人工湿地脱氮除磷影响因素及改进措施研究

李勇 王文鹏 刘静

（1 山东省安丘市环境保护局监测站, 山东 安丘262100；2 青岛职业技术学院生物与化工学院,山东青岛 266555；3 山东省安丘市工商业联合会, 山东 安丘262100）

人工湿地污水处理系统是一类模仿自然湿地建造的综合生态系统，是传统污水处理系统的有效替代，其作为一种绿色的废水处理工艺，被广泛应用于净化处理生活污水、工业废水、农业废水等。人工湿地具有运行成本小，维护要求较低，产生污泥少，消耗能量低，经济、环境收益佳等优点。人工湿地污水处理系统在提高氮、磷去除率方面起到了至关重要的作用。本文通过文献检索和分析，从非生物因素和生物因素两个方面阐述了温度、pH值、植物和微生物等因素对人工湿地污水处理系统脱氮除磷效果的影响，并提出了相应的改进方案，以期为后续人工湿地的研究和发展提供理论依据。

1 脱氮除磷影响因素

1.1 非生物因素

1.1.1 温度 氮磷在人工湿地的去除过程主要是利用土壤—微生物—植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现的。而温度对于填料、植物、微生物的作用都有不同程度的影响（张军等, 2004; Tan et al, 2017）。已有研究表明，在温度较低的条件下，粒径较大的悬浮颗粒附着在基质上并不断增多，进而会堵塞人工湿地（孔慧敏等, 2016）。且低温使微生物生长代谢受到抑制，微生物的硝化反硝化过程受到影响，从而降低了脱硝率。此外，由于冬季植物生长迟缓，氧气转移受到限制，不利于硝化的进行，因此低温导致人工湿地处理污水时氮的去除率降低（Wang et al, 2012）。相反，温度升高会使湿地植物及微生物的生物活性增强，对氮磷的吸收分解速率加快，进而提高脱氮除磷的效率。

1.1.2 pH值 pH值是影响脱氮除磷效果的重要因素之一。人工湿地的脱氮除磷是植物、基质和微生物的共同作用，但微生物的转化占主导地位。一般来说，微生物的活性具有最适pH值范围，如硝化菌的最适pH值范围为8.0～8.4（邓春光等,2007），但反硝化菌的最适pH值范围为6.5～7.5（张自杰等, 2000）。在氮的去除过程中，pH值的变化会使硝化反硝化细菌的活性发生改变，进而影响脱氮效率。故人工湿地净化废水时，pH值的变化会对微生物的种类和数量有重要影响，一旦脱离废水处理的最适pH值范围，就会造成成本增加，脱氮除磷效率减慢等问题。

1.1.3 水力停留时间 已有研究表明人工湿地脱氮除磷的效率受水力停留时间(HRT)的影响（徐丽等, 2014; 杨林, 2013）。随着水力停留时间的减少，总氮的去除率表现为先增大后减小的趋势，而总磷的去除率则持续减小。总氮去除率的变化是由于污水脱氮主要依靠氨化、硝化、反硝化作用，经人工湿地处理的污水中的氮首先经过基质的吸附，水力停留时间越长，氮的去除率越高，但经过一段时间后，最初由基质吸附为微生物提供原料的氮多数被吸收，微生物反应逐渐减缓，最终趋于不变。而总磷去除率的变化是由于污水除磷的主要途径为植物拦截和底物吸附，当废水经过基质时，一部分磷被基质直接拦截，还有一部分磷与基质中的钙离子、铁离子、铝离子等发生化学反应，以沉淀的形式留于湿地中，随着水力停留时间的延长，磷的去除效果提高。

1.1.4 流入C/N比 不同流入C/N比会对人工湿地除氮效果产生影响（Yan et al,2012;Ding et al,2012；Zhu et al,2012; He et al,2012)。人工湿地脱氮的主要机理是硝化和反硝化过程，而碳源是影响脱氮的关键因素。当C/N比偏低时，碳源不足，微生物活性低，抑制脱氮过程，而随着碳源的增加，C/N比增大，生物活性增加，促进反硝化过程，从而获得较高的氮去除率。但过量的碳源会使有机物过量消耗溶解氧，抑制硝化微生物的活性，使氮去除效率降低。因此，在人工湿地运行过程中寻求最佳流入C/N比对提高脱氮效率有重要意义。

1.1.5 分流比 分流比能够影响人工湿地的脱氮效率，但对除磷效果影响不大。分子生物学分析表明，氮转化细菌的丰度受分流比的影响，当分流比大于0:1时，反硝化和厌氧反应增强。Wang Zhen等（2017）探讨了单阶段潮汐流人工湿地在5种不同分流比下的氮转化，发现1:2的分流比去氮效果最佳。

1.1.6 溶解氧 溶解氧水平是影响人工湿地脱氮除磷效果的重要因素之一（熊家晴等,2013)。废水中氨氮的去除在很大程度上取决于氧气的供应,许多研究表明，若系统中含有充足的氧气，微生物将进行生物降解，提高有机物和氮去除的系统效率。硝化与反硝化作用是人工湿地脱氮除磷的主要去除过程。硝化作用主要依靠于溶解氧的供应，但湿地溶解氧的水平普遍较低，抑制了微生物活性和各种生化反应的进行，使人工湿地的除污效果尤其是对氮类物质的脱除受到了制约。此外，用于硝化和反硝化的氧气要求存在不同，不适当的溶解氧分布也会降低人工湿地的氧气利用效率，进而影响污染物去除效率。

1.2 生物因素

1.2.1 植物 植物的存在是湿地最显著的特征之一，植被被认为是控制湿地除氮的关键因素（Wu et al,2016)。大多数研究表明具有植被的人工湿地处理系统具有较高的污水处理效率，能够更好地实现氮磷的去除，且不同的植物脱氮除磷效率是不同的（盛辛辛等,2013;赵丽娜等,2007;付凌等, 2014;Zhu et al,2017）。此外，植物物种丰度同样影响着人工湿地的氮素去除。Chang Jie等（2017）的研究结果表明，氧化氮的排放随植物物种丰富度的增加而增加，而氮素的浓度随着物种丰富度的增加而降低。因此，选择合适的植被类型和搭配能够显著提高脱氮除磷的效率。

1.2.2 微生物 人工湿地系统由基质、植物、微生物组成，不同的成员在系统中发挥着不同的作用，但在污染处理过程中，微生物群落起到了关键作用（吉凤丽等,2014;Coban et al,2017)，故适当添加微生物有助于水处理效率的提高（凌云等, 2009;董亮,2013）。微生物对人工湿地脱氮除磷效率的影响主要表现在两个方面。一方面，温度、pH值、植物等对废水处理效果的影响机理主要是通过影响微生物的活性来实现的。另一方面，人工湿地中微生物分布广泛，种类繁多，包括大量的好氧、厌氧和兼性细菌。人工湿地脱氮主要依靠好氧氨化细菌、硝化细菌和反硝化细菌，而除磷则与磷细菌有关。故微生物的种类、数量和活性直接影响废水处理过程，从而影响脱氮除磷效率。

2 改进措施

2.1 采取保温措施

低温能够抑制人工湿地对氮磷去除的效率，人工湿地在低温下运行时应注意保温，通常情况下采取的措施是覆盖隔离物。由于非理想的覆盖材料会降低治疗效果，故需使用合适的覆盖材料。理想的覆盖材料必须具有以下特点：分解不会对系统造成二次负荷；pH值中性，营养成分平衡；结构蓬松，隔热效果好；种子与覆盖物接触；具有良好的保湿能力等(Wallace et al,2001)。

2.2 添加外部碳源

较高的C/N比能够提高人工湿地的脱氮除磷效率，但废水的C/N比通常较低，所含的碳源不足以支撑整个反硝化过程，氮去除效率受限。因此，在人工湿地中添加诸如葡萄糖、甲醇、果糖、污泥和植物组织等碳源可以促进氮的去除（Lu et al,2009）。其中，植物性碳源可以提供额外的有机物质，建立更多的厌氧带，促进湿地微生物的生长，实现部分的硝化和反硝化过程，提高除氮效率（Fu et al,2016)。

2.3 人工曝气

人工湿地中氮去除效率低的首要原因是氧气供应不足，而人工曝气是保证充足氧气供应的有效处理方法。目前大多数地下流人工湿地研究中的人工曝气是以连续模式进行的，这种模式不仅运行成本高，而且缺乏有利的硝化、反硝化条件，不利于污水的脱氮。因此，采用间歇性人工曝气代替连续性人工曝气，这样不仅可以在地下流人工湿地中很好地交替需氧和厌氧条件，而且相较于连续模式，间歇性曝气具有更多的能源经济性（Fan et al,2013)。

2.4 逐步进料

逐步进料通常是通过在人工湿地的一个位置安装分流管来实现的，所以分流比成为发挥关键作用的重要参数。因分流比可以通过改变氧气传输速率影响参与氮转移的功能性微生物，以此影响氮的去除，故在废水处理中选择合适的分流比至关重要。

2.5 与其他工艺相结合

2.5.1 与微生物燃料电池耦合 微生物燃料电池是近年来出现的一种废水净化技术（许丹等,2015)，具有不产生二次污染，无需曝气设施且能够产生能源的优点。相对于人工湿地来说，微生物电池对面积要求不高，安装和运行费用较低。

人工湿地和微生物燃料电池是兼容技术，都依赖于细菌的作用来去除废水中的污染物。微生物燃料电池所需的氧化还原条件可以在人工湿地中得以实现。因此，近年来出现了将两种技术相结合的技术（CW-MFC技术)，在提高湿地污水处理能力的同时进行能量生产。但目前该技术发展还不成熟，需要进行更多的研究和改进。

2.5.2 与高效藻池结合 硝化和反硝化通常被认为是人工湿地中最重要的脱氮方式，这两个过程主要取决于系统中的氧含量和碳源水平。将高效藻池（HRAP）与人工湿地（CW）相结合，氧和有机物质被藻类光合作用和藻类杂物富集，可以优化硝化和反硝化过程来提高氮去除性能（Ding et al,2016)。

2.5.3 与生物膜电极反应器相结合 生物膜电极反应器（BER）结合了生物和电化学方法，具有高效除氮以及没有外部有机碳源添加的优点，可以作为低C/N废水有效去除硝酸盐的装置，并已得到了广泛应用。人工湿地与生物膜电极反应器（CW-BER）相结合是一种以相对较高的总无机氮浓度处理废水的新技术（He et al,2016)。与单一反应器相比，人工湿地和生物膜反应器的组合能够更好地去除废水中的硝酸盐和氨氮，进而促进最终流出物中总氮的去除效率。

3 结论

人工湿地在污水脱氮除磷方面起着不可替代的作用。本文从生物和非生物两大方面深入剖析了影响人工湿地脱氮除磷的因素，明确了其作用机理及最适条件，并且提出了相应的改进方案。但在实际应用中，每种人工湿地的设计参数与运行条件不同，需要根据不同湿地类型的特点进行优化设计才能发挥系统的最大优势。因此，在未来的研究中仍需进行相关方面的探索，以推动人工湿地处理污水过程中氮磷去除能力的有效提升。

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