① 礱笆巖對有機物的去除機理

有機物在污水中的存在形式可分為可溶性和不溶性，可溶性有機污染物被礱笆巖和植物根系上附著的生物膜吸收和吸附，不溶性有機污染物通過填料的過濾、沉淀和吸附等機械阻留作用被截留。礱笆巖主要依賴微生物代謝活動分解去除有機物，填料作為微生物的代謝場所，直接的吸附和其他作用對有機物去除影響較小，主要間接影響微生物從而改變有機物去除效果。

礱笆巖的種類、填充方式、孔徑和含碳量等條件影響濕地系統(tǒng)的復(fù)氧能力、微生物種類、活性等，改變微生物代謝活動的進行，從而間接影響系統(tǒng)有機物的去除能力。人工濕地填料的填充方式主要包括：正粒徑填充、反粒徑填充和均勻粒徑填充，正粒徑填充因其上面的基質(zhì)粒徑和孔隙率較小，下層的溶氧量相對于反粒徑填充方式來說較少，合理選擇填料種類和填充方式以提升濕地系統(tǒng)的復(fù)氧能力，可以提升微生物活性，有助于增強有機物的去除能力。研究表明，增加濕地系統(tǒng)溶解氧含量會明顯加速有機污染物分解，在其濕地填料的布局下，曝氣后可提升系統(tǒng)對COD約20%去除率。受填料的組成成分、孔徑分布等因素的影響，不同系統(tǒng)中的微生物種類和數(shù)量的差別明顯，選擇含碳量較高和孔徑大小適宜的填料可以改善微生物生長環(huán)境提升去污效果。長時間運行的人工濕地中，礫石和土壤中形成的微生物膜因填料的不同其形態(tài)和組成也存在一定差異，影響有機物的去除效果，應(yīng)用小型垂直潛流人工濕地處理城市生活污水的研究表明，在填料中微生物的最佳生長環(huán)境是孔徑為1~3μm的微孔。人工濕地中砂子、土壤、泥炭混合物及其各自混合物中微生物的研究發(fā)現(xiàn)，填料中微生物的活性隨填料中的碳含量增加而上升，且去污能力與不同基質(zhì)的脲酶和磷酸酶活性呈正相關(guān)，含碳量高的填料會提升微生物的活性，從而提升有機物的去除能力。

有機物在礱笆巖表面的吸附機理主要為：配位體交換作用、靜電作用、陽離子架橋作用、憎水作用、熵作用和氫鍵作用。但由于不同有機物性質(zhì)差異、水質(zhì)差異所引起的吸附機理變化，有機物在填料表面的吸附機理仍缺乏更加系統(tǒng)的研究。填料對有機物的直接去除作用主要通過吸附實現(xiàn)，此外，還受填料填充方式、密實度、p H值等條件影響。通過合理的填料結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以使?jié)竦刂兴w分布均勻，減少短流區(qū)域，充分發(fā)揮填料吸附作用。利用不同粒徑玻璃珠進行濕地水力效率研究時發(fā)現(xiàn)，當粒徑為4~9 mm時，系統(tǒng)的水力停留時間、水流散度、有效體積比等條件達到最優(yōu)值，從而使污染物與填料更充分的接觸。不同粒徑下的分層填充和混合填充下對COD去除，分層填充方式明顯提升了去除效果。密實度不高情況下，較深的填料部分存在更多短流區(qū)域，減少了污染物與填料的接觸，造成填料對有機物的機械阻留作用和吸附作用大大降低。此外,填料的p H會通過影響有機物的溶解度等性質(zhì)而顯著影響其吸附去除作用。對于離子化有機物來說，不同p H條件下其存在形式并不相同，其吸附特性和機理都會發(fā)生改變，隨著p H的升高，電離程度增大，有機物的溶解度和親水性都會相應(yīng)增強，從而導(dǎo)致有機物在填料表面的吸附效果下降。

② 礱笆巖對氮的去除機理

氮在人工濕地中的存在形式包括7種形態(tài),分別為N2、N2O、NH3、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、有機氮。濕地對氮的去除方式有：微生物作用、氨氣揮發(fā)、自由沉降、植物的吸收與吸附、填料的吸附和離子交換作用。系統(tǒng)對氮的去除主要依賴微生物氨化、硝化和反硝化作用,填料吸附的還原態(tài)氨氮無法作為氨氮去除的長期匯,一般認為其是快速可逆的。因此,填料主要是作為微生物的載體影響其代謝過程從而影響氮的去除。

礱笆巖主要通過影響微生物氨化、硝化和反硝化作用過程間接影響氮的去除。填料種類和填充方式會顯著影響濕地系統(tǒng)復(fù)氧能力和微生物種類，低DO濃度下，會導(dǎo)致NO2-的大量積累，高DO濃度時，兼性的反硝化菌優(yōu)先利用O2作為電子受體進行呼吸，導(dǎo)致反硝化不徹底而造成N2O的積累，過高DO濃度也會抑制一氧化二氮還原酶(Nos)的活性,導(dǎo)致N2O還原為N2過程受阻，不同填料的孔隙條件和造成的水流分布情況不同，影響微生物的定殖作用，造成不同填料中的微生物種群數(shù)量差異。濕地填料的碳含量也會對除氮效果產(chǎn)生較大影響，經(jīng)典理論認為實現(xiàn)完全反硝化的理論C/N值為2.86(COD/TN)，在實際應(yīng)用中,由于微生物本身的生長所需，COD/TN實際值通常在4以上，而在實際污水處理過程中，當COD/TN<5時，脫氮除磷的效率通常不高。Nos酶對有機電子供體的親和力相比于反硝化過程中的還原酶低，在碳源不足情況下，Nos酶無法獲得足夠電子供體而導(dǎo)致N2O的積累。填料過高或過低的p H值均會抑制氮的去除過程，高p H條件會抑制微生物的硝化作用，使氨氧化作用產(chǎn)生的NH2OH過量積累，而低p H條件不僅影響微生物代謝活動，還會導(dǎo)致游離亞硝酸(FNA)的過量積累，其會和含Cu2+中心的Nos酶的金屬中心反應(yīng)，破壞酶活性，從而抑制N2O向N2的轉(zhuǎn)化。