水平潜流人工湿地的脱氮技术方法

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在当前我国面临的水环境污染形势中，水体富营养化已经成为突出的污染问题。氮是造成水体富营养化的主要因素之一，从水体中高效脱氮已成为水环境领域的研究热点。水平潜流人工湿地(HSSFCWs)作为一种生态化、低成本的污水处理和生态修复技术，其可承受较大的水力负荷和污染物负荷，在全球范围内被广泛应用于污废水的脱氮处理。污染物在水平潜流人工湿地中的去除和转化综合了物理、化学和生物学过程，水平潜流人工湿地的脱氮能力正是源于其中的协同机制。水平潜流人工湿地中存在多种脱氮机理，包括植物吸收、基质吸附、硝化-反硝化等，利用微生物进行硝化-反硝化是水平潜流人工湿地脱氮的主要途径。影响水平潜流人工湿地脱氮的主要因素包括溶解氧、基质、植物、碳源及运行条件等。笔者综述了水平潜流人工湿地脱氮的各种机理和影响系统脱氮的主要因素，同时论述了提高系统脱氮效果的措施，并对今后的相关研究方向进行了展望。

1水平潜流人工湿地脱氮机理

水平潜流人工湿地中氮的去除方式主要包括植物吸收、基质吸附和硝化-反硝化作用等，其中硝化-反硝化作用是其最主要的脱氮机理。污水中的氮主要以有机氮和无机氮2种形态存在，污水进入水平潜流人工湿地后，有机氮被氨化成无机氮，通过硝化及反硝化作用被进一步去除。硝化过程在好氧条件下由亚硝化细菌和硝化细菌来完成：

硝化作用取决于湿地中的溶解氧含量，当湿地中的溶解氧含量足已支持好氧硝化细菌的生长时，硝化反应才得以顺利进行。

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反硝化过程则在缺氧条件下由反硝化细菌来完成。根据反硝化原理，反硝化过程是从NO3-到NO2-、NO、N2O、N2。每个半反应如下：

反硝化作用取决于湿地中的碳源含量，充足的碳源可以为反硝化作用提供足够的电子供体，进而推动上述各半反应的顺利进行。

在水平潜流人工湿地脱氮的过程中，硝化反应仅仅将氨氮转化成硝态氮，并没有使氮从水体中真正脱除。反硝化作用则将硝态氮转换成N2或N2O,使水体中的氮转化成气态氮逸出系统。因此，反硝化作用被认为是系统脱氮的关键因素。

2影响脱氮的主要因素

2.1植物

植物是水平潜流人工湿地重要的组成部分。植物通过生物量增长从湿地中吸收氮素被认为是湿地脱氮的重要途径之一。研究表明，植物吸收的最大总氮量占进水量的5%～15%。此外，植物根系的输氧功能可改变水平潜流人工湿地系统内部的溶解氧环境，为微生物硝化-反硝化作用的进行提供适宜的环境条件，进一步促进氮的去除转化。

不同植物因其生理特性、根系输氧能力等的不同，对氮的吸收能力也存在较大差异，最终导致湿地除污效果的明显不同。表1对比了几种常见湿地植物的脱氮效果。

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在选择湿地植物时，应根据当地环境、经济价值和景观效果等筛选生物量大、耐污能力强、根系发达且抗逆性强的植物。同时，应重视植物之间的合理搭配及使用，充分发挥不同植物的去污特点，通过优化物种组合提高水平潜流人工湿地的净化效果。

2.2基质

基质作为水平潜流人工湿地重要组成部分，在为植物和微生物提供生长介质的同时，还能够通过沉淀、过滤和吸附等从湿地中去除氮素。不同种类基质，对氮的净化机理不同，对氮的去除效率也有明显的差异。表2比较了几种常见基质的脱氮效果〔25,26,27〕。

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湿地基质的理化属性也可能影响其对污水的脱氮效果。基质的粒径大小与孔隙度决定着水平潜流人工湿地渗透系数的大小。一般孔隙率大的基质可使废水比较容易地渗透到其中，除氮的各种机理可以在基质内部发生，从而提高脱氮效率。

在选择湿地基质时，应遵循材料的易得、高效、价廉及安全无毒等原则。应首先筛选对污染物去除能力强的当地材料，这样既能提高水平潜流人工湿地对污水的净化能力，又能减少成本投入。此外，应重视基质材料之间的组合使用，通过发挥各基质的优势效应提高水平潜流人工湿地的去污能力。

2.3碳源

水平潜流人工湿地具有较好的反硝化效果，而碳源是系统反硝化脱氮的重要保障之一〔28〕。不同碳源物质被反硝化菌利用的程度及代谢产物均不相同，因而对反硝化过程产生的影响亦不相同，即使外加碳源投加量相同，反硝化效果也有所不同〔29〕。目前，人工湿地脱氮工艺大多采用传统碳源，包括一些糖类物质和易生物降解的液体碳源(甲醇、乙酸等),费用较高，且该类有机碳源具有一定毒性。为了降低脱氮成本，寻找经济、无毒、高效、实用的新型碳源成为研究趋势。其中，天然植物材料不仅富含纤维素且可作为资源化利用的有机碳源，包括湿地植物的枯枝落叶、废弃的木材、农用废弃物稻杆或麦秆等各种植物秸秆材料。表3对比了新型植物碳源和传统碳源的脱氮效果〔30,31,32〕。在达到近似脱氮效果的前提下，植物碳源提取液的使用成本仅占传统碳源的19%~27%,且其使用量仅为传统碳源的28%~40%,对出水水质没有任何影响。

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2.4溶解氧

微生物硝化-反硝化作用是水平潜流人工湿地脱氮的主要机理。其中，硝化作用和反硝化作用对氧的需求是不一样的。硝化作用是好氧过程，通常情况下发生硝化作用时溶解氧应高于2.0mg/L;反硝化作用则是厌氧过程，溶解氧应低于0.5mg/L〔33〕。湿地氧环境关系到湿地的正常运转及其净化效果〔34〕。和垂直流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的构造决定了其内部整体厌氧的环境，使其具有较好的反硝化脱氮效果。为了保障湿地硝化-反硝化这一重要脱氮机制的畅通，需同时提高硝化和反硝化脱氮的效率。周斌等〔35〕研究发现，间歇运行方式对水平潜流人工湿地床体中上层氧环境有较明显地提升，落干时间的延长可以增强复氧效果，硝化反应强度可随湿地氧环境的改善而提高，且间歇运行方式下的反硝化能力高于连续运行方式。周健等〔36〕的研究也表明，采用间歇进水方式，氨氮和总氮平均去除率可分别达到89.0%和74.0%,比连续式进水的氨氮和总氮去除率分别提高3.0%和32.0%.因此，间歇运行方式被认为是保障水平潜流人工湿地硝化-反硝化脱氮的有效途径。为进一步提高湿地系统脱氮效率，可采用人工增氧技术改善湿地氧环境，主要包括改进湿地工艺设计、自动增氧、进水预曝气和铺设曝气管等〔37〕。

2.5运行条件

2.5.1进水水质