人工濕地水質(zhì)凈化效果的影響因素研究進(jìn)展

摘要：氮元素以多種形態(tài)存在于污水中，會(huì)引起水體富營養(yǎng)化，所以脫氮是污水處理的一項(xiàng)重要任務(wù)。與傳統(tǒng)污水處理工藝相比，人工濕地?fù)碛歇?dú)特的構(gòu)造，建造與運(yùn)行費(fèi)用低，污水處理效果好，目前應(yīng)用非常廣泛。人工濕地主要有3種脫氮機(jī)制，即植物吸收、基質(zhì)吸附和微生物的生物轉(zhuǎn)化。結(jié)合研究現(xiàn)狀，分析人工濕地處理含氮污水的機(jī)理及其影響因素，為人工濕地的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供有益參考。研究表明，人工濕地可以充分利用植物吸收、基質(zhì)吸附和微生物的生物轉(zhuǎn)化作用，溫度、溶解氧含量、水力停留時(shí)間和微生物可利用的碳源是脫氮效率的重要影響因素。未來，要深入研究人工濕地脫氮的影響因素，找出最佳運(yùn)行方案，進(jìn)一步提高人工濕地的脫氮效能。

關(guān)鍵詞：人工濕地；水質(zhì)凈化；影響因素；脫氮

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）01-0-03

Research progress on influencing factors of water purification effect in artificial wetlands

Abstract： Nitrogen exists in various forms in wastewater， which can cause eutrophication of water bodies， therefore， denitrification is an important task in wastewater treatment. Compared with traditional sewage treatment processes， artificial wetlands have unique structures， low construction and operation costs， good sewage treatment effects， and are currently widely used. There are three main denitrification mechanisms in artificial wetlands， namely plant absorption， substrate adsorption， and microbial biotransformation. Based on the current research status， the mechanism and influencing factors of artificial wetland treatment of nitrogen-containing wastewater are analyzed， thus providing useful references for the design optimization of artificial wetlands. Research has shown that artificial wetlands can fully utilize plant absorption， substrate adsorption， and microbial biotransformation， and temperature， dissolved oxygen content， hydraulic retention time， and available carbon sources for microorganisms are important factors affecting denitrification efficiency. In the future， it is necessary to conduct in-depth research on the influencing factors of nitrogen removal in artificial wetlands， identify the optimal operating plan， and further improve the nitrogen removal efficiency of artificial wetlands.

Keywords： artificial wetland; water purification; influencing factors; denitrification

濕地是指被地表水周期性地淹沒或地下水長期飽和的土地，是水生生物繁衍生息的理想場所。通過模擬自然濕地的污水凈化機(jī)制，人們開發(fā)出人工濕地技術(shù)處理污水。人工濕地起源于德國，由植物、基質(zhì)和微生物組成，通過三者的協(xié)同作用將污水凈化。人工濕地具有強(qiáng)大的生態(tài)功能，處理效果好，建設(shè)成本低，碳排放少，維護(hù)方便，廣泛運(yùn)用于污水處理。人工濕地主要有3種脫氮機(jī)制，即植物吸收、基質(zhì)吸附和微生物的生物轉(zhuǎn)化。不同形態(tài)的氮元素?fù)碛歇?dú)特的轉(zhuǎn)化機(jī)制，微生物的硝化與反硝化在氮元素的去除中發(fā)揮重要作用。因此，有必要綜述人工濕地脫氮機(jī)制的最新研究進(jìn)展，為后續(xù)人工濕地脫氮研究提供基礎(chǔ)支持。

1 植物吸收

植物是人工濕地的核心生物，在污染物去除過程中發(fā)揮重要作用。植物可以吸收氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，積蓄污水中的重金屬等有毒有害物質(zhì)，向根際輸送氧氣，供微生物生長和繁殖，促進(jìn)微生物的硝化和反硝化[1]。相比無植物的人工濕地，有植物的人工濕地去除污染物的能力更強(qiáng)[2]，植物在人工濕地凈化過程中扮演重要角色。種植單一植物的人工濕地對污染物的去除效果不佳，不同植物組合對人工濕地的凈化效果成為研究的新方向。Zhang等[3]研究美人蕉和再力花兩種濕地植物在不同種植模式下（單作和混作）對不同濃度污水中氮磷去除率的影響，試驗(yàn)表明，1∶1混作顯著提高污水中氮、磷的去除率，比單作的去除率平均提高18.26%。Zhang等[4]對蘆葦、香蒲、睡蓮、狐尾藻和苦草5種濕地植物的單作模式和混作模式進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與單一植物種植相比，混合種植人工濕地對污水中的化學(xué)需氧量去除效果更強(qiáng)，但對氮、磷的去除效果較差。因此，混合種植不同種類和比例的植物，其在人工濕地中對污染物的凈化效果有差異，但總體而言，種植植物的人工濕地對污染物的去除效果優(yōu)于無植物的人工濕地。

冬季，在我國北方地區(qū)，植物地上部分枯死，易在水體中分解，導(dǎo)致二次污染，對濕地植物進(jìn)行收割是有效的管理措施之一[5]。有研究[6]對濕地植物進(jìn)行收割，以提高人工濕地凈化能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，收割植物的濕地對氮的去除率比不收割植物的濕地高166%～372%。研究表明[7]，植物收割頻率增加會(huì)降低濕地系統(tǒng)對氮、磷的去除效果，適當(dāng)?shù)氖崭铑l率可以刺激植物的補(bǔ)償性生長，促進(jìn)植物對氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，從而提升濕地系統(tǒng)對污染物的凈化效果。因此，尋找合適的濕地植物收割頻率至關(guān)重要。

2 基質(zhì)吸附

基質(zhì)是人工濕地的重要組成部分之一，主要通過攔截、吸附和離子交換作用去除污染物，也可為植物、微生物的生長提供支撐，為它們提供理想的生長環(huán)境。傳統(tǒng)的濕地基質(zhì)有土壤、沙子和礫石[8]，成本較低，但吸附能力和滲透性能較差，易發(fā)生堵塞。因此，沸石、火山巖和陶粒等新型基質(zhì)應(yīng)運(yùn)而生。人工濕地往往會(huì)選擇粒徑小、比表面積大的基質(zhì)[9]，但基質(zhì)粒徑小會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)堵塞，因此選擇最佳粒徑成為研究熱點(diǎn)。馬江森等[10]選取不同粒徑的礫石，探究其在不同排空時(shí)間潮汐流運(yùn)行下的凈化效果。結(jié)果表明，8 h淹沒與16 h空置的潮汐流運(yùn)行方式下，粒徑為7～9 mm的礫石對氨氮的去除效果最佳，原因可能是小粒徑基質(zhì)比表面積大，微生物易于附著和繁殖，氧傳質(zhì)速率大于其他粒徑。

在人工濕地中，基質(zhì)粒徑是影響脫氮效果的關(guān)鍵因素，基質(zhì)的填充方式同樣占據(jù)重要地位。肖波等[11]通過設(shè)置不同組配的砂石、陶粒和活性炭作為人工濕地基質(zhì)，發(fā)現(xiàn)砂石和陶粒體積比為2∶1時(shí)，二者混合，氨氮和總氮的去除率最高，砂石、陶粒和活性炭體積比為2∶2∶1時(shí)，三者混合，可溶性磷的凈化效果最好，去除率高達(dá)91.9%。馬蓉真等[12]通過調(diào)整沸石、鐵碳的填充配比和順序，采用人工濕地處理含氮污水，結(jié)果表明，人工濕地采用20%鐵碳+80%沸石的組合，鐵碳置于底層，沸石置于表層時(shí)，污水凈化效果最佳，原因可能是該填充方式更有利于增加濕地溶解氧含量，促進(jìn)濕地硝化反應(yīng)。因此，人工濕地應(yīng)選擇成本低廉、吸附能力強(qiáng)、滲透性能好且能為微生物提供碳源的新型基質(zhì)材料，并合理調(diào)節(jié)配比和填充，以優(yōu)化人工濕地凈化效果，延長使用壽命。

3 微生物的生物轉(zhuǎn)化

人工濕地中，微生物的硝化和反硝化作用是最主要的脫氮途徑。在好氧條件下，自養(yǎng)型好氧微生物會(huì)進(jìn)行硝化作用，這一過程分為兩個(gè)連續(xù)的階段。

一是氨氮在亞硝酸菌作用下轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，二是亞硝酸鹽由硝酸菌進(jìn)一步氧化，轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛猁}。反硝化作用在厭氧條件下進(jìn)行，通過氧化分解有機(jī)物并還原硝態(tài)氮為氣態(tài)氮，實(shí)現(xiàn)濕地的脫氮效果[13]，從長遠(yuǎn)來看，微生物脫氮作用可能是最有效的氮去除機(jī)制。近年來，為深入分析濕地微生物群落結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化，多種測序方法已廣泛應(yīng)用在人工濕地微生物群落特性研究與結(jié)構(gòu)分析中。

沈炫旭等[14]利用熒光定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和高通量測序技術(shù)對3種濕地系統(tǒng)的微生物進(jìn)行分析，結(jié)果表明，3種濕地系統(tǒng)中，相對豐度最高的2個(gè)菌種為變形菌門和擬桿菌門。除此之外，放線菌門等也是濕地系統(tǒng)的優(yōu)勢菌門[15-16]。變形菌門是世界上最大、最多樣化的細(xì)菌門，是一種異養(yǎng)型細(xì)菌，包含許多硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌，參與濕地基質(zhì)的各種生物地球化學(xué)過程，在各種淡水生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在。在寡營養(yǎng)脅迫的極端條件下，放線菌門仍能維持其生命活動(dòng)并持續(xù)增殖[17]。擬桿菌門是一種在各種水生環(huán)境中普遍存在的自養(yǎng)型細(xì)菌，可以降解大分子有機(jī)物，如纖維素、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等，在污水處理中，碳氮循環(huán)發(fā)揮關(guān)鍵作用[18]。

4 結(jié)論

人工濕地作為一種建造及運(yùn)行費(fèi)用低、處理效果好的工藝，有著和傳統(tǒng)污水處理工藝不同的構(gòu)造，目前應(yīng)用非常廣泛。在污水中，氮元素以多種形態(tài)存在，會(huì)引起水體富營養(yǎng)化。因此，脫氮一直是污水處理的一項(xiàng)重要任務(wù)。未來，人工濕地脫氮影響因素及強(qiáng)化措施等方面的研究可從多個(gè)方面開展。系統(tǒng)堵塞是目前人工濕地運(yùn)行時(shí)面臨的重要問題，應(yīng)尋找能有效消除人工濕地堵塞的基質(zhì)填料，延長人工濕地的使用壽命；研究基質(zhì)吸附飽和后高效便捷的再生方法，恢復(fù)人工濕地的凈化性能，從而延長系統(tǒng)的使用壽命，節(jié)約運(yùn)行成本；積極探索濕地脫氮新途徑，尋找耐低溫、耐高氨氮濃度廢水的植物，篩選高效脫氮微生物。總體來看，要深入研究和綜合分析人工濕地脫氮的影響因素，找出最佳運(yùn)行方案，以進(jìn)一步提高人工濕地的脫氮效能。

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