人工濕地系統(tǒng)中銨飽和基質(zhì)的再生驅(qū)動機制探討

浦晨霞 錢璨 方飛

摘要 概述了人工濕地基質(zhì)銨吸附能力的再生方式，包括自然物化解析、投加藥劑的人工化學(xué)強化和利用微生物硝化作用的生物再生3種，探討了在人工濕地系統(tǒng)中銨飽和基質(zhì)的主要再生過程中化學(xué)解析再生驅(qū)動機制與生物再生驅(qū)動機制，以期推動人工濕地系統(tǒng)銨飽和基質(zhì)再生的深入研究與人工濕地系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整。

關(guān)鍵詞 人工濕地；銨飽和；再生；途徑；機制

中圖分類號 S181.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）34-0059-02

Abstract The regeneration mode of constructed wetland substrates with ammonium adsorption capacity was divided into three kinds： natural physicochemical analysis， artificial chemical enhancement of exchange reagent， and biological regeneration of microbial nitrification.The mechanism of chemical regenerating and regenerative driving mechanism of ammonium saturated substrates in constructed wetland system was discussed， in order to promote the research on the regeneration of substrates saturated with ammonium adsorption for constructed wetland system and the optimization of constructed wetland system.

Key words Constructed wetland；Saturated with ammonium；Regeneration；Pathway；Mechanism

隨著人們生活水平的不斷提高和經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國主要水體普遍受到不同程度的污染，江河湖泊均已出現(xiàn)不同程度的富營養(yǎng)化。目前，我國已建成并投入使用的城鎮(zhèn)污水處理廠共427座[1]，雖然在一定程度上解決或緩解城市的污水處理問題，但伴隨著城市化發(fā)展速度的加快，日均污水產(chǎn)量逐漸超過污水處理量，污水處理廠已難以滿足實際污水處理需求。因此，對污水進(jìn)行高效脫氮除磷也成為迫切需要解決的課題。

自1903年英國約克郡建成世界上首個濕地運用與污水處理后，不同類型的人工濕地逐漸被各國用來處理各類廢水，包括富營養(yǎng)化河湖水、城市徑流、城市生活尾水、農(nóng)業(yè)廢水等[2]。人工濕地是人為設(shè)計與建造的由基質(zhì)、微生物、動植物和水體等部分組成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，其利用物理阻截、吸附、沉淀、微生物降解與轉(zhuǎn)化、動植物吸收等多種途徑來實現(xiàn)對污水或受污染水體的高效凈化。不同于常規(guī)的基于物理化學(xué)（如吸附和電化學(xué)方法）或微生物（如活性污泥和生物膜法）的污水處理技術(shù)，人工濕地可同步去除有機質(zhì)、重金屬、氮、磷等多種污染物[3-6]。此外，人工濕地凈化系統(tǒng)在造價成本和人員投入、日常運行管理、生態(tài)環(huán)境兼容性等方面也具有明顯優(yōu)勢，因而也被我國廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水處理、城市生活污水處理、農(nóng)業(yè)點源面源污水處理和河湖富營養(yǎng)化水體的修復(fù)。如舟山市朱家尖污水處理廠自2007年9月開始運用人工濕地系統(tǒng)深度處理尾水，處理效果良好、運行穩(wěn)定。

脫氮是人工濕地最主要功能之一。人工濕地脫氮功能主要通過濕地基質(zhì)的吸附和沉淀作用、濕地微生物硝化與反硝化以及濕地動植物的吸收同化共同作用下，才能得以實現(xiàn)。濕地基質(zhì)是人工濕地系統(tǒng)中不可或缺的構(gòu)件之一，基質(zhì)本身的物理、化學(xué)性質(zhì)對于凈化水體中氨氮有著重要作用，一方面它是微生物和植物賴以生存的場所，為生物膜的形成提供可依附的表面；另一方面是污染物遷移、轉(zhuǎn)化的重要樞紐，并通過吸附功能去除濕地水體中的氮。筆者概述了人工濕地系統(tǒng)中銨飽和基質(zhì)的再生途徑及再生驅(qū)動機制，以期為人工濕地的優(yōu)化調(diào)整與生態(tài)維穩(wěn)提供借鑒。

1 人工濕地銨吸附型基質(zhì)

目前廣泛應(yīng)用的人工濕地基質(zhì)有砂礫、砂土、浮石、石英巖、硅灰石、頁巖、礬土、粉煤灰、爐渣、鋼渣等[7]，濕地系統(tǒng)中主要的脫氮基質(zhì)有海泡石、沸石、陶粒、爐渣、活性炭[8-9]、生物炭[10-12]等。水體中氮的主要賦存形態(tài)——氨氮是造成水體富營養(yǎng)化的限制性因子之一，而沸石、蛭石等天然硅鋁酸鹽礦物或黏土礦物對氨氮具有良好的吸附能力[13-14]，并具備廉價宜得、環(huán)境友好、無二次污染等特點，因而被廣泛用作人工濕地基質(zhì)（通常稱之為銨吸附型基質(zhì)）。唐登勇等[15]研究了天然沸石和改性沸石對低濃度氨氮廢水的吸附效果，結(jié)果表明，當(dāng)氨氮濃度為20.00 mg/L時，天然沸石的吸附量達(dá)4.89 mg/g，改性沸石達(dá)8.03 mg/g。趙發(fā)敏等[16]研究發(fā)現(xiàn)，沸石對氨氮的去除效率可到87.65%。李瓊輝等[17]針對6種人工濕地填料研究氮、磷吸附效果，結(jié)果表明，當(dāng)氨氮濃度為100 mg/L時，沸石最大吸附容量為3.76 mg/g、蛭石為2.27 mg/g，氨氮吸附容量遠(yuǎn)高于火山石、無煙煤、活性炭、生物陶粒。

然而，銨吸附型基質(zhì)對氨氮的吸附存在“相對飽和問題”，基質(zhì)對廢水中氨氮的吸附去除作用是有限的，達(dá)到一定程度會飽和。這也是人工濕地運行過程中普通出現(xiàn)的“脫氮效果初期較好，隨后逐步下降”現(xiàn)象的主要原因[18-19]。隨著人工濕地系統(tǒng)污水處理技術(shù)的廣泛運用，人工濕地銨飽和基質(zhì)的處理處置將成為一個環(huán)境問題。

2 人工濕地銨飽和基質(zhì)的再生途徑

2.1 自然物化解析再生

自然物化再生是在自然條件下依靠氨氮的物理性解析（如揮發(fā)）和水體環(huán)境中陽離子交換的化學(xué)性解析作用（基質(zhì)中銨離子與水體中本身含有的陽離子的置換），來實現(xiàn)基質(zhì)氨氮吸附能力的部分恢復(fù)[20]。顯然，該再生方式的再生能力受基質(zhì)本身物理性質(zhì)、濕地中氨氮濃度梯度、水體中陽離子濃度水平等因素的制約。

2.2 人工化學(xué)強化再生

人工化學(xué)強化再生是向濕地生態(tài)系統(tǒng)中人為投加鈉鹽、鈣鹽等交換劑，利用陽離子交換作用置換出氨氮，實現(xiàn)基質(zhì)氨氮吸附能力的快速恢復(fù)。劉靜等[21]以銨吸附飽和沸石為對象，比較了施加多種鈉鹽、鈣鹽后飽和沸石對氨氮吸附的再生效果，發(fā)現(xiàn)NaCl 與CaCl2 組合再生效果較好。高紅杰等[22]利用人工曝氣和以7∶3的比例加入NaCl 與CaCl2解析銨飽和沸石中的氨氮，發(fā)現(xiàn)加入NaCl 與CaCl2的解析效果更佳。唐登勇等[15]利用3∶7的氯化鈉和氫氧化鈉的5 g/L溶液脫附改性沸石，脫附率可到95.2%。與自然物化解吸相比，人工化學(xué)強化再生無疑在再生效率與效果上具有明顯優(yōu)勢，但存在成本高、可能對濕地系統(tǒng)植物和微生物的生長產(chǎn)生潛在危害等問題。

2.3 生物再生

生物再生因具有成本低廉的優(yōu)勢，一直備受關(guān)注。Semmens等[23-24]開展了銨飽和沸石的生物再生研究，他們以銨吸附飽和沸石為研究對象，投加不同濃度的硝化污泥，發(fā)現(xiàn)3 h內(nèi)沸石對銨的吸附能力恢復(fù)了80%左右，試驗同時發(fā)現(xiàn)硝化速率受液相銨離子濃度所支配，但不受固相銨離子濃度（基質(zhì)所吸附的銨）的影響，據(jù)此觀測的結(jié)果，提出了“基質(zhì)銨離子交換解吸—微生物硝化”的再生機理。隨后，國內(nèi)外有學(xué)者設(shè)計出多種形式的“生物沸石反應(yīng)器”，并對生物再生行為和過程調(diào)控進(jìn)行了研究。如Green等[25]和Lahav等[26]設(shè)計出“沸石離子交換-生物再生一體化反應(yīng)器”，試驗驗證了生物再生現(xiàn)象，并對過程工藝進(jìn)行了優(yōu)化研究。童君等[27]通過研究沸石生物聯(lián)合吸附再生工藝發(fā)現(xiàn)，除了對吸銨飽和的沸石進(jìn)行再生外，還能進(jìn)一步降解沸石污泥上吸附的有機物。類似的有韓國的Jung等[28]、我國學(xué)者溫東輝等[29]和張曦等[30]、國內(nèi)同濟大學(xué)污染控制與資源化研究國家重點實驗室[31-32]的研究。

歸納而言，國內(nèi)外對“生物沸石反應(yīng)器”的研究已證明：①硝化細(xì)菌的引入可明顯改善基質(zhì)再生效果、提高再生效率；②硝化細(xì)菌不能直接轉(zhuǎn)化固相氨氮，而只能利用液相氨氮。也就是說，生物再生本質(zhì)上是利用微生物硝化作用來驅(qū)動銨離子從基質(zhì)固相向液相移動（與水體中其他陽離子交換解析），從而達(dá)到濕地基質(zhì)吸附能力再生的目的。

3 人工濕地銨飽和基質(zhì)的再生驅(qū)動機制

盡管國內(nèi)外專家學(xué)者對“生物沸石反應(yīng)器”的再生研究比較深入，但是由于試驗條件的復(fù)雜性與實際操作困難，對于在由基質(zhì)、微生物、植物等多種要素構(gòu)成的人工濕地系統(tǒng)中，銨飽和基質(zhì)的原位再生行為與機理方面的報道并不多見，特別是對再生動力學(xué)方面的研究幾乎未涉及。付融冰等[33-34]對比研究了銨吸附飽和沸石在生物床（僅投入硝化菌）和人工濕地系統(tǒng)中再生效果，交替運行工況下的沸石再生效果，發(fā)現(xiàn)沸石在濕地系統(tǒng)中再生效果要明顯好于生物床。黃忠良等[19]研究了銨飽和蛭石在人工濕地系統(tǒng)中的再生行為，觀察到濕地植物、干濕交替時間和碳源供應(yīng)等對蛭石生物再生過程有較為顯著的影響。盧少勇等[18]研究發(fā)現(xiàn)，植物供氧作用和曝氣增氧對沸石再生具有一定的促進(jìn)作用。另外，Wen 等[35]研究發(fā)現(xiàn)，銨飽和沸石的再生效率與效果受人工濕地構(gòu)造、季節(jié)的影響較大。

綜合已有的研究成果，可以假設(shè)在人工濕地系統(tǒng)中銨飽和基質(zhì)的主要再生過程機理如下：

化學(xué)解析再生驅(qū)動機制：S-NH+4（銨吸附飽和基質(zhì)）+M2+/M1+（液相陽離子）S-M2+/M1++NH+4（解吸）

生物再生驅(qū)動機制 Ⅰ：NH+4+2O2→2H++H2O+NO-3（微生物硝化）

生物再生驅(qū)動機制 Ⅱ：NH+4/NO-3→有機氮+O2（植物吸收同化）

但是，在復(fù)雜的人工濕地系統(tǒng)中，上述2種生物驅(qū)動途徑（微生物硝化和植物吸收同化）對基質(zhì)再生的貢獻(xiàn)程度達(dá)到什么水平？受哪些關(guān)鍵因素影響？相互之間存在什么內(nèi)在關(guān)系（協(xié)同或拮抗作用）？再生過程遵循什么動力學(xué)規(guī)律？對這些科學(xué)問題的回答，對于評估和深入挖掘人工濕地的脫氮潛力無疑是十分重要的。但回答這些問題，需要定量獲取不同人工濕地系統(tǒng)運行條件下（如不同液/固氨氮、DO、BOD濃度等）基質(zhì)固相銨的解析、釋放和再分配（微生物的硝化、植物吸收）的試驗數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而明確各再生途徑的作用強度、相互作用效應(yīng)關(guān)系及再生動力學(xué)規(guī)律等。

4 結(jié)語

綜上所述，人工濕地固銨基質(zhì)的再生是挖掘人工濕地系統(tǒng)脫氮潛力的重要途徑，一直以來也是污水處理領(lǐng)域的一個研究熱點。但截至目前，人們對人工濕地固銨基質(zhì)再生機理的研究仍存在以下不足：

①單純依靠質(zhì)量平衡方法來推斷再生機理，對各再生驅(qū)動途徑的作用效果、強度等缺少定量信息，對各驅(qū)動途徑間的互作效應(yīng)關(guān)系知之甚少；

②對關(guān)系濕地固銨基質(zhì)再生能力影響因素的研究不夠深入，往往只局限于淺顯、單向的對比觀測與判斷；

③對再生過程動力學(xué)涉及較少，僅有的研究只是采用單一模型對單一工況運行條件下的再生動力學(xué)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，對不同工況運行條件下的再生動力學(xué)行為缺少了解；

④穩(wěn)定氮同位素技術(shù)在示蹤氮素來源、遷移和轉(zhuǎn)化等方面顯示出獨特的優(yōu)越性，在農(nóng)業(yè)、生命科學(xué)等研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但至今為止有關(guān)利用該技術(shù)研究人工濕地基質(zhì)再生的研究鮮見報道。

在人工濕地系統(tǒng)中，微生物、植物、基質(zhì)的作用相互聯(lián)系、密不可分，未來針對人工濕地中銨飽和基質(zhì)再生機制的研究、基質(zhì)再生能力的影響因素研究、各驅(qū)動途徑間互作效應(yīng)關(guān)系研究等，對持續(xù)人工濕地系統(tǒng)的更長效、更高效的運行有著現(xiàn)實意義，有利于人工濕地系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整與生態(tài)維穩(wěn)。

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