垂直流人工湿地系统中氮去除影响因素的研究

刘曦;陈芳清;杨丹;张爱英;熊高明

【摘 要】垂直流人工湿地作为发展极为迅速的污水处理技术,在水体修复与生态建设方面发挥着重要作用.总结分析了垂直流人工湿地系统中的基质类型、植物种类、微生物过程等因素对氮去除的影响. 【期刊名称】《安徽农业科学》 【年(卷),期】2015(000)015 【总页数】3页(P226-228)

【关键词】垂直流湿地;氮去除;影响因素 【作 者】刘曦;陈芳清;杨丹;张爱英;熊高明

【作者单位】三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心,湖北宜昌443002;中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室,北京100093;三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心,湖北宜昌443002;中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室,北京100093;中国科学院大学,北京100049;中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室,北京100093;中国科学院大学,北京100049;中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室,北京100093;石河子大学,新疆石河子832003 【正文语种】中 文 【中图分类】S181.6

湿地生态系统是指介于水生、陆地生态系统之间的一种过渡性生态系统类型，其具有较高的物种多样性、生态多样性，同时具有水生和陆地生态系统的特点，具有多种生态功能，在生态系统中有着不可替代的地位。人工湿地在自然湿地的生态学原理基础上，人为地控制湿地中发挥截污去污作用的因素，如植物、基质、微生物和水力负荷等，通过过滤、吸附、沉淀、植物吸收、微生物分解，从而实现对污水中污染物的去除，并且能够在实际生活中加以推广应用的新型污水处理系统。人工湿地是一种投资成本低，高效低耗及运行管理水平要求不高，集“生态水景”和“水中处理”功能于一体，具有广泛应用前景的污水处理系统。人工湿地因其构成结构的不同，可将其分为表面流、垂直流和潜流3种类型，且3种类型分别具有不同的优缺点。

表面流人工湿地是污水在基质的表面流动，因而其基质及植物根系的作用未能够充分发挥，对污染水体难以起到截污去污作用，因此现在的人工湿地已不常采用此类设计。垂直流和潜流人工湿地对氮、磷及有机物的去除有较好的作用，是目前应用比较广泛的人工湿地类型。垂直流人工湿地的设计构造使湿地床体处于不饱和状态、内部布水更均匀、氧气供给更充分、硝化能力更强，因而对有机物和氮磷有更好的净化效果。垂直流人工湿地作为一种新的污水处理技术正在日益得到完善和发展，在实现富营养化水体改善和生态修复方面有着非常广阔的应用前景［1－2］。 氮过量是引起水体富营养化、导致水质恶化的重要因素之一，因此污水中氮去除一直是污水处理的重要任务之一。20世纪70年代末人工湿地开始应用于污水净化处理中，这之后世界各国都开展了大量的污水去氮研究，且取得了许多有意义的成果。垂直流人工湿地对氮的去除效果主要与湿地中的基质、植物和微生物有关，它们对去除污水中含氮污染物的作用是相对独立而又相互联系的。垂直流人工湿地对氮的去除机理是复杂的，不仅与湿地的植物、基质和微生物有关，而且其他的一些

因素也影响着垂直流湿地系统整体的去氮能力，如温度、溶解氧、系统水力停留时间、系统水力负荷、氧化还原电位、微生物可利用的碳源和氮源、pH等［3－5］。笔者主要研究了垂直流人工湿地对氮的去除作用的影响因素，并对垂直流人工湿地去氮研究进行了展望。 1 湿地基质类型

人工湿地的主要构成部分是基质，这与自然湿地是极为不同的。基质能够为湿地植物和微生物提供载体和营养物质，同时其自身也通过沉淀、过滤和吸附等作用参与湿地净化污水的过程。自然泥土是人工湿地中比较常见的一种基质，但是其透水、透气性差，常常达不到更好的污水净化效果，因而更多的湿地选用砂石来填充，粒径从0～10 mm不等，还有石块、沸石、砾石、瓦片、灰渣、煤灰渣、高炉渣、方解石、页岩、蛭石、陶瓷滤料、圆陶粒等填充物。这些基质通过吸附、吸收、过滤、沉淀、离子交换、络合反应等一系列反应参与氮的去除，同时湿地植物的生长离不开基质提供的载体和营养物质，微生物的生长也是依附在基质上的，基质使得植物和微生物能够更好地发挥其去氮的功效。基质的选择主要与植物的种类、污染物的浓度以及气候条件有关，试验中的选择主要需要结合实际。

基质主要是通过螯合作用、离子交换、沉降反应等来发挥其去污作用，此过程一般比较复杂，基质对氮的吸附机理目前尚不清楚。但是一般在湿地去氮过程中，要求基质具有良好的吸附能力，具有较大的接触面积，具有强大的聚集能力等。不同的基质去除氮的效果不同，有研究认为，沸石有利于氮的分解;张春艳等、胡艳等的研究表明，蛭石对污水中的氮去除有很好的作用［6－7］;聂发辉的研究也表明，蛭石对氨氮的去除效果较佳;张翔凌等选取了8种填料为研究对象，发现沸石和陶瓷基质对各种形态氮的去除效果显著［8－9］;Torbjorn等研究5种不同的土壤对硝态氮的去除时发现，所有的土壤均具有较好的氮去除作用，其中田野泥炭土具有最高的脱氮率，沙土的脱氮率最低。

2 湿地植物类型

湿地植物是人工湿地中必不可少的部分，其在人工湿地对氮的去除过程中有着重要作用，而且其具有一定的观赏价值和经济价值。湿地植物包括挺水植物、浮水植物和沉水植物。植物可以通过吸收和利用污水中的含氮化合物为其自身生长提供营养，同时植物根系可以阻拦吸附部分污染物，且植物根系的输氧作用和水力传输，能够使好氧和厌氧环境交替出现在湿地系统及周围的微环境中，从而更有利于硝化和反硝化作用的进行，进而达到氮去除的效果，最后通过对湿地基质的定期更换或植物刈割，可以将湿地系统中的污染物最终从系统中去除。如果不更换基质，基质的吸附作用将达到一个饱和值，将大大降低对污水氮的去除效果;如果不刈割植物，在植物的生长末期，因其自身的衰亡而腐败分解，会将之前吸收的供其自身生长发育而用的氮又重新释放到水体中。因而要提高湿地植物的氮去除率，在生长末期收割湿地植物就显得额外重要，且部分湿地植物也可以用作饲料，将会产生一定的经济效益。

在一些对比研究试验中，可以发现无植物的人工湿地系统的总氮去除率明显低于种有植物的人工湿地系统，尤其是亚硝态氮的去除率明显偏低。此外，一些研究发现人工湿地种植不同的植物将对氮的去除效果产生不同的影响。污水中氮去除与植物的种类有很大关联，沉水植物的氮去除能力最差，有数据显示通常＜700 kg/（hm2·a），而挺水植物通过吸收、刈割后，其氮去除能力较强，约为200～2 500 kg/（hm2·a）。因水葫芦生长繁育快，生物量大，因而其去氮能力大约为2 000 kg/（hm2·a），是一种具有较高的氮去除能力植物。垂直流人工湿地常种植的植物有芦苇、灯芯草、茭白、美人蕉、香蒲、石菖蒲、风车草等。吴振斌等研究表明，茭白－菖蒲组合对氮的去除作用明显;对总氮去除效果较好的植物有芦苇、石菖蒲、美人蕉等［10－11］。 3 微生物的作用

微生物是人工湿地系统中氮去除的主要“执行者”，是因为它在系统中是分解者的角色，它通过参与人工湿地系统中的生物化学反应而发挥巨大作用。垂直流人工湿地在处理污水之前，其微生物的各项指标特征与自然湿地基本相同。但某些微生物的数量将会随着人工湿地系统中污水的不断输入而逐渐增加，并在一定时间内达到最大值后逐步趋于稳定。垂直流人工湿地微生物中数量最多的一个类群是细菌，其在氮去除的过程中起到巨大作用，它使复杂的含氮有机物转化为简单的无机氮化合物，使得植物和微生物更好地利用，从而达到氮去除的作用。

垂直流人工湿地通过硝化和反硝化作用来去除氮。垂直流人工湿地的填料层表层和底层分别为氧饱和和厌氧状态，因而分别分布着硝化细菌和反硝化细菌。贺峰等研究发现在人工湿地系统中，硝化和反硝化的细菌数量及其作用强度都与水流方向有关，硝化细菌数量和硝化作用强度沿水流方向明显降低，反硝化细菌数量和反硝化作用强度较为稳定，沿水流方向略有上升［12］。

植物根区的硝化和反硝化细菌数量与污水中氨氮的去除率呈显著相关关系，从长远来看，微生物脱氮作用可能是最彻底的氮去除机制。Oostrom认为通过供给有机碳和创造厌氧条件可以良好地脱氮，其中87%的氮可以由硝化－反硝化作用去除，而13%的氮可以由基质通过过滤吸附和植物吸收而去除。李科等研究表明，污水中的氮去除与芦苇系统内根际微生物的相关性显著。 4 其他因素

垂直流人工湿地的氮去除是多方面因素综合调控的，温度、溶解氧、氧化还原电位、微生物可利用的碳源和氮源、系统水力负荷、系统水力停留时间、pH等因素在垂直流人工湿地的氮去除过程中也发挥了效应。

（1）温度在人工湿地系统的氮去除上发挥了重要作用，主要是因为植物吸收和微生物的分解代谢在氮去除过程中占据了重要地位，而温度又能调控植物的生长发育、微生物的新陈代谢等生命活动。当垂直流人工湿地系统的温度为30～40℃时，硝

化作用最强，温度为10～30℃时，反硝化作用达到最佳状态。龚红琴的研究表明，温度能够在很大程度上调控垂直流人工湿地去氮效果，在一定范围内，随着温度的升高，系统中的总氮和铵态氮的去除率增大。

（2）氧化还原电位能够反映垂直流人工湿地的氧化还原环境的状况，这个环境对氮去除的效果产生影响主要是因为微生物的硝化和反硝化作用都受其调控。李科德等在人工模拟芦苇床处理生活污水的试验研究中发现，好氧微生物活动的发生主要集中在具有较高氧化还原电位的芦苇根际区，其为好氧微生物活动创造了有利的条件。

（3）有机碳源是制约反硝化作用过程的一个因素。厌氧状况下，反硝化作用的菌群能够利用水体中的有机碳作为碳源，硝化作用的产物NO3-N为电子受体，将NO3-N还原成氮气从而从系统中去除。当人工湿地中NO3-N含量高，表明硝化作用进行良好，这时制约反硝化作用的主要因素是微生物可利用有效碳（以COD表示）的多少。相反，若人工湿地系统碳源充足，但系统处于整体缺氧状态，硝化作用减弱，则NO3-N含量不足，制约反硝化作用的主要因素就是NO3-N的含量。研究表明为了改善湿地系统反硝化作用的进行，可以采用添加CGT（Cotton gin trash）为湿地有机碳源的方式。

（4）水力停留时间也是一个影响湿地系统氮去除的影响因素，当系统水力停留时间延长时，有利于提高人工湿地系统的氮去除效果。主要是因为延长停留时间后，有利于反应时间的延长，从而更有利于系统中各种反应的进行，如硝化与反硝化作用、植物吸收等。赵桂瑜等研究表明，人工湿地系统中氨氮的去除有97%的去除量与停留时间有关［13］。

（5）影响微生物去氮的一个重要因素是pH，因为只有在适宜的pH条件下，微生物的生命活动才能正常进行。一般地，反硝化作用在pH范围为7～8反应最佳，硝化作用在pH值范围为7．5～8．6时反应最佳，而氨化作用在pH范围为

6.5～8．5时反应最佳。赵桂瑜等研究发现，人工湿地植物根区附近的亚硝化细菌和硝化细菌数量在略酸性和中性pH条件下会增多，因而硝化作用和反硝化作用加强，从而达到高效的去氮能力。 5 结论与展望

垂直流人工湿地独特的水流方式及结构特征使得湿地系统交替出现好氧和厌氧环境，加强了硝化、反硝化作用，具有高效的去氮能力，可以用来处理生活污水和城市污水，同时也可以应用于也适用于富营养化水体的改善和生态修复，是一种高效低耗、经济环保、适用面广的污水处理技术。

在众多研究中，人工湿地可供选择的基质是多种多样的，有单种的，也有多种不同基质组合而成的，这主要由处理的不同污水以及构建垂直流人工湿地地点环境的不同所决定的。近年来，沸石、砾石、陶粒等被广泛地填充到人工湿地系统中，主要是因为其具有通透性好、聚集能力强、吸附能力强、接触面积大、多孔、可循环再生、经济可行等特点，这些更有利于污水中氮的去除。

垂直流人工湿地通常会选择具有美观、地上生物量大、根系发达、能够针对性吸收不同形式氮等特征的植物，只有这样的植物才能够更有效地去除污水中的氮。 微生物在垂直流人工湿地系统中扮演了重要的角色。微生物的活性主要与湿地系统的构造设计、内部环境有关，因而适当地优化垂直流人工湿地系统的各运行参数，使系统能够发挥最大的功效，将会在很大程度上提高氮的去除效率。

垂直流人工湿地氮去除的影响因素是多方面的，机理也是复杂的，这个需要更多的试验研究，从而得到更为准确的数据。但是垂直流人工湿地毫无疑问的在污水氮去除上占有明显优势，因其具有低耗高效、经济、美观等特点，其处理技术也正在不断地完善和发展，因而在水体去营养化和生态修复方面有着非常广阔的应用前景。 参考文献

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