| 摘要：介绍了人工湿地的定义和类型，探讨了人工湿地的脱氮机理，不同类型的人工湿地的脱氮效率，提出了提高人工湿地脱氮效率的对策，并对人工湿地脱氮技术进行了展望。
论文关键词：人工湿地；脱氮机理；脱氮效率
1 人工湿地
湿地是指被地表水或地下水长期或间断性地淹没或饱和，并通常伴生有优势的水生植被与水生生物的生态系统。从组成来看，湿地系统包括水、永久性或间歇性处于饱和状态的基质以及水生生物。[1-2]
人工湿地是模拟自然湿地的人工生态系统，它是一种由人工建造和监督控制的、类似沼泽地的地面，利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化。与自然湿地相比，人工湿地污水处理系统因具备自然湿地净化污水的功能而不影响其生态价值，并且容易对工艺过程进行优化控制与管理[3]，因而倍受关注。近二十多年以来，在全球范围内，特别是在欧美国家，人工湿地系统被广泛应用，处理各种不同类型的废水，如生活污水、暴雨径流、工业废水、农业面源污染、酸性矿水及垃圾渗滤液等[4-8]。研究表明，人工湿地不仅对有机物有较强的降解能力，对污水处理厂难去除的营养元素如氮、磷也有一定的去除效果[9-11]。
一般认为，人工湿地由五部分组成：(1)具有各种透水性的基质，如土壤、砂、砾石；(2)适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物，如芦苇；(3)水体（在基质表面下或上流动的水）；(4)无脊椎或脊椎动物；(5)好氧或厌氧微生物种群。
图1.人工湿地结构示意图
Figure 1. The structure of artificialwetlands
根据污水在系统中流动方式的差异，人工湿地污水处理系统可分为表面流(SFCW)和潜流(SSFCW)两种类型，后者又分水平流(HSSFCW)和垂直流(VSSFCW)两种布水方式，也有的把布水方式设计成波形流动(WSSFCW) [12]。在SFCW中，污水在基质(通常为土壤)表面漫流，一般水层深0.2~0.4m,而SSFW中，污水在表层以下基质(大多为砾石)中渗流。从两种系统的特性来看，SFCW具有较低的建设安装成本和简单的水力特征，适合应用于污染河水和湖水修复、农业暴雨径流及污水二、三级处理等方面；SSFCW水流维持在砾石基质表面以下，保温效果好，处理效果受气候、季节的影响较小，并且可以避免异味、昆虫带菌及暴露等问题，比较适合于处理垃圾渗滤液、农业污水及一些工业废水。
2人工湿地脱氮机理及效果
人工湿地对BOD、COD、SS及污染细菌的去除率可达90%以上，但对氮的去除率较低且不稳定，一般接近50%[13]，有的为60%~80%[14]，在有预处理设施和处理面积足够大(>50m2•m-3•d)的条件下，其总氮和总磷的去除可达90%以上[15]。
人工湿地对氮的去除作用包括基质的吸附和过滤、植物和其他生物的吸收氨化作用、硝化作用、反硝化作用、氨的挥发作用、NH4+的阳离了交换作用等。污水中的氮基本以有机氮和氨氮两种形式存在，一般情况下，有机氮被微生物分解与转化，所以人们更关注氨氮的去除。
湿地植物根毛的输氧及传递特性，使根系周围连续呈现好氧、缺氧及厌氧状态，相当于许多串联或并联的处理单元，使硝化和反硝化作用可以在湿地系统中同时进行。研究认为，在植物-砾石床潜流湿地中，论述国家的基本权利和义务砾石床良好的多孔性和植物的根区效应是影响氨氮去除效果的主要因素，氮去除率达80%[16]。硝化作用只将NH3-N转化为NO2--N和NO3--N，反硝化作用才可以使氮以N2O和N2形式从系统中根本去除。在氮的反硝化过程中又分为两步，即先变为N2O(温室气体)，再转变为N2，在pH较低时，后一步受到限制[13]。因此，从环境保护的角度看，湿地系统的pH一般要维持在6以上。
污水中氨氮作为植物生长过程中不可缺少的物质也可以被植物直接摄取，合成植物蛋白质与有机氮，再通过植物的收割从废水和湿地系统中除去。值得注意的是，人工湿地系统中已沉淀的有机物在部分硝化以后一部分氮可以回到水中，同样当吸收了氮的植物枯死后也会释放一部分氮回到水中，因此在计算氮的去除时应考虑总的物料平衡。
人工湿地系统因构成方式和水流途径不同，对氮的去除效果也存在一定的差异。在SFCW中，由于营养元素的去除主要发生在沉积物质中，而污水在沉积物上流经时，溶解营养元素向沉积物中扩散的速度非常缓慢，因而氮的去除只有10%~15%[17]；而在SSFCW中，水流与基质和植物根系的接触比较充分，氮的去除效果也相应较好，如在每公顷面积处理约800人产生的生活污水的负荷条件下，氮的去除率为35%，在适当条件下分别可以提高到50% [18]。对脱氮效果而言，VSSFCW优于HSSFCW，复合垂直流较单一流向较好，间歇运行优于连续运行[19]。WSSFCW优化了传统潜流人工湿地的流态，污水可在床体内进行波形流动，反复地与湿地系统中的上、中、下层的微生物、根系及基质充分接触，研究表明[12]，在相同试验条件下，WSSFCW在污染物去除方面明显优于HSSFCW，氨氮的去除率提高了22%。
3提高人工湿地脱氮效率的对策
人工湿地是一个复杂的污水处理生态系统，其对氮的去除与基质、微生物、植物种类、污水类型、水力负荷、水文特征、气候特征等因素密切相关，为了提高氮的去除效果，建议考虑以下对策：(1)增加湿地面积，保证有效的过滤面积和体积；(2)适当的有机负荷、间歇布水方式、适当的水力落差(1%~2%)以及较长的水力流程[20]；(3)采用富含Ca、Fe和Al的基质；(4)筛选氮吸收能力强、具抗逆性、有一定经济利用价值和景观价值，易管理的湿地植物；(5)增加预处理设施，表面流湿地和垂直流湿地结合布置；(6)及时收割湿地植物和更换基质；(7)在低温地区，提高湿地光照条件，在湿地周围栽树挡风等。
4 总结和展望
污水排放标准的不断严格是目前世界各国的普遍发展趋势，以控制水体富营养化为目的的氮、磷脱除技术开发已成为世界各国主要的奋斗目标。研究生物脱氮新技术、新工艺对于开展水体富营养化的研究与治理，实现自然资源、环境、人口的可持续发展具有重要的意义。人工湿地污水处理工艺，作为一种新兴的污水处理工艺，已经在实践中得到了广泛的应用。虽然，人工湿地脱氮除磷的效果具有局限性，但是作为一种污水处理新工艺，对人工湿地污水处理技术的研究，可以拓展我们的思路，对其脱氮效果的研究及其工艺的改进，将有可能实现脱氮技术的进一步发展。
参考文献
[1]夏汉平.人工湿地处理污水的机理与效率[J].生态学杂志,2002,21(4):51-59.
[2]罗团忠.人工湿地的除污机理及进一步提高氮磷去除率的方法[J].广东水利水电职业技术学院学报,2003,1(2):21-23,28.
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