人工湿地脱氮除磷机理及其研究进展_李志杰
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［摘要］ 人工湿地作为一种投资少、能耗低的水处理系统，被广泛应用于各种水处理之中，与传统的处理工艺相 比有较好的稳定性和生态效果。 在人工湿地系统中，基质、水生植物和微生物对污染物的去除有着重要的影响。 综述 了人工湿地脱氮除磷的机理，讨论了基质、水生植物、微生物及进水条件对系统处理效果的影响，提出了当前人工湿 地研究中存在的问题和提高人工湿地脱氮除磷能力的措施。
质， 而且其根系的泌氧功能为微生物分解转化有机 物提供了适宜的环境条件 。 〔23〕 植物向湿地中传输的 氧气量直接影响其运行机制。 水生植物可以传输约 90%的 氧 到 根 系 周 围 ， 从 而 加 强 微 生 物 的 硝 化 作 用 ， 去除水中氮 。 〔24〕 1.2.3 微生物
人工湿地中的微生物在有机物的降解转化方面 发挥着重要作用。付融冰等 研 〔25〕 究发现，在距人工湿 地进水沿程 50 cm 处氨化细菌和亚硝化细菌个数最 多，分别为：氨化细菌 3.5×106 mL-1，亚硝化细菌 3.0× 103 mL-1，且此处 TN 的去除率也最高，为 31.6%。 随 着以上两种细菌数的减少，TN 的去除率也在降低。 这说明湿地的氮去除效果与硝化细菌等微生物数量 呈正相关。
有研究表明 ： 〔16〕 在相同进水水质和水力负荷条 件下，页岩填料对 COD、TN、TP 去除效果最好，最高 去除率可分别达到 60%、80%、85%， 其次为页岩与 粗砾石组合填料，麦饭石去除效果较差。
周炜等 的 〔17〕 试验结果表明，在 8 月份，沸石床复 合流人工湿地 NH4+-N 去除率在 95%左右，TN 去除 率接近 80%，硝态 氮 去 除 率 在 96%左 右 ；而 炉 渣 和 砾石人工湿地与沸石床相比，除出水硝态氮无太大 变化外（约为 80%~90%），NH4+-N 和 TN 的去除率较 低，约为 10%、50%。
第 32 卷第 4 期 2012 年 4 月
工业水处理 Industrial Water Treatment
Vol．32 No．4 Apr.，2012
专论与综述
人工湿地脱氮除磷机理及其研究进展
李志杰 1，孙井梅 1，刘宝山 2
（1.Leabharlann Baidu天津大学环境科学与工程学院，天津 300072； 2. 中海油天津化工研究设计院，天津 300131）
Li Zhijie1，Sun Jingmei1，Liu Baoshan2 （1. School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；
2. CNOOC Tianjin Chemical Research & Design Institute，Tianjin 300131，China）
韩苏娟等 研 〔22〕 究结果表明：黄菖蒲、芦苇、水莎 草湿地对 TN 去除率较好，平均去除率分别为 33.29%、 30.58%、30.38%； 臭蒲和香蒲对 TN 去除效果次之， 分别为 25.84%、22.92%； 大红草对 TN 去除效果最
差，仅为 18.09%。 水生植物不仅可以直接摄取污水中的富营养物
Abstract： The constructed wetland，as a low-payment and lower-power water treatment system，has widely been used in various types of water treatment. Compared with traditional treatment processes，it has better stability and ecological effects. In this system，substrate，aquatic plants，and microbes have important influences on the removal of pollutants. The mechanisms of denitrification and dephosphorization by using constructed wetland are summarized. The effects of substrate，aquatic plants，microbes and influent water conditions on the treatment effectiveness by using this system are discussed. Current problems existing in the research of constructed wetland system and the countermeasures for improving the denitrification and dephosphorization capacities are brought forward. Key words： denitrification and dephosphorization；constructed wetland；sewage treatment
研 究 表 明 ， 〔28-29〕 湿 地 进 水 碳 氮 比 变 化 时 ，TN 的 去除率随着碳氮比的增大而逐渐升高；NH4+-N 的去 除率随着碳氮比的增加而降低。
2 人工湿地除磷的机理及其主要影响因素
2.1 除磷机理 人工湿地通过水生植物、 基质和微生物的共同
作用来完成对磷的去除 。 〔30〕 研究证明〔31-32〕，人工湿地 中基质对磷的去除是最主要途径， 包括物理去除和 化学沉淀去除两大过程。
水生植物是人工湿地的重要组成部分，对氮的 去除有很大的影响。 张荣社等 研 〔19〕 究表明，无植物 床、芦苇床和茭草床 TN 去除率分别达 48.7%、75.6%、 63.5%。 可见植物对湿地中氮的去除有很大影响。
Z. Yousefi 等 〔20〕通 过 实 验 对 比 了 黄 花 鸢 尾 碎 石 床人工湿地与空白床对 TN 的去除效果，结果表明， 黄花鸢尾床对 TN 的去除效果比空白床好， 二者的 去除率分别为 49.4%、43.4%。
此外，一般来说，分层的基质要比不分层的处理 效 果 好 。 研 究 表 明 ， 〔18〕 不 同 粒 径 分 层 级 配 基 质 对 COD 的去除率均高于单一粒径基质，其中分层级配 生物陶粒对 COD 的平均去除率高达 72.91%。 分层 级配沸石对 TN 的净化能力较单一粒径基质有所提 高，平均去除率高达 91.23%。 1.2.2 水生植物
A. Drizo 等 研 〔35〕 究表明：粉煤灰对磷的吸附量最 高，其次是页岩、铝矾土、石灰石、陶粒和沸石，其中 页岩和铝矾土的累积磷吸附量最 高 ， 分 别 为 730、 355 mg/kg，而 X 射线荧光分析发现，页 岩 表 面 有 大 量的磷沉淀，由此可以得出，页岩是这几种人工湿地 填料中除磷效果最好的填料。
［关键词］ 脱氮除磷；人工湿地；污水处理 ［中图分类号］ X703.1 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1005-829X（2012）04-0001-05
Mechanisms of denitrification and dephosphorization by constructed wetland and its research progress
氨氮可被植物直接摄取， 合成植物蛋白质与有 机氮后，再通过植物的收割从湿地系统中除去。湿地 植物根毛的输氧及传递特性， 使根系周围连续呈现 好氧、缺氧及厌氧状态，相当于许多串联或并联的处 理单元， 使硝化和反硝化作用可以在湿地系统中同 时进行 。 〔11-14〕
基质是人工湿地不可缺少的组成部分， 它为人 工湿地中微生物的生长提供稳定的依附表面， 为水 生植物提供生长载体和营养物质，同时，基质本身对 污水净化也有重要的作用。
无机磷也是植物必需的营养元素， 废水中无机 磷可被植物吸收利用组成卵磷脂、 核酸及 ATP 等， 然后通过植物的收割而移去。
微生物对磷的去除包括对磷的正常同化和过量 积累。由于人工湿地系统中植物光合作用光反应、暗 反应交替进行，根毛输氧也交替出现，以及系统内部
2
工业水处理 2012 －04，32（4）
人工湿地是 20 世纪 70 年代新兴的一种污水处 理方式，其利用基质、水生植物和微生物之间的相互 作用，通过过滤、吸附、共沉淀、离子交换、植物吸收 和微生物分解等方式来实现对废水中有害物质的去 除，同时通过营养物质和水分的循环，实现对水的净 化 。 〔1-3〕 近年来，人工湿地以其投资费用低，建设、运 行成本低，处理过程能耗低，处理效果稳定，景观效 应良好等优点多被用于改善景观水体水质之中 。 〔4-5〕 人工湿地还具有强大的生态功能， 包括生物多样性 保护、水源净化及保护与供给、气候调节、野生资源 开发以及生态环境科学研究等诸多方面 。 〔6-7〕
［基金项目］ 国家水体污染控制与治理科技重大专项（2008ZX07314-004）；国家自然科学基金项目（50708063）
1
专论与综述
工业水处理 2012- 04，32（4）
1.2 影响脱氮的主要因素 1.2.1 基质
不同基质类型对脱氮效果的影响不同。 Wendong Tao 等 〔15〕研 究 发 现 ，石 灰 石 基 质 和 铺 路 石 对氨氮和 TN 的去除效果无太大差别， 但是石灰石 基质能够增大亚硝酸盐的含量，将其最高质量浓度 从 3.6 mg/L 增加到 4.7 mg/L， 从而更有利于厌氧氨 氧化，提高对氮的去除率。
不同的湿地植物对人工湿地的净化效果的影响 不同。 Sixi Zhu 等 研 〔21〕 究发现，豆类植物不影响生物 质生产以及基质中硝酸盐和铵盐的截留；C3 类植物 和 C4 类植物影响植物水上部分生物质的生产；最重 要的是，植物的多样性越高越有利于生物质的生产 和基质中氮的截留，因此，更有利于人工湿地脱氮。
张鸿等 实 〔26〕 验表明，由于水芹湿地和凤眼莲湿 地中含有大量的硝化细菌， 水芹和凤眼莲湿地对氨 氮的净化率比对照组分别高 8.7%、11.7%。 这说明微 生物在湿地对氮的去除中发挥着很重要的作用。 1.2.4 进水的影响
Yongjun Zhao 等 〔27〕研 究 表 明 ， 控 制 进 水 m （C）∶ m （N）∶m （P） 在 一 定 范 围 内 ， 能 使 有 植 物 的 人 工 湿 地 中的微生物发生相似转化， 而无植物的人工湿地中 的微生物则会出现脱离湿地的现象，因此，建议在建 设人工湿地时应尽量种植植物，并选择合适的 m（C）∶m（N）∶m（P），防止微生物异化和脱离湿地。
Youqin Zou 等 对 〔36〕 比分别由陶粒和砂砾建成的 两组人工湿地发现， 在水力负荷为 2.53~6.74 cm/d 区间， 陶粒床人工湿地对 COD、NH4+-N、TP 的去除 率分别为 83.3%、98.21%、98.98%， 优于砂砾人工湿 地的处理效果。 Y. Q. Zhao 等 研 〔37〕 究发现，明矾污泥 和 碎 石 床 人 工 湿 地 系 统 对 TP 的 月 去 除 率 高 达 94%，对无机磷的月去除率高达 97%，足见明矾污泥 在湿地除磷中的前景。 2.2.2 水生植物
李志杰，等：人工湿地脱氮除磷机理及其研究进展
不同区域对氧消耗量存在差异， 从而导致系统中好 氧和厌氧情况交替出现， 使磷的过量释放和过量积 累得以顺利完成。 2.2 影响除磷的主要因素 2.2.1 基质
不同基质对磷的去除存在较大差异， 若土壤中 含有较多的钙、铁、铝氧化物，则有利于生成溶解度 很低的磷酸铁或磷酸铝，增强土壤的去磷能力 。 〔33-34〕
1 人工湿地脱氮的机理及其主要影响因素
1.1 脱氮机理 人工湿地中的氮通过微生物的氨化、 硝化与反
硝化作用，植物的吸收，基质的吸附、过滤、沉淀等途 径去除。其中氨化、硝化与反硝化作用是去除氮的主 要途径，其基本条件是湿地中存在大量的氨化菌、硝 化菌、反硝化菌和适当的湿地土壤环境条件 。 〔8-10〕
质， 而且其根系的泌氧功能为微生物分解转化有机 物提供了适宜的环境条件 。 〔23〕 植物向湿地中传输的 氧气量直接影响其运行机制。 水生植物可以传输约 90%的 氧 到 根 系 周 围 ， 从 而 加 强 微 生 物 的 硝 化 作 用 ， 去除水中氮 。 〔24〕 1.2.3 微生物
人工湿地中的微生物在有机物的降解转化方面 发挥着重要作用。付融冰等 研 〔25〕 究发现，在距人工湿 地进水沿程 50 cm 处氨化细菌和亚硝化细菌个数最 多，分别为：氨化细菌 3.5×106 mL-1，亚硝化细菌 3.0× 103 mL-1，且此处 TN 的去除率也最高，为 31.6%。 随 着以上两种细菌数的减少，TN 的去除率也在降低。 这说明湿地的氮去除效果与硝化细菌等微生物数量 呈正相关。
有研究表明 ： 〔16〕 在相同进水水质和水力负荷条 件下，页岩填料对 COD、TN、TP 去除效果最好，最高 去除率可分别达到 60%、80%、85%， 其次为页岩与 粗砾石组合填料，麦饭石去除效果较差。
周炜等 的 〔17〕 试验结果表明，在 8 月份，沸石床复 合流人工湿地 NH4+-N 去除率在 95%左右，TN 去除 率接近 80%，硝态 氮 去 除 率 在 96%左 右 ；而 炉 渣 和 砾石人工湿地与沸石床相比，除出水硝态氮无太大 变化外（约为 80%~90%），NH4+-N 和 TN 的去除率较 低，约为 10%、50%。
第 32 卷第 4 期 2012 年 4 月
工业水处理 Industrial Water Treatment
Vol．32 No．4 Apr.，2012
专论与综述
人工湿地脱氮除磷机理及其研究进展
李志杰 1，孙井梅 1，刘宝山 2
（1.Leabharlann Baidu天津大学环境科学与工程学院，天津 300072； 2. 中海油天津化工研究设计院，天津 300131）
Li Zhijie1，Sun Jingmei1，Liu Baoshan2 （1. School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；
2. CNOOC Tianjin Chemical Research & Design Institute，Tianjin 300131，China）
韩苏娟等 研 〔22〕 究结果表明：黄菖蒲、芦苇、水莎 草湿地对 TN 去除率较好，平均去除率分别为 33.29%、 30.58%、30.38%； 臭蒲和香蒲对 TN 去除效果次之， 分别为 25.84%、22.92%； 大红草对 TN 去除效果最
差，仅为 18.09%。 水生植物不仅可以直接摄取污水中的富营养物
Abstract： The constructed wetland，as a low-payment and lower-power water treatment system，has widely been used in various types of water treatment. Compared with traditional treatment processes，it has better stability and ecological effects. In this system，substrate，aquatic plants，and microbes have important influences on the removal of pollutants. The mechanisms of denitrification and dephosphorization by using constructed wetland are summarized. The effects of substrate，aquatic plants，microbes and influent water conditions on the treatment effectiveness by using this system are discussed. Current problems existing in the research of constructed wetland system and the countermeasures for improving the denitrification and dephosphorization capacities are brought forward. Key words： denitrification and dephosphorization；constructed wetland；sewage treatment
研 究 表 明 ， 〔28-29〕 湿 地 进 水 碳 氮 比 变 化 时 ，TN 的 去除率随着碳氮比的增大而逐渐升高；NH4+-N 的去 除率随着碳氮比的增加而降低。
2 人工湿地除磷的机理及其主要影响因素
2.1 除磷机理 人工湿地通过水生植物、 基质和微生物的共同
作用来完成对磷的去除 。 〔30〕 研究证明〔31-32〕，人工湿地 中基质对磷的去除是最主要途径， 包括物理去除和 化学沉淀去除两大过程。
水生植物是人工湿地的重要组成部分，对氮的 去除有很大的影响。 张荣社等 研 〔19〕 究表明，无植物 床、芦苇床和茭草床 TN 去除率分别达 48.7%、75.6%、 63.5%。 可见植物对湿地中氮的去除有很大影响。
Z. Yousefi 等 〔20〕通 过 实 验 对 比 了 黄 花 鸢 尾 碎 石 床人工湿地与空白床对 TN 的去除效果，结果表明， 黄花鸢尾床对 TN 的去除效果比空白床好， 二者的 去除率分别为 49.4%、43.4%。
此外，一般来说，分层的基质要比不分层的处理 效 果 好 。 研 究 表 明 ， 〔18〕 不 同 粒 径 分 层 级 配 基 质 对 COD 的去除率均高于单一粒径基质，其中分层级配 生物陶粒对 COD 的平均去除率高达 72.91%。 分层 级配沸石对 TN 的净化能力较单一粒径基质有所提 高，平均去除率高达 91.23%。 1.2.2 水生植物
A. Drizo 等 研 〔35〕 究表明：粉煤灰对磷的吸附量最 高，其次是页岩、铝矾土、石灰石、陶粒和沸石，其中 页岩和铝矾土的累积磷吸附量最 高 ， 分 别 为 730、 355 mg/kg，而 X 射线荧光分析发现，页 岩 表 面 有 大 量的磷沉淀，由此可以得出，页岩是这几种人工湿地 填料中除磷效果最好的填料。
［关键词］ 脱氮除磷；人工湿地；污水处理 ［中图分类号］ X703.1 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1005-829X（2012）04-0001-05
Mechanisms of denitrification and dephosphorization by constructed wetland and its research progress
氨氮可被植物直接摄取， 合成植物蛋白质与有 机氮后，再通过植物的收割从湿地系统中除去。湿地 植物根毛的输氧及传递特性， 使根系周围连续呈现 好氧、缺氧及厌氧状态，相当于许多串联或并联的处 理单元， 使硝化和反硝化作用可以在湿地系统中同 时进行 。 〔11-14〕
基质是人工湿地不可缺少的组成部分， 它为人 工湿地中微生物的生长提供稳定的依附表面， 为水 生植物提供生长载体和营养物质，同时，基质本身对 污水净化也有重要的作用。
无机磷也是植物必需的营养元素， 废水中无机 磷可被植物吸收利用组成卵磷脂、 核酸及 ATP 等， 然后通过植物的收割而移去。
微生物对磷的去除包括对磷的正常同化和过量 积累。由于人工湿地系统中植物光合作用光反应、暗 反应交替进行，根毛输氧也交替出现，以及系统内部
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工业水处理 2012 －04，32（4）
人工湿地是 20 世纪 70 年代新兴的一种污水处 理方式，其利用基质、水生植物和微生物之间的相互 作用，通过过滤、吸附、共沉淀、离子交换、植物吸收 和微生物分解等方式来实现对废水中有害物质的去 除，同时通过营养物质和水分的循环，实现对水的净 化 。 〔1-3〕 近年来，人工湿地以其投资费用低，建设、运 行成本低，处理过程能耗低，处理效果稳定，景观效 应良好等优点多被用于改善景观水体水质之中 。 〔4-5〕 人工湿地还具有强大的生态功能， 包括生物多样性 保护、水源净化及保护与供给、气候调节、野生资源 开发以及生态环境科学研究等诸多方面 。 〔6-7〕
［基金项目］ 国家水体污染控制与治理科技重大专项（2008ZX07314-004）；国家自然科学基金项目（50708063）
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专论与综述
工业水处理 2012- 04，32（4）
1.2 影响脱氮的主要因素 1.2.1 基质
不同基质类型对脱氮效果的影响不同。 Wendong Tao 等 〔15〕研 究 发 现 ，石 灰 石 基 质 和 铺 路 石 对氨氮和 TN 的去除效果无太大差别， 但是石灰石 基质能够增大亚硝酸盐的含量，将其最高质量浓度 从 3.6 mg/L 增加到 4.7 mg/L， 从而更有利于厌氧氨 氧化，提高对氮的去除率。
不同的湿地植物对人工湿地的净化效果的影响 不同。 Sixi Zhu 等 研 〔21〕 究发现，豆类植物不影响生物 质生产以及基质中硝酸盐和铵盐的截留；C3 类植物 和 C4 类植物影响植物水上部分生物质的生产；最重 要的是，植物的多样性越高越有利于生物质的生产 和基质中氮的截留，因此，更有利于人工湿地脱氮。
张鸿等 实 〔26〕 验表明，由于水芹湿地和凤眼莲湿 地中含有大量的硝化细菌， 水芹和凤眼莲湿地对氨 氮的净化率比对照组分别高 8.7%、11.7%。 这说明微 生物在湿地对氮的去除中发挥着很重要的作用。 1.2.4 进水的影响
Yongjun Zhao 等 〔27〕研 究 表 明 ， 控 制 进 水 m （C）∶ m （N）∶m （P） 在 一 定 范 围 内 ， 能 使 有 植 物 的 人 工 湿 地 中的微生物发生相似转化， 而无植物的人工湿地中 的微生物则会出现脱离湿地的现象，因此，建议在建 设人工湿地时应尽量种植植物，并选择合适的 m（C）∶m（N）∶m（P），防止微生物异化和脱离湿地。
Youqin Zou 等 对 〔36〕 比分别由陶粒和砂砾建成的 两组人工湿地发现， 在水力负荷为 2.53~6.74 cm/d 区间， 陶粒床人工湿地对 COD、NH4+-N、TP 的去除 率分别为 83.3%、98.21%、98.98%， 优于砂砾人工湿 地的处理效果。 Y. Q. Zhao 等 研 〔37〕 究发现，明矾污泥 和 碎 石 床 人 工 湿 地 系 统 对 TP 的 月 去 除 率 高 达 94%，对无机磷的月去除率高达 97%，足见明矾污泥 在湿地除磷中的前景。 2.2.2 水生植物
李志杰，等：人工湿地脱氮除磷机理及其研究进展
不同区域对氧消耗量存在差异， 从而导致系统中好 氧和厌氧情况交替出现， 使磷的过量释放和过量积 累得以顺利完成。 2.2 影响除磷的主要因素 2.2.1 基质
不同基质对磷的去除存在较大差异， 若土壤中 含有较多的钙、铁、铝氧化物，则有利于生成溶解度 很低的磷酸铁或磷酸铝，增强土壤的去磷能力 。 〔33-34〕
1 人工湿地脱氮的机理及其主要影响因素
1.1 脱氮机理 人工湿地中的氮通过微生物的氨化、 硝化与反
硝化作用，植物的吸收，基质的吸附、过滤、沉淀等途 径去除。其中氨化、硝化与反硝化作用是去除氮的主 要途径，其基本条件是湿地中存在大量的氨化菌、硝 化菌、反硝化菌和适当的湿地土壤环境条件 。 〔8-10〕