人工湿地生态系统脱氮除磷机理及研究进展

1、人工湿地生态系统脱氮除磷机理及研究进展郭迎庆1,2 张玉先 李定龙 王利平211(1江苏工业学院环境与安全工程学院,常州 213164;2同济大学环境科学与工程学院,上海 200092)摘要 介绍了人工湿地生态系统去除污水中氮磷的机理,并从工艺优化、湿地植物、基质和微生物四个方面系统地阐述了目前人工湿地系统提高氮磷去除率的研究进展情况;通过优化湿地系统设计、湿地植物的筛选、基质的选择和复合、微生物种群的调控等可以有效提高人工湿地的氮磷去除率,提出了当前人工湿地研究中存在的问题和研究方向。关键词 人工湿地 脱氮除磷 基质 湿地植物 微生物Advancesinmechanismsandresear

2、chofnitrogenandphosphorusremovalinconstructedwetlandecosystemGuoYingqing1,2,ZhangYuxian2,LiDinglong1,WangLiping1(1.SchoolofEnvironmentalandSafetyEngineering,JiangsuPolytechnicUniversity,Changzhou213016,China;2.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)Abstract

3、:Constructedwetlandanditsremovalmechanismsofnitrogenandphosphorusinwastewatertreatmentwereintroduced.Latestresearchstatusofremovalefficiencyimprovementofnitrogenandphosphorusweresystematicallyexpatiatedonprocessoptimization,wetlandplants,substratesandmicroorganisms.Someproposalsaboutthewaystoimprove

4、theremovalefficiencyofnitrogenandphosphorusweregiven,suchasoptimizingthedesignofconstructedwetlandsystem,screeningofwetlandplantsspecies,combinationofsubstrate,andmicroorganismpopulationadjustmentinthebedofconstructedwetland.Basedonwhichthecurrentproblemandresearchorientationofconstructedwetlandwere

5、discussed.Keywords:Constructedwetland;Nitrogenandphosphorusremoval;Substrate;Wetlandplants;Microorganism湿地是介于陆地和水生环境之间的过渡带,是一种具有多种功能和使用价值的生态系统。人工湿地处理系统是由人工优化模拟湿地系统而建造的具有自然生态系统综合降解净化功能,且可人为监督控制的废水处理系统,是一种集物理、化学、生化反应于一体的废水处理技术;一般由人工基质和生长在其上的水生植物组成,是一个独特的土壤、植物、微生物综合生态系统11 人工湿地脱氮除磷机理1.1 脱氮人工湿地对氮的去除主要依靠微

6、生物的氨化、硝化、反硝化等作用完成2。这三个重要的过程一般可以同时发生在人工湿地系统中,但其发生的程度却有所不同。植物具有丰富的根系,根系具有庞大的吸附表面,能从土壤溶液中吸收一部分无机氮作为自身的营养成分,用于合成植物蛋白等有机氮,进而通过植物的收割而去除。但这一部分仅占总氮量的8%。国家 十一五 科技支撑计划(2006BAJ08B02);常州市科技局社会发展水环境治理专项(CS2008013)。Vol.16%,因而不是脱氮的主要过程3。植物除了对污染物直接吸收外,还有重要的间接作用:植物根系将氧气输送到根区,形成了根表面的氧化状态,氨则被这一区域的硝化细菌硝化;离根表面较远的区域氧气浓度降

7、低(属于兼性厌氧区),硝化作用仍然存在,但主要是靠反硝化细菌将有机物降解,并使氮素物质以氮气的形式释放到大气中。由于人工湿地存在着这样一些氧化区、兼性区和还原区,通过不同区域微生物的相互配合作用而将氮素化合物等去除。去除氮的过程还可能涉及挥发作用、填料吸附的作用,但它们所摄取的氮量是十分有限的。总之,由于基质吸附的氮素数量有限,湿地微生物的硝化和反硝化作用是氮素净化的主要途径,湿地植被根系微生物能增强其作用,提高人工湿地的氮去除效率5。1.2 除磷污水中磷的存在形态取决于污水中磷的类型,有机磷及溶解性较差的无机磷酸盐都不能直接被湿地植物吸收利用,必须经过磷细菌的代谢活动将有机磷化合物转变成磷酸

8、盐,将溶解性差的磷化合物溶解,才能被湿地植物或基质吸附利用。人工湿地对磷的去除主要取决于植物吸收、基质的吸附过滤和微生物转化三者的共同作用。磷和氮一样,都是植物的必需元素,污水中的无机磷在植物的吸收和同化作用下被合成ATP等有机成分,通过收割而从系统中去除。微生物对磷的去除作用包括微生物对磷的正常吸收和过量积累,湿地中某些细菌种类因从污水中吸收超过其生长所需的磷,而微生物细胞的内含物储存过量积累,可通过对湿地床的定期更换而将其从系统中去除。湿地中土壤和基质在为植物和微生物提供生长介质的同时,还能通过离子交换、专性与非专性吸附、螯合和沉降反应等作用直接去除磷,从而使土壤和基质中的这些元素聚积量急

9、剧升高。基质对磷的吸附随着基质的不同而存在着差异。当基质含有较多铁、铅氧化物时,磷酸根可通过配位体交换被吸附到铁、铅离子表面,也有利于形成溶解度很低的磷酸铁与磷酸铅;而当基质中钙含量较高时,磷可与钙反应生成不溶性的磷酸钙而从污水中沉淀下来7。642 提高人工湿地脱氮除磷效率的研究进展2.1 工艺优化组合人工湿地按污水在湿地床中流动的方式不同而分为三种类型:表面流湿地(SFW)、潜流湿地(SSFW)和垂直流湿地(VFW)。表面流湿地污水从系统表面流过,氧通过水面扩散补给,随水深的增加和底部土壤等原因,在系统下部形成缺氧或厌氧区。因此,表面流湿地有较好的好氧-厌氧环境,易于硝化-反硝化为脱除氨氮提

10、供条件。但是潜流湿地存在供氧不足的缺陷,限制了氨氮硝化的效果。垂直流湿地系统中的水流兼有地表流湿地系统和潜流湿地系统的特性,硝化能力比较强。因此当进水氮的形态以氨氮为主时,表面流湿地的脱氮效能高于潜流湿地。当进水氮的形态为硝酸盐氮时,潜流湿地脱氮效率高于表面流湿地810。有研究发现,潜流人工湿地系统除磷效能最好,除磷效率可达80%。针对以上人工湿地单一性的缺点,有学者进行了传统人工湿地工艺优化组合的尝试,很大程度上提高了氮磷的去除效率。帖靖玺等12采用潜流式与上行垂直流式人工湿地组合工艺处理太湖流域地区废水,发现该复合湿地系统对废水中的NH3!N、TN、TP具有较好的去除效果,平均去除率分别达

11、到95%、79%、81%,明显优于传统的单级人工湿地处理效果。黄娟等13将表面流和潜流两种湿地系统结合,形成复合床人工湿地,处理生活污水,结果表明该复合系统对TN、TP同样有较好于传统单级人工湿地的去除效果,且对氮磷有一定的抗冲击能力。尹炜等14采用塘!复合潜流人工湿地组合生态系统处理城市地表径流。其复合人工湿地式由一个垂直流和三个水平潜流湿地单元串联组成。发现其中的复合人工湿地系统对TN的去除率达82.6%86.6%,脱氮效果独特。其良好的TN去除效果归因于复合人工湿地系统有较好的脱氮功能环境,污水中有机氮和氨氮在垂直流湿地中进行了较为充分的硝化,然后在水平潜流单元经反硝化得到了有效的去除,

12、使得最终出水TN含量较低。一些试验研究证实,人工湿地系统和其他处理工艺相结合,对氮磷的去除有更好的效果。云南抚仙湖湖滨带复合湿地采用生物强化沉淀池-水平潜35200911流湿地-表面流湿地组合工艺处理入湖废水。调查表明该复合型人工湿地的脱氮效果比较明显,其生物强化沉淀池部分对后续硝化反硝化脱氮起到了生物强化的作用。张克强等15采用复合厌氧折流板反应器-廊道式人工湿地系统进行生活污水处理试验,分析了系统的脱氮除磷效果及水生植物在人工湿地系统中的作用。结果显示:系统稳定运行后,夏秋季NH3!N平均去除率为89.29%;在不改变日处理量的情况下,冬季NH3!N去除率下降幅度较大,但保持在47%以上。

13、由于采用了煤渣、页岩等高吸附磷的基质,磷去除率始终保持在83.6%以上,夏秋季由于水生植物吸收,去除率高达92.3%,表明磷的去除主要依靠基质的吸附,而且基质吸附能力仍未达到饱和,但已表现出下降趋势。由此可见,采用两级或多级人工湿地处理系统,在脱氮除磷效果方面明显优于单级的传统人工湿地处理系统,将是今后人工湿地的一个发展方向。2.2 湿地植物的筛选植物是人工湿地的核心,湿地系统中植物的类型对湿地脱氮除磷的效果有很大的影响。根据湿地中的主要植物形式可分为浮水植物系统、挺水植物系统和沉水植物系统。Cheng16的研究发现,在中试湿地系统中,芦苇对TKN和P的去除率分别为42.1%和28.9%,而藨

14、草则为17.4%和26.1%。芦苇的地上部分组织比地下部分对营养物的摄取量要高,这一结果对湿地植物的筛选在人工湿地的设计以及系统的优化运行方面具有借鉴作用。袁东海等通过对照试验研究了潜流人工湿地系统对污水氮的净化效果,结果发现石菖蒲、灯心草和蝴蝶花3个有植物系统的总氮平均去除率为77.7%、71.2%和66.4%,而无植物系统的去除率仅为55.8%。鲁敏等研究了7种武汉地区常见湿地植物对生活污水的处理效果。研究表明停留时间选择1d时,出水中的TN和TP浓度基本上已达到污水综合排放标准#(GB8978!1996),其中香蒲、美人蕉、黄花鸢尾、茭白和菖蒲的处理效果相对较好。杨长明等19研究了风车草

15、和香蒲水平潜流人工湿地对养殖水体中不同形态磷的去除效果差异,结果表明:人工湿地对水体中不同形态磷的去除效果存在差异。风车草湿地处理系统对Vol. 1817TP的去除率显著高于香蒲湿地。由于利用水生植物净化污水效果主要依靠植物运送氧气到根区的能力,因而,选择合适的水生植物种类在净化污水过程中至关重要,研究者多结合当地的气候特征和植被分布来选择最适宜的湿地植物。在欧洲芦苇是最常用的植物,而藨草则在美国应用得更为普遍。从目前人工湿地运行的经验来看,人们在选择湿地植物时一般从以下几方面考虑:优先选用适合试验地区气候土壤环境条件的乡土植物,慎用外来植物,避免引起生物安全性问题;%选用适应性强、耐污能力和

16、抗寒能力强的植物;&选择根系发达、生物量较大、茎叶繁茂的植物;尽量选择有经济价值和观赏价值的植物,以便能资源化利用,产生一定经济效益或景观生态效益。2.3 基质的选择和复合基质是由大小不同的沙、砾石、土壤颗粒等按一定厚度铺成的供植物生长、微生物附着的人工设计床体。基质一方面为微生物的生长提供稳定依附表面,同时也为水生植物提供了载体和营养物质。人工湿地基质能够有效地去除污水中的磷素和氮素,主要与其物理化学性质有关。人工湿地中基质主要通过吸附、吸收、过滤、离子交换、络合反应等物理化学作用去除污水中的污染物质。基质是水生植物和微生物赖以生存的场所,是有机污染物转为无机无毒物质的枢纽,其组成直接关系到

17、氮磷的净化效率等因素。汤显强等21选取页岩、粗砾石、铁矿石、麦饭石及其组合作为人工湿地填料,发现页岩对TN的去除效果最好,去除率最高可达88.9%。这主要是因为页岩在水力渗透系数和孔隙率等方面的特征有利于对氮的吸附。方升华利用砾石、砂子和沸石作为人工湿地基质,比较了三者在不同氮素浓度下的去除效果,结果表明:沸石的除氮效果最好,其次是砾石,砂子最差。崔玉波等通过试验也证实火山渣相对于砂子有更强的除氮能力。由于单个基质存在着诸多缺陷,且考虑到基质的易得性和成本等,特别是各种基质之间存在着互补效应,将某些除磷效果好和除氮效果好的基质组合在一起,能大大提高人工湿地处理污水的能力;一232220些基质之

18、间还存在着协同效应,两种或几种基质组合在一起,比单个应用时除氮效果更好。袁东海等以常见的人工湿地基质材料为研究对象,考察了磷素污染物在湿地基质系统中形态转化。基质磷素饱和吸附试验表明,矿渣和粉煤灰净化磷素能力最强,其次为蛭石、黄褐土和下蜀黄土,砂子和沸石净化磷素能力最差。由于砂子和沸石颗粒较粗、滤过性能较好,适合作为潜流型人工湿地基质,为了提高磷素净化容量,可在砂子和沸石基质中添加磷素吸附性能较强的基质材料。王谨用砂子、粉煤灰、活性炭、陶粒、石块以及卵石作为基质,将其中的5种进行任意组合,结果显示:多孔大石、粉煤灰、大陶粒、多孔小石和大石块组合的除氨氮效果最理想。由上可知,在人工湿地中,具有孔

19、隙率低、水力渗透系数低等特点的基质对TN有较好的去除效果,而对磷的去除,应选用孔隙度较大的基质。同时,基质的镁、铝、铁等含量较高同样对磷的去除十分有利。为了使人工湿地系统综合达到较好的脱氮除磷效果,应选用具备以上条件的基质进行适当的复合。近年来,一些通透性好、比表面积大、具有吸附能力的多孔介质(如沸石、砾石、陶粒、粉煤灰等)被填充到人工湿地系统里,大大提高了氮、磷的去除效果。有关组合基质人工湿地的去污效果以及影响因素研究,将是今后人工湿地研究的一个重要方向。2.4 微生物种群的调控人工湿地中的微生物是极其丰富的,这为污水处理系统提供了足够的分解者。利用人工湿地处理污水时,氮化合物的脱氮作用和磷

20、化合物的转化等主要是由湿地植物根区的微生物活动来完成的,人工湿地中的微生物在有机物的降解转化方面发挥着重要作用。研究发现湿地中的微生物与其净化功能之间存在显著关系,数量越多则去除率越高。氨氮的去除率与硝化细菌和反硝化细菌的数量密切相关。张甲耀等262524优势菌。付融冰27等测定了潜流水平湿地基质中微生物的数量。结果表明:湿地基质中不同空间位置的微生物数量各不相同,一般上层多于下层;在湿地运行条件相对稳定的情况下,湿地基质中会逐渐形成数量和活性比较稳定的生物群落。微生物数量与BOD5及TN的去除有显著的相关性。谢冰等28对芦苇人工湿地底泥微生物群落结构的研究结果显示,芦苇人工湿地中优势微生物主

21、要是一些对环境适应能力强的芽孢杆菌。季节变化和进水水质变化对微生物群落结构有较大影响,湿地微生物DNA多样性呈现季节性和地带性变化;投加菌剂和酶制剂可以稳定和丰富系统的微生物多样性,有利于污染物的降解。此外,在人工湿地中,植物根系分泌物可促进某些嗜磷、氮细菌的生长,促进氮磷的释放、转化,从而间接提高净化效率。这些微生物主要指的是根系微生物,聚居在根际土壤,以根系分泌物为主要营养,其根系分泌物能为土壤微生物提供大量的营养和能源物质。根际微生物不仅种类和数量远高于非根际土壤,而且其代谢活性也比非根际微生物高。有植物的湿地系统,嗜磷、氮细菌的数量显著高于无植物的湿地系统,且植物根部的细菌比介质中高1

22、2个数量级29,这为人工湿地污水处理系统提供了足够的分解者。项学敏等30研究了湿地植物芦苇和香蒲根际微生物的数量、活性等特性,结果表明芦苇和香蒲具有明显的根际效应,根际微生物活性高于非根际的微生物活性,芦苇根际比香蒲更适合亚硝酸细菌的生长。众多的研究都表明不同人工湿地中的微生物种群和数量均不同,主要原因是由湿地废水来源和类型的不同,种植植物的不同,基质材料和运行管理方式的不同等因素导致的。所以可以针对不同的应用对象,选择不同类型的人工湿地来调控微生物的种群数量。3 问题与展望人工湿地污水处理系统是一种集环境效益、经济效益及社会效益于一体的污水处理方式,具有建造成本较低、运行成本很低、出水水质好

23、、操作简单等优点,尤其适用于解决广大农村地区、中小城镇地区的水质问题,因而有着广阔的应用前352009研究不同植物构成的潜流型人工湿地处理系统的净化能力及其异养细菌数量,发现在芦苇湿地中假单胞菌属、无色杆菌属和不动杆菌属细菌是优势菌,在无植物系统中假单胞菌属也是景,已成为环境科学研究的重要领域之一。目前,人工湿地系统主要应用于饮用水和景观用水的净化及生活污水处理,对人工湿地处理技术在工业废水处理中的应用研究甚少。将人工湿地用于处理特殊工业废水,将是人工湿地未来发展的趋向。因此,为了进一步提高人工湿地的处理效率和拓展其运用范围,有必要开展高效的湿地植物、湿地基质、湿地微生物种群等筛选方面的研究,

24、并将研究重点放在多种植物、微生物和活性介质的开发上。此外,还应进行人工湿地反应动力学机制与水力学特性以及工艺优化与组合等方面的研究。人工湿地的处理效果因气候条件、湿地规模、污染负荷率、几何布置、植物种类及废水类型的不同而不同,因此还应建立人工湿地数据库,便于改进湿地的设计方法,模拟处理效果,从而减少重复劳动、减少风险,以期在社会、经济和生态效益上创造更好的效益。参考文献1 刘益贵,彭克俭,成应向,等.人工湿地污水处理技术的研究与应用现状.环境污染与防治(网络版),2008,2:16境,2004,13(1):98101铁,2004(2):42464 ConeleyLM,DickRLionLW&I

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