水平潜流人工湿地的脱氮技术

　　在当前我国面临的水环境污染形势中，水体富营养化已经成为突出的污染问题。氮是造成水体富营养化的主要因素之一，从水体中高效脱氮已成为水环境领域的研究热点。水平潜流人工湿地(HSSFCWs)作为一种生态化、低成本的污水处理和生态修复技术，其可承受较大的水力负荷和污染物负荷，在全球范围内被广泛应用于污废水的脱氮处理。污染物在水平潜流人工湿地中的去除和转化综合了物理、化学和生物学过程，水平潜流人工湿地的脱氮能力正是源于其中的协同机制。水平潜流人工湿地中存在多种脱氮机理，包括植物吸收、基质吸附、硝化-反硝化等，利用微生物进行硝化-反硝化是水平潜流人工湿地脱氮的主要途径。影响水平潜流人工湿地脱氮的主要因素包括溶解氧、基质、植物、碳源及运行条件等。笔者综述了水平潜流人工湿地脱氮的各种机理和影响系统脱氮的主要因素，同时论述了提高系统脱氮效果的措施，并对今后的相关研究方向进行了展望。

　　1 水平潜流人工湿地脱氮机理

　　水平潜流人工湿地中氮的去除方式主要包括植物吸收、基质吸附和硝化-反硝化作用等，其中硝化-反硝化作用是其比较主要的脱氮机理。污水中的氮主要以有机氮和无机氮2种形态存在，污水进入水平潜流人工湿地后，有机氮被氨化成无机氮，通过硝化及反硝化作用被进一步去除。硝化过程在好氧条件下由亚硝化细菌和硝化细菌来完成：

　　硝化作用取决于湿地中的溶解氧含量，当湿地中的溶解氧含量足已支持好氧硝化细菌的生长时，硝化反应才得以顺利进行。

　　反硝化过程则在缺氧条件下由反硝化细菌来完成。根据反硝化原理，反硝化过程是从NO3-到NO2-、NO、N2O、N2。每个半反应如下：

　　反硝化作用取决于湿地中的碳源含量，充足的碳源可以为反硝化作用提供足够的电子供体，进而推动上述各半反应的顺利进行。

　　在水平潜流人工湿地脱氮的过程中，硝化反应仅仅将氨氮转化成硝态氮，并没有使氮从水体中真正脱除。反硝化作用则将硝态氮转换成N2或N2O,使水体中的氮转化成气态氮逸出系统。因此，反硝化作用被认为是系统脱氮的关键因素。

　　2 影响脱氮的主要因素

　　2.1 植物

　　植物是水平潜流人工湿地重要的组成部分。植物通过生物量增长从湿地中吸收氮素被认为是湿地脱氮的重要途径之一。研究表明，植物吸收的比较大总氮量占进水量的5%～15%。此外，植物根系的输氧功能可改变水平潜流人工湿地系统内部的溶解氧环境，为微生物硝化-反硝化作用的进行提供适宜的环境条件，进一步促进氮的去除转化。

　　不同植物因其生理特性、根系输氧能力等的不同，对氮的吸收能力也存在较大差异，比较终导致湿地除污效果的明显不同。表 1对比了几种常见湿地植物的脱氮效果。

　　在选择湿地植物时，应根据当地环境、经济价值和景观效果等筛选生物量大、耐污能力强、根系发达且抗逆性强的植物。同时，应重视植物之间的合理搭配及使用，充分发挥不同植物的去污特点，通过优化物种组合提高水平潜流人工湿地的净化效果。

　　2.2 基质

　　基质作为水平潜流人工湿地重要组成部分，在为植物和微生物提供生长介质的同时，还能够通过沉淀、过滤和吸附等从湿地中去除氮素。不同种类基质，对氮的净化机理不同，对氮的去除效率也有明显的差异。表 2比较了几种常见基质的脱氮效果〔25, 26, 27〕。

　　湿地基质的理化属性也可能影响其对污水的脱氮效果。基质的粒径大小与孔隙度决定着水平潜流人工湿地渗透系数的大小。一般孔隙率大的基质可使废水比较容易地渗透到其中，除氮的各种机理可以在基质内部发生，从而提高脱氮效率。

　　在选择湿地基质时，应遵循材料的易得、高效、价廉及安全无毒等原则。应首先筛选对污染物去除能力强的当地材料，这样既能提高水平潜流人工湿地对污水的净化能力，又能减少成本投入。此外，应重视基质材料之间的组合使用，通过发挥各基质的优势效应提高水平潜流人工湿地的去污能力。

　　2.3 碳源

　　水平潜流人工湿地具有较好的反硝化效果，而碳源是系统反硝化脱氮的重要保障之一 〔28〕。不同碳源物质被反硝化菌利用的程度及代谢产物均不相同，因而对反硝化过程产生的影响亦不相同，即使外加碳源投加量相同，反硝化效果也有所不同〔29〕。目前，人工湿地脱氮工艺大多采用传统碳源，包括一些糖类物质和易生物降解的液体碳源(甲醇、乙酸等),费用较高，且该类有机碳源具有一定毒性。为了降低脱氮成本，寻找经济、无毒、高效、实用的新型碳源成为研究趋势。其中，天然植物材料不仅富含纤维素且可作为资源化利用的有机碳源，包括湿地植物的枯枝落叶、废弃的木材、农用废弃物稻杆或麦秆等各种植物秸秆材料。表 3对比了新型植物碳源和传统碳源的脱氮效果〔30, 31, 32〕。在达到近似脱氮效果的前提下，植物碳源提取液的使用成本仅占传统碳源的19%~27%,且其使用量仅为传统碳源的28%~40%,对出水水质没有任何影响。

　　2.4 溶解氧

　　微生物硝化-反硝化作用是水平潜流人工湿地脱氮的主要机理。其中，硝化作用和反硝化作用对氧的需求是不一样的。硝化作用是好氧过程，通常情况下发生硝化作用时溶解氧应高于2.0 mg/L;反硝化作用则是厌氧过程，溶解氧应低于0.5 mg/L〔33〕。湿地氧环境关系到湿地的正常运转及其净化效果〔34〕。和垂直流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的构造决定了其内部整体厌氧的环境，使其具有较好的反硝化脱氮效果。为了保障湿地硝化-反硝化这一重要脱氮机制的畅通，需同时提高硝化和反硝化脱氮的效率。周斌等〔35〕研究发现，间歇运行方式对水平潜流人工湿地床体中上层氧环境有较明显地提升，落干时间的延长可以增强复氧效果，硝化反应强度可随湿地氧环境的改善而提高，且间歇运行方式下的反硝化能力高于连续运行方式。周健等〔36〕的研究也表明，采用间歇进水方式，氨氮和总氮平均去除率可分别达到89.0%和74.0%,比连续式进水的氨氮和总氮去除率分别提高3.0%和32.0%.因此，间歇运行方式被认为是保障水平潜流人工湿地硝化-反硝化脱氮的有效途径。为进一步提高湿地系统脱氮效率，可采用人工增氧技术改善湿地氧环境，主要包括改进湿地工艺设计、自动增氧、进水预曝气和铺设曝气管等〔37〕。

　　2.5 运行条件

　　2.5.1 进水水质

　　进水碳氮比对水平潜流人工湿地硝化-反硝化作用的影响很大，污水中低碳氮比是导致系统脱氮效率低的主要原因。因此，在进水总氮含量恒定的情况下，碳源的增加有利于系统反硝化作用的顺利进行。但是随着碳氮比的不断增加，碳源与氨氮竞争消耗溶解氧，导致硝化反应无法有效进行。贾文林等〔38〕研究发现，总氮去除率随碳氮比的增大而逐渐提高，而氨氮去除率则随着碳氮比的增加而降低。碳氮比越高，反硝化过程越彻底。陈庆昌等〔39〕的研究也证实，碳氮比的提高抑制了硝化反应的进行，从而限制了氨氮的转化。因此，合理调整进水碳氮比将是提高湿地脱氮效率的重要途径。对以硝态氮为主的污水，提高碳氮比可保证反硝化脱氮的顺利进行。对以氨氮为主的污水，还必须考虑系统复氧的问题。

　　2.5.2 布水方式

　　出水回流的运行方式可以增加污水在水平潜流人工湿地中的停留时间，使污水与附着在植物根系与基质上的生物膜充分接触，有利于提高水平潜流人工湿地的脱氮效率〔5〕。包涵等〔40〕分析了不同回流方式及回流比对水平潜流人工湿地脱氮效果的影响，结果表明，当回流比为10∶1时，湿地内部的溶解氧升高，氨氮去除率显着提高;而无论有无回流，水平潜流人工湿地内部都能进行高效的反硝化反应。张涛等〔41〕研究发现，将水平潜流人工湿地出水按1/3的回流比回流到湿地进水口时，可获得较好的总氮去除率，总氮去除率达到60%以上，相比未回流处理，总氮去除率提高了约 20%.当水平潜流人工湿地出水回流时，回流混合液中的反硝化细菌可利用原污水中的有机物作为碳源，将回流中的硝态氮还原成N2或N2O,从而达到脱氮目的。

　　2.5.3 水力停留时间

　　水力停留时间是影响水平潜流人工湿地脱氮效果的重要因素，通常情况下，随着水力停留时间的延长，污水中的氮与附着在植物根系与基质上的微生物有充分的接触和反应时间，因而脱氮效率也会随之升高。崔芳等〔42〕研究发现，水力停留时间在4~24 h时，水平潜流人工湿地对污水中氨氮的去除率仅为29.0%~30.69%;随着停留时间的延长，在48 h时，氨氮去除率达到40.25%;随后氨氮去除率随停留时间的延长而降低，这是因为停留时间过长，系统处于缺氧状态，硝化作用受到抑制，导致氨氮去除率下降。Yi Ding等〔18〕研究发现，在进水碳源充足的条件下，当水力停留时间为2 d时，硝态氮和总氮去除率分别仅为70.0%和46.0%,而当水力停留时间为4 d时，硝态氮和总氮去除率可分别达到97.1%和94.4%,水力停留时间对水平潜流人工湿地反硝化过程有着显着影响。

　　3 结语和展望

　　随着生态文明建设的推进，我国在水环境领域亟需经济高效的工艺设备和技术。水平潜流人工湿地因具有投资省、操作简便、运行费用低等优势，目前应用非常广泛，尤其适合于我国农村中、小城镇的污水处理，具有较高的环境效益、经济效益及社会效益。作为引起水体富营养化的主要因素，氮素在水平潜流人工湿地中主要经过微生物的硝化-反硝化作用被去除，如何确保硝化-反硝化的顺利进行将是未来研究的重点。当前已有不少研究者关注新型“绿色”碳源和基质材料的研发，这些材料符合无毒、经济、高效的使用原则，可更好地提高水平潜流人工湿地的脱氮效率。此外，针对目前水平潜流人工湿地占地面积大的不足，已有研究人员研发了一种占地面积小的塘床耦联复合型人工湿地净水系统，旨在通过组合技术更高效地净化污染水体，同时可有效缓解当前用地紧张与治污建设之间的矛盾，对水平潜流人工湿地在更大范围内的推广使用具有重要意义。

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