人工湿地对污水中氮磷的去除机制研究进展

人工湿地对污水中氮磷的去除机制研究进展

梁伟吴振斌

(中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室，武汉)

摘要 近年来，我国水体污染与水体富营养化问题日益严重，严重制约了国民经济的发展。人工湿地是目前国际上广泛应用的一种处理污水的技术。本文全面介绍了近年来人工湿地去除污水中氮、磷机理的最新研究，系统阐述了氮、磷去除的几种主要途径：1、土壤的过滤；2、植物的吸收；3、微生物的降解。同时也对影响去除效率的外界因素，如温度、CO 2 、pH等进行了简要介绍，为进一步研究提供了参考资料，也为利用人工湿地治理水体污染与水体富营养化提供了理论依据。

关键词：人工湿地 氮磷去除机理 过滤 吸收 降解 外界因素

1. 人工湿地发展现状

人类即将进入新的世纪，本世纪人们的生活水平得到了很大的提高，但是必须指出的是，全球的环境也受到了严重的污染，水和水净化已经成为全世界日益关注的重要环境问题。随着全球污染的加剧和环境的恶化，水资源的供需矛盾日益突出，这一问题在正处于经济快速发展时期的我国尤为突出。[1]特别是近年来，随着工业化、城镇化水平的提高，工业废水和城镇生活污水的排放量不断增加，许多城市出现了严重的水污染现象，严重制约了经济发展。[2]

据估计，我国每年污水排放量达数百亿吨，但只有24%的工业污水和4%的生活污水得到处理，80%的饮用水源受到污染，进一步加剧了水资源短缺[2]。而传统的生化二级处理厂由于投资和运行费用高，在中小城市难以推广，现有的污水处理厂远远不能满足污水处理的要求。因此，开发和推广简便有效的生物污水处理技术是改变当前水资源短缺的重要途径。

人工湿地是20世纪70年代兴起的一种污水处理方式，其原理主要是利用湿地中基质、水生植物和微生物之间的相互作用，通过一系列物理、化学和生物途径净化污水。自1974年西德首先建成人工湿地以来，该工艺在欧洲得到推广应用，在美国、加拿大等国家也得到了迅速发展。目前，欧洲已有数百个人工湿地投入运行用于污水处理。这类人工湿地的规模差别很大，最小的仅用于处理单个家庭排放的污水，最大的可处理1000人以上的村镇排放的污水。目前，人工湿地污水处理工艺主要有两种形式，一种叫地表流工艺，一种叫地下流工艺。地表流工艺中，污水在湿地土壤表面流动，水位比较浅，一般为0.1-0.6m。 与地流工艺相比，其优点是投资少，缺点是负荷小，北方冬季地表结冰，夏季蚊虫滋生，有臭味。地流工艺是废水在人工湿地表面下流动，保温效果好，负荷高，处理效果受气候影响小，但投资比地流工艺大，该工艺目前在国际上应用较为广泛[3，4]。

污水处理人工湿地的投资和日常运行费用仅为常规二级污水处理厂的1/10～1/2和1/5～1/3，但出水水质却可达到或超过二级污水处理水平，应用范围十分广泛。除处理城镇生活污水外，还可广泛应用于农业、畜牧业、食品、矿业等工农业废水的处理。20世纪70年代以来，湿地系统发展迅速，据统计，捷克至1995年已建成39处人工湿地，美国在1988～1993年间已建成数百处人工湿地[5]。但我国对人工湿地的研究起步较晚，直到“七五”期间才开始大规模的人工湿地研究。 1990 年 7 月，国家环保局华南环境保护研究所在深圳白尼坑建成了处理规模为 d 的人工湿地示范工程。此外，昌平、北京、天津等地也建立了人工湿地系统，对人工湿地处理污水的规律进行了相对系统的研究[6,7]。

2.人工湿地去除污水中氮磷的机理

近年来，大量研究发现，氮、磷能刺激藻类和光合水生生物的生长，加剧水体的富营养化。减少废水中营养物（特别是氮、磷）的排放受到全世界的重视，特别是发达国家，对排放水中氮、磷含量有严格的控制标准〔8，9〕。

因此有必要对人工湿地去除污水中氮磷的机理进行研究，近年来对此进行了大量的研究，现有研究发现人工湿地去除氮磷主要是通过水生植物、基质和微生物的共同作用来实现的，下面将介绍这方面的主要研究进展。

1.矩阵

目前广泛应用的人工湿地主要以砂、沙、土、石等为基质，这些基质为微生物的生长提供了稳定的附着面，也为水生植物提供了载体和营养物质。污水流经人工湿地时，基质通过一些物理化学途径（如吸收、吸附、过滤、离子交换、络合反应等）净化去除污水中的N、P等营养物质〔10〕。苗慎宇等在模拟秋茄湿地系统中对人工污水中磷的分布与循环进行研究中发现，加入到系统中的磷主要残留在土壤中，极少量残留在植物和落叶中〔11，12〕。在研究中也发现，人工湿地中7%~87%的磷可能通过沉淀或吸附反应而降解，其中pH值将起到非常重要的作用〔10〕。 研究发现，可溶性无机磷化物易与土壤中的Al3+、Fe3+、Ca2+等发生吸附沉淀反应。土壤与Ca2+在碱性条件下易发生反应，而Al3+与Fe3+主要在中性或酸性环境条件下发生反应。一般认为磷酸根离子主要通过配体交换吸附到Fe3+和Al3+离子表面[13-19]。同时，大量研究还发现，废水中的磷只是被吸附并残留在土壤表面。同时研究还发现，这种吸附沉淀反应并不是永久沉积在土壤中的，至少是部分可逆的。如果污水中磷浓度较低，土壤中的部分磷会重新释放到水中。土壤的作用在一定程度上就是充当“磷缓冲器”，调节水中磷的浓度。 吸附磷最少的土壤最有可能释放磷20-22。

2 水生植物

水生植物在人工湿地污水净化过程中起着十分重要的作用。一方面水生植物自身可以吸收一些营养物质，同时其根区为微生物的生存和降解营养物质提供了必要的场所和有氧、厌氧条件[23,24]。人工湿地植物的根系往往形成网络状结构，在这种网络中，根系不仅可以直接吸附、沉降污水中的一些氮、磷等营养物质，还可以为微生物的吸附和代谢提供良好的生化环境条件。同时，附近的微生物通过代谢消耗水中的溶解氧，使其变为厌氧状态，有利于反硝化过程的进行，从而最大限度去除污水中的NO3-[24]。

水生生物去除氮、磷的机制之一是通过植物自身的吸收。研究发现，不同植物种类、植物体不同部位的吸收能力不同。苗慎宇等研究发现，人工湿地运行一段时间后，植物体各器官磷含量不同，顺序为叶片>根>茎>胚轴，且均随污水浓度的增加而增加。此外，植物在不同生长阶段磷含量也不同11,12。

水生生物的重要作用之一就是将氧气从上部输送到根部，从而在根区或根际形成需氧环境。这种环境可以刺激有机物的分解和硝化细菌的生长，从而达到去除污水中氮、磷等营养物质的目的[25-31]。利用水生植物净化污水的效果主要取决于植物向根区输送氧气的能力。因此，选择合适的水生植物种类在污水净化过程中至关重要。等对水葫芦等8种水生植物净化污水的能力进行了研究。结果表明，夏季水生植物脱氮效果的顺序为：水葫芦(Solms)>浮萍(Stra-)>水龟(L.)>浮萍(Lemna minor)>螺旋藻()>()。 冬季去除效果为：水葫芦>水葫芦>浮萍>浮萍>浮游植物>螺旋藻>螺旋藻>（。同时研究还发现，在8种水生植物中，夏季水葫芦和菱角的除磷效果最好，而冬季水龟和浮萍的除磷效果最好[32]。詹发翠等在国家“七五”规划课题“一体化生物塘技术及黄州市城镇污水一体化生物塘处理研究”中也发现，在水葫芦、藻类和真菌系统、人工水生植物系统和水花生（Alter-.）等几个不同的生态系统中，水生植物的去污效果如下：水葫芦>藻类和真菌>人工水生植物好氧系统>人工水生植物厌氧系统[33]。

3 微生物

自然界中碳、氮、磷等元素的循环离不开微生物的活动。人工湿地处理污水时，有机物的降解转化也主要靠植物根区微生物的活动来完成。人工湿地中微生物的活动是污水中有机物降解的主要机制。水生植物通过通气组织的运输将氧气输送到根区，从而在根表面及附近区域形成氧化状态。污水中的大部分有机物被该区域的好氧微生物利用氧气分解为CO2和水；有机氮化合物被该区域的硝化细菌硝化。在湿地的还原状态区域，有机物通过厌氧细菌的发酵而分解[36-39]。至于有机磷和难溶性无机磷酸盐，则必须经过磷细菌的代谢活动，将有机磷化合物转化为磷酸盐，并将难溶性磷化合物溶解，才能去除污水中的磷。 有机硫化物必须通过根区硫细菌的代谢活动降解为无机硫化物，才能去除污水中的硫。湿地脱氮分两步进行：第一步是氨氧化成硝酸，即硝化作用；第二步是硝酸还原为N2O或氮气，即反硝化作用。硝化作用是一个好氧过程，主要由亚硝酸细菌和硝化细菌进行；而反硝化作用则由反硝化细菌在厌氧条件下进行。研究发现，植物根区好氧微生物的活动有利于硝化作用，增强湿地对重金属的吸附和富集。生物磷的去除过程比较复杂，需要厌氧和好氧两种条件，且厌氧条件下需提供短链脂肪酸[40]。

人工湿地中微生物极其丰富，为人工湿地污水处理系统提供了充足的分解者。李科德等研究发现，芦苇床系统根面根际土壤细菌数量可达108克干重，且趋于稳定，季节变化不大[34]。杨桂芳等研究发现，缓渗土地系统中水稻土氨化细菌数量在107克干重以上[35]。不同生境下人工湿地的微生物群落结构和活力各不相同。李科德等以土壤呼吸和反硝化酶活性（DEA）为指标，比较了人工湿地与自然湿地中微生物的差异，发现人工湿地DEA明显高于自然湿地，而土壤呼吸则正好相反，自然湿地DEA明显高于人工湿地。李科德等对芦苇床系统与天然芦苇田根表及根际土壤中细菌、真菌、放线菌等数量进行了比较，发现人工芦苇床系统中各类微生物的数量明显高于天然芦苇田[34]。

研究还发现，微生物的数量和种类与污水净化效果具有一定的关系。李科德等研究发现，芦苇系统中根际微生物与污染物去除率存在明显的相关性。污水中BOD、COD的去除率与微生物数量明显相关；污水中NH3-N的去除率与根区硝化细菌和反硝化细菌数量明显相关；而磷的去除率与根际磷细菌数量呈正相关[34,41]。

3.影响脱氮除磷的外界因素

近年来研究发现影响脱氮除磷的外界因素很多，如温度、CO 2 、pH、溶解氧含量、水负荷、污水中氮磷浓度等，下面就温度、CO 2 、pH对脱氮除磷的影响作一简单介绍。

1 温度

人工湿地对氮、磷的去除主要通过水生植物的吸收、土壤的过滤、微生物的分解等作用实现，这些作用易受到温度的影响，因此温度是影响人工湿地对污水中氮、磷去除率的重要因素。高光等研究发现厌氧菌的生物量表现出明显的季节性变化[42]。等研究发现人工湿地对氮、磷等营养物质的去除率在夏季明显高于冬季[32]。同时，杨长峰等在模拟人工湿地污水处理的实验研究中也发现，当温度在22～32 ℃范围内时，两种系统对TN和TP的去除率均随着温度的升高而升高[43]。但也有研究发现短期温度变化对氮、磷的去除率影响不大，但长期温度变化会引起营养物质去除率的变化。 分析认为，这可能是因为短期温度变化过程中，湿地中的微生物种群不会发生变化，但如果温度变化持续时间相对较长，如数周，人工湿地中的微生物群落会因适应新环境而发生数量和种类的变化，从而影响人工湿地去除污水中营养物质的能力[44]。

二氧化碳

近年来，环境污染引起的CO2排放引起的全球气候变暖和气温升高引起了人们的高度重视。人类进入工业时代以来，由于化石燃料的燃烧和森林的大面积破坏，大气中CO2的浓度已由工业革命前的280ul.L-1上升到目前的350ul.L-1。从1957年至今的几十年间，大气中CO2的浓度上升了20%，预计到本世纪下半叶大气中CO2的浓度将增加一倍。大气中CO2浓度的剧烈变化对植物和整个生态系统都会产生巨大的影响。大气中CO2浓度的升高主要通过影响植物生长而间接影响土壤中的微生物。因此，CO2对人工湿地中微生物功能的影响也被放在了非常重要的位置[45]。

虽然早在1981年[46]就认识到CO2浓度升高时土壤微生物的变化可能对植被和整个生态系统的响应起重要作用，但此前的研究大多集中于CO2浓度升高对水生植物地上部分的影响，而关于CO2浓度升高对湿地土壤微生物影响的研究却很少。近来，一些国外学者研究了CO2浓度升高对根际微生物、菌根、根瘤、土壤原生动物、土传植物病原体以及分解速率的影响，并在这方面取得了一定的研究成果。对根际土壤微生物影响的研究成果如下：

虽然也有研究发现CO2浓度升高对根际细菌数量没有影响[47]，但多数实验研究表明，CO2浓度升高促进根际及根外土壤微生物生物量和总数的增加，一些与植物脱氮、脱磷密切相关的微生物生理群如解磷细菌、硝化细菌等数量也有所增加[48]。研究还发现CO2浓度升高有利于反硝化，在厌氧条件下，反硝化细菌的反硝化作用会大大加强，在一定程度上有利于脱氮[40]。

3pH

大量研究发现pH对人工湿地中微生物去除氮、磷等营养物质有显著影响。等研究发现，酸性和中性pH条件下，根区附近的亚硝酸还原菌和硝化菌活性增强，其中硝化作用起主导作用；而在碱性pH条件下，NH3的蒸发和可溶性正磷酸盐的化学沉淀起主导作用，从而影响湿地对氮、磷等营养物质的去除[24,49]。

同时詹发翠等也发现，在不同pH条件下培养水葫芦时，其微生物群落活性不同，净化效率也不同[48]。此外，人们还发现，不同pH条件下，土壤对氮、磷的去除也会受到影响[13-19]。

参考

1. 刘长明、何希武等，《21世纪中国水资源战略》，科学出版社，北京，1998年

2.李瑞环，《论我国的几个水问题》——在中国人民政治协商会议第九届全国委员会常务委员会第三次会议上的讲话，1998年10月23日

3. JT 等，，；Lewis.，1989，379-391