人工湿地水生植物对污水中氮磷的去除效果的研究进展 Studying progress on effects of Nitrogen and Phosphorus removal by Aquatic Plants in Constructed Wetland

摘要：与传统的二级活性污泥法处理工艺相比，人工湿地具有运行费用低，维护管理方便

以及较强的氮磷处理能力等优点。又由于人工湿地中的水生植物对氮磷的处理效果显著，并且不同的水生植物对氮、磷的去除效果相异。因此，本文在综述人工湿地发展及应用现状的基础上，重点阐述了国内外学者对于水生植物筛选及组合在人工湿地中对氮磷的去除作用及效果的研究现状。最后提出了当前人工湿地水生植物研究的展望和提高人工湿地脱氮除磷能力的对策。 Abstract：Compared with the conventional activated sludge technology in secondary

treatment ,there exists three advantages of constructed wetlands：low operating costs , easy maintenance and management，as well as the strong processing capacity of nitrogen and phosphorus. The removal rate of N and P by aquatic plants differ far from each other. This paper reviews the development and application status of CW and focuses on the current research situation of the role and effects of aquatic for nitrogen and phosphorus removal in wastewater treatment of constructed wetlands. Finally, the prospects and strategies to improve the NP removal capacity of wetland wetland aquatic plants are proposed. Key words: constructed wetland; aquatic plants ;wastewater treatment;studing progress.

1 介绍 1.1 人工湿地发展现状 自西德1974年首先建造人工湿地以来, 该污水处理工艺已在欧洲得到推广应用, 在美国和加拿大等国也得以迅速发展。我国在“七五期间”开始了人工湿地的研究，首例采用人工湿地处理污水的研究工作始于1988-1990年在北京昌平进行的处理量为 500t/d 生活污水和工业废水的表面流人工湿地。 它的原理是利用湿地中基质、水生植物和微生物之间的相互作用,通过一系列物理的、化学的以及生物的途径净化污水。应用人工湿地处理污水, 其投资和日常运行费用仅为常规二级污水处理场的1/10-1/2和1/5-1/3, 但其出水水质可达到或超过二级污水处理水平, 且适用面广, 除处理城镇生活污水外, 也能广泛应用于农业、畜牧业、食品、矿山等工农业废水的处理。 目前,人工湿地废水处理工艺主要有两种形式： （1）表面流(Surface flow)工艺：地表流工艺中废水在湿地的土壤表层流动,水位较浅,一般为0.1- 0.6m，采用这种工艺的湿地简称表面流湿地（SFW）。SFW与自然湿地最为接近,绝大部分有机物的去除是由长在植物水下茎、杆的生物膜来完成。但因其不能充分利用填料及丰富的植物根系,卫生条件亦不好,故设计中一般不采用。 （2）地下潜流(Subsurface flow)工艺：地下潜流工艺中废水在人工湿地的地表下流动,保温效果好,负荷高,处理效果受气候的影响小,但投资要比地表流工艺大。采用该工艺的潜流湿地(SSFW)应用广泛，因水在填料表面下渗流,可充分利用填料表面及植物根系上生物膜及其他各种作用处理废水。 采用两种工艺设计的人工湿地构造如图1所示： 图1 表面流湿地及潜流湿地构造图

1.2 人工湿地的分类 根据所用植物类型不同，可分为漂浮植物湿地和挺水植物湿地： （1）漂浮植物湿地 漂浮植物湿地适于热带和亚热带地区，其主要植物为水葫芦(Eichhornia crasspies)，在摩洛哥和巴西的水葫芦湿地都取得了较好的净化效果(Mnadi等，1998;Russel，1999)，我国新疆也有利用水葫芦治理麻黄素厂的污水，在进水污染物浓度较高的情况下，各污染物的去除率仍达80%左右(艾而肯.热合曼等，2000)。美国乔治亚洲技术研究所的环境工程师发现，浮萍(Lemna minor)的植物组织可以快速吸收各种氯化物、氟化物和氯氟混合物，且其吸收速度高于细菌的降解速度(2005)。漂浮植物繁殖能力强，可通过光合作用由根系向水体放氧，并通过植物吸收有效去除N、P及重金属等污染物。 （2）挺水植物湿地 挺水植物种类繁多，挺水植物湿地多用芦苇属(Phragmities)、香蒲属(Typha)等生长快、根系发达的植物。挺水植物通过发达的根系向基质送氧，使基质中形成多个好氧、兼性厌氧、厌氧小区，利于多种微生物繁殖，降解污染物。目前人工湿地主要指挺水植物系统。

1.3 人工湿地中的水生植物 水生植物主要包括三大类:水生维管束植物、水生鲜类和高等藻类。而在污水治理中应用较多的是水生维管束植物(Aquatic vascular plant)，它具有发达的机械组织，植物个体比较高大。当前研究发现，人工湿地多选用挺水植物，如芦苇、茳芏、大米草、水花生、稗草、水生莺尾、千屈菜、水芋、黄营蒲等。将其种植于湿地填料表层的土壤之上；而浮水植物则主要用于氮、磷去除和提高稳定塘效率之时。 （1）水生植物的作用：当污水进入成熟的人工湿地后，a.植物能通过直接净化作用如吸收、吸附和富集等去除污水中的污染物，包括对氮、磷的吸收利用和对重金属的吸附和富集；b.植物可通过输送氧气至根部增加人工湿地降解污染物的好氧补充量；c.也由于植物根及根系可以穿透介质形成疏松间隙从而加强水利传导和维持通气状况；d.植物为微生物提供了栖息地。水生植物的根系常形成一个网络状的结构，并在植物根系附近形成好氧环境，从而有利于各种自养微生物及异养微生物的生长(Jerry等，2001)；e.某些水生植物还具有经济价值和美观价值。 （2）湿地中的水生植物选择遵循的原则：a.耐污能力强、处理性能良好；b.根系发达，生长周期长；c.适应当地环境；d.具有一定的经济价值。湿地中植物的种类对湿地的处理效果有很大影响。一般来讲，如主要去除对象是BOD和N(反硝化)时，所选植物就需要具备能为微生物提供附着界面的庞大根系以及较强的传氧能力;而当靠植物的吸收去除N、P、重金属和某些有机物时，就需要选择具有较好的富集吸收能力并且生长速度快的种类;如果去除的污染物目标较多时，就需要寻找能够有效地发挥多种生态功能的种类，或不同生态功能类型的种类搭配使用。另外，对当地气候的适应、植物的抗逆性及对病虫害的抵抗能力、植物管理的难易包括植物的后处理等也应给予考虑。 因此如何选择合适的植物种类来提高处理效率是设计人工湿地的一个重要内容。

2 人工湿地氮磷处理机理 人工湿地对氮磷的去除有三条主要途径:a.土壤的滤过作用;b.植物的吸收等作用;c.微生物的降解作用。以下分别讨论氮、磷的去除机制，并重点阐述水生植物的氮磷去除机理。

2.1 人工湿地对氮的处理 氮在湿地系统中循环变化如图2所示,包括了7种价态,多种有机、无机形式的转换： 图2 氮在湿地系统中的循环

进入湿地中的氮基本以有机氮和氨氮2种形式存在。一般情况下,有机氮被微生物分解成氨氮,所以应当更关注无机氮的去除。废水中无机氮作为植物生长过程中不可缺少的物质可以直接被植物摄取,合成植物蛋白质等有机氮,通过植物的收割而从废水和湿地系统中去除。但是氮的去除主要是通过微生物的硝化、反硝化作用来完成的。硝化作用只改变氮的形式(将NH4+一N转化为NO3-一N和NO2-一N),反硝化作用才可使氮以N2和N2O形式从系统中根本去除。所以,人工湿地比传统活性污泥处理系统(一般无法完成反硝化作用)具有更强的氮的处理能力,比人工的A/A/0系统则节省得多。

2.2 湿地对磷的处理 污水中的磷包括活性磷和非活性磷,后者又包含可溶性和颗粒性两种形态。人工湿地对磷的去除是基质吸附、植物吸收和微生物去除 3条途径共同作用的结果。如同无机氮一样,无机磷也是湿地植物必需的养分。废水中无机磷在植物吸收及同化作用下可变成植物的ATP,DNA及RNA等有成分,因此磷最终从系统中去除依赖于湿地植物的收割和饱和基质的更换。图3表示了磷在人工湿地中的存在形式和去除途径。 基质吸附作用包括填料对磷的吸附及填料与磷酸根离子的化学反应,这种作用对无机磷的去除会因填料的不同而有差别。由于石灰石及含铁质填中Ca和Fe可与PO3-反应而沉淀去除PO3-,因而它们是除磷效果较好的填料。微生物对磷的去除包括它们对磷的正常同化(将磷纳入其分子组成)和对磷的过量积累。在一般二级污水处理系统中,当进水磷含量为10mg/L时,微生物对磷的同化吸收(形成污泥组成式C60H87O23N12P的一部分)去除仅是进水总磷量的4.5%一19%,所以,微生物除磷主要是通过强化后对磷的过量积累来完成的。植物吸收作用如下，不再累述。 图 3 人工湿地中磷的存在形式和去除途径

2.3 水生植物植物对氮、磷的吸收 (1)植物对氮的吸收：无机氮作为植物生长过程中不可缺少的营养物质，能以离子形式(NH4+和N03-)被植物吸收利用，部分有机氮被微生物分解成氨氮后也能被植物吸收利用。靖元孝等(2002)对风车草净化生活污水的实验表明，种植风车草的潜流型人工湿地对TN的去除率为64%，与不种植物的人工湿地相比去除率提高了28%,且每克干重风车草能净吸收污水中的氮2.25mg。chrisi等(1996)通过对潜流湿地系统中芦苇、香蒲的收割实验发现，每克干重芦苇、香蒲能净吸收污水中的氮15-32mg。这表明湿地植物对氮具有一定的吸收作用，但不同植物的吸收能力不同。 (2)植物对磷的吸收：污水中最常见的有磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷酸盐等，能被植物根系直接吸收的磷主要是一价磷酸根离子(H2PO4-)和二价磷酸根离子(HPO42-)，三价磷酸根离子(PO43-)，几聚磷酸盐和有机磷酸盐不能或很难被植物根系吸收。其中一价磷酸根离子和