综述：人工湿地中的氮和磷去除：基质的重要影响

《Process Safety and Environmental Protection》：Nitrogen and phosphorus removal in constructed wetland: Essential effect of substrates

人工湿地基质对脱氮除磷的影响机制及优化策略研究。摘要：通过分析近年人工湿地基质研究，系统总结铁基材料、沸石等常用基质的吸附与离子交换机理，揭示基质对微生物群落及污染物去除效率的作用。指出当前存在二次污染、铁基钝化及基质成本高等问题，提出基于经济性-效率平衡的基质筛选模型，为工程应用提供理论支撑。

　　

郭洪亮|翟学通|李家图|张若舒|李斗忠

黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨，150080，中国

摘要

过量的氮和磷会导致水体富营养化。富营养化不仅破坏水生生态系统，还对人类健康构成严重威胁。由于其投资低、运行成本低且易于管理等优点，人工湿地废水处理技术已被广泛采用。作为人工湿地的三大要素之一，基质可以拦截和吸附污染物，影响微生物群落结构，并进而影响污染物的去除效率。因此，本文从氮和磷的去除机制出发，总结了近年来人工湿地中常用的去除氮和磷的基质。同时，本文还讨论了人工湿地存在的一些问题，包括废水中的副产品可能对环境造成的二次污染、铁基材料的钝化问题以及基质材料的经济成本。本文旨在阐明基质选择的重要性，并为基质选择提供参考。

引言

氮和磷是植物生长所需的主要营养物质。当水中氮和磷的含量过高时，藻类或水生植物会过度繁殖，导致水体光照和溶解氧减少，从而造成大量其他水生生物死亡，进而导致水质恶化（Hu等人，2019年）。研究表明，全球许多国家都面临着水体富营养化的问题（Akinnawo，2023年）。在排放污水之前减少氮和磷的含量对于减轻富营养化的影响至关重要。

人工湿地废水处理技术是一项相对较新的技术，近年来逐渐得到发展。由于其在景观美化与有效废水处理之间的平衡性，该技术被广泛应用于各种类型的废水处理（Stefanatou等人，2023年）。根据不同的进水方式，人工湿地可分为表面流式人工湿地（Zhu等人，2023a）、水平潜流式人工湿地（Zhang等人，2021年）和垂直流式人工湿地（Norouzi Parei等人，2023年）。随着经济的快速发展，研究人员还构建了潮汐流式人工湿地（Zheng等人，2023a）和集成式人工湿地（Yan等人，2023a），以应对日益复杂多样的废水问题。人工湿地由三个关键要素组成：植物、微生物和基质（图1），通过物理、化学和生物作用去除水中的污染物（Cai等人，2023年）。

基质能够拦截和吸附污染物，与污染物交换离子，并为微生物生长提供载体，从而影响微生物群落结构，在去除废水中的污染物方面发挥关键作用（Yang等人，2022年）。因此，选择合适的基质对于提高人工湿地系统中氮和磷的去除效率至关重要。图2显示了过去十年综述文章中的关键词共词网络，节点大小与关键词出现次数成正比。可以看出，废水处理（包括人工湿地）、微生物燃料电池和植物修复是与这些技术相关的主要讨论领域，而关于基质的讨论相对较少。此外，反硝化作用是与人工湿地相关的一个关键课题。大多数综述文献都讨论了反硝化的效率及其去除机制，但由于水样的复杂性，很难仅去除一种污染物。因此，探索能够同时去除多种污染物的基质至关重要。本研究的核心目标如下：系统整理各种基质在人工湿地中去除氮和磷的性能数据，深入分析运行条件对磷去除效率的影响，并比较不同基质之间的效率和成本差异，为工程实践中选择基质提供参考。本研究的两大独特贡献在于：首先，它不仅关注氮和磷的去除效率，还重视基质的经济成本，通过具体数据量化了不同基质的效率-成本关系，填补了现有综述研究的空白；其次，基于实际应用中遇到的问题提出了针对性的优化方案，使综述内容更符合工程需求，同时为开发经济可行的基质提供了思路。

部分摘录

磷的去除基质

在人工湿地生态系统中，基质的吸附和沉淀是去除废水中磷的主要途径，占总去除量的70%左右。因此，当前关于人工湿地中磷去除的研究主要集中在基质上（Dell'Osbel等人，2020年）。基质的磷去除过程主要包括物理吸附和在固体表面的沉积过程。

氮的去除基质

在人工湿地生态系统中，离子交换是基质吸附氮的主要方式。例如，沸石是一种具有良好孔结构的天然分子筛，污水中的NH₄⁺可以与沸石晶格中的Na⁺、K⁺和Ca²⁺发生离子交换反应，从而使Na⁺、K⁺和Ca²⁺被置换出来（Ma等人，2023年）。此外，在人工湿地生态系统中，微生物的硝化作用和反硝化作用也是去除氮的主要机制。

铁基材料用于反硝化和磷的去除

随着经济的发展，废水中的污染物变得越来越多样化和复杂，仅去除一种污染物已无法满足日益严格的出水水质标准。因此，寻找能够同时去除氮和磷的合适基质材料成为一个热门研究课题。如上所述，含铁的固体材料可以同时去除氮和磷（图4）。Ma等人（2020b）使用了铁

挑战与研究需求

随着社会经济的发展，追求环境效益和经济效益的双重目标成为选择人工湿地处理废水的重要原因。然而，在实际应用中，人工湿地仍存在许多值得深入研究和讨论的问题。

结论

本文总结了近年来人工湿地中常用的去除氮和磷的基质材料，并阐明了其去除氮和磷的核心机制。针对出水硫酸盐积累、铁壳形成和基质经济性这三个关键实际应用挑战，提出了针对性的缓解策略。基质是人工湿地的核心组成部分，直接影响微生物群落结构。

CRediT作者贡献声明

张若舒：撰写——审稿与编辑，方法论设计。李斗忠：撰写——审稿与编辑，资金筹集。翟学通：撰写——初稿撰写，调查工作。李家图：调查工作。郭洪亮：撰写——初稿撰写，调查工作。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢黑龙江大学功能无机材料化学重点实验室（KIM-O-2025003）、黑龙江省自然科学基金（LH2023E009）以及香港赛马会支持的“香港JC STEM实验室循环生物经济项目”（项目编号2023-0078）在研究工作中的资助。