人工濕地氮去除途徑及提高方法研究進展

孫振凱，董 彬，王雯慧，劉任鵬，呂晶晶，杜錢坤

(臨沂大學 資源環(huán)境學院，山東 臨沂 276000)

1 引言

人工濕地是用于處理污水的人工生態(tài)系統(tǒng)，包括基質(zhì)，水生植物，微生物和水體。其效果穩(wěn)定、去除污染物能力強、工藝技術相對簡單、建造和運行費用便宜、系統(tǒng)容量大，是一種有效消減水體氮素污染的重要生態(tài)手段[1]。主要通過基質(zhì)的吸附過濾，濕地植物的吸收同化、硝化-反硝化、氨化來凈化污水。但是，在濕地系統(tǒng)的實際運行中，不同系統(tǒng)的脫氮效率存在差異，其中水體溶解氧(DO)、pH值、溫度和基質(zhì)是影響氮去除的主要因素。本文總結了人工濕地的脫氮途徑和影響因素，并給出了提高脫氮效率的方法。

2 人工濕地氮去除的主要途徑

2.1 基質(zhì)的吸附和過濾

2.2 濕地植物的吸收同化作用

同化是一種生物過程，是指濕地植物從污水中獲得氮元素進入細胞組分。通常用于人工濕地的植物包括蘆葦、香蒲、菖蒲、美人蕉等。雖然植物對氮素的直接吸收作用在整個氮循環(huán)過程中所占比重比較小，但在整個系統(tǒng)中所起的綜合作用是不可忽視的。植物濕地系統(tǒng)的氮去除效果明顯優(yōu)于無植物的濕地系統(tǒng)，有水生植物的濕地系統(tǒng)具有較好的脫氮效果。通過植物吸收同化去除的氮約占8%～16%。

2.3 濕地微生物分解轉化

濕地系統(tǒng)中的微生物種類繁多，分布廣，沉積物、水體、水生植物莖葉表面均有微生物存在，氮循環(huán)功能微生物參與的分解轉化是污水中氮去除的關鍵。氮去除相關的微生物主要包括氨氧化微生物、硝化微生物、反硝化微生物、厭氧氨氧化微生物等，可占氮去除總量的60%～90%[1]。水生植物光合作用輸氧可以使根系附近區(qū)域呈現(xiàn)好氧狀態(tài)，好氧微生物可利用氧氣分解該區(qū)域的大部分有機氮；硝化細菌則在這一區(qū)域進行硝化作用；遠離根區(qū)的沉積物呈微氧或缺氧狀態(tài)，反硝化微生物和厭氧氨氧化微生物將硝態(tài)氮和銨態(tài)氮還原為氣體脫離水體。研究發(fā)現(xiàn)，污水中微生物數(shù)量，尤其是硝化菌和反硝化菌的數(shù)量，與氮去除效率存在正相關。

2.4 水生動物

濕地動物是濕地系統(tǒng)不可或缺的一部分，在人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)平衡中起著重要作用，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。蚯蚓等低級動物可以清潔垃圾，減少系統(tǒng)排泥次數(shù)；其他魚類鳥類等動物可以在人工濕地中形成大規(guī)模的食物網(wǎng)，通過取食去除一定量的氮，同時防止蚊蠅蟲害，保證濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2.5 硝化-反硝化

3 人工濕地氮去除影響因素

3.1 溶解氧

水體中溶解氧DO的分布對脫氮效率影響較大，溶DO濃度與硝化反應密切相關。 硝化菌是好氧菌，供氧充分時會大量繁殖,而反硝化細菌多為厭氧菌，多生活在遠離根區(qū)的缺氧、厭氧區(qū)域。提高溶解氧濃度將加速硝化反應的進程，提高好氧微生物生長速度，抑制反硝化作用。

3.2 pH值

3.3 溫度

溫度是濕地系統(tǒng)中氮去除效率的重要因素。 溫度可影響微生物生長的速率和活性，并且影響硝化-反硝化的反應正常進行。濕地系統(tǒng)中除氮的適宜溫度為20～25 ℃。溫度下降會影響濕地植物的生理活動，減少植物的氮吸收和濕地系統(tǒng)氧氣供應。因此，如果溫度降低或過高，則系統(tǒng)中氮的去除率將降低。

4 提高氮去除效率的方法

4.1 科學選擇搭配基質(zhì)

由于系統(tǒng)中基質(zhì)的種類及不同基質(zhì)的組合方式、比例的物理化學性質(zhì)不盡相同，對氮的去除率有顯著的差異。因此要科學選擇搭配基質(zhì)，可以根據(jù)實際情況選擇基質(zhì)種類或組合基質(zhì)，以提高除氮效率。

4.2 選擇合適的濕地植物

濕地植物可以通過影響改變水中環(huán)境，從而影響氮去除速率。濕地植物的除氮效率隨季節(jié)變化較大，污水去除效果很大程度上取決于濕地植物和微生物的季節(jié)性變化，選擇合適的濕地植物非常重要。選擇生長迅速、生物量大、根系發(fā)達、耐污性強、環(huán)境適應性強的濕地植物可顯著提高濕地系統(tǒng)的穩(wěn)定性。植物多樣性高的人工濕地系統(tǒng)更有利于人工濕地的脫氮。

4.3 科學供氧

人工濕地系統(tǒng)在實際運行中易發(fā)生堵塞而造成系統(tǒng)內(nèi)部缺氧，形成厭氧環(huán)境，不利于濕地的硝化菌的繁殖和硝化反應的進行，但若要厭氧區(qū)DO不可超過0.5 mg/L，則有利于反硝化過程高效運行，因此要在有效范圍內(nèi)科學合理控制DO含量，人為創(chuàng)造厭氧-有氧交替的異質(zhì)性環(huán)境，促進微生物的繁殖，從而提高人工濕地的氮去除效率。

4.4 優(yōu)化強化氮去除微生物

硝化細菌是硝化-反硝化過程中關鍵的部分，硝化速率與污水中硝化細菌的含量直接相關[3]。但由于人工濕地的內(nèi)部環(huán)境隨外界環(huán)境影響較大，有時無法滿足微生物生長的最佳pH值和溫度條件。因此，在人工濕地系統(tǒng)中篩選的高效硝化細菌和亞硝化細菌菌株，培養(yǎng)富集反硝化細菌并添加到濕地系統(tǒng)中，將顯著提高氮去除效率。

4.5 引入水生動物

在濕地系統(tǒng)中加入蚯蚓、黃鱔、泥鰍等水生生物，可改善沉積物中的氧環(huán)境，加快能量流動和物質(zhì)循環(huán)，保持濕地生態(tài)系統(tǒng)的緊密聯(lián)系，降低植物根部和基質(zhì)中銨態(tài)氮含量。而且動物的取食對除氮效率也有一定提高。

4.6 優(yōu)化進水方式

系統(tǒng)的進水方式對污水和基質(zhì)的接觸程度、DO濃度、停留時間有較大影響。因此改進進水方式對于氮去除效率是非常重要的。不同進水方式的凈水能力、除氮效率、成本、運行費用有所區(qū)別，要根據(jù)污水水質(zhì)和其他因素選擇最合適的進水方式。

5 結語

人工濕地已經(jīng)廣泛應用于各種領域的污染水體修復，但與日益增加的富氮污水量相比，人工濕地的污水處理量還遠遠不夠。對如何盡可能多地使?jié)竦刂械匾詿o污染的氮氣(N2)的形式離開水體，減少溫室氣體氧化亞氮(N2O)、甲烷(CH4)等的排放，還需要深入研究，還需要改進和創(chuàng)新更加經(jīng)濟高效的人工濕地處理技術。