人工濕地脫氮除磷影響因素及改進措施研究

李勇 王文鵬 劉靜

（1 山東省安丘市環境保護局監測站, 山東 安丘262100；2 青島職業技術學院生物與化工學院,山東青島 266555；3 山東省安丘市工商業聯合會, 山東 安丘262100）

人工濕地污水處理系統是一類模仿自然濕地建造的綜合生態系統，是傳統污水處理系統的有效替代，其作為一種綠色的廢水處理工藝，被廣泛應用于凈化處理生活污水、工業廢水、農業廢水等。人工濕地具有運行成本小，維護要求較低，產生污泥少，消耗能量低，經濟、環境收益佳等優點。人工濕地污水處理系統在提高氮、磷去除率方面起到了至關重要的作用。本文通過文獻檢索和分析，從非生物因素和生物因素兩個方面闡述了溫度、pH值、植物和微生物等因素對人工濕地污水處理系統脫氮除磷效果的影響，并提出了相應的改進方案，以期為后續人工濕地的研究和發展提供理論依據。

1 脫氮除磷影響因素

1.1 非生物因素

1.1.1 溫度 氮磷在人工濕地的去除過程主要是利用土壤—微生物—植物這個復合生態系統的物理、化學和生物的三重協調作用通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現的。而溫度對于填料、植物、微生物的作用都有不同程度的影響（張軍等, 2004; Tan et al, 2017）。已有研究表明，在溫度較低的條件下，粒徑較大的懸浮顆粒附著在基質上并不斷增多，進而會堵塞人工濕地（孔慧敏等, 2016）。且低溫使微生物生長代謝受到抑制，微生物的硝化反硝化過程受到影響，從而降低了脫硝率。此外，由于冬季植物生長遲緩，氧氣轉移受到限制，不利于硝化的進行，因此低溫導致人工濕地處理污水時氮的去除率降低（Wang et al, 2012）。相反，溫度升高會使濕地植物及微生物的生物活性增強，對氮磷的吸收分解速率加快，進而提高脫氮除磷的效率。

1.1.2 pH值 pH值是影響脫氮除磷效果的重要因素之一。人工濕地的脫氮除磷是植物、基質和微生物的共同作用，但微生物的轉化占主導地位。一般來說，微生物的活性具有最適pH值范圍，如硝化菌的最適pH值范圍為8.0～8.4（鄧春光等,2007），但反硝化菌的最適pH值范圍為6.5～7.5（張自杰等, 2000）。在氮的去除過程中，pH值的變化會使硝化反硝化細菌的活性發生改變，進而影響脫氮效率。故人工濕地凈化廢水時，pH值的變化會對微生物的種類和數量有重要影響，一旦脫離廢水處理的最適pH值范圍，就會造成成本增加，脫氮除磷效率減慢等問題。

1.1.3 水力停留時間 已有研究表明人工濕地脫氮除磷的效率受水力停留時間(HRT)的影響（徐麗等, 2014; 楊林, 2013）。隨著水力停留時間的減少，總氮的去除率表現為先增大后減小的趨勢，而總磷的去除率則持續減小。總氮去除率的變化是由于污水脫氮主要依靠氨化、硝化、反硝化作用，經人工濕地處理的污水中的氮首先經過基質的吸附，水力停留時間越長，氮的去除率越高，但經過一段時間后，最初由基質吸附為微生物提供原料的氮多數被吸收，微生物反應逐漸減緩，最終趨于不變。而總磷去除率的變化是由于污水除磷的主要途徑為植物攔截和底物吸附，當廢水經過基質時，一部分磷被基質直接攔截，還有一部分磷與基質中的鈣離子、鐵離子、鋁離子等發生化學反應，以沉淀的形式留于濕地中，隨著水力停留時間的延長，磷的去除效果提高。

1.1.4 流入C/N比 不同流入C/N比會對人工濕地除氮效果產生影響（Yan et al,2012;Ding et al,2012；Zhu et al,2012; He et al,2012)。人工濕地脫氮的主要機理是硝化和反硝化過程，而碳源是影響脫氮的關鍵因素。當C/N比偏低時，碳源不足，微生物活性低，抑制脫氮過程，而隨著碳源的增加，C/N比增大，生物活性增加，促進反硝化過程，從而獲得較高的氮去除率。但過量的碳源會使有機物過量消耗溶解氧，抑制硝化微生物的活性，使氮去除效率降低。因此，在人工濕地運行過程中尋求最佳流入C/N比對提高脫氮效率有重要意義。

1.1.5 分流比 分流比能夠影響人工濕地的脫氮效率，但對除磷效果影響不大。分子生物學分析表明，氮轉化細菌的豐度受分流比的影響，當分流比大于0:1時，反硝化和厭氧反應增強。Wang Zhen等（2017）探討了單階段潮汐流人工濕地在5種不同分流比下的氮轉化，發現1:2的分流比去氮效果最佳。

1.1.6 溶解氧 溶解氧水平是影響人工濕地脫氮除磷效果的重要因素之一（熊家晴等,2013)。廢水中氨氮的去除在很大程度上取決于氧氣的供應,許多研究表明，若系統中含有充足的氧氣，微生物將進行生物降解，提高有機物和氮去除的系統效率。硝化與反硝化作用是人工濕地脫氮除磷的主要去除過程。硝化作用主要依靠于溶解氧的供應，但濕地溶解氧的水平普遍較低，抑制了微生物活性和各種生化反應的進行，使人工濕地的除污效果尤其是對氮類物質的脫除受到了制約。此外，用于硝化和反硝化的氧氣要求存在不同，不適當的溶解氧分布也會降低人工濕地的氧氣利用效率，進而影響污染物去除效率。

1.2 生物因素

1.2.1 植物 植物的存在是濕地最顯著的特征之一，植被被認為是控制濕地除氮的關鍵因素（Wu et al,2016)。大多數研究表明具有植被的人工濕地處理系統具有較高的污水處理效率，能夠更好地實現氮磷的去除，且不同的植物脫氮除磷效率是不同的（盛辛辛等,2013;趙麗娜等,2007;付凌等, 2014;Zhu et al,2017）。此外，植物物種豐度同樣影響著人工濕地的氮素去除。Chang Jie等（2017）的研究結果表明，氧化氮的排放隨植物物種豐富度的增加而增加，而氮素的濃度隨著物種豐富度的增加而降低。因此，選擇合適的植被類型和搭配能夠顯著提高脫氮除磷的效率。

1.2.2 微生物 人工濕地系統由基質、植物、微生物組成，不同的成員在系統中發揮著不同的作用，但在污染處理過程中，微生物群落起到了關鍵作用（吉鳳麗等,2014;Coban et al,2017)，故適當添加微生物有助于水處理效率的提高（凌云等, 2009;董亮,2013）。微生物對人工濕地脫氮除磷效率的影響主要表現在兩個方面。一方面，溫度、pH值、植物等對廢水處理效果的影響機理主要是通過影響微生物的活性來實現的。另一方面，人工濕地中微生物分布廣泛，種類繁多，包括大量的好氧、厭氧和兼性細菌。人工濕地脫氮主要依靠好氧氨化細菌、硝化細菌和反硝化細菌，而除磷則與磷細菌有關。故微生物的種類、數量和活性直接影響廢水處理過程，從而影響脫氮除磷效率。

2 改進措施

2.1 采取保溫措施

低溫能夠抑制人工濕地對氮磷去除的效率，人工濕地在低溫下運行時應注意保溫，通常情況下采取的措施是覆蓋隔離物。由于非理想的覆蓋材料會降低治療效果，故需使用合適的覆蓋材料。理想的覆蓋材料必須具有以下特點：分解不會對系統造成二次負荷；pH值中性，營養成分平衡；結構蓬松，隔熱效果好；種子與覆蓋物接觸；具有良好的保濕能力等(Wallace et al,2001)。

2.2 添加外部碳源

較高的C/N比能夠提高人工濕地的脫氮除磷效率，但廢水的C/N比通常較低，所含的碳源不足以支撐整個反硝化過程，氮去除效率受限。因此，在人工濕地中添加諸如葡萄糖、甲醇、果糖、污泥和植物組織等碳源可以促進氮的去除（Lu et al,2009）。其中，植物性碳源可以提供額外的有機物質，建立更多的厭氧帶，促進濕地微生物的生長，實現部分的硝化和反硝化過程，提高除氮效率（Fu et al,2016)。

2.3 人工曝氣

人工濕地中氮去除效率低的首要原因是氧氣供應不足，而人工曝氣是保證充足氧氣供應的有效處理方法。目前大多數地下流人工濕地研究中的人工曝氣是以連續模式進行的，這種模式不僅運行成本高，而且缺乏有利的硝化、反硝化條件，不利于污水的脫氮。因此，采用間歇性人工曝氣代替連續性人工曝氣，這樣不僅可以在地下流人工濕地中很好地交替需氧和厭氧條件，而且相較于連續模式，間歇性曝氣具有更多的能源經濟性（Fan et al,2013)。

2.4 逐步進料

逐步進料通常是通過在人工濕地的一個位置安裝分流管來實現的，所以分流比成為發揮關鍵作用的重要參數。因分流比可以通過改變氧氣傳輸速率影響參與氮轉移的功能性微生物，以此影響氮的去除，故在廢水處理中選擇合適的分流比至關重要。

2.5 與其他工藝相結合

2.5.1 與微生物燃料電池耦合 微生物燃料電池是近年來出現的一種廢水凈化技術（許丹等,2015)，具有不產生二次污染，無需曝氣設施且能夠產生能源的優點。相對于人工濕地來說，微生物電池對面積要求不高，安裝和運行費用較低。

人工濕地和微生物燃料電池是兼容技術，都依賴于細菌的作用來去除廢水中的污染物。微生物燃料電池所需的氧化還原條件可以在人工濕地中得以實現。因此，近年來出現了將兩種技術相結合的技術（CW-MFC技術)，在提高濕地污水處理能力的同時進行能量生產。但目前該技術發展還不成熟，需要進行更多的研究和改進。

2.5.2 與高效藻池結合 硝化和反硝化通常被認為是人工濕地中最重要的脫氮方式，這兩個過程主要取決于系統中的氧含量和碳源水平。將高效藻池（HRAP）與人工濕地（CW）相結合，氧和有機物質被藻類光合作用和藻類雜物富集，可以優化硝化和反硝化過程來提高氮去除性能（Ding et al,2016)。

2.5.3 與生物膜電極反應器相結合 生物膜電極反應器（BER）結合了生物和電化學方法，具有高效除氮以及沒有外部有機碳源添加的優點，可以作為低C/N廢水有效去除硝酸鹽的裝置，并已得到了廣泛應用。人工濕地與生物膜電極反應器（CW-BER）相結合是一種以相對較高的總無機氮濃度處理廢水的新技術（He et al,2016)。與單一反應器相比，人工濕地和生物膜反應器的組合能夠更好地去除廢水中的硝酸鹽和氨氮，進而促進最終流出物中總氮的去除效率。

3 結論

人工濕地在污水脫氮除磷方面起著不可替代的作用。本文從生物和非生物兩大方面深入剖析了影響人工濕地脫氮除磷的因素，明確了其作用機理及最適條件，并且提出了相應的改進方案。但在實際應用中，每種人工濕地的設計參數與運行條件不同，需要根據不同濕地類型的特點進行優化設計才能發揮系統的最大優勢。因此，在未來的研究中仍需進行相關方面的探索，以推動人工濕地處理污水過程中氮磷去除能力的有效提升。

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