我国水体富营养化问题十分严峻，其中氮素是主要的污染物质〔1-2〕。水体脱氮已成为生态文明建设时期的重要议题，而当前亟需经济高效的水环境生态修复技术。人工湿地以其简单易行、生态经济、高效低耗等特点，被广泛应用于污废水的脱氮治理〔3-4〕。人工湿地主要通过微生物的硝化和反硝化作用实现脱氮，硝化作用取决于湿地中溶解氧的含量，而反硝化作用则在缺氧条件下依靠碳源提供的电子供体完成脱氮〔5-6〕。人工湿地脱氮与其类型有着重要联系。不同类型人工湿地的构造及抗负荷能力存在差异，进而影响湿地运行稳定性和脱氮成效；不同类型人工湿地的运行方式及复氧能力存在不同，因而湿地中溶解氧含量及分布状态呈现差异化，导致微生物硝化和反硝化脱氮效率有所不同。笔者通过文献综述罗列了不同类型人工湿地的脱氮特性，重点对各类型人工湿地的脱氮效率进行对比分析，最后根据人工湿地脱氮中存在的主要问题提出建议并进行展望。
1 不同类型人工湿地的脱氮特性
人工湿地通常分为表面流人工湿地和潜流人工湿地，而根据水流流向，潜流人工湿地又可分为垂直流人工湿地和水平流人工湿地〔7〕。表面流人工湿地的大气复氧效果好于潜流人工湿地，然而表面流人工湿地占地面积大，卫生条件较差，常作为污水预处理系统；潜流人工湿地占地面积小，水体都在基质内部流动，卫生条件好，保温性能好。当水体在潜流人工湿地内流动时，其可与基质、植物根系及内部微生物充分接触，更有利于氮素被吸附降解。复合人工湿地旨在整合单一湿地的优点，形成优势互补，进一步提高人工湿地的抗负荷能力和运行稳定性。近年来，国内外研究也正从单一类型湿地转向多类型复合湿地〔8-9〕。经研究证明，复合人工湿地比单一人工湿地有更高效的脱氮性能〔10〕。为了针对性提高人工湿地脱氮的薄弱环节，一些有助于强化脱氮的新技术被应用于人工湿地中，此类新型人工湿地正受到广泛关注和研究。新型人工湿地主要包括：人工增氧型湿地、微生物燃料电池耦合人工湿地、固定化微生物人工湿地、铁碳内电解耦合人工湿地和电极强化人工湿地等。表1对目前研究中的各类型人工湿地及其脱氮特性进行了分类描述。
表1 人工湿地分类及其脱氮特性描述
| 人工湿地类型 | 脱氮特性 |
| 表面流人工湿地 | 污水在湿地基质表面漫流，有利于大气复氧，适宜去除好氧的氨氮污染物〔11〕 |
| 垂直流人工湿地 | 污水从湿地表面垂直流过基质床的底部或从底部垂直向上流向表面，其硝化能力高，可用于处理氨氮含量较高的污水〔12〕 |
| 水平流人工湿地 | 水平潜流人工湿地的构造决定了其内部整体厌氧的环境，使其具有较好的反硝化脱氮效果，适用于处理硝态氮含量较高的污水〔13〕 |
| 垂直流-水平流复合人工湿地 | 通过综合垂直流和水平流两类湿地的特点，为湿地内好氧、兼性及厌氧微生物同时参与脱氮提供了适宜的生存环境，使系统具有良好的脱氮效果 |
| 表面流-潜流复合人工湿地 | 以表面流人工湿地作为复合人工湿地中的好氧单元，而潜流人工湿地作为复合人工湿地中的厌氧单元来协同强化复合人工湿地的脱氮效果〔14〕 |
| 复合垂直流人工湿地 | 复合垂直流人工湿地由下行池和上行池组合而成，利用其特有的水流方式，形成好氧—缺氧—厌氧不断变化的氧化还原环境，形成有效的硝化和反硝化脱氮作用〔15〕 |
| 人工增氧型湿地 | 利用喷淋进水、铺设曝气管和微曝气等增氧技术提高湿地内氧含量，促进硝化脱氮〔16-17〕 |
| 微生物燃料电池耦合人工湿地 | 将微生物燃料电池和人工湿地相结合的一种新型水处理工艺，该系统利用电极-微生物-植物形成的复合效应强化对氮素污染物的去除〔18〕 |
| 固定化微生物人工湿地 | 利用固定化微生物技术提高人工湿地中脱氮微生物的数量和活性，从而强化由微生物主导的硝化和反硝化脱氮过程〔19〕 |
| 铁碳内电解耦合人工湿地 | Fe0及微电解过程中产生的Fe2+，通过较强的供电子能力使硝态氮作为电子受体发生反硝化；铁碳微电场还可刺激湿地内微生物生长，促进氮素污染物降解〔20-21〕 |
| 电极强化人工湿地 | 将电极生物膜法与人工湿地耦合，形成自养-异养联合反硝化体系，不仅促进脱氮微生物的富集生长，同时强化湿地脱氮效果〔22〕 |
2 不同类型人工湿地脱氮效率的对比分析
H. Ilyas等〔23〕通过综述研究发现水平潜流人工湿地对氨氮、总氮的去除率分别是9%~79%、10%~36%，垂直潜流人工湿地对氨氮、总氮的去除率分别是21%~79%、26%~65%，复合人工湿地对氨氮、总氮的去除率分别是57%~71%、50%~75%；由上述结果可知，单一人工湿地脱氮时波动较大，而复合人工湿地脱氮稳定且效率更高。表面流与潜流人工湿地组合是当前研究较广泛的复合湿地工艺。熊家晴等〔24〕研究发现表面流-水平流复合人工湿地对污染河水中氨氮和总氮的去除显著优于表面流-垂直流复合人工湿地，可能原因是表面流-水平流复合人工湿地能够为微生物和植物生长提供更有利的条件，因此氮素通过微生物降解和植物吸收的方式被有效去除。针对富营养化水体，多级复合人工湿地应运而生，陈莹等〔25〕采用表面流-潜流-潜流串联人工湿地对排入长沙市星月水库的富营养化污水进行处理，在夏季，人工湿地对氨氮的去除率优于冬季（98.5%），达到99.8%，而在冬季，人工湿地对总氮的去除率优于夏季（97.1%），达到97.8%。污染物浓度和负荷的变化对人工湿地的净化效果有较大的影响，而垂直流-水平流复合人工湿地可以承受较高的水力负荷和污染负荷。夏艳阳等〔26〕采用复合垂直流-水平流人工湿地处理高氮浓度的化粪池出水，在不同水力负荷（1.2、0.8、0.4 m/d）下系统对总氮的平均去除率分别为58.28%、61.71%、63.94%，对氨氮的平均去除率分别为71.71%、59.74%、68.37%，脱氮效果较好，其中温度和氧气是系统除氮最主要的限制因子。高效复合人工湿地系统被应用于低温季节尾水深度脱氮中，通过在表面流-潜流复合湿地中加装大棚保护措施并强化物理-生物脱氮机制，冬季该系统对氨氮、硝态氮、总氮的去除率分别为68%、34%、39%，其处理能力相当于3—5月份春季的处理水平〔27〕。另外，宫志杰等〔28〕利用中空纤维膜微曝气技术经济有效地提高了人工湿地内溶解氧水平及氨氮去除率，低温阶段，氨氮去除率由30.04%提高至65.18%，为人工湿地氧不足及冬季运行中脱氮不佳的难题提供了解决思路。碳源是人工湿地反硝化作用重要的限制因子〔29〕，研究证实〔30〕，添加碳源能使复合垂直流-水平流人工湿地对总氮、氨氮的去除率分别由23.19%、39.57%提高至34.17%、50.40%。
为了应对严峻的氮污染形势并继续提高水质指标，新型人工湿地应运而生，通过研究人工增氧技术、微生物燃料电池技术、固定化微生物技术、微电解技术和电极强化技术等，达到提高人工湿地脱氮效果的目的。Yi Ding等〔31〕采用喷淋装置为人工湿地提供富氧进水，喷淋增氧对氨氮和总氮的去除效果影响较大，与无增氧湿地相比，去除率分别提高了36%、24%。另外，间歇曝气相较于持续曝气而言效果更佳，它既能为湿地提供好氧和缺氧的交替环境，又降低了能源消耗〔32〕；Haiming Wu等〔33〕利用空气扩散器构建间歇增氧垂直流人工湿地，当增氧时间和速率分别为4 h/d和1.0 L/min时，氨氮、总氮的去除率达到98.4%、90.6%。微生物燃料电池耦合人工湿地被证明对硝态氮具有较好的去除效果，原因是阴极无氧条件下硝酸盐可以作为最终电子受体而实现阴极反硝化脱氮〔34〕。Wei Wang等〔35〕发现固定化硝化菌和外加碳源技术联用，可提高湿地中硝化菌和碳源水平，氨氮去除率约85%，总氮去除得益于硝化/反硝化过程的畅通。污水厂尾水中总氮含量高、碳氮比低、可生化性差，通过构建铁碳内电解人工湿地，提高废水可生化性，为脱氮微生物提供更多可利用碳源，研究表明〔36〕，全年、暖季、寒季铁碳内电解垂直流人工湿地中总氮平均去除率较普通垂直流人工湿地分别提高13.72%、12.90%、16.17%。此外，研究发现〔21, 37〕，细小且具有导电性的铁碳颗粒能加强微生物之间的电子传递、提高微生物活性，内电解湿地冬季微生物活性是普通湿地的3.4倍，反硝化强度是普通湿地的3.3倍，总氮去除率比普通湿地高出17.33%。另外，何媛等〔22〕利用复合电极人工湿地实现高效反硝化脱氮的目标，较普通人工湿地总氮去除率高出5.41%，总氮最高去除率可达53.34%，该方法在高效处理低碳氮比污水的同时兼具经济生态的优点。
3 结语和展望
复合人工湿地的脱氮效率高于单一人工湿地，但仍易受到温度变化的影响。低温环境通常影响湿地植物生长和微生物繁殖，导致人工湿地的脱氮效果不理想。近年来涌现一批新型人工湿地，利用人工增氧技术改善湿地氧环境，利用微生物燃料电池和固定化技术提高脱氮微生物的活性，利用微电解和电极强化技术保障冬季低温环境下湿地脱氮通道的畅通。由此可见，人工湿地脱氮工艺正逐步取得成效，但当前研究的一些优化措施，都面临技术成本过高的问题，无法长期持续使用；人工湿地与其他经济高效的工艺联用，有望成为长效修复水体氮素污染的方法，例如人工湿地与高效藻类塘联用，藻类光合作用能提高水体的氧含量，藻类有机体死亡后在一定程度上可向水体补充有机碳源，利用藻塘出水可实现对人工湿地中碳氧水平的生态调控，提升湿地硝化和反硝化脱氮效能。因此，寻找经济实用的新技术强化人工湿地脱氮能力，或寻找高效节能的人工湿地组合工艺，将成为人工湿地水处理技术领域重要的研究课题和方向。
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