人工湿地生态系统提高氮磷去除率的研究进展
摘要：介绍了人工湿地及其去除污水中氮磷的机理，并从湿地植物、基质和微生物三个方面系统地阐述了目前人工湿地系统提高氮磷去除率的研究进展情况；提出了可以通过改良湿地系统设计提高氮磷净化效果、利用培养优化菌种与调节环境条件促进湿地系统氮磷的转化及通过在基质中添加合适的附料、提高人工湿地系统植物多样性从而增加氮磷的吸附吸收的建议，为人工湿地污水净化技术的应用研究提供了有益的参考。
人工湿地应用于污水净化的研究始于20世纪70年代末，它是一个自适应系统，克服了在污水处理中使用化学方法易造成二次污染和物理方法治标不治本的缺点，具有投资小、处理效果好、运行维护方便等特点，可作为传统污水处理技术的一种有效替代方案。目前人工湿地被广泛应用于工业废水、生活污水、矿山及石油开采废水的处理，水体富营养化问题的治理，以及污染水体的生态修复，并将人工湿地系统构建成为观赏性美学景观；特别是人工湿地生态系统为处理污水中的氮、磷的去除提供了一种新的选择。
人工湿地是指人工建造和监督控制的，类似于沼泽的地面，其设计是通过对湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合，利用这3种作用的协调关系来实现污水的净化作用。水体、基质、湿生植物和微生物是构成人工湿地污水处理系统的4个基本要素。基质在为植物和微生物提供生长介质的同时，也能够通过沉淀、过滤和吸附等作用直接去除污染物。大型湿地植物既是微生物的“固定化载体”，氧气的生产和运输“机器”，同时还能够稳固湿地床表面，起到冬季保温和支撑冰面的作用。微生物是消除污染物的作用者，它能够在去除氮、磷等营养物的同时把有机质作为丰富的能源转化为营养物质和能量[1]。
人工湿地根据其具体用途至少可分为4大类：①人工生境湿地，协助天然湿地用于生物多样性的保护；②人工抗洪湿地，用于控制洪水或泄洪；③人工水产湿地，用于农业生产与水产养殖；④人工处理湿地，用于污水污物处理。目前提及的人工湿地污水净化系统通常是指处理湿地。人工湿地还可以按污水在湿地床中流动的方式不同而分为三种类型：地表湿地（Surface Flow Wetland，SFW）、潜流湿地（Subsurface Flow Wetland，SSFW）和垂直流湿地（Vertical Flow Wetland，VFW）[2]。
人工湿地有以下特点：①造价和运行费用便宜，易于维护；②可进行有效可靠的废水处理；③可缓冲对水力和污染负荷的冲击；④可产生效益，如水产、畜产、造纸原料、建材、绿化、野生动植物栖息、娱乐和教育等方面[3]。
1 人工湿地氮磷的去除机理
人工湿地生态系统净化污水的原理是利用系统中的物理、化学、生物的协同作用，通过土壤过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化。即污水在沿一定方向流动的过程中，在湿地土壤、植物和微生物共同作用下得到了高效的净化[4]。
1.1 氮的去除
人工湿地对氮的去除主要依靠微生物的氨化、硝化、反硝化等作用完成[5]。这三个重要的过程一般可以同时发生在人工湿地系统中，但其发生的程度却有所不同。反硝化作用是系统最有效的除氮途径，即进入系统的氧化态氮越少，系统总氮的去除效果越有效。其次是硝化作用，此过程需要有一定的溶解氧水平，对于1.0 mg/L的氨氮，当系统中溶解氧大于4.6 mg/L时，硝化过程才能顺利进行，但也有研究表明氮的去除主要通过废固体物的沉积作用而去除的，去除率是进水氮量的57.6%，再者是反硝化作用，约占40.9%[6]。氨氮的去除受季节变化的影响，主要起作用的是温度、质量负载率和流入盐度三个因素。其中质量负载率是控制氨氮去除率的关键因素，它随着温度的升高呈指数下降，与盐度成反比[7]。水流速、水力负荷以及植物的覆盖也是关系到氮去除率的重要因素[8]。
湿地植物虽然亦吸收一部分无机氮作为自身的营养成分，用于合成植物蛋白等有机氮，进而通过植物的收割而去除。但这一部分仅占总氮量的8%~16%，因而不是脱氮的主要过程[9]。植物除了对污染物直接吸收外，还有重要的间接作用：将氧气从上部输送至植物根部，从而在植物根部附近形成一个好氧环境，而随着离根系距离的逐渐增大，湿地中依次出现缺氧、厌氧状态，这样的条件有利于硝化菌和反硝化菌的生长，进而增强湿地微生物的硝化和反硝化作用，提高污水中氮的净化效率。此外，重金属有阻碍植物吸收氨氮的作用[10]。去除氮的过程还可能涉及挥发作用、填料吸附的作用，但它们所摄取的氮量是十分有限的。
总而言之，由于基质吸附的氮素数量有限，从人工湿地长期运行角度来看，湿地微生物的硝化和反硝化作用是其氮素净化的主要途径，湿地植被根系微生物能增强其作用，提高人工湿地的氮素净化效率[11]。氮的去除机理和反应过程十分复杂，但也是上述人工湿地污水处理系统的4个基本要素相互作用的结果。
1.2 磷的去除
污水中磷的存在形态取决于污水中磷的类型，最常见的有磷酸盐（包括PO4-、HPO4-、PO43-）、聚磷酸盐和有机磷酸盐等。人工湿地对于磷亦有较好的去除效果，主要取决于植物吸收、基质的吸附过滤和微生物转化三者的共同作用。磷和氮一样，都是植物的必需元素，污水中的无机磷在植物的吸收和同化作用下被合成ATP等有机成分，通过收割而从系统中去除。微生物对磷的去除作用包括微生物对磷的正常吸收和过量积累，湿地中某些细菌种类因从污水中吸收超过其生长所需的磷，而微生物细胞的内含物储存过量积累，可通过对湿地床的定期更换而将其从系统中去除。
湿地中土壤和填料在为植物和微生物提供生长介质的同时，还能通过离子交换、专性与非专性吸附、螯合和沉降反应等作用直接去除磷，从而使土壤和填料中的这些元素聚积量急剧升高[12]。填料对磷的吸附随着填料的不同而存在着差异。当填料含有较多铁、铅氧化物时，磷酸根可通过配位体交换被吸附到铁、铅离子表面，也有利于形成溶解度很低的磷酸铁与磷酸铅；而当填料中钙含量较高时，磷可与钙反应生成不溶性的磷酸钙而从污水中沉淀下来[13]。
人工 湿地去除P主要是由于吸附、结合，与Ca、Al、Fe和土壤颗粒的沉淀反应及泥炭积累，其中泥炭积累是不可持续的工艺。当系统中填料的吸附容量达到饱和，且进水浓度较低时，会发生P的释放，使得出水的P浓度大于进水。另外，腐烂的植物组织会成为P的释放源，为了去除植物体中积累的P，有必要定期收割湿地植物[14]。
2 提高氮磷去除率的研究
氮、磷作为生物生长发育所需的两种重要元素，通常以多种形态存在于废水中而引起水体的富营养化，这样不仅降低水体水质和影响水体功能，而且威胁到人类生存的环境，所以长期以来污水除氮、磷一直是污水处理的一项很重要的任务。提高人工湿地的氮磷去除率主要是通过湿地植物、基质以及微生物的共同作用来完成的。
2.1 植物
人工湿地根据湿地中的主要植物形式可分为浮水植物系统、挺水植物系统和沉水植物系统。在人工湿地污水处理系统中，水生植物特别是挺水植物是人工湿地处理系统的重要有机组成部分，因此能否正确地选择合适的植物将直接影响到氮的去除效率。Anders认为植物在湿地处理中有正面和负面的作用，植物提供了细菌环境（特别是硝化细菌），但也增加了水扩散的停留时间，同类型的水生植物有利于提高氮的去除率[15]。
鲁敏等[16]研究了香蒲、美人蕉、灯芯草、芦苇、菖蒲、茭白和黄花鸢尾这7种武汉地区常见湿地植物对生活污水的处理效果。研究表明停留时间选择1 d时，出水中的TN和TP浓度基本上已达到污水综合排放的标准（GB 8978—1996），其中香蒲、美人蕉、黄花鸢尾、茭白和菖蒲的处理效果相对较好。Chris[17]比较了流入污水的水质对湿地去除氮、磷的影响，停留时间从2 d增加到7 d，结果发现在没有种植植物的湿地中TN的和TP的去除率分别从相同的12%增加到41%和36%，而在种植了棒灯芯草时分别从48%和37%增加到75%和74%，但当流入污水中氮磷含量增加时，种植了植物的湿地去除效果有一定程度的提高，没有种植植物的却下降。成水平专门考察了香蒲和灯芯草两种湿地植物，结果发现人工湿地基质中氮、磷的含量分别比无植物的对照基质中的含量低18%~28%和20%~31%[18]。香蒲还能在咸的污水中较好地去除N和BOD5[19]。
在处理轻度富营养化水的人工湿地中,植物吸收对氮磷的去除起主要作用。蒋跃平研究的17种植物平均氮磷积累量对去除水中氮磷的贡献率分别为46.8%和51.0%，且氮磷积累量主要集中在植物的地上部,其贡献率分别为38.5%和40.5%，所以通过对植物地上部分的收割,就可以去除水中大部分的N、P[20]。为了筛选对氨氮浓度比较高废水有较强适应能力的湿地植物，有人从野外采集12种植物，种在不同浓度猪场废水中作水培观察，并从耐污力、地上部生物量、根系、景观、易管理等5方面指标分别给予综合评定。结果表明，风车草和香根草最适合用作猪场废水处理的人工湿地植物。风车草可以在COD 2800 mg/L、NH3-N 390 mg/L以下猪场废水中生长，香根草可以在COD 1300 mg/L、NH3-N 200 mg/L以下的猪场废水中生长[21]。而相同情况下风车草迁移N、P等养分的能力要比香根草高4~7倍[22]。
由于利用水生植物净化污水效果主要依靠植物运送氧气到根区的能力，因而，选择合适的水生植物种类在净化污水过程中至关重要，从目前人工湿地运行的经验来看，人们在选择湿地植物时一般从以下几方面考虑:适合试验地区气候土壤环境条件的乡土植物；根系发达，生物量较大，一般为多年生，茎叶繁茂；抗病虫害的能力强；耐污能力和抗寒能力强；具有一定经济价值[23]。
2.2 基质
目前广泛应用的人工湿地主要由沙粒、沙土、土壤、石块为基质，这些基质一方面为微生物的生长提供稳定依附表面，同时也为水生植物提供了载体和营养物质。当污水流经人工湿地时，基质通过一些物理的和化学的途径（如吸收、吸附、滤过、离子交换、络合反应等）来净化除去污水中的N、P等营养物质[24]。在早期的研究中，页岩由于具有良好的物化性质，能极好地去除P且适合于植物生长而受到青睐[25, 26]。后来总结出富含钙和铁铝质的基质，净化污水中磷素能力较强，而硅质含量较高的基质净化能力较差的规律[27]。据研究发现沙子除P能力的主要决定因素是钙的含量，特别是在偏碱性的污水中，较高的钙含量促成几乎不溶的磷酸钙沉淀，相反在酸性污水中，铁和铝的含量对于沉淀反应更为重要[28]。
袁东海等以常见的人工湿地基质材料为研究对象，考察了磷素污染物在湿地基质系统中形态转化。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。由于砂子和沸石颗粒较粗、滤过性能较好，适合作为潜流型人工湿地基质，为了提高其磷素净化容量，可在砂子和沸石基质中添加磷素吸附性能较强的基质材料。粉煤灰和矿渣基质磷素吸附容量很大，且磷素释放量很低，是一种很好的净化磷素的基质材料，但是其碱性较大，不适合植物的生长，可以作为人工湿地砂子基质或土壤基质的中间吸附层。黄褐土、下蜀黄土、蛭石由于其通透性较差，多用作表面流人工湿地基质，因其磷素吸附容量较大，如果加强湿地植被的管理，短期内不会达到磷素吸附饱和。加强人工湿地基质的管理，上述人工湿地基质材料的使用一般不会造成水体二次污染[29]。
Andrea等采用钙硅石作为湿地生态系统的基质用于去除二级废水中可溶解的磷，结果发现11个垂直上流式的柱子中有9个去除率达到80%~96%，当停留时间大于40 h，出水中可溶解磷的平均浓度为0.28 mg/L[30]。
2.3 微生物
利用人工湿地处理污水时，氮化合物的脱氮作用和磷化合物的转化等主要是由湿地植物根区的微生物活动来完成的，人工湿地中微生物的活动是废水中有机物降解的基础机制。植物根系将氧气输送到根区，形成了根表面的氧化状态，废水中大部分的有机物质在这一区域被好氧微生物分解成为CO2和水，氨则被这一区域的硝化细菌硝化；离根表面较远的区域氧气浓度降低（属于兼性厌氧区），硝化作用仍然存在，但主要是靠反硝化细菌将有机物降解，并使氮素物质以氮气的形式释放到大气中[31]。
李旭东对沸石芦苇床去除农田回归水和农村生活污水组成的混合污水中的氮进行了中试研究。结果表明，在0.6 m/d的水力负荷下，系统对总氮、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的平均去除率冬季和春季分别为38.9%和58.2%，93.11%和78.84%，10.01%和48.99%，38.81%和98.45%。由于春季适合微生物生长，沸石表面挂膜情况比冬季要好得多，所以春季运行效果明显好于冬季[32]。
此外，可以通过植物根分泌物影响系统中微生物的特性进而影响系统的处理效果，系统中微生物数量与净化效果呈显著正相关性[33]。这些微生物主要指的是根系微生物，聚居在根际土壤，以根际分泌物为主要营养，其根分泌物能为土壤微生物提供大量的营养和能源物质。根际微生物不仅种类和数量远高于非根际土壤，而且其代谢活性也比非根际微生物高。项学敏等研究了湿地植物芦苇和香蒲根际微生物的数量、活性等特性，结果表明芦苇和香蒲具有明显的根际效应，根际微生物活性高于非根际的微生物活性，芦苇根际比香蒲更适合亚硝酸细菌的生长[34]。但是芦苇这种特性是否更有利于湿地系统中NH3-N的去除，还有待更进一步的研究。
3 问题与展望
人工湿地污水处理系统是一种集环境效益、经济效益及社会效益于一体的污水处理方式，具有建造成本较低、运行成本很低、出水水质好、操作简单等优点，同时如果选择合适的植物品种还有美化环境的作用，是一种适合我国国情的一项污水处理新兴工艺，尤其适用于解决广大农村地区、中小城镇地区的水质问题，因而有着广阔的应用前景。去除污水中的氮磷是人工湿地污水净化系统一个很重要的功能。为了达到最佳的氮磷去除效率，建议在系统设计和运用时，根据人工湿地系统的氮磷的去除机理及其主要影响因素，避害趋利，以取得理想的氮磷净化效果。
由于氮在湿地微生物作用下主要经硝化和反硝化作用而转化去除，因此应研究在缺氧条件下微生物氧化铵的过程并设法促进之，如通过调节环境条件，培养优化菌种进行生物强化。
基质是将污水转变成清水以及水生植物和微生物赖以生存的场所，也是有机污染物转为无机无毒物质的枢纽，其组成直接关系到氮磷的净化效率等因素，因此很有必要对基质的组成加以深入的研究，以石、砾石、砂和土壤为基本原料，并添加合适的附料，通过不同的组合方式，进一步提高人工湿地的性能以推广其运用。
湿地植物在人工湿地系统去除氮磷的过程中起到重要的作用，而它们在人工湿地中的净化作用不尽相同。增加人工湿地中的植物多样性，选择冬春和夏秋两类不同功能群的植物在人工湿地中接续生长，这样可以提高人工湿地在冬季的净化效果，增强人工湿地净化能力的季节间稳定性。另一方面，要定期处理好老化后的植物，以免降低净化效率。此外可以利用基因工程培植新的植物种类，以满足多方面的需求。在选择净化植物时不仅要考虑地带性、地域性种类，还要选择经济价值高、用途广以及与湿地园林化建设相结合的种类，这样可以同时带来经济效益和社会效益。
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