提高氮磷去除率的研究实践

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。

1.植物

植物是人工湿地污水处理系统的一个重要组成部分，根据湿地中的主要植物形式可分为浮水植物、挺水植物和沉水植物。科学的选择植物种类是人工湿地污水处理系统能否高效运转的关键。通常，挺水水生植物为人工湿地植物的首选。Anders认为植物在湿地处理中有两方面的作用：一方面植物提供了细菌环境；另一方面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。

植物物种的选择也是决定人工湿地能否正常运行和发挥作用的重要环节。邓辅唐等人认为植物引种筛选应尽量满足以下原则：①选用对水体污染物有较强净化能力的植物；②选用具有较强的抗冻、抗热、抗病虫害能力的植物；③选用对周围环境有较强适应能力的植物；④选用运行管理方便，具有美化景观作用的植物。他们在滇池流域先后共收集引种了46种湿地植物，最后筛选出香蒲、茭草、水葱、旱伞竹、蔗草和芦苇6种主要湿地植物进行跟踪观察，结果显示，该湿地示范工程中，高锰酸盐指数、总氮和总磷的去除率分别最高可达66.8%、83.4%、64.9%，这得益于对湿地植物的合理配置。此外成水平等人研究发现，在种植了水烛与灯心草的人工湿地基质中氮、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%，可见水烛和灯心草利用了污水中的氮和磷物质，把污水中相当部分的污染物转化成了植物所需的养分。Adock等研究了水冬麦（triglochin procerum）和芦苇两种人工湿地植物的地上、地下和总的生物和组织中营养成分的含量，结果表明水冬麦具有明显发达的根系和较高的地上、地下生物量，对氮、磷的去除效果是芦苇的4倍多。

单一物种的净化能力总是有限的，还应选择各种物种的合理搭配，刘超等研究了芦苇、菖蒲、茭白的各种搭配在人工湿地系统中的处理效果，结果发现芦苇通气组织较发达，具有较强的输氧能力，在茭白生长量最大，具有较强的吸收氮磷的能力，芦苇与茭白混种对污水的处理效果好于种植单一植物。

2.基质(www.xing528.com)

基质湿地的载体，对湿地种污水的净化起着很大的作用，其去污过程主要来自离子交换、专性与非专性吸附、螯合作用、沉降反应等。不同的床体基质有不同的净化特性。在砾石床人工湿地中，植物通过根区效应氧的传输作用加快硝化作用。但在土壤床系统中，土壤床较差的孔隙条件限制了根区效应的氧传输，从而抑制了硝化细菌的作用。对垂直流人工湿地基质配置方式的研究显示基质按大小分层并没有提高去除效果，因为厚实的介质层阻止了系统的气体交换过程。

不同基质对磷的去除也是存在较大差异的。如果土壤中含有较多的氢氧化铁或铝基团时，则有利于生成溶解度很低的磷酸铁或磷酸铝沉淀去除；若以砾石为填料的湿地，砾石中的钙可以生成不溶性的磷酸钙而沉淀。谭洪新等人研究了钢渣、页岩、砾石和棕色土壤等湿地填料对磷的等温吸附特性及由页岩和钢渣构建的潜流湿地对磷的去除效果。结果表明，按吸附量大小依次为钢渣＞页岩＞棕色土壤＞砾石。郭本华等人通过对比3种基质（沸石、页岩陶粒、碎石）和芦苇所组合构建的4个人工湿地污水处理单元，发现在磷酸态磷、总磷去除率方面各湿地单元差别较大，碎石单元去除率最高，分别为88%，93.1%；页岩陶粒单元次之；沸石单元最低，分别只有22.6%，32.5%。当填料达到吸附饱和点后除磷作用会明显降低，这时就需要更换填料或再生。Kadlec和Knight的研究表明，在美国，多数除磷填料湿地在运行初期磷去除率都能达到90%以上，但运行4～5天后，由于磷的吸附饱和使磷的去除率急剧下降。但据Drizo等人的研究表明，当填料上的可用磷吸附官能团减少时，可以通过官能团再生的方式，使填料对磷的保持能力得到恢复，一般通过4周的落干处理，可恢复74%磷保持能力。

3.微生物

微生物在污水净化中起着非常大的作用，微生物的活动是水中有机物降解的基础机制。在人工湿地中，氮的去除主要经过硝化和反硝化两步反应。微生物在湿地系统营养物氮的去除中起着主要作用，Lin等通过收割实验，分析表明湿地系统中，只有4%～11%的氮是通过植物吸收去除的，而绝大部分氮（89%～96%）是由反硝化作用去除的。在硝化反应中，亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）把氨转变为亚硝酸盐，再由硝化杆菌属（Nitrobacter）把亚硝酸盐转变成硝酸盐；在反硝化反应中，主要是靠反硝化细菌将有机物最终降解并使氮素物质以氮气的形式释放到大气中在微生物除磷方面，常见的细菌包括：假单菌属（Pseudomonas）、无色菌属（Achromatiaceae）、黄杆菌属（Flavobacterium）、链霉菌属（Streptomyces），刘世亮等人研究发现，曲霉菌属（Aspergillus）的某些种在实验室的培养中表现出明显的分解难溶性无机磷矿的效果，在一定程度上可提高土壤磷的有效性。很多真菌在代谢过程中产生的有机酸能与钙—磷、铁—磷和铝—磷等进行螯合。使难溶磷转变为可溶性磷，从而被植物吸收利用。

此外温度和也是影响微生物生存和降解有机物的重要因素之一，一般来说，温度每上升10℃，反应速度就大约增加2～4倍。在较低温度条件下（-8～18℃），氮的去除能力只有3%～15%李旭东等人在对沸石芦苇床去除农田回归水的研究表明，系统在冬季和春季对总氮、氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的平均去除率分别为38.9%、93.11%、10.01%、38.81%和58.2%、78.84%、48.99%、98.45%，由于春季适合微生物生长，所以春季的运行效果明显好于冬季。