人工湿地废水处理中氮、磷去除机理研究 6页

第卷第期重庆建筑大学学报年月、人工湿地废水处理中氮磷去除机理研究‘,‘钟成华李杰邓春光环境与,,重庆工商大学生物工程学院重庆废油资源化技术与装备教育部工程中心重庆重庆市南岸区环境保护局,重庆重庆市环境科学研究院,重庆摘要人工湿地是由基质、植物、微生物和水体组成污水处理生态系统,在脱氮除磷方面有着很好的效。文,果中比较全面的总结了近几年来在人工湿地氮磷去除机理研究方面所取得的一些成果着重讨论、、、、、。了基质植物微生物水力负荷温度溶解氧等因素对人工湿地氮磷去除效果的影响并提出了为了、,提高人工湿地脱氮除磷效果扩大人工湿地应用范围今后需要开展方面工作进一步的深入研究、。氮磷去除机理考察更多环境因素对氮磷去除的影响研发改进工艺关键词人工湿地氮磷去除机理影响因素一一一中图分类号文献标志码文章编号【一‘,,,一‘,,,,,‘,,昭,,,,,,,,,,,,人工湿地是为了人类的利强,有较强的有机物、营养物质去除能力以及生态环境,,,,用和利益通过模拟自然湿地人为设计与建造的由基效益显著并可美化环境实现废水资源化等特点正在、、,,、质植物微生物和水体组成的复合体利用生态系统被广泛用于处理多种类型的废水如生活污水酸性矿中基质一水生植物一微生物的物理、化学和生物的三山排水、农业废水、城市暴雨、城乡景观水、石油产业废重协同作用来实现对污水的净化,与传统的二级处理水和富营养化水体。人工湿地污水处理系统是在,,,,。“”技术相比具有建设运行成本低耗能少出水水质好世纪年代提出根区法理论后开始在运行维,,,护方便系统配置可塑性强对负荷变化适应性世界各地逐渐受到重视并被运用的现在人工湿地在‘收稿一一日期基金项目重庆市科委重大攻关项目,,,,,。作者简介钟成华于男四川乐山人重庆工商大学教授博士主要从事水污染防治研究©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.netn重庆建筑大学学报第卷我国的研究和应用也进行的如火如茶。本文对人工湿人工基质又称为填料,一般由土壤、细沙、粗砂、砾地废水处理中氮磷等营养物质的去除途径及其机理研石、灰渣及石灰石、沸石等组成。基质是人工湿地的重究进展进行总结。要组成部分,对于净化污水中的污染物有着重要的作用。,川基质碎石表面形成生物膜对氮的去除主要包人工湿地中氮磷的去除机理、,括菌群和藻类对氮的吸收固定好氧缺氧厌氧的生随着人类的发展,各类污水中含有越来越多的氮、物转化以及与惰性有机物质或颗粒物质结合在一起的,,。磷等营养物质如果不经过处理就直接排出很可能造氮沉积于生物膜表面得到去除,。,成水体的二次污染如富营养化在水体营养物质污研究表明污水中的无机氮可作为植物生长过程中染控制中,人们研究采用生物处理法,如活性污泥法、不可缺少的物质而直接被植物摄取,并合成植物蛋白质,,生物膜法和稳定塘法去除氮磷但这些传统方法存在等有机氮通过植物的收割可使之从污水和湿地系统中、、。或伴有污泥产生反应启动慢出水水质不稳定等问去除画挺水植物是构建人工湿地植被系统的主要类题川。而人工湿地处理系统作为一种污水生态处理技型植物,挺水植物不仅具有同化吸收污染物的功能,还,、,、,,术不但对有机物悬浮物有很好的处理效果对氮磷有拦截过滤污染物的作用选择生物量大吸收同化富,,,等营养物质也有很大的去除潜力在许多地方已经得集污染物能力强的挺水植物是构建人工湿地提高人。到了广泛的应用。工湿地使用效果和延长其使用寿命的重要措施,,氮的去除氨是一种挥发性气体一般情况下时、。。,〕人工湿地氮主要通过微生物的氨化硝化与反硝的挥发可以忽略在人工湿地中有一部分氨,,、、,化作用植物的吸收和挥发作用基质的吸附过滤沉氮通过挥发从湿地中去除特别是在自由表面流人工。,淀等途径去除不同类型的湿地其脱氮的机理有所侧湿地中夏季藻类的光合作用使得湿地内表面水体的,。,。重脱氮效率也相差较大值升高氨氮的挥发去除作用越发明显经过微生物的氨化、硝化和反硝化过程最终变成磷的去除。,气态氮从湿地中去除是氮的主要去除途径其基本条关于湿地除磷机理目前还没有完全弄清楚大多,、、件是存在大量的氨化菌、硝化菌、反硝化菌和适当的湿数学者持同一看法即填料的吸附化学作用植物和、、地土壤环境条件闭。人工湿地作为一个独立的生态系藻类吸收与有机物结合微生物的正常同化和过量积,,累等其中填料对磷的吸附被认为是最有效的统可以在其内部自然形成几个溶氧条件不同的微环。,〔‘’〕境例如在充氧的水表面或者植物根际的输氧造成根机制,,,基质对磷素的吸附主要为化学吸附即可溶性磷际区好氧微环境而非根际区形成厌氧的基质层这样、、、,,,与基质中的和土壤颗粒吸附络合形成难同一个系统内部硝化菌和反硝化菌共存可以同时进。,溶性物质沉淀去除习但湿地填料的吸附和沉淀作行好氧的硝化作用和厌氧的反硝化作用而不需要像其用属有限过程。磷的静态吸附实验表明,填料对磷的他生物反应器那样严格区分控制好氧和厌氧个过,。。,程因而具有高效的除氮能力川氮在废水中以种吸附是非常有限的填料对磷吸附饱和前湿地对生形态存在有机氮、氨态氮、硝态氮和亚硝态氮。这几活污水中的磷具有良好的去除效果填料达到吸附饱,,‘。,和点后系统的除磷效果较差需更换填料或再生,种氮素在人工湿地会发生转化有机氮在氨化菌的氨、,通过添加化学絮凝剂沉淀剂能显著提高基质净化磷化作用下转变为氨氮氨氮在硝化菌的消化作用下转。、,素巨’二变为亚硝酸氮硝酸氮硝酸氮在反硝化菌的反硝化作的能力、,用下转变为亚硝酸氮最后变为从湿地中去如同无机氮一样无机磷也是植物必需的营养元。,,,除困有研究表明人工湿地进水氮的主要形态为硝素废水中有机磷在微生物作用下分解氧化为无机磷,无机磷在植物吸收及同化作用下可转化成植物的酸盐氮时硝酸盐氮在人工湿地内的主要去除途径为、、,,,等有机成分然后通过植物的收割直接反硝化过程进水氮的主要形态为氨氮时氨氮在、、。人工湿地内主要去除途径为植物吸收吸附和硝化氨而移去也是人工湿地去除磷素的途径之一和人工湿。,,化过程川这是由于系统中整体厌氧不能提供良好地基质砂子吸附的磷素相比短期内虽然植被系统吸,,一收同化的磷素比例较低但是在人工湿地长期运行过的硝化作用环境条件硝化反硝化脱氮的途径不畅,,,不程中植被在磷素的净化方面仍然起着重要的作用在通能产生大量反硝化作用底物亚硝酸盐和硝。,〔〕。—〔‘〕酸盐为反硝化作用打下基础一定程度上可以延长湿地基质的使用期限©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.netn第期钟成华,等人、磷去除机理研究工湿地废水处理中氮植物氮磷去除的影响因素,许多研究显示植物能增强人工湿地对氮磷的去基质除效果,不同植物对氮磷的去除效果也不一样。张甲,不同的填料因其成分的不同对磷吸附能力的不耀等叫在研究潜流式人工湿地系统中的植物净化能力,,,同直接影响到其所构建人工湿地的除磷效果因此很时发现有植物系统对总氮的净化能力高于无植物系,,,多学者致力于不同吸附容量的渗滤介质对磷的去除的统且芦苇湿地系统最高菱白湿地系统次之穿心莲研究。子草湿地系统最差。李旭东等人发现在处理暴雨径流,,,李旭东等人对三种不同填料进行了磷的等温吸附氮磷方面菱草床效果最好芦苇床其次空白床最,、、“一。,、〕试验发现沸石砾石土壤对的最大吸附量分差哪张鸿等的研究表明在种植水芹凤眼莲的湿、、,,别为。依次相差一个数量地中硝化和反硝化细菌数量均高于没有植物的湿。。、〕地〕级少崔理华等人用煤灰渣人工土填料替代人工土袁东海等人研究了石营蒲灯心草和蝴蝶花,基质填充垂直流人工湿地柱对化粪池出水中总磷的种不同植被系统和无植被系统潜流型人工湿地净化生一一。,〕去除率从到袁东海等人研究活污水总氮和总磷的效果发现随着污水中总氮浓度了砂子、沸石、蛙石、黄褐土、下蜀黄土、粉煤灰和矿渣的增加,虽然四种系统的去除总氮的效果均有下降的,,种人工湿地基质材料净化污水磷素的机理结果表趋势但有植被的人工湿地仍然能维持较高的总氮去,、,、,明矿渣粉煤灰有很好的磷素去除效果蛙石黄褐土除水平无植被的人工湿地总氮去除效果则下降,。‘。」和下蜀黄土次之沸石和砂子的去除效果较差因较快,,,。此在构建人工湿地的时候应选择基质吸附磷素数量人工湿地中植物对氮磷的去除包括两方面一,,、,较多转化为难溶性磷素比例较大的基质以提高人工是植物本身直接吸收同化含氮磷化合物二是其根系。、,湿地污染物净化容量分泌物可促进某些嗜磷氮细菌的生长提高整个湿地。,、、,人工湿地基质净化磷素的机理主要为化学机理袁生态系统微生物数量促进氮磷释放转化从而间接。,基质、一提高净化率’口东海等人研究发现吸附的磷素转化为山一、、、,一的含量同基质的含量呈极显著的幂函等人指出湿地植物吸收营养物的能力与,、、,,数关系并和基质中钙铁铝的形态有关表现为基质全植物的根系深度及生活形态相关那些根系易暴露于钙、氧化钙、水溶性钙、游离氧化铁、铝和胶体氧化铁、铝的污水中的植物比根系深但分布于基质中的植物具有更,、、口。含量越高其固定形成的磷酸钙盐磷酸铁盐磷酸铝盐越好的吸收能力,。,,〕多基质净化磷素的能力越强其它一些学者也认为在处理轻度富营养化水的人工湿地中植物吸收,,。富含钙和铁铝质的基质净化污水中磷素能力较强而硅对氮磷的去除起主要作用蒋跃平等人研究的种。〕质含量较高的基质净化能力较差植物平均氮磷积累量对去除轻度富营养化水中氮磷的,,填料对磷的吸附量随吸附时间的延长而增大但贡献率分别为和美人蕉具有最高的。、填料对氮磷的吸附容量也是有限的和积累量营蒲具有最高的积累量。,,呻〕植物的氮磷积累量主要集中在植物的地上的研究表明在美国多数除磷填料湿地在运,一,,,行初期磷去除率达以上但运行后由于磷部通过定期收割等措施植被系统能延长人工湿地的,,。,在系统内的积累使磷去除率急剧下降甚至会发生使用年限提高其使用价值的人研究发现。,〕的解吸对于轻度氮磷负荷的人工湿地处理系统在植物的生,,,而基质对氮的吸附不如对磷的吸附那么明显只占长阶段收割可以占人工湿地氮总去除量的。,。〕〕总氮去除的一小部分卿而且在某些系统中由于被在重度氮磷负荷的处理系统中只有其,填料截留的含氮有机物在湿地床底的厌氧环境下发生它很多人也发现在重度富营养化水体中植物吸收在,。。,」皿分解可能使出水的氨氮浓度不降反增脚人工湿地氮磷的去除中起的作用很小这时候植不同的基质具有不同的孔隙度、复氧能力、氮磷去物促进硝化反硝化进程,间接增强氮磷去除的作用更,、。除能力因此根据污水中的污染物的种类特征可以选为重要取不同的基质或采取几种基质的组合成为趋势。比湿地水生植物有光照的叶、茎结构光合作用释放,,,,如沸石对氮的吸附能力强而石灰石作为基质可以有对水流充氧促进有机氮的好氧氨氧化以及氨氮,,、,效地去除那么采用沸石一石灰石组合的基质就能的硝化无光照的茎叶及根系层呼吸作用较强吸收很好的去除、。并释放,使周围形成厌氧缺氧环境,促进附着©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.netn重庆建筑大学学报第卷生物膜中的硝化反硝化等脱氮过程同时使得植物呼时对应的总氮去除率也高。有研究发现,温度降低对吸过程释放的与土壤及介质中钙离子结合形成水芹湿地几乎没有影响而凤眼莲和对照湿地则随温度,。‘习。,碳酸钙与磷形成共沉淀去除下降而下降因为低温对凤眼莲生理活性具有很大负‘。〔微生物面影响,、微生物是氮循环的驱动泵水体氮循环需要氨化温度变化还直接影响的氨化硝化与反硝化过、、,。〕细菌亚硝化细菌硝化细菌和反硝化细菌的共同作用程从而影响人工湿地对的去除咖低温下微生物。,,,来完成研究发现在人工湿地中水中各菌群数量均基质酶的活性将受到抑制导致酶促反应速度很慢进,〕。,比基质中低一个数量级说明基质为细菌的生存提供而影响到硝化和含氮有机物的降解反之在较高,,,了有利条件而有植物的湿地与对照相比菌落数量显温度下植物叶面和根部的代谢活动得到了加强局部,。,二著增多说明植物的存在也有利于细菌的繁殖进微生物的代谢活动也增强故提高了对一和一步的研究发现,硝化菌数量与硝化作用强度、反硝化的去除率。,菌数量与反硝化作用强度均呈显著的直线相关温度对湿地系统的磷净化效率有影响可能是因。、,〕关系为温度降低导致植物微生物生理活性降低且温度降,,,’。巨〕从生化角度看硝化和反硝化反应相互对立前者低导致水的粘度增大使含磷化合物沉淀变慢,将氨氧化为硝态氮需在有氧条件下进行后者只有在厌氧条件下,反硝化细菌才能把硝态氮还原为氮气。对氮磷的硝化反硝化及生物的吸收同化具由于湿地系统内部,特别是非根际区域经常处于厌氧有很大的影响。湿地中浓度的高低和硝化率的大,。,状态限制了硝化菌的增长和硝化反应的发生加上小相对应这说明浓度越大则越有利于硝化经分,。一析硝化菌活性低易受游离氨抑制抑制浓度原因是植物根系附近浓度的提高可有效增强根,、,,生物脱氮这一多步骤的生物催化反应受氨氮系微生物的代谢能力使硝化菌的呼吸活动加强对有、,,,。〔〕溶解氧有机碳等因素的影响限制硝化过程进而限机物的降解起到了促进作用因而提高了硝化率。,,制了脱氮效率因此研究开发硝化细菌的快速富集为提高人工湿地中的我们可以通过优化设,,,、、、培养技术提高硝化细菌的产率对氨氮污染水体处理计改善系统充氧能力如曝气分段进水多点布水出。,,。二具有重要作用水循环改善基质状况增加植物密度田水力负荷,前景展望研究发现潜流湿地总氮的出水负荷与人水负荷,、、具有明显的线性相关关系出水负荷随人水负荷的增人工湿地是一个涉及生物学水力学水文学和水,〕。,、、加而增加当达到最大值后又逐渐下降单位面积化学的复杂生态系统它在处理工业污水农业废水的去除率与人水负荷近似地服从关系式,在低垃圾场渗滤液、城市暴雨径流或富营养化湖水等不洁,,。,负荷时系统运行稳定去除率随人水负荷增加而增加水体发面发挥了巨大的作用可以肯定地说湿地技,,高负荷时系统去除率变化波动较大同时出水水质也术将会越来越受到人们的重视并得到越来越广的应。。,,不稳定用然而我们也应看到湿地处理污水技术并非尽善经分析这是因为当水力负荷过小时污水在湿地尽美,还有很多问题尚未完全弄清或有待进一步研究。系统内,的较长易使系统处于厌氧状态而抑制为了更好地采用人工湿地处理废水中的氮磷等营养物,微生物的呼吸作用和硝化菌的硝化作用水力负荷过质笔者认为今后需深人开展以下方面的工作,大则导致过短无法满足微生物降解有机物所由于人工湿地去除氮磷等营养物质所涉及机理,一未,,需时间和硝化菌生长世代时间的要求的复杂性虽然有些机理研究已经得到初步的认可但,。得到充分硝化即被带出系统并且可能导致部分硝化是仍有许多问题需要进一步研究如对基质磷素吸附,。,」菌也随水流流出系统从而使去除率下降田后的磷素形态转化和释放特征研究较少缺乏其使用去除效果与水力负荷和垂直流湿地运行时间安全性能的评价。各种污染物的去除反应动力学模型,,,。,有关水力负荷越大运行时间越长去除效率越低仍未完整地建立起来现有的模型基本为一些经验模从长远来看,采用垂直流湿地处理生活污水不宜采用型而无法得到广泛的应用。‘。,〔〕比太大的水力负荷应对氮磷去除的影响因素作深人分析如处温度理系统中的溶解氧、酶、氧化还原电位、电子受体的监,,、、、、、温度对去除率有较大影响一般来说温度高测等光照气流水位气温气候浓度等环境因©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.netn,等人、磷去除机理研究第期钟成华工湿地废水处理中氮。〔昭,,一素对湿地中氮磷去除影响的报告也较少,研发、利用新型的填料使氮磷得到更持久更有〕于淑芳杨力石灰性土壤分布及转化特征的研究乡,,一效的去除培养、选择合适的耐受植物在干旱、严寒、高土壤学报一,盐、有毒环境下利用。开发一些新工艺和组合工艺,如、、一〔〕折流式潜流人工湿地回流式人工湿地,,一、一,联用联用等提高人工湿地系统的综合,,〕效益,扩大运用范围。〕,大力开发人工湿地污水处理技术对我国水环境,,一,,污染的治理具有重大的意义在我国势必具有广阔的仁〕发展前景,〔〕,参考文献,一,,,而〔〕,,〔〕战卯司厂〕段呀,,一,,一龚,田光明,丁哗,,,琴红等垂直流湿地对生活污水中磷〕美废的去除效果研究〕农业环境科学学报,,,改编水生物处理第二版和扩充张悉辉等译北一京化学,,一工业出版社一,兮,,,董春宏,李峰,「习刘超翔民等潜流式人工湿地污水处理系统硝化能,,一力研究环境科学〔〕,仓,,,元而盼,,一〔〕,,〕曰反,,一〕,,一仁〕,,,仁〕胡,,氏,仁〕如】硒汽,〔,〕眼飞,吴振斌,陶普,等复合」贺锋垂直流人工湿地污水处理系,一,,一统硝化与反硝化作用仁〕环境科学袁东海,高,,士祥任全进等几种挺水植物净化生活污,介,,水,,总氮和总磷效果的研究〕水土保持学报一,,〔,,介,一,周琪人〔〕陈秀荣工湿地脱氮除磷特性研究环境污染与防治,,一,即兀眼,,一仁〕〔〕李旭东,周琪,张荣社,等三种人工湿地脱氮除磷效果,,一,,一比较研究〔〕地学前缘特刊,,,〕张甲耀夏盛林邱克明等潜流型人工湿地污水处理系一,,,兮统氮去除及氮转化细菌的研究【环境科学学报,,一〔」,,,,,一,朱夕珍,,等垂直「崔理华骆世明流人工湿地系统对污邓介水磷,,的净化效果【〕环境污染治理技术与设备,,〕段一一一,一,一,卜〔〕©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.netn重庆建筑大学学报第卷一山比,,一〔〕,从袁东海,景丽洁,高,〔〕士样等几神人工湿地基质净化磷〔〕素,,一,,一一污染性能的分析〔〕环境科学,,一,,氏兮时范〕杨敦周琪人工湿地脱氮技术的机理及应用〔〕中国,,一八刀目叮给水排水司〕访比段沈,,一〔,,,,,一〕袁东海景丽洁张孟群等几种人工湿地基质净化磷,,一〔,,,素的机理〔〕中国环境科学心,一,,。〔〕〕,,一,,一,,,,,,张荣社李广贺周琪等潜流人工湿地尔荷变化对脱氮效,。价一果的影响研究〔〕环境科学。〕,,兮,,,一一口曰,山二门一,〕,「〕,,一〕,,,,,一八也妇介,,一,刃〔〕〕,,,曰以自〕飞,,,记〔〕李旭东李广贺张旭等沸石床处理农田暴雨径流氮曰,,己逝」而,磷中试研究〔环境污染治理技术与设备一,一,,,,,一,〕,,〔〕,,一,衣,,,、,王世和,,〔」张鸿陈光荣吴振斌等两种人工湿地中氮磷净化率〕锥维国黄娟等潜流型人工湿地低温域脱氮效,,一与细菌分布关系的初步研究【〕华中师范大学学报自果研究〔〕中国给水排水,,一,,,然科学版,『,,,,,一〕〕吴振斌,徐光来,周培疆,等复合垂直流人工湿地污水,,,,一氮的去除效果研究〔」农业环境科学学报〔〕卯一·,一份,苗」,,,一,葛,岳春雷,吧〕〔〕蒋跃平澄等人工湿地植物对观赏水中氮磷,,一们叮,,一去除的贡献〕生态学报份,,介,编辉陈蓉玄〕,,©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net