人工湿地去除污水中磷的影响因素分析

李巧霞

河南可人科技有限公司（450000）

人工湿地去除污水中磷的影响因素分析

李巧霞

河南可人科技有限公司（450000）

随着人工湿地污水处理技术的不断发展，人工湿地越来越多地应用到城镇生活污水，农业、养殖业、食品、矿山等工农业废水的处理，湖泊水体富营养化问题的治理等污水处理领域，人工湿地由于自身运行成本低、方便维护和去污效果好的优势，其在污水处理方面的应用也越来越广泛。文章阐述了人工湿地除磷机理，对人工湿地除磷效果的可能外部影响因素进行了分析，并提出提高除磷效果的建议。

人工湿地；除磷；效果

人工湿地技术是一种目前国际上较多采用的处理污水的工艺，其投资和日常运行费用不足常规二级污水处理厂的1/2和1/3，其出水水质可达到或超过二级污水处理水平。与传统的污水处理法相比，它具有操作、维护简单等优点，适用面更广。人工湿地除磷，具有投资少，运行维护方便，经过优化后处理效果好等特点，在保护水环境，以及进行有效的生态恢复等方面均具有十分重大的意义。

人工湿地除磷技术是一种廉价有效的污水处理技术，它是在一般人工湿地系统的基础上，通过人为控制措施优化系统，达到以除磷为主要目标的废水除磷技术。其优点是：效率高、投资少、耗能低、操作简单、设置灵活、维护和运行费用低廉，可作为传统的污水除磷技术的一种有效替代方案，对于节省资金，保护水环境以及进行有效的生态恢复具有十分重要的现实意义。

1　人工湿地除磷机理

污水中含有无机磷和有机磷，但经微生物氧化后，多以无机磷形式存在。天然湿地中，通过泥炭沉积可使磷得到长期存储。但在潜流人工湿地中介质吸收、基质吸附是主要的除磷机理。

湿地对磷的去除能力与土壤类型有关。溶解性无机磷可以与土壤中铝、铁、钙盐（其中钙对磷吸附效果最好）发生吸附、沉淀反应而被矿物稳定下来。因此，主要由矿物土壤和高铝含量土壤构成的湿地较由高含量有机物构成的湿地除磷能力强。在湿地系统中吸附和沉淀的磷并非永久性去除，如果溶解性磷的浓度减少，譬如在植物吸附或稀释情况下，这些磷就会溶解并释放。因此矿物性的土壤实际上是作为缓冲器来控制磷的浓度。

总之，湿地去除磷的主要机理为土壤或颗粒介质的吸附、植物吸收和沉淀储存。人工湿地系统对磷的去除主要是通过微生物的积累、植物的吸收和填料床的物理化学等几方面的协调作用共同完成的。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为ATP、DNA 和RNA等有机成分，可通过植物收割而将磷从系统中去除；另一方面，通过微生物对磷的正常同化吸收（将磷作为微生物体必需成分C60H870-3N12P，而供微生物生长之需）以及湿地基质的吸附，聚磷菌对磷的过量积累，从而可以通过对湿地床的定期更换而将其从系统中去除。除此之外，温度、pH值等外界因素也影响系统中磷的去除。所以，人工湿地处理系统要达到高的磷去除率，应该综合考虑外在的和内部的影响因素，以实现系统除磷的目标。

湿地的填充材料主要包括砾石、砖渣、炉渣、粉煤灰等，通过床体填充材料的选择可以达到除磷的目的。湿地对磷的吸附能力取决于两个因素：吸附位（正比于介质颗粒的表面积）和pH值。在含大量钙的碱性湿地以及含高浓度铝和铁的酸性湿地对磷的吸附能力最强，磷通过与这些金属反应而沉淀下来。例如在高pH值下，钙与溶解性磷发生反应生成磷酸钙而从溶液中析出。

磷的吸附能力与水力传导率和表面积有关。欲获得大的水力传导率，需避免发生堵塞，堵塞将导致介质表面积缩小，进而磷吸收能力下降。例如作为湿地介质的土壤可以去除98%的磷，但由于水力传导率低而易于堵塞。砂石水力传导率较大，但对磷的去除能力很低，低至20%，但富铁砾石除磷高达90%。

2　人工湿地除磷效果的可能外部影响因素

人工湿地生态系统净化废水主要是通过湿地环境中所发生的物理、化学和生物作用的综合效应，包括沉淀、吸附、过滤、溶解、气化、固定化、离子交换、络合反应、硝基化、反硝基化、营养元素的摄取、生物转化，以及细菌、真菌的异化作用等过程，而除磷主要是靠基质的吸附作用，伴随着土壤的沉积作用以及微生物的降解。可能影响人工湿地除磷效果的外部因素主要包括进水水力负荷、pH值、溶解氧、季节和温度、进水方式以及进水磷负荷。

2.1进水水力负荷

湿地系统中的磷主要是通过微生物及植物的吸收以及填料的物理化学作用去除的，水力负荷过低，易造成湿地系统厌氧，微生物原先在好氧环境下过量吸收的磷又重新释放，致使TP去除率下降；而水力负荷过大时，污水的流速过大，对填料的冲击也使原先被吸附在填料或植物根茎表面的磷冲出系统，造成TP去除率下降。特别在湿地的启动期间，应采用适当的进水水力负荷，以保证系统中微生物的正常生长、挂膜。

2.2pH值

由于污水中磷素的去除主要是靠填料的物理化学作用，磷的去除与介质的酸碱环境有关。这主要和填料内的金属离子有关，一般认为其中Ca2+易于在碱性或酸性环境条件下发生反应，而与A13+、Fe2+主要是在中性或酸性环境条件下发生反应。污水在经过湿地系统时，会引起系统的pH值的变化，过长的水力停留时间会导致系统的pH值的降低。最好控制pH值在6～8，偏碱性为佳。

2.3溶解氧

溶解氧直接决定湿地内部的氧化还原条件。厌氧条件通常与湿地中磷的释放有关，而好氧条件与湿地中磷浓度的降低有关。厌氧条件下土壤中的Fe （III）被还原成Fe（II），使铁磷化合物的溶解度增加，从而导致磷的释放。有研究表明，当土壤间隙水中的磷浓度＜4mg/L时，各种pH水平下的厌氧土壤将会释放磷。好氧条件下Fe（II）被氧化成Fe（III）形成铁磷化合物沉淀。在铁的氧化过程中，当间隙水中存在有机质、磷酸根和硅酸根离子时，能促进磷的沉淀。人工湿地内部通常是厌氧的，溶解氧浓度随水质的波动而变化。当植物根系输送的氧量超过植物代谢需求，那么在邻近根部的区域也存在游离氧，在植物根茎周围存在好氧条件。除了在冬眠期，植物都可向根部输送氧。为提高湿地内部的氧浓度，需要对废水进行预处理，以降低有机物质对氧的需求，使得根区的游离氧更能有效地用于磷的去除。

湿地环境对很多微生物来说是一种严酷的逆境，最严酷的是条件是湿地基质中缺氧。在缺氧条件下，生物不能进行正常的有氧呼吸，还原态的某些元素和有机物浓度可达到有毒的水平。人工湿地中有机磷好氧分解所消耗的氧气主要来自大气自然复氧和湿地植物供氧。溶氧水平越高，越有利于磷的降解和微生物对磷的吸收利用。厌氧吸收阶段，应保持严格的厌氧环境；而对于后面的好氧分解阶段，溶解氧至少控制在2.0mg/L。

2.4季节和温度

表面流人工湿地除磷效果受季节和温度影响较大。一般在春、秋季节的去除率较高，而在冬季温度较低时去除率低。这与冬季植物枯萎、停止生长有关。雒维国等学者研究发现，污水中各种形态磷的去除率变化趋势与气温的变化趋势是一致的，两者在冬季同时降到最低点，在春夏季节则有较大幅度上升。温度影响人工湿地除磷效果的研究多集中在冬季。潜流式人工湿地冬季运行条件下废水的最低温度有0.9℃、1.2℃和1.47℃。尽管水温接近冰点，但一些研究表明低温对磷去除的影响不显著。但低温会导致湿地设备和水的冰冻，不利于系统的正常运行，因而需要进行隔温保护，使得植物根部水温和周围土壤的热量能通过与外部环境的隔绝得以保持。关键是可以考虑种植一些越冬植物，譬如冬小麦、冻菠菜等。

2.5进水方式

不同的进水方式对除磷效果的影响是不同的，潜流式人工湿地的进水方式一般分为水平流和垂直流。水平流方式进水对BOD、COD、SS、重金属等污染指标的去除效果好且很少有恶臭和孳生蚊蝇现象，但是控制相对复杂，脱氮、除磷的效果不佳。垂直流方式进水其硝化能力高于水平潜流湿地，可用于处理氨氮含量较高的污水，有利于氮磷的去除，但对有机物的去除不如前者。不过，根系及其他生物释放磷酸酶等物质抑制磷酸盐与其他离子络合。因此，在植物和基质两方面因素作用下，TP较多地在上行植物床中去除。一般对于除磷来讲垂直流要优于水平流，但综合考虑到有机物的去除，可以用改进的水平流（填料分段）来同时达到脱氮除磷以及去除有机物的效果。

2.6进水磷负荷

废水进水中磷负荷对湿地中磷的吸附和沉淀过程都有影响。研究表明，在达到吸附，沉淀平衡之前，高浓度的含磷废水能导致磷的去除，而低浓度的进水则导致土壤中磷的释放。对于吸附过程，这取决于进水和土壤间隙水中磷的浓度梯度。当进水中磷的浓度低于土壤间隙水中磷的浓度时，由于存在负浓度梯度，废水中的磷便不能扩散到土壤微孔表面从而被吸附。对于沉淀过程，则取决于土壤间隙水中磷化合物的溶解，沉淀平衡。当进水中磷酸根离子的浓度大大超过与其反应的金属离子的浓度时，可促进磷化合物的沉淀，从而增加对磷的去除。然而高磷浓度的进水容易导致基质过快达到吸附饱和，从而缩短湿地使用的年限，因而在实际应用中应尽量降低废水磷负荷。要保持较好的除磷效果，一般进水磷负荷限制在5～15mg/L，若大于50 mg/L时磷去除效果极差。

3　建议

考虑到人工湿地中基质去磷的机理，建议在出水段设水泵将一部分水来回流从而降低进水的磷负荷。

人工湿地的设计可以结合A/O工艺或A2/O同时脱氮除磷，一方面可以进行分段种植植物，前段种植密集的挺水植物，中后段可以种植稀疏的植物，另一方面也可以利用不同的基质来同时脱氮除磷，相当于结合水平流和垂直流两种进水方式来处理废水。我们同样可以从加强上层基质的除磷能力着手，因为更换上层基质较为方便。由于微生物大部分生长在上层基质中，通过选择根系发达的植物，湿地适当的干湿交替处理，改变布水方式等创造植物根部周围良好的好氧环境，提高磷细菌的代谢活性来加快磷酸盐的转变速度，同时，提高上层基质中的A13+，Fe3+，Ca2+浓度，即通过加强微生物和上层基质的协同除磷作用，使总磷尽可能多的在上层基质中去除（在可承受的经济范围能可行）。

考虑到进水磷负荷较高，应该对进水进行预处理，可以采用混凝的方法来使一部分磷酸盐发生凝聚沉淀而得到去除。而且在填料床方面建议在前段铺填碎石来均匀布水，在填料床尾段也铺填碎石来降低出水的浊度。

［1］尹军，崔玉波.人工湿地污水处理技术［M］.2006，北京：化学工业出版社.

［2］熊国祥，罗建中，冯爱坤.人工湿地中磷的行为及其去除方法研究［J］.环境科学与管理，2006，31（9）：116-118.