零价铁材料在人工湿地脱氮除磷中的作用

零价铁材料在人工湿地脱氮除磷中的作用

人工湿地凭借其低成本高产出和环境友好的优点已被证明可对多种污染物进行有效的去除，现已广泛用于农业面源污染、工业废水、生活污水、污水处理厂尾水和微污染水等各类水污染的处理。

然而，从脱氮效果来看，传统人工湿地脱氮效率难以令人满意，总脱氮效率波动较大，脱氮过程的受限又会加剧N2O、CH4等温室气体的排放，进一步削弱了人工湿地的生态价值。同时，人工湿地除磷效果也会随着基质吸附容量的饱和而出现除磷效率降低甚至解吸的问题。

迄今为止，为了提高人工湿地的脱氮除磷效果，已经通过多种手段对传统人工湿地进行了强化，包括开发曝气人工湿地、潮汐流人工湿地、微生物燃料电池人工湿地、生物炭强化人工湿地、自养反硝化耦合人工湿地以及厌氧氨氧化耦合人工湿地等。

1.关于零价铁材料的应用

零价铁（ZVI）作为一种廉价易得、环境友好、资源丰富的金属材料，因其强大的还原性能和易于操作的特点被用于还原水体中的硝酸盐。近几年，有学者将ZVI作为基质以强化人工湿地脱氮除磷效果，在湿地内部成功富集了与铁有关的硝酸盐还原菌以及自养反硝化细菌，强化了人工湿地的脱氮过程；同时，FeOOH等铁氧化物的形成也有效提高了湿地基质对磷的吸附能力。但是人工湿地内部环境较为复杂，温度、pH、溶解氧等条件都会影响ZVI在湿地内部的转化过程和生成铁氧化物的种类，进而影响湿地的脱氮除磷效果。

到目前为止，有关ZVI强化人工湿地脱氮除磷效果的研究多集中于对实验现象的描述，这些实验研究均基于不同的实验条件和参数，得到的并非基本且普适的结论。因此，全面理解ZVI在人工湿地中的作用机理、强化效果以及影响具有重要的意义。

2.零价铁在人工湿地中的应用现状

ZVI是具有标准氧化还原电势E0（Fe2+/Fe）=-0.44V的活性金属，已被广泛用于还原硝酸盐。ZVI在湿地中不仅可以提供电子供体改善湿地反硝化效果，其自身的氧化还原过程还可与湿地内部厌氧-好氧交替环境耦合促进对氮素的转化。

在近几年的研究中，已有学者将ZVI与人工湿地相结合，以探索ZVI对人工湿地的强化效果。Zhao等将固体碳源和纳米零价铁（nZVI）结合，在人工湿地内富集了自养反硝化细菌Thermomonas和Fe（Ⅱ）型反硝化细菌Azospira，通过强化湿地内自养反硝化和异养反硝化性能，湿地脱氮率高达91.1%；Ma等将ZVI（铁屑）加入水平潜流人工湿地后，微生物与铁-氮间的氧化还原过程相耦合，通过厌氧氨氧化和自养反硝化过程，TN平均去除率提高到71.46%；Zhao等使用蒙脱土负载的海藻酸钠固定纳米零价铁（SA/Mt-NZVI）解决了垂直潜流人工湿地电子供体不足的问题，与对照组相比，SA/Mt-NZVI脱氮率提高了32.5%；Cui等在表面流人工湿地中投加ZVI（铁屑），通过铁碳微电解过程促进了铁利用过程中的电子转移，在湿地内部富集了自养反硝化细菌，将TN去除率提高了31.61%。

到目前为止，ZVI已经在不同类型的人工湿地基质中进行了应用，已被验证在人工湿地内部可以通过自养反硝化、厌氧氨氧化、铁碳微电解、铁型反硝化等过程强化湿地脱氮效果。

三、铁碳微电解技术的应用

铁碳微电解是利用金属腐蚀电化学机理，通过微电池效应处置废水的工艺，具有工艺简易、成本低、除污率高的优势，已被用于工业废水和生活污水的处理。铁碳微电解过程的阳极铁产生的【H】以及ZVI氧化生成的Fe2+作为系统中主要的电子供体与NO3--N发生还原反应【见式（11）】。此外，该系统中还同时存在ZVI与NO3--N的反应【见式（1）】。

尚亚丹等研究了间歇曝气时人工湿地联合铁碳微电解对生活污水的处理效果，结果证明，微电解可为脱氮提供电子，COD、NH4+-N、TN、TP的去除率分别达到98.58%、99.70%、78.49%、90.30%。Shen等使用微电解强化潜流人工湿地系统研究了氮磷的去除效果，当水力停留时间（HRT）为3d时，该系统对NO3--N的去除率可达到99.54%。铁碳微电解耦合人工湿地在应用时由于ZVI及其氧化产物Fe2+会消耗水体中的溶解氧，限制了硝化反应的速率，同时，在含铁系统中，NO3--N会被还原成NH4+-N，在铁碳微电解人工湿地中发生式（1）的反应会进一步导致NH4+-N的积累，在湿地进水前配合预处理工艺或通过曝气手段提高DO含量而提升硝化反应速率可以减少NH4+-N积累带来的影响。