濃度大于進水。另外，腐爛的植物組織會成為P的釋放源，為了去除植物體中積累的P，有必要定期收割濕地植物。
2、提高氮磷去除率的研究
氮、磷作為生物生長發(fā)育所需的兩種重要元素，通常以多種形態(tài)存在于廢水中而引起水體的富營養(yǎng)化，這樣不僅降低水體水質和影響水體功能，而且威脅到人類生存的環(huán)境，所以長期以來污水除氮、磷一直是污水處理的一項很重要的任務。提高人工濕地的氮磷去除率主要是通過濕地植物、基質以及微生物的共同作用來完成的。
2.1 植物
人工濕地根據(jù)濕地中的主要植物形式可分為浮水植物系統(tǒng)、挺水植物系統(tǒng)和沉水植物系統(tǒng)。在人工濕地污水處理系統(tǒng)中，水生植物特別是挺水植物是人工濕地處理系統(tǒng)的重要有機組成部分，因此能否正確地選擇合適的植物將直接影響到氮的去除效率。Anders認為植物在濕地處理中有正面和負面的作用，植物提供了細菌環(huán)境（特別是硝化細菌），但也增加了水擴散的停留時間，同類型的水生植物有利于提高氮的去除率。
魯敏等研究了香蒲、美人蕉、燈芯草、蘆葦、菖蒲、茭白和黃花鳶尾這7種武漢地區(qū)常見濕地植物對生活污水的處理效果。研究表明停留時間選擇1 d時，出水中的TN和TP濃度基本上已達到污水綜合排放的標準（GB 8978—1996），其中香蒲、美人蕉、黃花鳶尾、茭白和菖蒲的處理效果相對較好。Chris比較了流入污水的水質對濕地去除氮、磷的影響，停留時間從2 d增加到7 d，結果發(fā)現(xiàn)在沒有種植植物的濕地中TN的和TP的去除率分別從相同的12%增加到41%和36%，而在種植了棒燈芯草時分別從48%和37%增加到75%和74%，但當流入污水中氮磷含量增加時，種植了植物的濕地去除效果有一定程度的提高，沒有種植植物的卻下降。成水平專門考察了香蒲和燈芯草兩種濕地植物，結果發(fā)現(xiàn)人工濕地基質中氮、磷的含量分別比無植物的對照基質中的含量低18%~28%和20%~31%。香蒲還能在咸的污水中較好地去除N和BOD5。
在處理輕度富營養(yǎng)化水的人工濕地中,植物吸收對氮磷的去除起主要作用。蔣躍平研究的17種植物平均氮磷積累量對去除水中氮磷的貢獻率分別為46.8%和51.0%，且氮磷積累量主要集中在植物的地上部,其貢獻率分別為38.5%和40.5%，所以通過對植物地上部分的收割,就可以去除水中大部分的N、P。為了篩選對氨氮濃度比較高廢水有較強適應能力的濕地植物，有人從野外采集12種植物，種在不同濃度豬場廢水中作水培觀察，并從耐污力、地上部生物量、根系、景觀、易管理等5方面指標分別給予綜合評定。結果表明，風車草和香根草最適合用作豬場廢水處理的人工濕地植物。風車草可以在COD 2800 mg/L、NH3-N 390 mg/L以下豬場廢水中生長，香根草可以在COD 1300 mg/L、NH3-N 200 mg/L以下的豬場廢水中生長。而相同情況下風車草遷移N、P等養(yǎng)分的能力要比香根草高4~7倍。
由于利用水生植物凈化污水效果主要依靠植物運送氧氣到根區(qū)的能力，因而，選擇合適的水生植物種類在凈化污水過程中至關重要，從目前人工濕地運行的經(jīng)驗來看，人們在選擇濕地植物時一般從以下幾方面考慮:適合試驗地區(qū)氣候土壤環(huán)境條件的鄉(xiāng)土植物；根系發(fā)達，生物量較大，一般為多年生，莖葉繁茂；抗病蟲害的能力強；耐污能力和抗寒能力強；具有一定經(jīng)濟價值。
2.2 基質
目前廣泛應用的人工濕地主要由沙粒、沙土、土壤、石塊為基質，這些基質一方面為微生物的生長提供穩(wěn)定依附表面，同時也為水生植物提供了載體和營養(yǎng)物質。當污水流經(jīng)人工濕地時，基質通過一些物理的和化學的途徑（如吸收、吸附、濾過、離子交換、絡合反應等）來凈化除去污水中的N、P等營養(yǎng)物質。在早期的研究中，頁巖由于具有良好的物化性質，能極好地去除P且適合于植物生長而受到青睞。后來總結出富含鈣和鐵鋁質的基質，凈化污水中磷素能力較強，而硅質含量較高的基質凈化能力較差的規(guī)律。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)沙子除P能力的主要決定因素是鈣的含量，特別是在偏堿性的污水中，較高的鈣含量促成幾乎不溶的磷酸鈣沉淀，相反在酸性污水中，鐵和鋁的含量對于沉淀反應更為重要。
袁東海等以常見的人工濕地基質材料為研究對象，考察了磷素污染物在濕地基質系統(tǒng)中形態(tài)轉化。基質磷素飽和吸附實驗表明，礦渣和粉煤灰凈化磷素能力最強，其次為蛭石、黃褐土和下蜀黃土，砂子和沸石凈化磷素能力最差。由于砂子和沸石顆粒較粗、濾過性能較好，適合作為潛流型人工濕地基質，為了提高其磷素凈化容量，可在砂子和沸石基質中添加磷素吸附性能較強的基質材料。粉煤灰和礦渣基質磷素吸附容量很大，且磷素釋放量很低，是一種很好的凈化磷素的基質材料，但是其堿性較大，不適合植物的生長，可以作為人工濕地砂子基質或土壤基質的中間吸附層。黃褐土、下蜀黃土、蛭石由于其通透性較差，多用作表面流人工濕地基質，因其磷素吸附容量較大，如果加強濕地植被的管理，短期內不會達到磷素吸附飽和。加強人工濕地基質的管理，上述人工濕地基質材料的使用一般不會造成水體二次污染。
Andrea等采用鈣硅石作為濕地生態(tài)系統(tǒng)的基質用于去除二級廢水中可溶解的磷，結果發(fā)現(xiàn)11個垂直上流式的柱子中有9個去除率達到80%~96%，當停留時間大于40 h，出水中可溶解磷的平均濃度為0.28 mg/L。
2.3 微生物
利用人工濕地處理污水時，氮化合物的脫氮作用和磷化合物的轉化等主要是由濕地植物根區(qū)的微生物活動來完成的，人工濕地中微生物的活動是廢水中有機物降解的基礎機制。植物根系將氧氣輸送到根區(qū)，形成了根表面的氧化狀態(tài)，廢水中大部分的有機物質在這一區(qū)域被好氧微生物分解成為CO2和水，氨則被這一區(qū)域的硝化細菌硝化；離根表面較遠的區(qū)域氧氣濃度降低（屬于兼性厭氧區(qū)），硝化作用仍然存在，但主要是靠反硝化細菌將有機物降解，并使氮素物質以氮氣的形式釋放到大氣中。
李旭東對沸石蘆葦床去除農田回歸水和農村生活污水組成的混合污水中的氮進行了中試研究。結果表明，在0.6 m/d的水力負荷下，系統(tǒng)對總氮、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的平均去除率冬季和春季分別為38.9%和58.2%，93.11%和78.84%，10.01%和48.99%，38.81%和98.45%。由于春季適合微生物生長，沸石表面掛膜情況比冬季要好得多，所以春季運行效果明顯好于冬季。
此外，可以通過植物根分泌物影響系統(tǒng)中微生物的特性進而影響系統(tǒng)的處理效果，系統(tǒng)中微生物數(shù)量與凈化效果呈顯著正相關性。這些微生物主要指的是根系微生物，聚居在根際土壤，以根際分泌物為主要營養(yǎng)，其根分泌物能為土壤微生物提供大量的營養(yǎng)和能源物質。根際微生物不僅種類和數(shù)量遠高于非根際土壤，而且其代謝活性也比非根際微生物高。項學敏等研究了濕地植物蘆葦和香蒲根際微生物的數(shù)量、活性等特性，結果表明蘆葦和香蒲具有明顯的根際效應，根際微生物活性高于非根際的微生物活性，蘆葦根際比香蒲更適合亞硝酸細菌的生長。但是蘆葦這種特性是否更有利于濕地系統(tǒng)中NH3-N的去除，還有待更進一步的研究。
3、問題與展望
人工濕地污水處理系統(tǒng)是一種集環(huán)境效益、經(jīng)濟效益及社會效益于一體的污水處理方式，具有建造成本較低、運行成本很低、出水水質好、操作簡單等優(yōu)點，同時如果選擇合適的植物品種還有美化環(huán)境的作用，是一種適合我國國情的一項污水處理新興工藝，尤其適用于解決廣大農村地區(qū)、中小城鎮(zhèn)地區(qū)的水質問題，因而有著廣闊的應用前景。去除污水中的氮磷是人工濕地污水凈化系統(tǒng)一個很重要的功能。為了達到最佳的氮磷去除效率，建議在系統(tǒng)設計和運用時，根據(jù)人工濕地系統(tǒng)的氮磷的去除機理及其主要影響因素，避害趨利，以取得理想的氮磷凈化效果。
由于氮在濕地微生物作用下主要經(jīng)硝化和反硝化作用而轉化去除，因此應研究在缺氧條件下微生物氧化銨的過程并設法促進之，如通過調節(jié)環(huán)境條件，培養(yǎng)優(yōu)化菌種進行生物強化。
基質是將污水轉變成清水以及水生植物和微生物賴以生存的場所，也是有機污染物轉為無機無毒物質的樞紐，其組成直接關系到氮磷的凈化效率等因素，因此很有必要對基質的組成加以深入的研究，以石、礫石、砂和土壤為基本原料，并添加合適的附料，通過不同的組合方式，進一步提高人工濕地的性能以推廣其運用。
濕地植物在人工濕地系統(tǒng)去除氮磷的過程中起到重要的作用，而它們在人工濕地中的凈化作用不盡相同。增加人工濕地中的植物多樣性，選擇冬春和夏秋兩類不同功能群的植物在人工濕地中接續(xù)生長，這樣可以提高人工濕地在冬季的凈化效果，增強人工濕地凈化能力的季節(jié)間穩(wěn)定性。另一方面，要定期處理好老化后的植物，以免降低凈化效率。此外可以利用基因工程培植新的植物種類，以滿足多方面的需求。在選擇凈化植物時不僅要考慮地帶性、地域性種類，還要選擇經(jīng)濟價值高、用途廣以及與濕地園林化建設相結合的種類，這樣可以同時帶來經(jīng)濟效益和社會效益。
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