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 SFW1994-1996 炼油废水澳大利亚 FSW 1994-1996 油砂废水加拿大 FSW 1991-19941992-1994 矿山废水美国 SFW奶品加工新西兰 SFW 1990-19921991-1993 油田采出水中国 SFW食品加工斯洛文尼亚 SFW 1992-19941991-1992 造纸废水美国 FSW含烃废水法国 SFW1993-1994 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]。

3.2.1植物对磷的去除水生植物对磷的去除主要是通过其自身的吸附作用，将无机磷通过吸收及同化作用变成植物的ATP、DNA及RNA等有机成分，通过植物的收割而去除[30]。

不同的植物及不同的植物部位对磷的去除能力不相同，另外对湿地植物的收割频度也会影响对磷的去除率。

挺水植物对磷的吸收潜能为50-150kgP·hm-2·a-1，而沉水植物对磷的吸收潜力相对较低，为<100kgP·hm-2·a-1[22]。

3.2.2填料对磷的去除填料和磷之间的非生物作用是去除磷的主要机理之一。

目前人工湿地所采用的填料一般为砂、土壤、粒石等。

当污水流经湿地时，填料可通过一些如吸附、过滤、沉淀、离子交换功能使污水中的磷得以去除可溶性的磷化物可与湿地填料中的Al3+、Mg2+、Ca2+等发生反应，形成不溶性的磷酸盐，一般认为磷酸盐与填料中的金属离子发生配位体交换反应，从而沉淀在填料表面。

Geller认为钙与铁、铝相比对磷具有更强的结合能力[34]。

A Drizo等比较分析丁7种基质对磷的去除能力，发现飞灰和页岩具有最大的磷吸收，然后是铝土矿、石灰石[35]。

H.Brizo 等分析了13种丹麦不同地区沙的理化性质和除磷能力，认为沙中钙的含量决定了对磷的去除能力[36]。

籍国东等人指出以除磷为目的的人工湿地最好选择飞灰或页岩为基质，其次是铝矾土、石灰石和膨润土，泡沸石和油页岩对磷的吸附能力较差[9]。

朱夕珍等人指出偏碱性基质是一种良好的高磷吸附人工湿地基质[37]。

袁东海等人指出基质磷素饱和吸附实验表明，矿渣和粉煤灰净化磷素能力最强，其次为蛭石、黄褐土和下蜀黄土，砂子和沸石净化磷素能力最差[38]。

3.2.3微生物对磷的去除微生物在基质磷循环过程中还是发挥了重要的作用，主要包括：①改变无机磷化合物的溶解性；②矿质化有机磷化合物并释放无机磷酸盐；③将可利用的无机磷酸阴离子转化为细胞组分；④引起无机磷化合物的氧化或还原。

总的来说，微生物通过同化吸收作用，可将有机磷分解成无机磷酸盐，使之从污水中去除[39]。

4影响人工湿地脱氮除磷效率的主要因素4.1温度人工湿地系统对污染物的去除主要依靠植物、填料、微生物三重作用完成的，而植物与微生物的生长与繁殖能力受温度的变化影响较大，造成湿地系统在不同的季节有不同的生长量，研究表明：人工湿地对污染物和氮磷的去除作用夏季明显强于冬季。

人工湿地脱氮主要是通过微生物的硝化与反硝化过程完成的。

硝化反应的适应温度为20℃-30℃，低于15℃，反应速度迅速下降，5℃时反应基本停止。

反硝化作用适应的温度为25℃-65℃。

而磷的去除主要是通过与温度无关的化学沉淀和物化吸附作用完成的，微生物的去除相对不重要，温度对磷的去除影响很小[14,15]。

4.2pH值人工湿地系统中，植物和微生物受pH值影响较大，不同条件下植物与微生物的活性不同。

人工湿地脱氮中，硝化反应适宜的pH值为7-8，反硝化反应适宜的pH值6.5-7.5[15]。

除磷过程中，pH值也起着十分重要的作用。

磷被Ca吸附仅发生在中性或碱性状态下。

含高浓度铝和铁的酸性湿地对磷的吸附能力最强，磷通过与这些金属反应而沉淀下来[26]。

4.3溶解氧人工湿地处理污水过程中，一方面植物和微生物的生长需要氧气，另一方面脱氮过程中需要严格控制硝化与反硝化过程，这对溶解氧有着严格的要求[40]。

磷的去除也和溶解氧有着密切的联系。

5结语总体而言，人工湿地作为一种经济、简易、节能和有效的生态化的污水处理技术，有着非常广阔的应用前景。

近年来，地表水体富营养化程度越来越严峻，而氮、磷是造成水体富营养化的主要因素，在今后很长一段时间内，人工湿地脱氮除磷机理研究仍将是重点。

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