人工湿地脱氮除磷机理研究进展

人工湿地脱氮除磷机理研究进展

陆琳琳

河海大学环境科学与工程学院，江苏南京（200198）

E-mail:lulinlin600@

摘要：本文介绍了近年来人工湿地脱氮除磷机理的研究情况，脱氮过程中，微生物硝化反硝

化为主要的去除途径，除磷过程中，填料和磷之间的非生物作用是去除磷的主要机理之一。

同时，影响人工湿地脱氮除磷效率的主要因素为温度、pH值和溶解氧。

关键词：人工湿地；脱氮机理；除磷机理

中图分类号：

1概述

人工湿地是模拟自然湿地的人工生态系统，最早是由澳大利亚的Mackney于1904年提

出的，指人工建造和监督控制的、工程化的沼泽地，利用自然生态系统中的物理、化学和生

物三重协同作用来实现对污水的净化作用[1,2]。

早期的人工湿地主要用于处理城市生活污水或二级污水处理厂出水。由于人工湿地处理

污水具有效率高、投资、运行及维护费用低、适用面广、耐冲击负荷强等特点，目前，已被

国内外许多学者或工程技术人员经过工艺改进或者与其他系统进行组合后用于农业面源污

染[3,4]、城市或公路径流等[5]非点源污染的治理。美国、德国等的一些技术人员还将其推广

应用于处理小城镇、行政事业单位和垃圾场渗出液[6-8]。人工湿地也被用于处理工业废水，

主要集中在应用人工湿地处理矿山酸性废水、淀粉工业废水、制糖工业废水、褐煤热解废水、

炼油废水、油砂废水、油田采出水、造纸废水、食品加工和奶制品加工废水[9]，人工湿地处

理工业废水的典型实例如表1所示。近年来，人工湿地还被用来处理污染河水、湖泊水等地

表水水体[10-12]。

表1 人工湿地处理工业废水的典型实例

废水类别国别湿地类型运行时间

褐煤热解德国 SFW

1994-1996 炼油废水澳大利亚 FSW 1994-1996 油砂废水加拿大 FSW 1991-1994

1992-1994 矿山废水美国 SFW

奶品加工新西兰 SFW 1990-1992

1991-1993 油田采出水中国 SFW

食品加工斯洛文尼亚 SFW 1992-1994

1991-1992 造纸废水美国 FSW

含烃废水法国 SFW

1993-1994 目前，由于大量的污水直接排入江河、湖泊中，造成地表水体污染严重，水体富营养化

日趋严重，水体中污染物主要为氮、磷，如何提高氮、磷的去除效率是目前人工湿地研究的重点。

2人工湿地脱氮机理

2.1人工湿地中氮的存在形态及其转化

氮在人工湿地中的存在形式有两种，有机氮和无机氮，无机氮为NH4+-N、NO2-N和NO3--N。各种形态的氮之间的转化规律如图1所示[13]。

反

硝

化

作

用

图1 人工湿地处理污水过程中氮的循环变化

2.2人工湿地脱氮机理

人工湿地中氮的去除主要是通过植物和填料对污水中含氮化合物的吸附、过滤作用；微生物的硝化与反硝化作用；氨自身的物理挥发作用等[14-17]。植物吸收和氨自身的挥发去除氮的比例不到总氮的20%，微生物的硝化与反硝化是人工湿地中氮的主要去除途径[18-21]。

2.2.1植物对氮的去除

植物对氮的去除主要体现在三个方面：（1）吸附作用，无机氮作为营养元素被植物吸收用于生长，通过收割的形式被去除；（2）提供碳源，植物死亡腐烂后的有机碳为反硝化作用提供了碳源；（3）植物根系为微生物提供载体，同时也创造了适宜微生物生长的环境。不同的植物类型和种类对氮的吸收潜能有差异。挺水植物对氮的吸收潜能为1000-2500kgN·hm-2·a-1，而沉水植物对氮的吸收潜力相对较低，吸收潜能为< 700kgN·hm-2·a-1[14,22]。

2.2.2微生物对氮的去除

废水中有机氮在微生物作用下转化成氨（可能是好氧的，也可能是厌氧的），氨在有氧

环境中在硝化反应。硝化反应分两步进行：亚硝酸氧化细菌将氨氧化成亚硝酸，硝酸氧化细菌将亚硝酸氧化成硝酸，反应如式1、式2所示[23]。

O H HNO O NH 22232232+⎯⎯⎯→⎯+亚硝化细菌 （1）

32222HNO O HNO ⎯⎯⎯→⎯+硝化细菌 （2）

反硝化反应是在电子供体有机物的参与下由反硝化细菌引起的，反应如式3、式4所示。

()−−++⎯⎯⎯→⎯+OH O H N H NO 2262222反硝化细菌电子供体有机物 （3）

()−−++⎯⎯⎯→⎯+OH O H N H NO 24102223反硝化细菌电子供体有机物 （4）

人工湿地中反硝化所需条件易于满足，许多湿地中硝化速率要比反硝化速率慢的多，使得硝化、反硝化的速率成为控制N 去除的限制因素[24,25]。

2.2.3 氨的挥发

氨的挥发是一个物理化学过程，有专家认为当pH 值低于7.5时，氨的挥发是可以忽略的，但当pH 值大于9.3时，氨的挥发作用较显著[13]。

3人工湿地除磷机理

3.1人工湿地中磷的存在形态及其转化

污水中的磷包括活性P 和非活性P ，非活性P 又包括可溶性非活性P 和颗粒性非活性P 。磷在人工湿地中的存在形式如图2所示[26]。

（水生植物）

（基质）（微生物）

图2 人工湿地处理污水过程中磷的循环变化

3.2人工湿地除磷机理

人工湿地对磷的去除主要是通过水生植物、填料以及微生物的共同作用来完成的[27-29]。有研究者指出三者对磷的去除速度以基质最快，水生植物最慢[26]，其中，植物、微生物对磷的去除作用很小[30-33]。