曾馨蓉，趙茜芮，顏海寧，卜兆偉，李 偉

(西藏大學(xué)理學(xué)院，西藏 拉薩 850000)

隨著科技、社會、工業(yè)的發(fā)展，水體富營養(yǎng)化已成為我國水資源可持續(xù)發(fā)展面臨的重要問題。水體富營養(yǎng)化[1]是指，生物所需的營養(yǎng)元素如氮、磷等大量進(jìn)入水體，引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖，使水體透明度和溶解氧含量下降，水質(zhì)惡化，甚至影響飲用水的安全，最終會對人體健康造成威脅，因此，去除污水中的氮、磷等污染物迫在眉睫。

目前，常用的除氮磷的方法主要有生物法和化學(xué)法兩大類。生物法脫氮除磷主要有Bardenpho 、Phoredox 、A2/O 、UCT 、MUCT、VIP、氧化溝、SBR等[2]工藝，適用于處理含氮、磷濃度較低的污水?；瘜W(xué)法脫氮除磷主要包括混凝沉淀法、結(jié)晶法、離子交換吸附法、電滲析、反滲透[3]、超臨界水氧化(SCWO)[4]等工藝，適用于處理含氮、磷濃度較高的廢水。但上述方法存在成本高、效率低，難以應(yīng)用于實際污染環(huán)境，故而尋找一種耗能低、投資少、工藝簡單、便于管理和維護、脫氮除磷效果好的綠色生態(tài)處理技術(shù)是凈化水質(zhì)的關(guān)鍵，人工濕地便是順應(yīng)這些要求而生的新興污水凈化處理工藝。

1 人工濕地的概述

人工濕地是由人工構(gòu)建并控制運行的、與自然濕地相似的系統(tǒng)，主要是由預(yù)處理系統(tǒng)、進(jìn)水系統(tǒng)和濕地處理系統(tǒng)組成[5]?；|(zhì)(填料)、植物、微生物是建造人工濕地的基礎(chǔ)，通過三者的協(xié)同作用可以去除污水中的氮、磷等污染，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。

2 人工濕地脫氮除磷的機理

2.1 人工濕地脫氮機理

氮元素是植物的重要養(yǎng)分，廢水中的污染物,如氨氮、硝酸鹽等,能被植物吸收并通過收割從系統(tǒng)中去除。濕地植被脫氮效率與其生物量呈正相關(guān)，但因為人工濕地中的植物種類較少,即人工濕地的生物量相對較低，故而濕地植物脫氮貢獻(xiàn)率較低，通常不超過18%[6]。

基質(zhì)是人工濕地的骨架，是建造人工濕地的基石。傳統(tǒng)基質(zhì)的主要作用，一是做植物生長的載體，二是為微生物提供大量的附著空間，其對于污水中含氮污染物的去除沒有明顯效果。近年來，隨著深入研究，發(fā)現(xiàn)了很多對TN(總氮)具有吸附作用的基質(zhì)，如沸石、紅泥、水洗砂和爐渣等。張燕等[7]研究發(fā)現(xiàn),含有CaO、SiO2、Na2O、MgO、 Al2O3和Fe2O3等成分的基質(zhì),對氨氮有較好的吸附效果。

微生物的吸收轉(zhuǎn)化是人工濕地脫氮最主要的途徑，其對氮的轉(zhuǎn)化方式包括氨化、硝化、反硝化、厭氧氨氧化、硫自養(yǎng)反硝化及同步硝化反硝等過程。黃娟等[8]對人工濕地中氮的轉(zhuǎn)移途徑進(jìn)行了定量分析，結(jié)果表明，附著在基質(zhì)上的微生物通過同化吸收作用去除的總氮量約為31%，附著于植物根系的微生物降解去除的總氮量約為19%?？傮w而言，微生物對氮的去除率在50%左右。

2.2 人工濕地除磷機理

基質(zhì)的吸附和攔截作用是人工濕地除磷的主要途徑?；|(zhì)表面的物理吸附作用可使污水中磷的含量降低，而基質(zhì)內(nèi)部的陽離子與磷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成難溶性鹽可達(dá)到除磷凈水的目的。研究發(fā)現(xiàn)，濕地基質(zhì)對污水中 TP (總磷)的去除率可達(dá)90%以上[9]。

微生物在除磷的過程中扮演著不太重要的角色，它對除磷的貢獻(xiàn)率僅為14.5%[10]，并且只有通過聚磷菌(嗜磷菌)的同化吸收和過量積累作用才對磷的去除有一定效果。仇付國等[11]研究發(fā)現(xiàn)，聚磷菌在富氧環(huán)境中可以吸收大量的磷，而在缺氧條件下，會將部分磷釋放到環(huán)境中，但總的來說，聚磷菌在富氧條件下吸收轉(zhuǎn)化的磷的量大于其在厭氧環(huán)境中釋放的量，故聚磷菌在除磷方面有一定作用。

植物在生長過程中會不斷吸收磷素合成DNA、RNA、ATP等有機成分，從而使污水中磷的濃度降低，但此途徑必須定時對濕地中的植物進(jìn)行收割，否則當(dāng)植物停止生長或枯萎后，會將磷元素重新釋放回濕地系統(tǒng)，導(dǎo)致水體含磷量升高，故而通過植物吸收除磷的效果不甚理想，去除率小于15%[12]。

3 影響人工濕地脫氮除磷的相關(guān)因素

3.1 影響人工濕地脫氮的相關(guān)因素

3.2 影響人工濕地除磷的相關(guān)因素

人工濕地對含磷污染物的凈化不僅受基質(zhì)、微生物和植物等自身理化性質(zhì)的影響，還受限于溫度、pH、水中溶解物、DO濃度、水力停留時間(HRT)、水力負(fù)荷等因素的影響。溫度不僅影響微生物和植物的生存、生長，而且還會影響基質(zhì)的除磷能力，因為環(huán)境溫度會影響基質(zhì)的化學(xué)吸附平衡；吸附質(zhì)在基質(zhì)內(nèi)部與表面的擴散作用也受溫度影響，溫度升高會使基質(zhì)表面的液膜阻力減小，便于磷進(jìn)入基質(zhì)內(nèi)部且被基質(zhì)吸附固定[15]。pH通過干擾基質(zhì)的吸附能力進(jìn)而影響其除磷效果，具體關(guān)系如表1所示。溶解氧量與微生物的生命活動相關(guān)，聚磷菌在有氧條件下吸收磷，在無氧條件下釋放磷。水力停留時間(HRT)是影響人工濕地除磷效果的一大關(guān)鍵因素，污水停留時間過短即污水與濕地接觸時間較短，會導(dǎo)致反應(yīng)不充分，適當(dāng)延長污水的停留時間可提高磷的去除率，但停留時間過長會引發(fā)逆反應(yīng)使污染物被再次釋放出來。研究發(fā)現(xiàn)，在人工濕地實踐中水力停留的最佳時間為2d[16]。進(jìn)水水力負(fù)荷對磷的吸附、沉淀過程都有影響，Calder等[17]研究發(fā)現(xiàn)，在達(dá)到吸附(沉淀)平衡之前，高濃度的含磷廢水有利于磷的吸收而低濃度的含磷廢水會導(dǎo)致土壤中磷的釋放。

表1 pH與除磷的關(guān)系

4 實際應(yīng)用中存在的問題

4.1 基質(zhì)

在實際運用中，人工濕地基質(zhì)的選擇需兼顧脫氮除磷效率和成本問題，除此以外，基質(zhì)飽和也是人工濕地研究的核心問題。因此，尋找高效、易得、吸附性強、穩(wěn)定性好的填料是人工濕地需要研究強化的重點。李強等[21]以聚氯化鋁(PACR)、膨潤土為主要原料，蛋殼為添加劑，制備出一種性能穩(wěn)定的陶粒基質(zhì)，該基質(zhì)對磷的吸附率較高，可達(dá)99.74%，不僅可以廣泛運用于污水凈化處理，還能解決一些地區(qū)聚氯化鋁殘渣的后續(xù)處理問題，變廢為寶。田淼等[22]研究塑料流化床填料，發(fā)現(xiàn)在適宜的溶解氧濃度下，該材料對總氮和總磷均具有較好的吸附效果。

4.2 溫度和溶解氧量

溫度和溶解氧量是制約人工濕地發(fā)展的關(guān)鍵因素。在我國高寒缺氧地區(qū)(如青藏高原)，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，人工濕地是該地區(qū)污水處理的首選工藝，但因自然環(huán)境惡劣，植被生長周期短、生理性質(zhì)發(fā)生變化，微生物活性減弱，人工濕地凈水系統(tǒng)受到制約，導(dǎo)致其凈水效果下降。研究發(fā)現(xiàn)，改變運行操作，采用周期運行方式，進(jìn)行人工曝氣，利用溫室進(jìn)行隔離等[10]措施，對該地區(qū)人工濕地凈水有一定恢復(fù)作用。

4.3 植物和微生物

優(yōu)化植物配置、強化微生物的作用是促進(jìn)人工濕地凈化污水的有力措施。據(jù)統(tǒng)計，在有關(guān)人工濕地植物凈水效果的相關(guān)報道中，出現(xiàn)頻數(shù)最多的前10種植物依次為：蘆葦、美人蕉、風(fēng)車草、香蒲、菖蒲、旱傘草、燈心草、千屈菜、蔥和金魚藻，這些植物具有分布廣、對環(huán)境適應(yīng)性強、生長周期長、生長迅速、生物量大、根莖組織發(fā)達(dá)等特點。其中，種植蘆葦?shù)娜斯竦貙Π钡⒖偟娜コЧ詈?，平均去除率可達(dá)90%；風(fēng)車草對磷的去除效果較好，約為70%[23]。強化微生物的作用要從菌群種類和數(shù)量著手，選擇脫氮除磷效果較好的菌群、增加微生物的數(shù)量、提高微生物的活性等都有利于加強微生物的作用。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

1)人工濕地脫氮除磷與基質(zhì)、植物、微生物各自的作用及三者的協(xié)同作用密不可分，其中，微生物在人工濕地脫氮中貢獻(xiàn)率最高，基質(zhì)在除磷方面的效果最好。本文對人工濕地脫氮除磷機理做了簡要總結(jié)，未進(jìn)行深入探究，旨在為初步了解人工濕地提供參考。

2)影響人工濕地脫氮除磷的因素多而復(fù)雜，包括濕地自身結(jié)構(gòu)和各要素的理化性質(zhì)以及外部環(huán)境的影響。對影響因素進(jìn)行探究，實現(xiàn)人工濕地可控化，有利于該技術(shù)更好的運用于實際、解決水體污染等問題。

5.2 展望

1)人工濕地在凈化污水方面有很大潛力，但其構(gòu)建規(guī)模較小且存在許多不可控因素，未來應(yīng)該運用更加全面先進(jìn)的技術(shù)深入研究人工濕地凈水系統(tǒng)的機制和相關(guān)因素，把不可控因素變?yōu)榭煽匾蛩?，使人工濕地的功能發(fā)揮的更全面。

2)在脫氮除磷方面，人工濕地做出的貢獻(xiàn)非常矚目，但水資源污染不僅僅局限于氮、磷污染，隨著社會的發(fā)展，許多新型污染物質(zhì)相繼出現(xiàn)，未來可以對人工濕地凈化新型污染物質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的研究探索。