王海燕，趙遠(yuǎn)哲，王文富，董偉羊，閆國(guó)凱，常洋

1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心 3.河南省上蔡縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站

人工濕地(constructed wetlands，CWs)是利用包括濕地植物、土壤及其相關(guān)微生物群落的自然過程凈化水質(zhì)的處理系統(tǒng)，是在較可控的環(huán)境中強(qiáng)化利用濕地自然過程進(jìn)行凈化的方法[1-2]。人工濕地因其低成本和易管理的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)田退水、生活污水、城市徑流和工業(yè)廢水等的處理[2-3]。人工濕地的脫氮途徑包括沉積和揮發(fā)[1]、植物和其他生物的氮同化作用、微生物異化脫氮和基質(zhì)吸附，其中微生物氨化、硝化和反硝化作用是主要的脫氮過程[4]。通常人工濕地對(duì)于水中總氮(TN)、氨氮均有較好的脫除效果，但是當(dāng)某些限制性因素〔如低溫、反硝化碳源不足、溶解氧(DO)濃度低等〕存在時(shí)，TN的去除率往往不能滿足要求。因此，如何提高人工濕地存在不利因素時(shí)對(duì)TN的去除率成為近年來人工濕地研究中的熱點(diǎn)[5]。

1 人工濕地的脫氮機(jī)理

1.1 植物吸收

無機(jī)氮是植物生長(zhǎng)過程中必不可少的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，污水中原有的氨氮和硝化作用產(chǎn)生的硝態(tài)氮均可被濕地植物在生長(zhǎng)過程中吸收，最終通過植物的收割從系統(tǒng)中去除[6-7]。濕地植物對(duì)氮的吸收量可達(dá)0.02～0.30 g(m2·d)[8-9]，對(duì)比香蒲、蘆葦、茭白、水蔥、千屈菜、鳶尾和菖蒲對(duì)氮的吸收能力發(fā)現(xiàn)，蘆葦對(duì)氮的吸收能力最高，菖蒲最低[9]。濕地植物對(duì)氮的吸收量與其生物量呈極顯著正相關(guān)，如徐德福等[9]研究報(bào)道，蘆葦、香蒲、水蔥和千屈菜的生物量較大，吸收的TN較多，而菖蒲和鳶尾盡管植株組織TN濃度較高，但由于生物量相對(duì)較低，故吸收的氮量較少?？傮w來說，植物生長(zhǎng)吸收不是人工濕地的主要脫氮途徑，如李林峰等[10]發(fā)現(xiàn)，不同濕地植物對(duì)TN的吸收量?jī)H占人工濕地TN去除量的0.6%～17.3%，通過收獲濕地植物地上部分生物量對(duì)人工濕地TN去除量的貢獻(xiàn)率小于15%。

1.2 基質(zhì)吸附

基質(zhì)是人工濕地中微生物和植物附著生長(zhǎng)的載體。傳統(tǒng)的人工濕地多采用礫石、碎石、砂子、土壤等作為濕地基質(zhì)[11]，這些基質(zhì)主要起到截留顆粒物及支撐微生物膜附著生長(zhǎng)的作用，但對(duì)于水中氨氮去除的促進(jìn)作用不大。近年來，一些對(duì)氨氮有特異性強(qiáng)吸附作用的基質(zhì)，如沸石、陶粒和蛭石等，逐漸成為人工濕地基質(zhì)吸附脫氮的首選填料[12-13]。研究表明[14]，人工濕地中沸石、陶粒和蛭石對(duì)氮的吸附量分別可達(dá)132～71 940、67～30 211和333～14 014 mgkg，其他基質(zhì)如礦渣、鋼渣、廢磚等對(duì)氨氮也有很好的吸附效果，吸附量分別可達(dá)155～26 266、571和5 030 mgkg。

1.3 微生物作用

人工濕地中微生物對(duì)脫氮起主導(dǎo)作用，微生物能利用污水中各種形態(tài)的氮進(jìn)行生命活動(dòng)，從而降低污水中氮濃度，達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。微生物脫氮涉及的過程主要包括氨化、硝化和反硝化[15-16]等常規(guī)生物脫氮過程；此外，還有厭氧氨氧化(ANAMMOX)[17]、硫自養(yǎng)反硝化[18]和同步硝化反硝化[19]等非常規(guī)生物脫氮過程，其在人工濕地脫氮過程中發(fā)揮著重要作用，尤其在不利環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)脫氮的貢獻(xiàn)更加突出。黃娟等[20]定量分析了中試潛流型濕地系統(tǒng)的脫氮途徑和規(guī)律，發(fā)現(xiàn)微生物脫氮量約占進(jìn)水TN量的12。人工濕地中主要微生物脫氮反應(yīng)機(jī)理如表1所示。

表1 人工濕地中微生物脫氮反應(yīng)機(jī)理

1.3.1氨化作用

污水中的有機(jī)氮在氨化細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)化為氨氮的過程稱為氨化，氨化是污水中有機(jī)氮去除過程的第一步。濕地中有機(jī)氮在不同條件、不同水質(zhì)時(shí)氨化能力差異較大〔0.004～0.530 g/(m2·d)〕[21]，但氨化過程中參與的微生物種群差異并不大。李輝等[22]研究表明，在模擬水平潛流人工濕地中，芽孢桿菌屬(Bacillus)和假單胞菌屬(Pseudomonas)是氨化細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)菌屬；趙婷婷等[23]在研究微生物對(duì)植物浮島人工濕地中有機(jī)氮強(qiáng)化分解時(shí)發(fā)現(xiàn)，糞產(chǎn)堿桿菌屬(Alcaligenesfaecalis)也是人工濕地中高效的氨化細(xì)菌。

1.3.2硝化和反硝化

圖1 微生物硝化和反硝化過程Fig.1 Microbial nitrification/denitrification process

1.3.3厭氧氨氧化等

厭氧氨氧化是指厭氧氨氧化菌(anammox)在厭氧條件下以氨為電子供體，以亞硝酸鹽為電子受體反應(yīng)生成氮?dú)獾倪^程[26]。近年來，厭氧氨氧化被發(fā)現(xiàn)廣泛存在于各種類型的人工濕地中[26-28]。Zhai等[29]利用15N同位素示蹤法發(fā)現(xiàn)，垂直流人工濕地和自由表面流人工濕地組合的系統(tǒng)中自養(yǎng)反硝化、異養(yǎng)反硝化和厭氧氨氧化過程同時(shí)存在，表明人工濕地脫氮微生物機(jī)理比以往認(rèn)知的更為復(fù)雜；Waki等[30]研究表明，在種植野生稻的自由表面流人工濕地中，厭氧氨氧化產(chǎn)生的氮?dú)饬空?.1%；Pareds等[31]發(fā)現(xiàn)，潛流型人工濕地中通過厭氧氨氧化作用脫除的氮量可達(dá)2.8～5.7 g/(m2·d)，比前人研究報(bào)道的高5～10倍；Tao等[32]發(fā)現(xiàn)，潛流型人工濕地處理人工合成污水時(shí)，通過厭氧氨氧化過程脫除的氮量達(dá)2.4 g/(m2·d)，占氨氮總脫除量的27%～49%；Wang等[33]研究發(fā)現(xiàn)，潛流型人工濕地處理生物接觸氧化池出水時(shí)存在厭氧氨氧化現(xiàn)象，盡管濕地進(jìn)水中化學(xué)需氧量(COD)與TN之比僅為0.5，但濕地的TN脫除率高達(dá)93%。人工濕地中與厭氧氨氧化過程相關(guān)的微生物主要為浮霉菌門(Planctomycetes)，如呂露遙等[34]采用多級(jí)潮汐流人工濕地處理城市污水廠剩余污泥厭氧消化液，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在大量的厭氧氨氧化菌(CandidatusKuenenia)；Zhai等[29]發(fā)現(xiàn)，垂直流人工濕地和自由表面流人工濕地組合系統(tǒng)中，參與脫氮的厭氧氨氧化菌主要是浮霉菌門的CandidatusAnammoxoglobuspropionicus和Brocadiafulgida。影響人工濕地中厭氧氨氧化過程的關(guān)鍵因素包括溫度、pH、游離氨和游離亞硝酸濃度、水力停留時(shí)間(HRT)、DO濃度、鹽度、有機(jī)物和羥胺濃度等[35-36]，因此，在實(shí)際應(yīng)用中有必要對(duì)人工濕地中厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行工藝條件優(yōu)化，以最大程度地發(fā)揮厭氧氨氧化菌的脫氮能力。

近年來也有研究報(bào)道人工濕地中存在著硫自養(yǎng)反硝化、同步硝化反硝化脫氮過程，如任婕等[18]采用硫自養(yǎng)反硝化強(qiáng)化水平潛流人工濕地處理鋼鐵行業(yè)冷軋廢水中的TN時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)HRT為5 d時(shí)，人工濕地對(duì)TN的脫除率可達(dá)58.9%。此外，Wang等[19]研究發(fā)現(xiàn)，人工濕地中存在同步硝化反硝化過程，且該過程在人工濕地脫氮中發(fā)揮著重要作用并受多種環(huán)境因素的影響?？梢姡瑢?duì)上述生物脫氮方向的深入研究將有助于形成人工濕地中新型的脫氮途徑。

1.4 植物-基質(zhì)-微生物耦合作用

植物、基質(zhì)和微生物是人工濕地的基本組成要素，由三者組成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)和生物的協(xié)調(diào)作用是人工濕地脫氮的最主要途徑[37-38]。

植物對(duì)微生物的影響主要表現(xiàn)在2個(gè)方面： 1)為微生物提供能源物質(zhì)。植物根系向水中釋放大量糖類、醇類和酸類等分泌物，這些碳源可促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)繁殖，同時(shí)細(xì)根的腐解也向水中補(bǔ)充了有機(jī)碳，為反硝化菌提供了更多的電子供體，促進(jìn)微生物反硝化脫氮[39]。2)通過植物根系泌氧為好氧微生物提供適宜生境。在整體還原態(tài)的基質(zhì)中，通過植物根系泌氧形成了根區(qū)氧化態(tài)的微環(huán)境，為好氧、兼氧、厭氧微生物提供適宜生境，增加微生物種類，有利于微生物硝化和反硝化過程的進(jìn)行[40-41]。大多數(shù)根際微生物對(duì)植物無害或?qū)χ参锷L(zhǎng)有促進(jìn)作用，其在根際的生命活動(dòng)中，由呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳或代謝產(chǎn)酸有助于難溶礦物質(zhì)的溶解，從而增加植物對(duì)氮及其他礦質(zhì)元素的吸收，微生物分泌的植物生長(zhǎng)激素類物質(zhì)(如吲哚乙酸、赤霉素等)也能促進(jìn)植物生長(zhǎng)。

基質(zhì)與微生物的耦合作用主要體現(xiàn)在基質(zhì)具有大的比表面積，其可為脫氮微生物的附著和生長(zhǎng)提供良好的場(chǎng)所，同時(shí)其截留和吸附的污染物也為微生物的生長(zhǎng)代謝提供了物質(zhì)來源[42-43]；而當(dāng)基質(zhì)吸附氨氮后，微生物可以通過硝化作用將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮，從而恢復(fù)基質(zhì)對(duì)氨氮的吸附能力，實(shí)現(xiàn)基質(zhì)的生物再生[44]。

基質(zhì)可以較好地促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[14]，同時(shí)基質(zhì)表面吸附的氮素相較水中的氮素能更好地被植物吸收，而植物的吸收也是恢復(fù)基質(zhì)吸附容量的重要途徑，故二者可相互促進(jìn)彼此對(duì)水中氮的脫除能力。

2 人工濕地脫氮影響因素

人工濕地脫氮過程復(fù)雜，涉及各方面的因素較多，且易受環(huán)境條件的影響。影響人工濕地脫氮的主要影響因素有進(jìn)水碳氮比(C/N)、HRT、植物種類、濕地運(yùn)行方式、溫度、pH和DO濃度等；各因素對(duì)濕地脫氮影響的權(quán)重主要取決于人工濕地類型、進(jìn)水水質(zhì)和環(huán)境條件等，在運(yùn)行中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體分析。

2.1 進(jìn)水CN

在生物脫氮過程中，微生物反硝化脫除1 g硝酸鹽氮理論上需要2.86 g五日生化需氧量(BOD5)。一般來說，當(dāng)水體中BOD5/TN大于3或COD/TN(C/N)大于6時(shí)，可視為反硝化碳源充足，否則需補(bǔ)充碳源[45]；也有學(xué)者認(rèn)為，反硝化的最佳C/N為6～7[46]。Baker[47]在利用濕地處理高濃度硝酸鹽廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水C/N大于5時(shí)，系統(tǒng)反硝化脫氮效率最佳(90%以上)；Li等[48]在研究自由表面流人工濕地對(duì)不同C/N廢水脫氮時(shí)發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)水C/N為5時(shí)，系統(tǒng)對(duì)TN的脫除效果最好；Zhu等[49]在研究自由表面流人工濕地處理人工模擬污水時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)水C/N為5時(shí)，TN去除率最高可達(dá)89.9%，而繼續(xù)升高C/N到6～7，TN去除率無明顯變化；Ding等[4]采用表面流人工濕地處理模擬農(nóng)田和生活污水，發(fā)現(xiàn)隨C/N增加(1.67～10.00)，有機(jī)氮和氨氮去除率下降，但硝酸鹽氮去除率卻上升。Li等[50]采用位于濟(jì)南市的自由表面流人工濕地處理模擬生活污水時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)水C/N為12時(shí)，系統(tǒng)對(duì)氨氮、TN去除率分別達(dá)98%、90%，且脫氮過程中氧化亞氮(N2O)的產(chǎn)生量最小，說明在一定程度上增大進(jìn)水的C/N可以提高人工濕地的脫氮能力。但當(dāng)進(jìn)水C/N過大時(shí)，則可能會(huì)對(duì)脫氮產(chǎn)生不利影響，如出水COD不達(dá)標(biāo)和TN去除率下降等，這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)水C/N過高時(shí)，高濃度的有機(jī)碳源會(huì)對(duì)AOB和厭氧氨氧化菌產(chǎn)生抑制作用，使其活性降低甚至失活[51]，從而影響了整個(gè)微生物脫氮過程的進(jìn)行。綜上，建議人工濕地脫氮過程中進(jìn)水C/N保持在5～12，以保證系統(tǒng)最佳的脫氮效果。

2.2 HRT

人工濕地中脫氮效果受HRT的影響較大，這是由于脫氮需要污泥齡長(zhǎng)的自養(yǎng)微生物(硝化菌)的參與，而HRT的變化會(huì)直接影響系統(tǒng)中微生物優(yōu)勢(shì)菌群分布和脫氮效率。生物脫氮往往需要較長(zhǎng)的HRT，如徐麗等[52]采用水平潛流人工濕地在均勻布水條件下處理生活污水，當(dāng)HRT為2 d時(shí)，系統(tǒng)對(duì)TN去除率最高為74.97%；Meng等[53]采用非曝氣垂直流折流型生物炭人工濕地處理模擬徑流污水，在HRT為3 d時(shí)，氨氮和TN的去除率分別達(dá)到95.9%±3.4%和28.0%±4.0%。烏蘭托婭[54]采用位于呼倫貝爾的水平潛流人工濕地處理合成廢水，當(dāng)水溫為15 ℃，HRT為1～3 d時(shí)，氨氮去除率低于85%；在HRT為5 d時(shí)，氨氮去除率達(dá)到最高(90%)；而HRT更長(zhǎng)時(shí)，氨氮會(huì)出現(xiàn)負(fù)去除率，這是因?yàn)镠RT過長(zhǎng)時(shí)，水中植物和微生物的殘?bào)w腐化釋放出氨氮。可見，HRT并不是越長(zhǎng)越好，不同類型人工濕地在處理不同種類的污水時(shí)，有不同的最佳HRT。靳同霞等[55]采用復(fù)合垂直流人工濕地和水平潛流人工濕地處理生活污水與水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的混合水時(shí)，建議垂直流人工濕地最佳HRT在春、秋季為8～10 h，夏季為6 h，冬季為12 h；水平潛流人工濕地最佳HRT在春、秋季為10～12 h，夏季為6～8 h，冬季為24～36 h。Ghosh等[56]研究報(bào)道，采用表面流人工濕地處理牛奶廠污水處理設(shè)施的二級(jí)出水，隨HRT的增加(1～4 d)，氨氮、硝態(tài)氮和總凱氏氮的去除率均有所增加，當(dāng)HRT為4 d時(shí)，總凱氏氮去除率達(dá)90%以上。Akratos等[57]采用表面流人工濕地處理生活污水，當(dāng)溫度為15 ℃以上時(shí)，HRT為8 d對(duì)氮的脫除已足夠。綜上可知，建議人工濕地HRT為12 h～8 d，且隨不同的進(jìn)水水質(zhì)和濕地構(gòu)型進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2.3 植物種類

植物是人工濕地的重要組成部分，其種植狀況決定了人工濕地功能的發(fā)揮，同時(shí)也影響著污水處理效果和景觀效應(yīng)[58]。Gagnon等[59]在處理漁場(chǎng)污水試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)栽種植物的人工濕地比未栽種植物的脫氮效率提高17%～65%，其原因是栽種植物后基質(zhì)上細(xì)菌數(shù)量比未栽種的高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。Du等[60]采用組合垂直流人工濕地處理中水，發(fā)現(xiàn)栽種美人蕉等植物相比未栽種植物對(duì)TN去除率平均提高8.16%，且微生物是脫氮的主要貢獻(xiàn)者(占比為83.87%～87.94%)。植物根部有泌氧功能，可在濕地中創(chuàng)造好氧/缺氧交替環(huán)境，有助于微生物同步硝化反硝化作用的發(fā)生，從而加強(qiáng)氮的脫除[61]，如張曉一等[62]采用表面流人工濕地處理模擬污水廠尾水，發(fā)現(xiàn)栽種黃菖蒲的濕地較未種植濕地TN去除率最多可提高71.67%。

2.4 溫度

溫度對(duì)脫氮微生物活性和人工濕地中植物生長(zhǎng)均有很大影響。低溫條件下，硝化和反硝化細(xì)菌的活性較低。土壤中微生物氨化、硝化和反硝化作用的最佳溫度分別40～60、30～40和10～30 ℃[1]。而當(dāng)溫度低于15 ℃時(shí)，硝化和反硝化細(xì)菌的活性急劇降低，導(dǎo)致氮的去除負(fù)荷從常溫的0.7 g/(m2·d)降至0.15 g/(m2·d)[63]；當(dāng)溫度低于5 ℃時(shí)，反硝化速率極低，從常溫的0.47 g/(m2·d)降至0.03 g/(m2·d)[64]。由于受氣候因素影響，冬季我國(guó)北方地區(qū)人工濕地的脫氮效率通常會(huì)明顯下降[65]。張榮新等[66]發(fā)現(xiàn)，低溫環(huán)境對(duì)濕地微生物(氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌及反硝化細(xì)菌)生長(zhǎng)均產(chǎn)生抑制，在環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)，TN去除率為45.28%，高于5 ℃時(shí)的TN去除率(38.06%)。

由于人工濕地栽培有植物，當(dāng)溫度降低時(shí)，植物生長(zhǎng)速率減慢，對(duì)水中氮和磷的攝取量也會(huì)減少；此外，冬季植物的枯萎死亡也會(huì)向水中釋放氮和磷，導(dǎo)致出現(xiàn)氮和磷去除率為負(fù)的情況，這也是低溫條件下人工濕地脫氮效率下降的原因之一。高沖等[67]采用薏苡植物床去除人工模擬富營(yíng)養(yǎng)化水中的氮，發(fā)現(xiàn)溫度為30 ℃時(shí)，濕地對(duì)水中TN的去除效果遠(yuǎn)好于10、20 ℃。綜上，建議人工濕地溫度保持在15～30 ℃，保證植物及微生物的正常生長(zhǎng)代謝，以最大程度地發(fā)揮濕地的脫氮能力。

2.5 pH

pH對(duì)人工濕地脫氮的影響主要通過對(duì)微生物的影響體現(xiàn)出來[68]。生物脫氮中，硝化細(xì)菌對(duì)pH十分敏感，AOB和NOB分別在pH為7.0～7.8和7.7～8.1時(shí)活性最強(qiáng)，pH超出該范圍，則活性急劇下降。對(duì)于反硝化細(xì)菌來說，最適宜生長(zhǎng)的pH為7.0～8.5，當(dāng)pH大于8.5或小于6.0時(shí)，反硝化速率大幅降低[15]。一般人工濕地進(jìn)水pH為7.5～8.0時(shí)，較適宜微生物脫氮，但當(dāng)濕地中填充特殊基質(zhì)時(shí)，可能會(huì)使pH大幅偏離適宜范圍而影響脫氮[17]。因此，當(dāng)人工濕地進(jìn)水pH過高或過低時(shí)，應(yīng)該加入酸或堿調(diào)節(jié)pH，以保證微生物正常的生長(zhǎng)代謝。

2.6 DO濃度

人工濕地中，脫氮微生物的硝化與反硝化脫氮過程對(duì)于DO濃度有不同要求。DO濃度超過1.5 mg/L是硝化反應(yīng)發(fā)生的先決條件[69]，DO濃度不足會(huì)嚴(yán)重影響氨氮的去除[70]；而反硝化過程最佳DO濃度應(yīng)小于0.1 mg /L，否則易發(fā)生中間產(chǎn)物亞硝酸鹽和氮氧化物的積累[71]，這主要因?yàn)檠鯐?huì)為反硝化菌群提供更高效的電子受體而抑制微生物反硝化活性[72]。王寧寧等[73]通過自然跌水方式調(diào)節(jié)人工濕地系統(tǒng)中DO濃度，發(fā)現(xiàn)隨DO濃度增高(2～8 mg/L)，TN去除率增大，且微生物多樣性增高。此外，有研究表明[74]，當(dāng)濕地中DO濃度為5 mg/L左右時(shí)，氨氮去除率較高，且隨DO濃度的增加變化不明顯。因此人工濕地發(fā)揮硝化作用DO濃度應(yīng)在5 mg/L左右，發(fā)揮反硝化作用DO濃度應(yīng)小于0.1 mg/L。

2.7 運(yùn)行方式

在實(shí)際污水處理中，人工濕地脫氮效率受多方面因素影響，環(huán)境因素和現(xiàn)場(chǎng)條件往往無法或難以改變，此時(shí)為達(dá)到脫氮要求并最大程度地減少建設(shè)運(yùn)行成本，最佳選擇之一是通過調(diào)整濕地運(yùn)行方式以達(dá)到強(qiáng)化脫氮目的。一般情況下，污水生物處理都面臨著碳源分布不均的特點(diǎn)，前期大量有機(jī)物被異養(yǎng)菌所消耗，導(dǎo)致反硝化階段沒有充足的碳源；通過改變濕地運(yùn)行方式可以優(yōu)化不同階段的碳源分配，更好地促進(jìn)微生物的反硝化脫氮。丁達(dá)江等[75]在潮汐流人工濕地中設(shè)置分段進(jìn)水，與非分段工況相比，出水TN平均濃度由53.22 mg/L降至19.23 mg/L，平均去除率由33.74%升至70.77%。Liu等[76-77]采用位于北京的潮汐流組合垂直流人工濕地和自由表面流人工濕地處理低污染水，二者對(duì)TN的去除率分別達(dá)38.16%和65.4%，且濕地中微生物具有很高的活性。劉臻等[78]采用連續(xù)進(jìn)水-間歇出水運(yùn)行方式與連續(xù)進(jìn)出水方式相比，氨氮去除率提高了39.69個(gè)百分點(diǎn)。此外，程果等[79]采用多級(jí)垂直流人工濕地以潮汐流方式處理城市污水處理廠剩余污泥厭氧消化液，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)氨氮和TN都有很好的去除效果；周健等[80]采用兩級(jí)序批式水平流人工濕地處理生活污水，氨氮和TN的平均去除率可達(dá)89.0%和74.0%，與連續(xù)式進(jìn)水相比分別提高了3.0%和32.0%；王凌文等[81]采用垂直流人工濕地處理生活污水，以連續(xù)流和間歇進(jìn)水結(jié)合的方式運(yùn)行，氨氮去除率均高于85%；李懷等[82]采用水平折流人工濕地處理模擬生活污水，發(fā)現(xiàn)回流出水可使TN去除率提高11%。

3 人工濕地強(qiáng)化脫氮措施

人工濕地中植物和脫氮相關(guān)微生物菌群生長(zhǎng)代謝易受不利條件干擾，從而使人工濕地脫氮效率受到影響。當(dāng)現(xiàn)有條件無法滿足植物和微生物所需時(shí)，可以采取外加碳源、優(yōu)化植物配置、開發(fā)新型基質(zhì)、人工增氧和保溫等強(qiáng)化脫氮的措施，以提高人工濕地脫氮效率，滿足處理后出水水質(zhì)要求。上述強(qiáng)化脫氮措施已成為近年來人工濕地脫氮研究的熱點(diǎn)，但只有根據(jù)具體情況合理選擇和組合，才能達(dá)到最佳脫氮效果。

3.1 外加碳源

碳源不足是人工濕地中微生物反硝化脫氮過程受限的主要因素，由于沒有足夠的電子供體，微生物不能進(jìn)行完全的反硝化脫氮過程，導(dǎo)致出水中亞硝氮和硝氮濃度增加。碳源種類主要有低分子有機(jī)物、污/廢水與污泥、植物碳源和一些可生物降解的有機(jī)多聚物等。低分子有機(jī)物如甲醇、乙醇、葡萄糖和蔗糖等因其碳含量高、易于生物降解和被反硝化細(xì)菌利用，常被作為外加碳源以提高人工濕地的脫氮效率[83-85]。然而甲醇有毒，成本較高且運(yùn)輸不便；糖類物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，生物降解過程相對(duì)較慢[86]。針對(duì)低分子有機(jī)物存在的缺點(diǎn)，研究人員提出使用污水與污泥作為外加碳源，由于生活污水、工業(yè)廢水和污泥中含有糖類和蛋白質(zhì)等有機(jī)物，將其添加進(jìn)人工濕地處理系統(tǒng)，不僅可以為反硝化提供碳源，還能實(shí)現(xiàn)污水、污泥的資源化利用。如程果等[79]采用多級(jí)垂直流人工濕地處理城市污水處理廠剩余污泥厭氧消化液時(shí)，以剩余活性污泥作為碳源強(qiáng)化反硝化，在C/N極低(0.39)的條件下，氨氮平均去除率為99.02%±0.92%，TN平均去除率為61.10%±10.06%。植物體內(nèi)含有大量纖維素和半纖維素等，其在微生物酶作用下分解出的單糖和其他營(yíng)養(yǎng)元素也可作為濕地外加反硝化碳源。如肖蕾等[87]采用千屈菜作為垂直流人工濕地外加碳源處理人工模擬生活污水，發(fā)現(xiàn)脫氮效率最高可提升30.85%；趙秋菊等[88]采用堿處理玉米秸稈作為潮汐流人工濕地反硝化碳源，發(fā)現(xiàn)反硝化速率是未添加的2.05倍；常洋等[89]采用蘆葦碎段作為表面流人工濕地反硝化碳源處理農(nóng)田退水，發(fā)現(xiàn)硝氮和TN去除率比未添加提高了73%和60%。此外，梧桐樹皮和樹葉、玉米芯、稻草、花生殼、蘆竹等都是可用的植物碳源，均被報(bào)道可以用來作為碳源強(qiáng)化人工濕地脫氮[90-92]。近年來，可降解塑料、聚羥基脂肪酸酯、聚β-羥基丁酸、聚己酸內(nèi)酯(PCL)等可生物降解有機(jī)多聚物也被報(bào)道用于新型人工濕地脫氮，且均取得了很好的脫氮效果[93-95]。

3.2 優(yōu)化植物配置

植物是人工濕地的核心，選擇適宜的植物不僅可以增強(qiáng)人工濕地的凈化效果，方便后期運(yùn)行管理，還可以降低建設(shè)成本和可能產(chǎn)生的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[96]。近20年來，涌現(xiàn)大量有關(guān)人工濕地植物在凈化水質(zhì)方面的報(bào)道，統(tǒng)計(jì)頻數(shù)最多的前10位植物依次為蘆葦、美人蕉、香蒲、菖蒲、旱傘草、燈心草、千屈菜、水蔥、金魚藻和鳳眼蓮，這些植物具有分布廣、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)季節(jié)長(zhǎng)、生長(zhǎng)迅速、生物量大、根莖組織發(fā)達(dá)和綜合凈化水體能力強(qiáng)等特點(diǎn)[97]。岑璐瑤等[98]利用種植不同植物(菖蒲、風(fēng)車草、絲帶草、美人蕉和蘆葦)的水平潛流人工濕地深度處理污水廠尾水，發(fā)現(xiàn)種植蘆葦?shù)娜斯竦貙?duì)TN去除效果最好。另外，利用不同植物的生長(zhǎng)特性，通過搭配種植不同種類的植物，能有效改善濕地的微環(huán)境，更有利于微生物群落穩(wěn)定，如肖洋等[99]比較了香蒲、水蔥、慈姑、小白花地榆、小葉章的最佳組合方式，發(fā)現(xiàn)當(dāng)慈姑和水蔥組合時(shí)，系統(tǒng)對(duì)模擬生活污水的凈化能力最強(qiáng)，且多種植物組合的凈化效果遠(yuǎn)超單種植物，污水濃度越高差異越明顯。李淑英等[100]將慈姑、大薸和穗狀狐尾藻鑲嵌組合混合栽種，發(fā)現(xiàn)與未混合栽種組相比，TN去除率由20%提高至70.1%；張建民等[101]利用位于貴州省的表面流+潛流+垂直復(fù)合流人工濕地處理生活污水時(shí)，選擇風(fēng)車草+再力花+菖蒲+千屈菜+水葫蘆+美人蕉+花葉蘆竹的搭配對(duì)氨氮的去除效果最佳(75.96%)；Chandra等[102]采用之字形人工濕地處理生物脫色后的甲基化蒸餾廢水，發(fā)現(xiàn)選用蘆葦與茭白搭配種植時(shí)，濕地對(duì)TN具有較高的去除率(60.6%)；詹建益[103]在利用人工濕地處理廚房污水時(shí)，發(fā)現(xiàn)使用水芹+菖蒲的濕地植物配置方式可提高水中TN的去除率(85.0%)；郝君等[104]處理養(yǎng)殖廢水時(shí)，發(fā)現(xiàn)將風(fēng)車草和美人蕉搭配種植能提高人工濕地的TN去除率(77%)，且不同種類污/廢水優(yōu)化的脫氮植物配置各不相同。

3.3 開發(fā)新型基質(zhì)

人工濕地中基質(zhì)的凈化功能主要包括有機(jī)、無機(jī)膠體及其復(fù)合體的吸收、絡(luò)合和沉淀作用、離子交換作用、機(jī)械阻留作用和氣體擴(kuò)散作用[105]。常用的人工濕地基質(zhì)有土壤、砂、卵石和礫石等，近年來，隨著人工濕地技術(shù)的不斷完善，一些天然的材料、人工合成介質(zhì)和工業(yè)副產(chǎn)物等逐漸被用作濕地新型基質(zhì)以優(yōu)化人工濕地對(duì)氮和有機(jī)物等的去除[106]。如黃垚洇等[107]研究了聚丙烯球強(qiáng)化表面流人工濕地處理模擬湖水的脫氮效果，發(fā)現(xiàn)聚丙烯球的引入使TN去除率提高7.87個(gè)百分點(diǎn)；Deng等[108]研究了添加生物炭的自由表面流人工濕地的脫氮效果，發(fā)現(xiàn)TN和氨氮去除率均有所提升；Wu等[2]采用由脫水污泥和黏土制備的顆粒用作自由表面流人工濕地基質(zhì)進(jìn)行生活污水脫氮，發(fā)現(xiàn)采用新基質(zhì)的濕地比空白組對(duì)氨氮和TN均有更好的去除效果；為了解決北方冬季人工濕地運(yùn)行過程中出現(xiàn)的植物生長(zhǎng)萎靡、微生物活性低下、出水達(dá)不到設(shè)計(jì)要求等問題，劉學(xué)燕等[109]針對(duì)北方冬季人工濕地脫氮效率低的問題，研究了新型鐵碳人工濕地，發(fā)現(xiàn)其對(duì)氨氮去除率達(dá)89%，顯著高于傳統(tǒng)填料人工濕地(25%)；曾麗璇[110]采用單一粒級(jí)的碎石作為粗骨料，以水泥、粉煤灰和化學(xué)添加劑為膠結(jié)材料制備了新型人工濕地生態(tài)填料，與普通碎石填料濕地相比，氨氮去除率提高30個(gè)百分點(diǎn)左右。此外，廢磚塊和廢陶[111]、改性沸石[112]和鋁污泥[113]等也可以作為人工濕地的基質(zhì)，且均被證實(shí)處理效果優(yōu)于普通填料。

3.4 人工增氧

脫氮微生物的氨化及硝化過程均需要氧氣作為最終電子受體，普通人工濕地中DO主要來源于大氣擴(kuò)散，由于該過程緩慢且氧氣在水中溶解度較低，因此單純依靠大氣復(fù)氧的人工濕地中DO濃度不足常常成為生物脫氮的主要限制性因素之一。曝氣可以明顯增加人工濕地中DO濃度，強(qiáng)化人工濕地脫氮。如Liu等[114]報(bào)道將人工曝氣與大氣擴(kuò)散相結(jié)合，以保證人工濕地中較高DO濃度；Yang等[115]采用限制曝氣強(qiáng)化垂直流人工濕地脫氮，發(fā)現(xiàn)氨氮、TN去除率均有所提高；黃雪玲等[116]研究報(bào)道，低溫環(huán)境下曝氣運(yùn)行的波形潛流人工濕地TN去除率相較未曝氣提高至少18.8個(gè)百分點(diǎn)；李松等[117]報(bào)道自動(dòng)增氧型垂直流人工濕地中DO濃度比非增氧型人工濕地高0.3 mg/L，TN、氨氮去除率均有提高；Wu等[118]采用間歇曝氣強(qiáng)化垂直流人工濕地脫氮，發(fā)現(xiàn)TN去除率相比對(duì)照組提高了53.5個(gè)百分點(diǎn)。

3.5 保溫措施

植物與微生物是人工濕地脫氮的關(guān)鍵因素。在冬季，低溫會(huì)導(dǎo)致脫氮微生物活性降低及植物枯萎，直接對(duì)人工濕地脫氮效率造成影響，特別是在我國(guó)北方，冬天極端低溫往往會(huì)導(dǎo)致人工濕地對(duì)污染物去除效率大幅下降，因此在我國(guó)北方推廣人工濕地處理污/廢水時(shí)，冬季采取保溫措施是不可避免的[119]。目前主流的人工濕地保溫方式有植物覆蓋、薄膜覆蓋和冰封法等[120]。如魏巍等[121]在處理煉鋼廠的焦化廢水時(shí)，利用有機(jī)覆蓋物對(duì)水平潛流人工濕地進(jìn)行保溫，相比于未經(jīng)保溫的濕地TN去除率最多可提高44.45個(gè)百分點(diǎn)；于魯冀等[122]在冬季使用蘆葦秸稈+薄膜保溫措施的潛流人工濕地處理劣Ⅴ類河水(GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》)時(shí)，氨氮去除率增加18.7個(gè)百分點(diǎn)，TN去除率增加35.3個(gè)百分點(diǎn)；申歡等[123]采用收割的濕地植物對(duì)潛流式人工濕地進(jìn)行覆蓋保溫，其氨氮和TN的平均去除率分別比對(duì)照濕地提高了9.7和5.0個(gè)百分點(diǎn)；譚月臣等[124]對(duì)比了冬季北方潛流人工濕地在3種不同的保溫措施(冰封法、溫棚法和覆膜法)下處理學(xué)生宿舍生活污水和食堂污水，發(fā)現(xiàn)經(jīng)薄膜法保溫的濕地TN和氨氮的去除率分別為40%～60%和35%～60%，比溫棚法和冰封法的去除率高10～20個(gè)百分點(diǎn)。除常規(guī)保溫方法外，也有一些新型的保溫措施可以對(duì)濕地進(jìn)行保溫，如Zhang等[125]使用混合豬糞和蘆葦發(fā)酵產(chǎn)熱進(jìn)行自由表面流人工濕地保溫，濕地處理生活污水時(shí)TN和氨氮的平均去除負(fù)荷提高了120%。

3.6 強(qiáng)化微生物脫氮

強(qiáng)化微生物脫氮是提高人工濕地脫氮效率的有效方式之一。自1988年Arts等[126]首次分離出1株具有同步異養(yǎng)硝化與好氧反硝化功能的好氧反硝化菌——脫氮副球菌(Paracoccusdenitrificans)后，出現(xiàn)越來越多有關(guān)人工濕地強(qiáng)化微生物脫氮的報(bào)道。如王瑩等[127]從增氧型人工濕地中分離出1株高效好氧反硝化菌——施氏假單胞菌(Pseudomonasstutzeri)，脫氮速率最高達(dá)20.58 mg/(L·h)，遠(yuǎn)高于一般的反硝化菌屬；魏陽等[128]在小型垂直流人工濕地接種前期馴化的高效脫氮菌株，系統(tǒng)對(duì)生活污水TN的去除率可提高19.7個(gè)百分點(diǎn)。此外，有研究報(bào)道[129-131]，將脫氮微生物與普通人工濕地填料結(jié)合起來形成的新型多孔微生物填料也具有良好的脫氮性能。

4 研究展望

人工濕地是一種集環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益于一體的污水生態(tài)法處理工藝，因其具有處理效果好且穩(wěn)定，成本低，便于維護(hù)管理等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地被用于各種污/廢水的處理。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以下幾方面開展：1)人工濕地脫氮機(jī)理的研究。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，剖析微生物的脫氮作用將成為濕地脫氮機(jī)理研究的重點(diǎn)，除常規(guī)的氨化、硝化和反硝化生物脫氮過程外，更多的研究將集中于厭氧氨氧化、自養(yǎng)反硝化、同步硝化反硝化等非常規(guī)生物脫氮過程。因此，如何優(yōu)化適用于厭氧氨氧化菌等特異微生物脫氮過程及其最適生長(zhǎng)條件的研究，將成為未來人工濕地脫氮機(jī)理研究的重點(diǎn)。此外，如何揭示植物、基質(zhì)和微生物之間的相互協(xié)同脫氮機(jī)制，進(jìn)行高效脫氮菌的篩選與包埋，開展脫氮功能基因強(qiáng)化等也值得進(jìn)一步深入研究。2)人工濕地脫氮影響因素的深入研究。未來應(yīng)更加關(guān)注進(jìn)水C/N、DO濃度和運(yùn)行方式等因素，同時(shí)綜合考慮不同的進(jìn)水水質(zhì)和濕地構(gòu)型，關(guān)注不同植物種類對(duì)濕地脫氮的貢獻(xiàn)，以進(jìn)一步提高人工濕地的脫氮效能。3)人工濕地強(qiáng)化脫氮措施的研究。尋找和優(yōu)化易商品化的低成本碳源，開發(fā)高吸附新型基質(zhì)，開展北方濕地低成本保溫、高效脫氮菌強(qiáng)化研究等是未來發(fā)展的重點(diǎn)。4)人工濕地脫氮模型建立及優(yōu)化的深入研究。人工濕地脫氮模型的建立可指導(dǎo)及預(yù)測(cè)濕地脫氮過程、揭示濕地脫氮機(jī)理、優(yōu)化濕地脫氮效能。但在人工濕地實(shí)際運(yùn)行過程中，由于條件復(fù)雜、影響因素繁多，模型預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間往往存在較大差異，因此未來應(yīng)關(guān)注提高模型預(yù)測(cè)精確度的研究。5)人工濕地脫氮案例數(shù)據(jù)庫的建立。隨著人工濕地脫氮應(yīng)用實(shí)例的增多，建議濕地主管部門逐步建立起一套完整的人工濕地脫氮案例數(shù)據(jù)庫，為人工濕地脫氮提供設(shè)計(jì)和運(yùn)行等方面的參考。