人工濕地脫氮除磷機(jī)理及應(yīng)用現(xiàn)狀

陳雷趙晶

(吉林建筑工程學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

0 引言

人工濕地(Construct Wetland)，它是模擬的自然濕地系統(tǒng)，利用系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的協(xié)同作用，通過(guò)過(guò)濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的高效凈化［1］，同自然濕地生態(tài)系統(tǒng)相比，人工濕地生態(tài)系統(tǒng)在地點(diǎn)的選擇上更加靈活、負(fù)荷量的承載能力更大，人工濕地的可控性更強(qiáng)、對(duì)污水的處理效果更好.

1 人工濕地的組成及分類

1.1 人工濕地的組成

人工濕地系統(tǒng)大體由5部分組成:①透水性基質(zhì)，如砂、土壤、礫石、煤灰渣等;②植物:如蘆葦、美人蕉等;③好氧微生物及厭氧微生物種群;④無(wú)脊椎或脊椎動(dòng)物;⑤污染水體［2］.

1.2 人工濕地的分類

根據(jù)植物類型可將人工濕地分為:浮游植物系統(tǒng)、挺水植物系統(tǒng)、沉水植物系統(tǒng)(見(jiàn)表1).其中，挺水植物系統(tǒng)最常見(jiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中也更多.

根據(jù)廢水流經(jīng)的方式人工濕地系統(tǒng)可分為:表面流濕地(SFW)、水平潛流濕地(SSFW)、垂直流濕地(VFW).

表1 3種人工濕地處理污水系統(tǒng)類型比較［3］

2 人工濕地系統(tǒng)脫氮除磷機(jī)理

2.1 氮的去除機(jī)理

2.1.1 去除機(jī)理

濕地系統(tǒng)通過(guò)多種機(jī)理去除進(jìn)水中的氮，這些機(jī)理主要包括生物、物理和化學(xué)反應(yīng)幾方面的協(xié)同作用［4］.物理機(jī)理包括:沉積、揮發(fā)(固體物質(zhì)的重力沉淀通常對(duì)濕地中氮去除影響較小，而氨揮發(fā)受pH影響較大);化學(xué)機(jī)理主要是吸附(氨氮吸附通常快速且可逆，因此這并不是氮去除的長(zhǎng)期途徑);生物機(jī)理包括:微生物作用、植物吸收(氨化和硝化/反硝化，通常較著、適宜條件下植物攝取的氮量較顯著［5］).人工濕地中氮的形態(tài)轉(zhuǎn)化見(jiàn)圖1.

2.1.2 影響因素

填料的氧化還原電位對(duì)除氮效果影響最大，因?yàn)樗磻?yīng)的是填料發(fā)生氧化還原反應(yīng)能力的大小.土壤的氧化還原電位還會(huì)影響植物和微生物的代謝過(guò)程，從而間接影響除氮效果.

土壤的含水率也會(huì)影響除氮效率，含水率增加，反硝化作用就會(huì)增強(qiáng).植物根系的輸氧能力對(duì)氮的去除至關(guān)重要，因此，易取得、生物量大、根系發(fā)達(dá)、輸氧能力強(qiáng)是濕地植物的首選原則.植物的種類與收割計(jì)劃也會(huì)影響去除效果，因此在這方面也應(yīng)另加考慮.如潛流人工濕地總氮的去除率分別為49.34%(蘆葦系統(tǒng))45.49%(茭白系統(tǒng))［6］，有研究也表明，挺水植物通過(guò)吸收而后收割去除的氮的能力是(200～2 500)kg·hm-2·a-1，水葫蘆有較高的除氮能力，大約為2 000 kg·hm-2·a-1，沉水植物的除氮能力較差，通常小于700 kg·hm-2·a-1［7］.

微生物的影響:在氮的去除過(guò)程中，氨化菌、硝酸菌、亞硝酸菌、反硝化菌共同發(fā)揮作用完成氮的循環(huán).硝化菌與反硝化菌的數(shù)量直接影響了硝化與反硝化作用強(qiáng)度.濕地系統(tǒng)內(nèi)部，特別是離根系較遠(yuǎn)處形成厭氧區(qū)，會(huì)限制硝化菌的生長(zhǎng)和硝化作用的發(fā)生，因此硝化菌的快速富集、培養(yǎng)技術(shù)很重要，直接影響氮的去除.

溫度的影響:影響微生物的活性，氨化、硝化、反硝化過(guò)程，繼而影響氮的去除.溫度較低時(shí)，酶的活性也會(huì)降低，這也會(huì)影響含氮有機(jī)物的降解.反之，溫度高時(shí)，植物與微生物的代謝活動(dòng)均會(huì)增強(qiáng)，可以提高氮的去除效率.如當(dāng)溫度在10℃左右時(shí)，硝化速率很穩(wěn)定，但低于10℃，人工濕地系統(tǒng)處理效果會(huì)明顯降低.當(dāng)溫度在5℃以下時(shí)，反硝化過(guò)程就很難發(fā)生.而若溫度過(guò)高，30℃以上時(shí)，硝化與反硝化過(guò)程均會(huì)受到抑制［8］.

pH值的影響:pH值不同時(shí)植物與微生物的活性不同.在脫氮過(guò)程中，當(dāng)pH值為7～8時(shí)，硝化過(guò)程較順利，pH 值為6.5 ～7.5 時(shí)，反硝化過(guò)程較順利［9］.

圖1 人工濕地污水處理系統(tǒng)中的氮形態(tài)轉(zhuǎn)化圖［5］

2.2 磷的去除機(jī)理

2.2.1 去除機(jī)理

濕地中的磷元素以有機(jī)態(tài)和無(wú)機(jī)態(tài)兩種形式存在著，而植物與微生物只能直接利用游離的正磷酸鹽.在人工濕地系統(tǒng)中磷的遷移轉(zhuǎn)化一般沒(méi)有化合價(jià)的變化，它主要是通過(guò)泥炭積累、填料吸附、植物和微生物同化和沉淀等作用來(lái)去除.

表2 濕地中的磷去除機(jī)理［10］

2.2.2 影響因素

填料對(duì)磷的去除影響較大.填料對(duì)磷的吸附和滯留能力的決定因素有:氧化還原電位(ORP)，pH值，F(xiàn)e，Ca，Al等礦物質(zhì).袁東海等［11］研究發(fā)現(xiàn)，填料吸附的磷轉(zhuǎn)化為 Ca-P，F(xiàn)e-P，Al-P，這三者的含量同填料Ca，F(xiàn)e，Al的含量有極顯著冪函數(shù)關(guān)系，基質(zhì)全鈣、氧化鈣、水溶性鈣、游離氧化鐵、鋁和膠體氧化鐵、鋁的含量越高，其固定形成的磷酸鈣鹽、磷酸鐵鹽、磷酸鋁鹽越多，填料凈化磷素的能力越強(qiáng).

植物的種類會(huì)影響磷的攝入量，如浮水植物對(duì)磷的攝入量約為350 kg·hm-2·a-1，挺水植物攝入量在(8.5～150)kg·hm-2·a-1之間，沉水植物對(duì)磷的攝入量一般小于120 kg·hm-2·a-1.

溫度影響含磷化合物的沉淀，溫度低，水的粘度大，沉淀會(huì)變慢［12］.

pH值對(duì)除磷效果的影響:只有在中性或堿性條件下，磷才會(huì)被鈣吸附.酸性條件下，高濃度的鋁和鐵對(duì)磷的吸附最強(qiáng)［13］.

3 人工濕地的應(yīng)用

國(guó)外對(duì)濕地的研究比較深入，應(yīng)用技術(shù)也非常成熟，因此國(guó)外的人工濕地實(shí)際工程也很多.目前，美國(guó)就有600多處人工濕地工程用于處理市政、工業(yè)和農(nóng)業(yè)廢水，在丹麥、德國(guó)、英國(guó)等國(guó)有200多處人工濕地(主要是潛流濕地)系統(tǒng)，新西蘭也有80多處人工濕地工程被投入使用［14］.

我國(guó)自“七五”開(kāi)始對(duì)人工濕地研究，現(xiàn)已建成一些示范工程，并于1988年-1990年在北京昌平建立的自由表面流人工濕地［15］.1990年7月在深圳建起我國(guó)第一個(gè)人工濕地污水處理工程—白泥坑人工濕地處理系統(tǒng).該人工濕地處理系統(tǒng)位于深圳市寶安縣白泥坑村南500 m處.占地面積189畝，日處理量3100 m3/d廢水.1996年膠南市充分利用風(fēng)河下游北岸的大片鹽堿荒灘，修建蘆葦濕地系統(tǒng)，不僅很好地處理了工業(yè)廢水和生活污水，而且吸引水鳥(niǎo)棲息，取得了良好的生態(tài)效益［16］.2002年，江蘇泗洪縣建成日處理污水5 000 t的人工濕地污水處理廠，沈陽(yáng)、上海、深圳等城市也在開(kāi)展相關(guān)設(shè)計(jì)、規(guī)劃工作.

人工濕地也可處理一些特殊污水.如汪秀華等人［17］進(jìn)行潛流式人工濕地系統(tǒng)處理天然橡膠加工廢水的小型試驗(yàn)后，濕地系統(tǒng)對(duì)COD，BOD5，NH3-N去除率分別為90.42%，93.25%，75.37%，該系統(tǒng)耐沖擊負(fù)荷強(qiáng)，出水水質(zhì)穩(wěn)定.李亞治［18］建造小型水葫蘆-水草人工濕地處理再生漿造紙廢水，處理后BOD 5，COD和SS的去除率分別為98%，93%和89%，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，出水水質(zhì)可用于農(nóng)田灌溉.

4 結(jié)語(yǔ)

人工濕地技術(shù)作為綠色環(huán)保的污水處理新技術(shù)，已成為環(huán)境科學(xué)研究的重要領(lǐng)域之一.目前，人工濕地系統(tǒng)主要應(yīng)用于景觀用水的凈化及生活污水處理.為了進(jìn)一步提高人工濕地的處理效率和拓展其運(yùn)用范圍，有必要開(kāi)展一下幾方面工作:

(1)高效的濕地植物、濕地基質(zhì)、濕地微生物種群等篩選方面的研究;

(2)人工濕地系統(tǒng)中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制與水力學(xué)特性以及工藝優(yōu)化與組合等方面的研究;

(3)建立人工濕地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，便于改進(jìn)濕地的設(shè)計(jì)方法，模擬處理效果，從而減少重復(fù)勞動(dòng)、減少風(fēng)險(xiǎn).

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