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人工湿地对水污染中氮的控制
摘要：本文介绍了人工湿地系统中氮的转化途径，基质、植物和微生物对氮的作用，以期简单了解人工湿地对水污染中氮的控制的基础知识。关键字：人工湿地，氮控制
人工湿地是自适应系统, 在构成人工湿地污水处理系统的四大基本要素(水体、基质、水生植物和微生物)中, 基质、水生植物和微生物或三者相互之间通过一系列物理的、化学的以及生物的途径, 可以完成对污染物的高效去除[1]。近年来，由于非点源污染问题的日益突出和全球湖泊富营养化程度的加剧，人们对面源和入户污染源的氮磷污染的关注度也在不[2]断提升。作为一种生态治污方法, 人工湿地在污水除氮过程中有其明显的优势。有研究表明, 湿地系统平均的可以除去 86-98% 的氨氮, 大于99% 的亚硝态氮, 约 82-99% 的硝态氮和 95-98% 的总无机氮[3]。本文章从基质、水生植物和微生物三个方面简单介绍人工湿地对水污染中氮的控制，并且介绍人工湿地氮去除效率高的条件。
1.人工湿地系统氮的转化途径
人工湿地系统氮的主要转化途径有[2]:矿化、基质吸附固定、植物、微生物同化吸收、硝化、反硝化和氨挥发等作用。氨挥发是一个物理化学过程，氨氮在气态和离子态之间平衡。研究表明，当 pH ＜ 8．5 时，可以忽略氨氮的挥发。一般人工湿地的 pH 在 7．5 － 8．0 之间，因此，通过湿地地面挥发损失的氨氮可以忽略不计。矿化(氨化)将有机氮转化为无机氮(尤其是NH4－N)。湿地中矿化速度与温度、pH 值、系统的供氧能力、C/N 比、系统中的营养物以及土壤的质地与结构有关。Kadlec和 Knight 认为大部分有机氮(几乎是 100%)可以很容易的转化为氨氮，文献中报道的矿化速率范围在0.004 ～ 0.53g/(m2·d)。硝化反应是将铵离子生物氧化为硝酸盐，是一个两步反应，通过两组微生物来完成，亚硝酸盐是反应的中间体。亚硝化细菌的生长是整个硝化过程的限制步骤。反硝化是一个硝酸盐的生物还原过程，即由异养微生物将硝酸根还原为分子氮，包括多步反应。
2.人工湿地中基质对氮的作用
人工湿地中的基质又称填料、滤料, 一般由土壤、细砂、粗砂、砾石、碎瓦片、粉煤灰、泥炭、页岩、铝矾土、膨润土、沸石等介质的一种或几种所构成,因此, 多种材料包括土壤、砂子、矿物、有机物料以及工业副产品如炉渣、钢渣和粉煤会等都可作为人工湿地基质。人工湿地基质在为植物和微生物提供营养的同时, 还通过吸附、沉淀、过滤等作用直接去除污染物[4]。
目前广泛应用的人工湿地主要以沙粒、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的依附表面 ,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 ,基质通过一些物理和化学的途径(如吸收、吸附、过滤、离子交换、络合反应等)来净化除去污水中的氮[5]。
3.人工湿地中植物对氮的作用
植物是人工湿地的重要组成部分，不但可以去除水体中的污染物，加速营养物质的循环和再利用，还能维持及美化湿地环境，改善区域气候，促进生态环境的良性循环[3]。植物通过吸收利用、吸附和富集等作用消除水体中的污染物，主要是植物根系能从污水中吸收营养物质并加以利用、吸附和富集重金属和一些有毒有害物质[6]。
－污水中的氮以有机氮和无机氮2种形式存在，其中无机氮(主要是NH+4 和 NO3)被植 物吸收利用，作为生长过程中不可缺少的营养物质;部分有机氮被微生物分解成氨氮后，也能被植物吸收利用，植物将吸收的氮素合成蛋白质等有机氮[7]。有研究表明，与未种植植物的人工湿地相比，种植了植物的人工湿地硝化作用较强，显示出更强的去氮能力[8-10];蒋跃平等[11]研究发现，在处理轻度富营养化水的人工湿地中，植物吸收对氮的去除起着主要作用;贺锋[12]等研究表明，氮素积累主要集中在植物的地上部分，所以通过对植物地上部分的收割可有效地将氮从湿地系统中去除。
4.人工湿地中微生物对氮的作用
湿地中氮的去除分两步进行:第一步是氨氧化成硝酸 ,即硝化作用;第二步是硝酸还原成 NO2或氮气 ,即反硝化作用。硝化作用是好氧过程 ,主要由亚硝化细菌和硝化细菌来完成;而反硝化过程则在缺氧条件下由反硝化细菌来完成。研究发现 ,植物根区好氧微生物的活动有利于硝化过程 ,并加强了湿地对重金属的吸附和富集作用。
杜刚[13]等人探讨了处理微污染河水的人工湿地中微生物数量及其对污染物净化效果的影响。研究表明，实验人工湿地中，下层基质中的微生物数量低于上层基质。芦竹湿地中，上层基质和下层基质微生物数量的典型变量具有线性关系(R2＞0.9)。人工湿地中微生物数量与水温具有显著正相关关系，栽种植物能够增加人工湿地的微生物数量。人工湿地微生物数量与NH4+—N、TP和CODMn的去除率不相关，但与TN去除率显著正相关。栽种植物能够改善人工湿地微生物数量与TN去除率之间的关系，但植物种类对微生物脱氮作用影响不明显。
5.潜流人工湿地氮去除效率高的条件
王全金等人[14]通过实验证明潜流人工湿地总氮去除效率最高的条件为：pH 为 7.5，水力负荷为33 mm·d-1，碳氮比 15，湿地植物为芦竹。氨氮去除效率最高的条件为：pH 为 7.5，水力负荷为 33 mm·d-1，碳氮比15，植物为香根草。从工程技术经济的角度出发，采用 pH 为 7.5，水力负荷为 300 mm·d-1，碳氮比大于 3，湿地植物为香根草或芦竹，也可取得较好的除氮效果。
通过前面的介绍，可以看出，水污染中氮的去除主要靠人工湿地系统中的微生物的作用，其次是基质的作用。虽然植物对于氮的去除并不是主要途径，但植物的种植为微生物的良好生长提供了适宜的条件。通过选择合适的除氮条件，包括pH、水力负荷、基质和植物，人工湿地系统可以较高效的处理被污染水中的氮，是一种既美观环保又高效的污水除氮方式。
参考文献：
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