人工湿地脱氮除磷研究进展
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人工湿地脱氮除磷研究进展
摘要归纳总结有关人工湿地去除氮和磷的机理，并分析基质、进水水质和水流类型等因素对处理效果的影响，指出存在的问题和发展方向。
关键词人工湿地；氮和磷；潜流；表面流；垂直流
湿地是指被地表水或地下水长期或间断性地淹没或饱和，并通常伴生有优势的水生植被与水生生物的地方[1]。从组成来看，湿地系统包括水、永久性或间歇性处于饱和状态的基质以及水生生物[2]。人工湿地就是利用自然湿地生态系统中物理、化学、生物的协同作用，由人工设计和建造的一种新型污水处理系统，是人工建造和监督控制的工程化的沼泽地。在污水净化方面，湿地被认为是“天然的污水净化器”。与常规的污水处理系统相比，湿地技术的优点有：基建投资和运行费用低，分别相当于传统二级污水厂的1/10～1/2和1/5～1/3[3]；抗冲击负荷、处理效果稳定、出水水质好；芦苇等植物可以利用（作为造纸原料）等。但是也存在处理负荷有限，占地面积较大，易受季节变化（如温度和降雨量变化）影响等缺点[4]。因此，人工湿地技术不失为我国经济尚欠发达、地理条件相对宽裕的广大中小城镇、居民小区污水处理的优选方案。目前，人工湿地已经广泛地应用于处理生活、养殖污水，蓄积和净化暴雨径流，利用人工湿地控制面源污染，恢复和重建河流、湖泊湿地，在线净化受污河、湖水等各个方面。
1污染物去除机理
人工湿地充分利用填料、植物根系和微生物的作用，形成一个综合处理工艺，从而有效地去除污染物。
1.1有机物的去除
沉淀和过滤作用可以截留不溶性有机物，进而使有机物被微生物利用。人工湿地成熟以后，在填料和植物根系表面会形成生物膜。有机物经过时被生物膜吸附、吸收，进而被微生物所降解。
1.2氮的去除
沸石等填料对氨氮有吸附作用，pH值较高（大于8.0）时会有气态氨挥发出来。植物也会吸收无机氮作为自身营养物质，但是一般不到TN去除量的10%。也有研究表明，植物吸收可以去除更多无机氮。但是人工湿地中氮的去除主要还
是靠微生物的氨化、硝化和反硝化作用。由于植物根系能够释放氧气，使得根系周围出现厌氧、缺氧和好氧环境，有利于脱氮反应的进行。但是由于硝化的速率比较慢，有限的氧气大多被有机物消耗掉了，所以硝化作用受到了限制。又由于有机物被分解掉了，所以反硝化的碳源又受到影响。所以很多人工湿地的脱氮效率并不是很高。湿地工艺类型或者进水中氮的负荷不同时，处理效率也不同。
为改善潜流人工湿地中的缺氧状态，增加潜流人工湿地中的DO，孙亚兵等[5]一方面在潜流湿地中铺设3层PVC穿孔管，增加管路中废水与空气的接触，增强大气的输氧作用；另一方面，系统采用连续进水、间歇出水的方式，延长了废水与空气的接触时间，改善了缺氧状况，COD、NH4+-N、TP的去除负荷随着进水浓度的升高而增大，其最高去除负荷分别为226.38kg/d·hm2、44.40kg/d·hm2、10.44kg/d·hm2，相应的去除率为89.45%、88.93%、90.25%，且系统有较强的抗冲击负荷能力。
1.3磷的去除
与磷元素的去除有关的作用有理化作用，有吸附和沉淀作用、沉积作用、土壤和表覆水之间的扩散交换作用等。生化过程有：植物、附着微生物、其他微生物的吸收；植物枯枝和土壤中有机磷的分解和矿化。
但是吸附和沉淀容易达到饱和，植物的吸收作用也是有限的。因此，一般湿地的除磷效率不是很高，在40%到60%之间。为了提高除磷效果，应该选择吸附和沉淀效果好的基质，如砾石等含有钙离子的基质；可以引入含有Fe3+、Al3+的废水，或加入FeCl3和KAlSO4·12H2O（明矾）等药剂[2]；调节pH值和ORP等环境条件；还要经常收割长好的植物，集中处理和利用。
2湿地净化污水的影响因素
湿地净化污水主要是通过湿地中的植物、土壤和微生物等成分的共同作用，而且更多的时候还是这些成分的相互作用，导致了湿地具有强大的净化功能。进水水质、湿地的组成和结构特点、环境条件以及操作和运行的方式等都会对湿地的净化效果产生影响。
2.1基质
基质包括有机介质，如土壤、草炭，还包括砾石、沸石、高炉渣和粉煤灰等无机介质。
土壤是湿地的基本基质和载体，其去污过程来自离子交换、专性与非专性吸附、螯合作用、沉降反应等。实际上，土壤对污水中磷和重金属的净化主要就是通过上述反应实现的，其反应产物最终吸附或沉降在土体内，从而使土体内这些元素的含量急剧升高，几年之后即可高达入水浓度的10～10 000倍以上[1] 。
沸石具有巨大的比表面积（400～800m2/g），对铵态氮具有极强的选择吸附性，可快速截留污水中的氨氮。但吸附并不能作为氨氮去除的最终途径。由于其巨大的比表面积，沸石还是一种比较理想的生物载体，系统稳定运行一段时间后，沸石表面会形成生物膜，这时，离子交换和硝化、反硝化反应都在起作用。由于这些作用的存在，沸石潜流湿地在去除硝酸盐氮方面也明显好于砾石湿地。这说明，沸石作为人工湿地的填料在脱氮方面具有优势。
不同的基质对潜流型湿地的处理效果影响较大。李旭东等（2005）研究发现：在相同进水水质和1d水力停留时间下，沸石潜流湿地脱氮效果最佳，去除率接近60%；砾石潜流湿地除磷效果最佳，去除率可达70%；自由表面流湿地脱氮除磷效果介于沸石和砾石潜流湿地之间。
2.2进水水质及水力负荷
水质的变化对湿地去除氮磷的效率有较大的影响，因为湿地的处理负荷是有限的，超出负荷时，处理效率就会下降。
2.3流型
根据废水流过湿地的方式不同，人工湿地废水处理工艺可分为表面流、潜流、水平流和垂直流等形式。
不同的水流类型显然也会对处理效果产生影响，但如果将表面流型与潜流型、水平流与垂直流结合起来，去污效率无疑会进一步提高。
2.3.1潜流人工湿地。潜流人工湿地的污水在湿地的地表下流动，保温效果好、负荷高、处理效果受气候影响小，且卫生条件好，很少有恶臭和蚊蝇滋生的现象，因此，在发达国家得到广泛应用。
水平潜流人工湿地在欧洲得到广泛利用，对TSS和COD的去除效果较好，但对氮、磷的去除率不到50%。
严立等（2005）研究了三级潜流式人工湿地的净化效果，结果发现：与单级人工湿地相比，三级人工湿地具有更好的脱氮除磷性能，对TP和TN的去除率分别达到35.1%～65.3%、28.7%～62. 9%，同时能减轻出水中的氨臭现象。 在
三级人工湿地系统中，有机物基本上是在砾石段去除的，后续的沸石段通过对NH4+-N的吸附实现了对TN的去除，而最后的粉煤灰段则对磷具有良好的去除效果。
2.3.2表面流人工湿地。表面流人工湿地通常是利用天然沼泽、废弃河道等洼地改造而成的，其底部有由粘土层或其他防渗材料构成的不透水层，以防止有害物质对地下水造成的潜在危害，填以渗透性良好的土壤（10-6～10-7m/s），生长着各种挺水、潜水植物，污水以比较缓慢的流速和较浅的水深流过土壤表面，经过表面流人工湿地系统中各种生物、物理、化学作用，从而得到净化。
自由表面流湿地在夏、秋季会生长藻类和浮萍，阳光充足时，其光合作用吸收CO2，使得湿地内的pH值升高，一般能达到9～10，可以促进氨的挥发。目前，普遍认为人工湿地的脱氮主要还是靠微生物的硝化反硝化作用。为了提高脱氮效果，设计的时候必须要保障水中有充足的溶解氧以完成NH4+-N的硝化，同时又要使反硝化细菌有适宜的厌氧缺氧环境和充足的有机物来源，以保障反硝化脱氮这一表面流人工湿地系统中主要脱氮途径的顺利进行。
2.3.3组合工艺。为了提高处理效果，常常将水平潜流和垂直流工艺组合起来。垂直流湿地的硝化除氨效果较好，但反硝化效果较差，而表面流湿地则相反，将两种湿地组合起来，形成多级湿地工艺，可以提高脱氮效果。根据两者先后顺序不同，分为VF-HF和HF-VF两种类型。
3存在的问题及解决途径
尽管人工湿地具有投资少，运行费用低，操作简单等优点，但是也存在占地面积大、处理负荷低、处理能力容易饱和等问题。为了在我国广大农村和中小城镇推广利用，今后还需要做好以下一些工作。
（1）进一步加强对净化机理和工艺动力学的研究，为强化物理、化学和生物的综合作用提供理论指导。
（2）选择处理效果好、来源丰富、成本低的基质，利用碎石、粉煤灰、钢渣和炉渣等固体废弃物；利用本地植物品种，引进外来物种，开发新品种；将不同种植物搭配起来混种；为微生物提供温度、溶解氧、碳源等外部条件，促进有机物的降解和脱氮除磷作用。
（3）选用适当的预处理工艺，如用厌氧消化处理养殖废水，用沉淀池处理生活污水和雨水径流。采用组合工艺，将潜流和表面流、水平流和垂直流结合起来，进行多级分步处理。
