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有哪些因素会影响人工湿地脱氮效果？

原创 皮斯阿司达蒙 人工湿地与生态修复 2024年01月30日 11:45 江苏

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人工湿地中氮的去除主要受pH、溶解氧、温度、水力停留时间、碳源以及植物多样性等因素影响。

01 pH

pH值是影响微生物脱氮作用的一个重要因素，微生物的生命活动只有在一定的pH值条件下才能发生。一般氨化作用最佳的pH值范围为6.5-8.5，硝化作用最佳的pH值为7.5-8.6，而反硝化作用的最佳pH值范围是7-8，在这个pH值条件下，反硝化速率最高，pH值过高或者过低都会影响反硝化的进行。

在水中氨态氮的两种存在形式（NH3和NH4 ）之间的平衡转化受pH的影响。传统的物理脱氮法氨的吹脱去除技术，就是对污水加以曝气吹脱的物理作用，使水的pH值升高，以促进氨从水中逸出。例如，在25℃、pH=7的环境下，非离子氨只占总氮的0.6%，在在30℃、pH=9.5的条件下，非离子氨占总氨的比例增加到72%。在无植物覆盖和遮挡的开阔水面，藻类的大量繁殖导致pH上升，从而使铵态氮的平衡向NH3转移，加速了氨态氮向大区的挥发，在经过优化设计的系统中该过程对总氮的去除效率的贡献最高可达50%以上。

对人工湿地来说，湿地系统的pH主要取决于湿地介质以及废水的性质。人工湿地构建完毕后，运行期间湿地pH变动不大。一般人工湿地pH为7.5-8.0，比较有利于硝化过程的进行。但是，当人工湿地中填充的是特殊介质时，湿地系统中pH很可能会较大的偏离这个范围，同时氨氮的存在形式也会发生变化，硝化过程将会受到抑制。

02 溶解氧

溶解氧（DO）是水平潜流湿地脱氮过程中最为主要的限制因素。一般来说，水平潜流湿地内植物和大气的复氧作用较弱，系统内通常整体是厌氧的，氧化还原电位小于300 mV。而微生物脱氮过程对氧的含量的要求有很大差异，硝化是一个需氧过程，反硝化、厌氧氨氧化则是厌氧过程，单一的氧环境也会导致湿地内生物脱氮过程不畅。

通常适于硝化反应的DO应高于2 mg/L，否则DO将成为反应的限制因素。研究表明每将1g氨氮转化为NO3—N，需要消耗4.3g氧，氧化2mg氨氮需要消耗8.6 mg氧，这个值高于水的饱和氧，因此形成的氧亏需不断地由大气复氧补充。对于传统的水平潜流而言，实践和研究表明从植物根部渗透的少量氧气相对城市污水在实际负荷中所需氧气来说微不足道。

同时，0.2 mg/L被认为是硝化过程发生的最低DO要求。另外，反硝化反应的DO应控制在0.5 mg/L以下，高于该值反硝化作用将受到严重抑制。有研究表明，通过通气管对湿地系统内部进行复氧，能极大的增强系统硝化能力，提高有机物和氮的去除效果。

03 温度

温度对湿地脱氮性能的影响主要由两个方面：一是对微生物的影响；二是对植物的影响。在较低温度条件下（-8~18℃），氮的去除能力只有3%-15%。一般硝化作用的最佳的温度范围30~40℃，反硝化作用的最佳温度范围是15~30℃。此外，Kuschk等研究发现，氮的去除在春、季节与氮的负荷成线性关系，而冬夏季节却与氮的负荷无关。另一方面，温度变化对植物影响显著，植物在冬季摄氮明显低于夏季。冬季温度降低，植物枯萎死亡，停止吸收并逐渐向系统中释放氮，由于微生物活性降低，不能及时将植物和微生物释放的氮降解掉，导致系统脱氮效率降低。

04 水力停留时间

一般随水力停留时间的延长（HRT），污水中的氮能与湿地内的微生物及基质发生充分的接触，因而脱氮的效率也会随之上升。王世和等的相关研究表明，当水力停留时间在1-3d时，氨氮的去除率只有51.1%-56.0%，停留时间为5d时，氨氮去除率达到最大值65.3%。但HRT过长，可能会导致污水的滞留和厌氧。

05 碳源

碳源主要对反硝化过程产生影响。每反硝化1g NO3—N成N2，需要消耗相当于2.86g BOD5的有机物，而系统中碳源的分布并不与反硝化作用活跃区域同步。在湿地的前端碳源充足，但水中的氮主要以有机氮和氨氮的形式存在，而有限的溶解氧也被用来降解有机物，硝化过程难以进行。明显的硝化过程只有当BOD5降低至50 mg/L后才能发生，因为人工湿地对有机物去除效果较好，反硝化过程便可能造成碳源不足。一般认为BOD5/TN值不大于3~5即可认为碳源不足。

06 植物多样性

近年来有关于人工湿地中植物多样性对系统功能的影响研究，试图通过在人工湿地中配置植物多样性来提高这一生态系统的净化功能。Zhu等人在大型人工湿地中的研究显示随物种多样性增加，基质中硝态氮的存留量和地上生物量增加。Zhang等人在模拟人工湿地汇总的研究表明：生物量，微生物中的C、N、P随物种多样性的增加而增加，BOD5、CODCr及基质中氨氮与硝态氮的积累量随物种多样性增加而降低。

人工湿地中植物多样性能促进植物生物量、微生物固氮量的增加，最终强化基质中硝化作用和反硝化作用。同时，多样性也能使各物种间产生互补效应，增强对资源的利用程度，进而降低出水和基质氮含量。张培丽等人在模拟的人工湿地中配置了单种和4种植物混种2个处理系统，并以氨态氮作为唯一的入水氮源负荷。结果表明，混种系统出水中的无机氮浓度显著低于单种系统（分别为3.4mg/L和7.2mg/L），氨态氮浓度也显著低于单系统（分别为1.35mg/L和411mg/L）。说明多样性增强了系统的硝化作用。

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