人工濕地去除污水中磷的影響因素分析

李巧霞

河南可人科技有限公司（450000）

人工濕地去除污水中磷的影響因素分析

李巧霞

河南可人科技有限公司（450000）

隨著人工濕地污水處理技術(shù)的不斷發(fā)展，人工濕地越來越多地應(yīng)用到城鎮(zhèn)生活污水，農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、食品、礦山等工農(nóng)業(yè)廢水的處理，湖泊水體富營養(yǎng)化問題的治理等污水處理領(lǐng)域，人工濕地由于自身運(yùn)行成本低、方便維護(hù)和去污效果好的優(yōu)勢，其在污水處理方面的應(yīng)用也越來越廣泛。文章闡述了人工濕地除磷機(jī)理，對人工濕地除磷效果的可能外部影響因素進(jìn)行了分析，并提出提高除磷效果的建議。

人工濕地；除磷；效果

人工濕地技術(shù)是一種目前國際上較多采用的處理污水的工藝，其投資和日常運(yùn)行費(fèi)用不足常規(guī)二級污水處理廠的1/2和1/3，其出水水質(zhì)可達(dá)到或超過二級污水處理水平。與傳統(tǒng)的污水處理法相比，它具有操作、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，適用面更廣。人工濕地除磷，具有投資少，運(yùn)行維護(hù)方便，經(jīng)過優(yōu)化后處理效果好等特點(diǎn)，在保護(hù)水環(huán)境，以及進(jìn)行有效的生態(tài)恢復(fù)等方面均具有十分重大的意義。

人工濕地除磷技術(shù)是一種廉價(jià)有效的污水處理技術(shù)，它是在一般人工濕地系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過人為控制措施優(yōu)化系統(tǒng)，達(dá)到以除磷為主要目標(biāo)的廢水除磷技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是：效率高、投資少、耗能低、操作簡單、設(shè)置靈活、維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用低廉，可作為傳統(tǒng)的污水除磷技術(shù)的一種有效替代方案，對于節(jié)省資金，保護(hù)水環(huán)境以及進(jìn)行有效的生態(tài)恢復(fù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　人工濕地除磷機(jī)理

污水中含有無機(jī)磷和有機(jī)磷，但經(jīng)微生物氧化后，多以無機(jī)磷形式存在。天然濕地中，通過泥炭沉積可使磷得到長期存儲。但在潛流人工濕地中介質(zhì)吸收、基質(zhì)吸附是主要的除磷機(jī)理。

濕地對磷的去除能力與土壤類型有關(guān)。溶解性無機(jī)磷可以與土壤中鋁、鐵、鈣鹽（其中鈣對磷吸附效果最好）發(fā)生吸附、沉淀反應(yīng)而被礦物穩(wěn)定下來。因此，主要由礦物土壤和高鋁含量土壤構(gòu)成的濕地較由高含量有機(jī)物構(gòu)成的濕地除磷能力強(qiáng)。在濕地系統(tǒng)中吸附和沉淀的磷并非永久性去除，如果溶解性磷的濃度減少，譬如在植物吸附或稀釋情況下，這些磷就會(huì)溶解并釋放。因此礦物性的土壤實(shí)際上是作為緩沖器來控制磷的濃度。

總之，濕地去除磷的主要機(jī)理為土壤或顆粒介質(zhì)的吸附、植物吸收和沉淀儲存。人工濕地系統(tǒng)對磷的去除主要是通過微生物的積累、植物的吸收和填料床的物理化學(xué)等幾方面的協(xié)調(diào)作用共同完成的。但植物的吸收往往只占磷去除的很小一部分，在植物的吸收和同化作用下磷被合成為ATP、DNA 和RNA等有機(jī)成分，可通過植物收割而將磷從系統(tǒng)中去除；另一方面，通過微生物對磷的正常同化吸收（將磷作為微生物體必需成分C60H870-3N12P，而供微生物生長之需）以及濕地基質(zhì)的吸附，聚磷菌對磷的過量積累，從而可以通過對濕地床的定期更換而將其從系統(tǒng)中去除。除此之外，溫度、pH值等外界因素也影響系統(tǒng)中磷的去除。所以，人工濕地處理系統(tǒng)要達(dá)到高的磷去除率，應(yīng)該綜合考慮外在的和內(nèi)部的影響因素，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)除磷的目標(biāo)。

濕地的填充材料主要包括礫石、磚渣、爐渣、粉煤灰等，通過床體填充材料的選擇可以達(dá)到除磷的目的。濕地對磷的吸附能力取決于兩個(gè)因素：吸附位（正比于介質(zhì)顆粒的表面積）和pH值。在含大量鈣的堿性濕地以及含高濃度鋁和鐵的酸性濕地對磷的吸附能力最強(qiáng)，磷通過與這些金屬反應(yīng)而沉淀下來。例如在高pH值下，鈣與溶解性磷發(fā)生反應(yīng)生成磷酸鈣而從溶液中析出。

磷的吸附能力與水力傳導(dǎo)率和表面積有關(guān)。欲獲得大的水力傳導(dǎo)率，需避免發(fā)生堵塞，堵塞將導(dǎo)致介質(zhì)表面積縮小，進(jìn)而磷吸收能力下降。例如作為濕地介質(zhì)的土壤可以去除98%的磷，但由于水力傳導(dǎo)率低而易于堵塞。砂石水力傳導(dǎo)率較大，但對磷的去除能力很低，低至20%，但富鐵礫石除磷高達(dá)90%。

2　人工濕地除磷效果的可能外部影響因素

人工濕地生態(tài)系統(tǒng)凈化廢水主要是通過濕地環(huán)境中所發(fā)生的物理、化學(xué)和生物作用的綜合效應(yīng)，包括沉淀、吸附、過濾、溶解、氣化、固定化、離子交換、絡(luò)合反應(yīng)、硝基化、反硝基化、營養(yǎng)元素的攝取、生物轉(zhuǎn)化，以及細(xì)菌、真菌的異化作用等過程，而除磷主要是靠基質(zhì)的吸附作用，伴隨著土壤的沉積作用以及微生物的降解?？赡苡绊懭斯竦爻仔Ч耐獠恳蛩刂饕ㄟM(jìn)水水力負(fù)荷、pH值、溶解氧、季節(jié)和溫度、進(jìn)水方式以及進(jìn)水磷負(fù)荷。

2.1進(jìn)水水力負(fù)荷

濕地系統(tǒng)中的磷主要是通過微生物及植物的吸收以及填料的物理化學(xué)作用去除的，水力負(fù)荷過低，易造成濕地系統(tǒng)厭氧，微生物原先在好氧環(huán)境下過量吸收的磷又重新釋放，致使TP去除率下降；而水力負(fù)荷過大時(shí)，污水的流速過大，對填料的沖擊也使原先被吸附在填料或植物根莖表面的磷沖出系統(tǒng)，造成TP去除率下降。特別在濕地的啟動(dòng)期間，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)倪M(jìn)水水力負(fù)荷，以保證系統(tǒng)中微生物的正常生長、掛膜。

2.2pH值

由于污水中磷素的去除主要是靠填料的物理化學(xué)作用，磷的去除與介質(zhì)的酸堿環(huán)境有關(guān)。這主要和填料內(nèi)的金屬離子有關(guān)，一般認(rèn)為其中Ca2+易于在堿性或酸性環(huán)境條件下發(fā)生反應(yīng)，而與A13+、Fe2+主要是在中性或酸性環(huán)境條件下發(fā)生反應(yīng)。污水在經(jīng)過濕地系統(tǒng)時(shí)，會(huì)引起系統(tǒng)的pH值的變化，過長的水力停留時(shí)間會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的pH值的降低。最好控制pH值在6～8，偏堿性為佳。

2.3溶解氧

溶解氧直接決定濕地內(nèi)部的氧化還原條件。厭氧條件通常與濕地中磷的釋放有關(guān)，而好氧條件與濕地中磷濃度的降低有關(guān)。厭氧條件下土壤中的Fe （III）被還原成Fe（II），使鐵磷化合物的溶解度增加，從而導(dǎo)致磷的釋放。有研究表明，當(dāng)土壤間隙水中的磷濃度＜4mg/L時(shí)，各種pH水平下的厭氧土壤將會(huì)釋放磷。好氧條件下Fe（II）被氧化成Fe（III）形成鐵磷化合物沉淀。在鐵的氧化過程中，當(dāng)間隙水中存在有機(jī)質(zhì)、磷酸根和硅酸根離子時(shí)，能促進(jìn)磷的沉淀。人工濕地內(nèi)部通常是厭氧的，溶解氧濃度隨水質(zhì)的波動(dòng)而變化。當(dāng)植物根系輸送的氧量超過植物代謝需求，那么在鄰近根部的區(qū)域也存在游離氧，在植物根莖周圍存在好氧條件。除了在冬眠期，植物都可向根部輸送氧。為提高濕地內(nèi)部的氧濃度，需要對廢水進(jìn)行預(yù)處理，以降低有機(jī)物質(zhì)對氧的需求，使得根區(qū)的游離氧更能有效地用于磷的去除。

濕地環(huán)境對很多微生物來說是一種嚴(yán)酷的逆境，最嚴(yán)酷的是條件是濕地基質(zhì)中缺氧。在缺氧條件下，生物不能進(jìn)行正常的有氧呼吸，還原態(tài)的某些元素和有機(jī)物濃度可達(dá)到有毒的水平。人工濕地中有機(jī)磷好氧分解所消耗的氧氣主要來自大氣自然復(fù)氧和濕地植物供氧。溶氧水平越高，越有利于磷的降解和微生物對磷的吸收利用。厭氧吸收階段，應(yīng)保持嚴(yán)格的厭氧環(huán)境；而對于后面的好氧分解階段，溶解氧至少控制在2.0mg/L。

2.4季節(jié)和溫度

表面流人工濕地除磷效果受季節(jié)和溫度影響較大。一般在春、秋季節(jié)的去除率較高，而在冬季溫度較低時(shí)去除率低。這與冬季植物枯萎、停止生長有關(guān)。雒維國等學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，污水中各種形態(tài)磷的去除率變化趨勢與氣溫的變化趨勢是一致的，兩者在冬季同時(shí)降到最低點(diǎn)，在春夏季節(jié)則有較大幅度上升。溫度影響人工濕地除磷效果的研究多集中在冬季。潛流式人工濕地冬季運(yùn)行條件下廢水的最低溫度有0.9℃、1.2℃和1.47℃。盡管水溫接近冰點(diǎn)，但一些研究表明低溫對磷去除的影響不顯著。但低溫會(huì)導(dǎo)致濕地設(shè)備和水的冰凍，不利于系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因而需要進(jìn)行隔溫保護(hù)，使得植物根部水溫和周圍土壤的熱量能通過與外部環(huán)境的隔絕得以保持。關(guān)鍵是可以考慮種植一些越冬植物，譬如冬小麥、凍菠菜等。

2.5進(jìn)水方式

不同的進(jìn)水方式對除磷效果的影響是不同的，潛流式人工濕地的進(jìn)水方式一般分為水平流和垂直流。水平流方式進(jìn)水對BOD、COD、SS、重金屬等污染指標(biāo)的去除效果好且很少有惡臭和孳生蚊蠅現(xiàn)象，但是控制相對復(fù)雜，脫氮、除磷的效果不佳。垂直流方式進(jìn)水其硝化能力高于水平潛流濕地，可用于處理氨氮含量較高的污水，有利于氮磷的去除，但對有機(jī)物的去除不如前者。不過，根系及其他生物釋放磷酸酶等物質(zhì)抑制磷酸鹽與其他離子絡(luò)合。因此，在植物和基質(zhì)兩方面因素作用下，TP較多地在上行植物床中去除。一般對于除磷來講垂直流要優(yōu)于水平流，但綜合考慮到有機(jī)物的去除，可以用改進(jìn)的水平流（填料分段）來同時(shí)達(dá)到脫氮除磷以及去除有機(jī)物的效果。

2.6進(jìn)水磷負(fù)荷

廢水進(jìn)水中磷負(fù)荷對濕地中磷的吸附和沉淀過程都有影響。研究表明，在達(dá)到吸附，沉淀平衡之前，高濃度的含磷廢水能導(dǎo)致磷的去除，而低濃度的進(jìn)水則導(dǎo)致土壤中磷的釋放。對于吸附過程，這取決于進(jìn)水和土壤間隙水中磷的濃度梯度。當(dāng)進(jìn)水中磷的濃度低于土壤間隙水中磷的濃度時(shí)，由于存在負(fù)濃度梯度，廢水中的磷便不能擴(kuò)散到土壤微孔表面從而被吸附。對于沉淀過程，則取決于土壤間隙水中磷化合物的溶解，沉淀平衡。當(dāng)進(jìn)水中磷酸根離子的濃度大大超過與其反應(yīng)的金屬離子的濃度時(shí)，可促進(jìn)磷化合物的沉淀，從而增加對磷的去除。然而高磷濃度的進(jìn)水容易導(dǎo)致基質(zhì)過快達(dá)到吸附飽和，從而縮短濕地使用的年限，因而在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量降低廢水磷負(fù)荷。要保持較好的除磷效果，一般進(jìn)水磷負(fù)荷限制在5～15mg/L，若大于50 mg/L時(shí)磷去除效果極差。

3　建議

考慮到人工濕地中基質(zhì)去磷的機(jī)理，建議在出水段設(shè)水泵將一部分水來回流從而降低進(jìn)水的磷負(fù)荷。

人工濕地的設(shè)計(jì)可以結(jié)合A/O工藝或A2/O同時(shí)脫氮除磷，一方面可以進(jìn)行分段種植植物，前段種植密集的挺水植物，中后段可以種植稀疏的植物，另一方面也可以利用不同的基質(zhì)來同時(shí)脫氮除磷，相當(dāng)于結(jié)合水平流和垂直流兩種進(jìn)水方式來處理廢水。我們同樣可以從加強(qiáng)上層基質(zhì)的除磷能力著手，因?yàn)楦鼡Q上層基質(zhì)較為方便。由于微生物大部分生長在上層基質(zhì)中，通過選擇根系發(fā)達(dá)的植物，濕地適當(dāng)?shù)母蓾窠惶嫣幚恚淖儾妓绞降葎?chuàng)造植物根部周圍良好的好氧環(huán)境，提高磷細(xì)菌的代謝活性來加快磷酸鹽的轉(zhuǎn)變速度，同時(shí)，提高上層基質(zhì)中的A13+，F(xiàn)e3+，Ca2+濃度，即通過加強(qiáng)微生物和上層基質(zhì)的協(xié)同除磷作用，使總磷盡可能多的在上層基質(zhì)中去除（在可承受的經(jīng)濟(jì)范圍能可行）。

考慮到進(jìn)水磷負(fù)荷較高，應(yīng)該對進(jìn)水進(jìn)行預(yù)處理，可以采用混凝的方法來使一部分磷酸鹽發(fā)生凝聚沉淀而得到去除。而且在填料床方面建議在前段鋪填碎石來均勻布水，在填料床尾段也鋪填碎石來降低出水的濁度。

［1］尹軍，崔玉波.人工濕地污水處理技術(shù)［M］.2006，北京：化學(xué)工業(yè)出版社.

［2］熊國祥，羅建中，馮愛坤.人工濕地中磷的行為及其去除方法研究［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2006，31（9）：116-118.