人工濕地水質凈化效果的影響因素研究進展

摘要：氮元素以多種形態存在于污水中，會引起水體富營養化，所以脫氮是污水處理的一項重要任務。與傳統污水處理工藝相比，人工濕地擁有獨特的構造，建造與運行費用低，污水處理效果好，目前應用非常廣泛。人工濕地主要有3種脫氮機制，即植物吸收、基質吸附和微生物的生物轉化。結合研究現狀，分析人工濕地處理含氮污水的機理及其影響因素，為人工濕地的設計優化提供有益參考。研究表明，人工濕地可以充分利用植物吸收、基質吸附和微生物的生物轉化作用，溫度、溶解氧含量、水力停留時間和微生物可利用的碳源是脫氮效率的重要影響因素。未來，要深入研究人工濕地脫氮的影響因素，找出最佳運行方案，進一步提高人工濕地的脫氮效能。

關鍵詞：人工濕地；水質凈化；影響因素；脫氮

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）01-0-03

Research progress on influencing factors of water purification effect in artificial wetlands

Abstract： Nitrogen exists in various forms in wastewater， which can cause eutrophication of water bodies， therefore， denitrification is an important task in wastewater treatment. Compared with traditional sewage treatment processes， artificial wetlands have unique structures， low construction and operation costs， good sewage treatment effects， and are currently widely used. There are three main denitrification mechanisms in artificial wetlands， namely plant absorption， substrate adsorption， and microbial biotransformation. Based on the current research status， the mechanism and influencing factors of artificial wetland treatment of nitrogen-containing wastewater are analyzed， thus providing useful references for the design optimization of artificial wetlands. Research has shown that artificial wetlands can fully utilize plant absorption， substrate adsorption， and microbial biotransformation， and temperature， dissolved oxygen content， hydraulic retention time， and available carbon sources for microorganisms are important factors affecting denitrification efficiency. In the future， it is necessary to conduct in-depth research on the influencing factors of nitrogen removal in artificial wetlands， identify the optimal operating plan， and further improve the nitrogen removal efficiency of artificial wetlands.

Keywords： artificial wetland; water purification; influencing factors; denitrification

濕地是指被地表水周期性地淹沒或地下水長期飽和的土地，是水生生物繁衍生息的理想場所。通過模擬自然濕地的污水凈化機制，人們開發出人工濕地技術處理污水。人工濕地起源于德國，由植物、基質和微生物組成，通過三者的協同作用將污水凈化。人工濕地具有強大的生態功能，處理效果好，建設成本低，碳排放少，維護方便，廣泛運用于污水處理。人工濕地主要有3種脫氮機制，即植物吸收、基質吸附和微生物的生物轉化。不同形態的氮元素擁有獨特的轉化機制，微生物的硝化與反硝化在氮元素的去除中發揮重要作用。因此，有必要綜述人工濕地脫氮機制的最新研究進展，為后續人工濕地脫氮研究提供基礎支持。

1 植物吸收

植物是人工濕地的核心生物，在污染物去除過程中發揮重要作用。植物可以吸收氮、磷等營養物質，積蓄污水中的重金屬等有毒有害物質，向根際輸送氧氣，供微生物生長和繁殖，促進微生物的硝化和反硝化[1]。相比無植物的人工濕地，有植物的人工濕地去除污染物的能力更強[2]，植物在人工濕地凈化過程中扮演重要角色。種植單一植物的人工濕地對污染物的去除效果不佳，不同植物組合對人工濕地的凈化效果成為研究的新方向。Zhang等[3]研究美人蕉和再力花兩種濕地植物在不同種植模式下（單作和混作）對不同濃度污水中氮磷去除率的影響，試驗表明，1∶1混作顯著提高污水中氮、磷的去除率，比單作的去除率平均提高18.26%。Zhang等[4]對蘆葦、香蒲、睡蓮、狐尾藻和苦草5種濕地植物的單作模式和混作模式進行研究，結果發現，與單一植物種植相比，混合種植人工濕地對污水中的化學需氧量去除效果更強，但對氮、磷的去除效果較差。因此，混合種植不同種類和比例的植物，其在人工濕地中對污染物的凈化效果有差異，但總體而言，種植植物的人工濕地對污染物的去除效果優于無植物的人工濕地。

冬季，在我國北方地區，植物地上部分枯死，易在水體中分解，導致二次污染，對濕地植物進行收割是有效的管理措施之一[5]。有研究[6]對濕地植物進行收割，以提高人工濕地凈化能力，結果發現，收割植物的濕地對氮的去除率比不收割植物的濕地高166%～372%。研究表明[7]，植物收割頻率增加會降低濕地系統對氮、磷的去除效果，適當的收割頻率可以刺激植物的補償性生長，促進植物對氮、磷等營養物質的吸收，從而提升濕地系統對污染物的凈化效果。因此，尋找合適的濕地植物收割頻率至關重要。

2 基質吸附

基質是人工濕地的重要組成部分之一，主要通過攔截、吸附和離子交換作用去除污染物，也可為植物、微生物的生長提供支撐，為它們提供理想的生長環境。傳統的濕地基質有土壤、沙子和礫石[8]，成本較低，但吸附能力和滲透性能較差，易發生堵塞。因此，沸石、火山巖和陶粒等新型基質應運而生。人工濕地往往會選擇粒徑小、比表面積大的基質[9]，但基質粒徑小會導致系統堵塞，因此選擇最佳粒徑成為研究熱點。馬江森等[10]選取不同粒徑的礫石，探究其在不同排空時間潮汐流運行下的凈化效果。結果表明，8 h淹沒與16 h空置的潮汐流運行方式下，粒徑為7～9 mm的礫石對氨氮的去除效果最佳，原因可能是小粒徑基質比表面積大，微生物易于附著和繁殖，氧傳質速率大于其他粒徑。

在人工濕地中，基質粒徑是影響脫氮效果的關鍵因素，基質的填充方式同樣占據重要地位。肖波等[11]通過設置不同組配的砂石、陶粒和活性炭作為人工濕地基質，發現砂石和陶粒體積比為2∶1時，二者混合，氨氮和總氮的去除率最高，砂石、陶粒和活性炭體積比為2∶2∶1時，三者混合，可溶性磷的凈化效果最好，去除率高達91.9%。馬蓉真等[12]通過調整沸石、鐵碳的填充配比和順序，采用人工濕地處理含氮污水，結果表明，人工濕地采用20%鐵碳+80%沸石的組合，鐵碳置于底層，沸石置于表層時，污水凈化效果最佳，原因可能是該填充方式更有利于增加濕地溶解氧含量，促進濕地硝化反應。因此，人工濕地應選擇成本低廉、吸附能力強、滲透性能好且能為微生物提供碳源的新型基質材料，并合理調節配比和填充，以優化人工濕地凈化效果，延長使用壽命。

3 微生物的生物轉化

人工濕地中，微生物的硝化和反硝化作用是最主要的脫氮途徑。在好氧條件下，自養型好氧微生物會進行硝化作用，這一過程分為兩個連續的階段。

一是氨氮在亞硝酸菌作用下轉化為亞硝酸鹽，二是亞硝酸鹽由硝酸菌進一步氧化，轉變為硝酸鹽。反硝化作用在厭氧條件下進行，通過氧化分解有機物并還原硝態氮為氣態氮，實現濕地的脫氮效果[13]，從長遠來看，微生物脫氮作用可能是最有效的氮去除機制。近年來，為深入分析濕地微生物群落結構和動態變化，多種測序方法已廣泛應用在人工濕地微生物群落特性研究與結構分析中。

沈炫旭等[14]利用熒光定量聚合酶鏈式反應和高通量測序技術對3種濕地系統的微生物進行分析，結果表明，3種濕地系統中，相對豐度最高的2個菌種為變形菌門和擬桿菌門。除此之外，放線菌門等也是濕地系統的優勢菌門[15-16]。變形菌門是世界上最大、最多樣化的細菌門，是一種異養型細菌，包含許多硝化細菌和反硝化細菌，參與濕地基質的各種生物地球化學過程，在各種淡水生態系統中普遍存在。在寡營養脅迫的極端條件下，放線菌門仍能維持其生命活動并持續增殖[17]。擬桿菌門是一種在各種水生環境中普遍存在的自養型細菌，可以降解大分子有機物，如纖維素、蛋白質和脂質等，在污水處理中，碳氮循環發揮關鍵作用[18]。

4 結論

人工濕地作為一種建造及運行費用低、處理效果好的工藝，有著和傳統污水處理工藝不同的構造，目前應用非常廣泛。在污水中，氮元素以多種形態存在，會引起水體富營養化。因此，脫氮一直是污水處理的一項重要任務。未來，人工濕地脫氮影響因素及強化措施等方面的研究可從多個方面開展。系統堵塞是目前人工濕地運行時面臨的重要問題，應尋找能有效消除人工濕地堵塞的基質填料，延長人工濕地的使用壽命；研究基質吸附飽和后高效便捷的再生方法，恢復人工濕地的凈化性能，從而延長系統的使用壽命，節約運行成本；積極探索濕地脫氮新途徑，尋找耐低溫、耐高氨氮濃度廢水的植物，篩選高效脫氮微生物。總體來看，要深入研究和綜合分析人工濕地脫氮的影響因素，找出最佳運行方案，以進一步提高人工濕地的脫氮效能。

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