文|麪包夾知識
編輯|麪包夾知識
«——【·前言·】——»
中國是世界上最大的海水養殖國家，海水養殖業已成為國民經濟的支柱產業之一其中，投餌型的陸基工廠化養殖和高潮帶池塘養殖作為主要模式占海水養殖總面積的22%，僅北方地區養殖面積就達19.9萬hm2。
但隨著集約化海水養殖的快速發展，海水養殖廢水產生的環境問題受到高度重視。
海南一海產養殖公司，在海水養殖池中發現，水中含有的殘餌、生物屍體、養殖物代謝產物等會產生有機物、氨氮、亞硝態氮等有毒有害物質，其次，海水養殖地大部份位於海灣，水交換條件差，易產生積累汙染等問題。
而海水養殖地又處於近岸水域，易受沿岸工農業和生活汙水影響，汙染物環境背景值高。因此，海水養殖廢水需要被處理達到排放標準後才能進行排放，否則會加劇受納海域富營養化的發生，例如近岸海域赤潮、綠潮的頻繁暴發。
現在來說，有不少的人工濕地，透過眾多科學家的不斷研究發現，它是一種天然的生物過濾器，具有高效低耗、執行管理簡單、碳中和潛力大等優點，因此現在來說，它被廣泛套用於二級、三級汙水處理、海岸緩沖帶處理以及水產養殖廢水處理。
在很多的沿海城市，將人工濕地作為海水養殖尾水的生物凈化單元具有很大的套用前景，脫氮是人工濕地的主要任務之一，自然水體中氮含量超過其自凈能力不僅會導致水環境的富營養化，在嚴重情況下還會對水生態系造成永久性的破壞，最終危害人類健康。
與其他廢水相比，海水養殖尾水具有鹽度高、碳氮比低的特點，形成了海水人工濕地獨特的處理環境。
«——【· 海水人工濕地的構建方式 ·】——»
人工濕地是由基質、植物和微生物共同組成的一種復合汙水生態處理工程，透過基質的吸附、滯留、氧化還原等物理化學作用，植物的吸收作用以及微生物的分解作用，可以有效去除水體中的汙染物質。
目前，被廣泛套用的人工濕地為表面流人工濕地和潛流人工濕地，其中，潛流人工濕地又分為水平潛流和垂直潛流。
在表面流人工濕地中，水流從基質上方水平流過，透過植物吸收以及基質和植被根系表面附著的微生物來實作汙水的凈化。
顯然，表面流濕地占地面積大、汙染物負荷低、去汙能力有限，水平潛流是將進水布置在地表以下的高度，使水流在基質內部水平流過。
但是，水體長期在濕地內部流動導致溶解氧含量低，水體長期處於缺氧或厭氧狀態，易使微生物的硝化能力受到限制。
而垂直潛流是將進水均勻分配到基質表面，使其縱向滲入到底部，進而可以形成好氧–缺氧–厭氧交替的環境，可提高人工濕地的綜合脫氮效率，並且其水力負荷高、占地面積小。
為了進一步增強垂直潛流人工濕地的脫氮效果，透過調控濕地內部水位，形成部份飽和垂直潛流人工濕地，透過對人工合成海水養殖尾水進行處理，飽和區在60cm時對總無機氮的去除率可以達到97.3%。
近年來，針對海水養殖廢水溶解氧(DO)研究表明，在較高鹽度下，土壤對總氮的去除效率更高。
因為與砂子和礫石相比，土壤在不同鹽度下根際細菌群落的穩定性更高。但總的來說，目前鹽度對海水人工濕地基質選擇影響的研究依然較少。
面對海水養殖尾水碳源不足的問題，選擇具有緩釋碳源作用的材料作為海水人工濕地的填充基質是一種解決方案。以玉米芯、木屑、稭稈為代表的農業廢棄物及其加工產物生物炭統稱為生物碳源。
其中，生物炭一般是由農業廢棄物在無氧環境下低溫熱解而成的富碳產物，其內部通常孔隙發達，具有高比表面積，不僅可以為異營反硝化微生物提供有機碳源，還具有較高的吸附能力。
研究表明，即使已經長期使用的生物炭也可以透過吸附–解析的過程連續地提供碳源，從而促進異營反硝化的進行。
由於生物炭的高吸附能力，會在其表面富集氨氮，從而促進了硝化作用的高含量高的特點，我們探索將2個垂直潛流組合，構成復合垂直潛流人工濕地，水流在濕地內部流動時間長，並且可以形成好氧–缺氧–厭氧–缺氧–好氧不斷變化的氧化還原環境。
因此，它的去汙能力更高，脫氮效果更好。我們前期采用復合垂直潛流人工濕地處理海水養殖尾水，取得了良好的去除效果。
«——【· 基質的選取 ·】——»
基質作為海水人工濕地的關鍵組成部份，在脫氮方面發揮著重要作用。首先，頂部基質可以支撐耐鹽植物的生長，利用植物的作用進行脫氮。
其次，基質可以在其表面附著硝化細菌、反硝化細菌等氮迴圈微生物形成生物膜，去除水中的氮元素，部份基質本身對水中的氨氮、亞硝態氮等具有物理吸附作用。
某些基質可以作為緩釋碳源，促進異營反硝化的進行或者提供電子供體，與微生物的自營反硝化反應進行耦合。
基質對氮的吸附作用以及作為生物膜的載體受到基質材料本身的化學結構和基質體徑、孔隙率、比表面積、表面粗糙度等物理性質的影響。
不同材料基質對氮的吸附容量差異懸殊，如陶粒、火山巖、石英砂等均對氨氮具有較好的吸附效果，對氨氮的吸附範圍可在2~1700mg/kg。隨著吸附量的增大，基質吸附作用也隨之減小，直至失去吸附效果。
因此，在關註基質吸附容量的同時，還應關註其解吸能力，吸附與解吸能力是決定基質使用時長的主要因素之一。目前，對海水人工濕地基質吸附與解吸效能及鹽度對其影響的研究還很少。
除了基質本身的吸附作用，較高的比表面積會為氮迴圈微生物提供更多的附著場所，從而提高脫氮效能。
此外，粒徑越小，基質的比表面積越大。但隨著人工濕地長期執行，過小的孔隙率易造成基質內部堵塞，從而降低濕地的過流能力和脫氮效果。因此，海水人工濕地設計時要合理搭配不同基質層的粒徑大小。
表2總結了常用的海水人工濕地基質材質、粒徑及埋設深度。海水養殖尾水的高鹽度也是人工濕地基質選擇所需要考慮的重要因素，比較了土壤、砂子、礫石3種基質在表流人工濕地中的凈化能力，
研究表明，在較高鹽度下，土壤對總氮的去除效率更高。因為與砂子和礫石相比，土壤在不同鹽度下根際細菌群落的穩定性更高。但總的來說，目前鹽度對海水人工濕地基質選擇影響的研究依然較少。
面對海水養殖尾水碳源不足的問題，選擇具有緩釋碳源作用的材料作為海水人工濕地的填充基質是一種解決方案。以玉米芯、木屑、稭稈為代表的農業廢棄物及其加工產物生物炭統稱為生物碳源。
其中，生物炭一般是由農業廢棄物在無氧環境下低溫熱解而成的富碳產物，其內部通常孔隙發達，具有高比表面積，不僅可以為異營反硝化微生物提供有機碳源，還具有較高的吸附能力。
即使已經長期使用的生物炭也可以透過吸附–解析的過程連續地提供碳源，從而促進異營反硝化的進行。
此外，由於生物炭的高吸附能力，會在其表面富集氨氮，從而促進了硝化作用的高效進行。同時，多孔材料為微生物附著提供了更多的場所，有利於形成生物膜。
生物炭的添加增加了人工濕地微生物群落的多樣性和組成，其生物膜上微生物的種類數量、Simpson和Shannon指數均顯著高於陶粒。
利用部份基質可以提供電子供體從而驅動自營反硝化反應的原理，也可以提高海水養殖尾水人工濕地低C/N條件下的脫氮效率。
在海水人工濕地中，最常見的是以黃鐵礦(FeS2)作為基質，其Fe2+和S–1可以被O2氧化，從而釋放電子，驅動鐵基和硫基自營反硝化過程。
根據實驗條件下微生物酶活性和基因豐度，證明鐵–碳的添加促進了海水人工濕地中的厭氧氨氧化和反硝化過程。
«——【· 耐鹽植物的篩選 ·】——»
植物是海水人工濕地的重要組成部份，對汙水脫氮起著關鍵作用。除了微生物的硝化、反硝化等作用，汙水中一部份氮會被植物直接吸收用於自身的生長。
研究發現，相比於其他形式的氮，植物更傾向於吸收利用氨氮，除了大氣復氧，植物是人工濕地內部氧氣的主要來源，植物的通氣組織將氧氣輸送到根部並向周圍環境中擴散，在植物根際形成了氧化還原的根際微生態系。
濕地內部有氧的環境促進了硝化細菌的繁殖，提高了微生物硝化作用的強度，植物根系會向周圍土壤釋放分泌物，這些分泌物可以作為異營反硝化細菌的碳源，從而促進反硝化作用的進行。
植物對硝化、反硝化微生物的影響進而會影響人工濕地的整體脫氮效果。如Song等(2019)發現，與未種植系統相比，種植系統的基質中 amo A、 nir S、 nir K和 nos Z等硝化、反硝化基因的豐度顯著更高。
研究發現，與未種植植物相比，種植美人蕉的復合垂直流人工濕地對總氮的去除率提高了10.35%。未種植植物的海水人工濕地微生物反硝化過程受到抑制，導致濕地對NO3–-N和TN的去除效果不理想。
海水人工濕地具有高鹽度的特點，高鹽脅迫下濕地植物的生存會受到限制。不同種類植物對附著於其根系的各種具有氮代謝功能，的微生物的活性和多樣性會產生顯著影響，篩選出具有較高脫氮效能的耐鹽植物是提高海水人工濕地整體脫氮效能的重要環節。
保證植物可以在高鹽環境中存活是植物篩選的第一步，海水養殖尾水的鹽度一般高於20，因此，植物篩選需要著眼於鹽生植物。
目前，海水人工濕地一般選用挺水植物[蘆葦、美人蕉、再力花、水蔥、香蒲等]、沈水植物[白骨壤、秋茄、桐花等]和濕生植物[鳶尾、香根草、海蓬子、鹽地堿蓬等]來處理海水養殖尾水。
透過比較6種挺水植物的耐鹽效能發現，互花米草和蘆葦可以在鹽度大於15時良好生長，其中，互花米草可以在更高鹽度環境中生長繁殖，在鹽度大於25時仍有新芽長出。
其次，需要比較植物的脫氮能力，從而篩選出增強海水人工濕地脫氮效能的耐鹽植物，同時，不同植物對地理位置和氣候條件的適應力不同，應因地制宜盡量選取適合當地生長條件的耐鹽植物，以發揮其在人工濕地處理中的最佳作用。
表1總結了國內外學者構建海水人工濕地常采用的植物種類及其脫氮效能。從表1可看出，絕大多數耐鹽植物對氨氮和亞硝酸氮的去除效果很好。
但只有互花米草和海蓬子對硝酸氮的去除效果較好，進而總氮去除效果較好，因此,今後可以探索將互花米草和海蓬子用於海水人工濕地的可能性。
«——【· 氮迴圈微生物的脫氮過程及展望 ·】——»
研究表明，即使在最適宜的條件下，人工濕地中植物的貢獻仍低於15%，而在沒有較強的微生物活性下，受質和植物組合的總脫氮效率也只能達到20%左右。
因此，微生物脫氮被認為是人工濕地脫氮的主要貢獻者。隨著高通量測序、宏基因組、宏轉錄組等分子生態學技術的快速發展和測序成本的不斷下降，近年來對微生物的氮代謝路徑和相關微生物及功能基因有許多新的發現。
由於海水人工濕地處理系統起步較晚，目前，人工濕地中氮迴圈微生物的研究成果大多是基於淡水人工濕地。
可為今後海水人工濕地相關微生物的研究提供借鑒。在人工濕地脫氮的過程中，DO是影響脫氮微生物分布和發揮功能的一個重要環境因子。微生物分布也具有明顯的分層效應。
人工濕地中上層的DO相對較高，有利於好氧微生物的生長繁殖。在傳統的硝化過程中，氨首先在好氧條件下，被亞硝化單胞屬等氨氧化細菌(AOB)和古菌(AOA)氧化為亞硝酸鹽，氨單加氧酶編碼基因 amo A常被當作檢測這類菌的分子標記。
亞硝酸鹽在亞硝酸鹽氧化菌(NOB)的作用下氧化為硝酸鹽。人工濕地中常見的NOB為硝化螺菌( Nitrospira )和硝化桿菌( Nitrobacter )，關鍵酶是亞硝酸鹽氧化還原酶(NXR)，其編碼基因 nxr AB也常被用來檢測亞硝酸氧化的過程。
在人工濕地處理中氨氮濃度為0.34~550mg/L時，AOB在氨氧化過程中起主導作用。研究表明，在海洋環境中AOA對氨氮具有更高的親和力，在海水人工濕地處理高鹽、低營養鹽的海水養殖尾水的環境中，AOA的作用不容忽視。
人工濕地底層的DO相對較低，更有利於厭氧和兼性厭氧微生物的生長繁殖。由厭氧氨氧化菌。
(AnAOB)主導的厭氧氨氧化反應(anammox)可以在厭氧條件下，以氨氮為電子供體、亞硝氮為電子受體，實作氨氮和亞硝氮的同步脫除並生成N2。
研究表明，利用聯氨合成酶基因 hasA 可以檢測目前已知的所有厭氧氨氧化菌。據報道，在0.5~1.0的低C/N時，AnAOB對脫氮的貢獻較高。
在N的還原過程中，存在反硝化反應和亞硝酸鹽異化還原為銨(DNRA)兩種相互競爭的過程。只有在反硝化過程中，硝酸鹽最終被還原為N2離開系統，才能實作水體氮的最終脫離。
具有反硝化作用的細菌種類繁多，功能菌群以假單胞菌屬( Pseudomonas )、芽孢桿菌屬( Bacillus )、副球菌屬( Paracoccus )等屬的細菌為主，鹽單胞菌屬( Halomonas )、棲蘇打菌屬( Nitrincola )和大洋單胞菌屬( Oceanimonas )等屬的細菌也會參與反硝化過程。
反硝化涉及的主要功能基因有硝酸鹽還原酶基因簇( nar )、亞硝酸鹽還原酶基因( nir S或 nir K)，一氧化氮還原酶基因( nor Z或 nor VW)，一氧化二氮還原酶基因( nos Z)等(Orellana etal ,2018)。其中，傳統的反硝化理論是厭氧條件下的異營反硝化。
而最近好氧反硝化菌的發反硝化提供了另外的可能路徑，為汙水處理系統中在同一反應池中完成硝化和反硝化提供了可能此外，正如人工濕地固體碳源所述，利用無機物作為電子供體，可現，為以驅動硫自營、氫自營、鐵自營等自營反硝化過程。
而在DNRA過程中，亞硝酸鹽被還原為銨，進而可被其他微生物生長利用，N最終被留在系統中脫硫單胞菌目中的索氏菌屬( Thauera )、嗜氫胞菌( Hydrogenophaga )、希瓦氏菌屬( Shewanella )和地桿菌屬( Geobacter )的細菌是驅動DNRA重要的微生物。
DNRA過程通常被細胞色素C亞硝酸鹽還原酶(ccNIR)所驅動， nrf A通常被作為其標記功能基因。通常厭氧反硝化和DNRA是共存的，而DNRA微生物比厭氧反硝化的厭氧程度更高。但是，影響這兩種競爭機制的主要因素不是由DO決定的，而是有機物的約束。
DNRA只有在C:NO3–-N>12的條件下才可以單獨發生，近年來，在汙水處理中發現了可以將氨氮直接轉化為硝態氮的完全氨氧化菌，打破了近百年來兩段式硝化反應的傳統認知。
這類菌既能產生氨氧化酶，又能產生亞硝酸鹽氧化還原酶，可獨立完成氨到硝酸鹽的轉化，它們和亞硝酸鹽氧化菌同屬硝化螺菌屬( Nitrospira )。
可以利用一對通用引物檢測它們在不同生態系的豐度和種類組成。Comammox具有復雜的生態席位。
研究表明，Comammox與傳統的硝化微生物可以共存，但存在對受質的競爭，Comammox對銨氮的親和力較高，在低銨氮的環境下，Comammox可以競爭過AOA和AOB。
隨著鹽度的增加，人工濕地對氨氮、亞硝酸氮和總氮的去除率明顯下降，其原因可能是高鹽的脅迫抑制了某些氮代謝功能菌的生長和活性，只有耐鹽的菌才能在海水人工濕地中存活下來，並行揮作用。
因此，海水人工濕地中的微生物種類組成和菌群活性有其獨特的特點，人工濕地中的微生物群落對鹽脅迫的響應。
結果表明，微生物群落結構和豐度也因鹽度不同而變化，具有反硝化功能的一些細菌(如節桿菌屬 Arthrobacter sp.)在有鹽濕地中的豐度明顯低於無鹽的濕地。但除此之外，目前，關於真正海水人工濕地中氮代謝菌的研究還相當少見。
很有必要利用這些分子生態學技術對微生物驅動下的海水養殖尾水人工濕地系統內的脫氮的微生物及其關鍵功能基因進行深入的研究，形成更加清晰的認識。
«——【· 海水人工濕地的執行調控 ·】——»
與其他廢水相比，海水養殖廢水量大、汙染物含量低，C/N低，不利於微生物的反硝化作用，從而降低了人工濕地對NO3–-N的去除效率。
據報道，當汙廢水中的C/N<3.4時，反硝化過程就會因碳源不足而受到抑制。鄭冰冰等(2020)利用AO/MBBR反應器處理海水養殖廢水時發現，C/N由12降至1的過程中，氨氧化、亞硝酸鹽氧化相關酶活性不受影響。
而反硝化酶在C/N＜5時會受到抑制，導致NO3–-N積累嚴重。對此，可以在人工濕地內部投加液體碳源，如葡萄糖、甲醇等。
但因液體碳源易流失、消耗快，從而導致處理效果不佳，而且此種方法成本較高，部份外加物質具有致病性，存在二次汙染的風險。
此外，也可以利用固體碳源，如將天然黃鐵礦作為人工濕地底部基質促進硫自營反硝化的發生，或者利用高分子緩釋碳源如聚已酸內酯(PCL)、聚乳酸(PLA)等。
但是，基於黃鐵礦的自營反硝化反應會產生硫酸鹽副產物，而人工聚合物成本高,難以實作廣泛套用。近年來，農業廢棄物因其來源廣泛、價格低廉、其水解產生的醣類物質可以作為外部碳源利用，是人工濕地外加碳源的研究熱點。
利用黃菖蒲( Irispseudacorus L.)雕落物強化潛流人工濕地處理模擬低C/N城市汙水處理廠尾水，發現人工濕地中添加黃菖蒲雕落物對氮的去除能力達796.20~1278.90mgN/(m2·d1)。
溶解氧是影響人工濕地脫氮效能的一個關鍵因素，會直接影響硝化細菌和反硝化細菌的生長。研究表明，充足的氧可以透過促進硝化反應而增加Np+-N的去除率，一般認為，當DO約為1.5mg/L時，硝化作用就可以順利進行。
但氧過量時去除率反而會有所下降，同時，溶氧濃度過高會破壞反硝化反應需要的厭氧環境，從而降低TN去除效率並增加溫室氣體N2O的排放量。
對海水養殖水體來講，為了保持養殖物的活性需要連續對其進行曝氣，例如凡納對蝦養殖池需要保證7~8mg/L的DO，海水養殖尾水通常也具有較高的DO。
因此，在海水人工濕地供氧調控模式選擇上，如果在濕地內部連續供氧則會導致DO過高，而采用間歇曝氣則可以在濕地內部營造一種交替的好氧和缺氧環境，分別促進好氧硝化和缺氧反硝化作用。
在水力停留時間為3d的情況下，對Np+-N、TN和COD的去除率較常規潛流人工濕地系統分別提高了74.1%、56.4%和18.1%。
保持每天2p.0L/min的間歇供氧可以達到人工濕地畜禽養殖廢水處理的理想效果。此外，王艷艷等(2017)研究表明，潮汐式間歇進水，可提高復合垂直流海水人工濕地系統對Np+-N、NO3–-N和DIN的去除率，是一種有效的系統調控手段，且發現在實驗範圍內間歇12h最為合理。
由此可見，精準調控人工濕地的供氧模式和供氧量，最佳化系統內部不同時空的溶氧分布，是未來人工濕地系統脫氮技術的發展趨勢。
但這些調控手段的作用物件是系統內的脫氮微生物，而目前針對海水人工濕地中脫氮菌群組成、分布和代謝活性的變化過程，及其對這些供氧調控手段的響應關系尚不清楚，更談不上認識調控手段的作用機理。
而且，海水人工濕地系統是否也存在可在溶解氧較高條件下完成反硝化過程的好氧反硝化菌及可直接實作短程硝化反硝化過程的厭氧氨氧化菌，如何改進供氧模式充分發揮這些菌的作用，都有待進一步探究。
海水人工濕地的水力執行條件對其脫氮效果具有重要影響，水力負荷(HLR)過大，會導致濕地對汙染物的截留能力降低，但過小的HLR則易使基質堵塞，脫氮能力也會下降。
水力停留時間(HRT)與人工濕地微生物群落的構建息息相關，濕地內部合適的氮迴圈微生物群落的形成需要較長的HRT，在人工濕地凈化過程中，也需要保證微生物與水體之間充分的接觸時間。
但過高的HRT通常會使基質內部出現大面積的死水區，反而會降低人工濕地的去汙效能，同時也會造成其占地面積大、資金投入高。
研究發現，人工濕地的水力條件對植物的生長也具有顯著影響，進而影響濕地植物的凈化效率。其中，水深是影響濕地植物生長的主要的水力因素之一。
«——【· 結語 ·】——»
人工濕地的基質、植物、微生物是其發揮功能的決定因素，水力執行參數是重要的影響因素，各因素間相互協同、相互制約，構成一個復雜的網絡，在濕地構建和執行中需要統籌考慮多種因素，達到相互促進、和諧統一，才能保證人工濕地平穩、高效執行。
海水養殖尾水人工濕地處理系統的構建可以借鑒淡水人工濕地的最新研究結果和執行經驗，但海水養殖尾水的高鹽度和低C/N的特點決定了其特殊性要求，需要針對性地進行研究。
今後可重點在以下幾個方面深入研究：海水對基質吸附和解析氨氮等營養鹽的影響，具有緩釋碳源或驅動自營反硝化功能基質的篩選和套用技術耐鹽植物的營養鹽吸收能力及其根系微生物群落結構和脫氮功能研究。
基質內脫氮微生物群落組成時空分布特征及功能基因代謝活性研究脫氮微生物代謝活性對間歇曝氣、潮汐流等不同供氧調控模式的響應，以此為基礎的最佳供氧模式、水力停留時間和水力負荷的研究等。
透過深入研究，不僅可以揭示海水養殖尾水人工濕地處理系統中氮迴圈菌群組成及其動態演替規律、各功能基因活性的動態變化規律，而且能為今後海水養殖尾水處理系統執行工藝最佳化、脫氮效能提高和海洋脫氮生物資源開發利用提供理論依據。
進而突破養殖尾水凈化處理的技術瓶頸，提高人工濕地脫氮的綜合能力，形成可廣泛推廣的海水凈化技術，在推動海水養殖業可持續發展的同時，保護海洋生態環境，實作陸海統籌發展。
