人工湿地净化污水机理的研究现状分析

符东+王成端+廖义+黄勇+付馨烈

作者简介：符东（1992—），男，四川巴中人,四川理工学院材料与化学工程学院硕士研究生。中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：16749944(2014)05018704

1引言

随着社会进步和人们生活水平的不断提高,人们对自然环境造成的污染越来越严重,自然界所承受的压力也越来越大。据报道2012年全国废水排放总量为684.6亿t,化学需要量排放总量为2423.7万t,氨氮排放总量为253.6万t。并且在198个城市4929个地下水监测点位中,良好-较好水质监测点比例为42.7%,较差-极差水质监测点比例为57.3%。

由于传统的化学方法处理污水成本较高,而且容易造成二次污染,因此寻找一种高效低耗、安全环保的废水处理方法已迫在眉睫。人工湿地(constructed wetland)是20世纪70年代发展起来的一种建设成本低、运行维护费用少的废水处理技术［1］,在处理乡镇、城市小区、机场和码头等分散式污水方面综合效果明显。人工湿地投资费用一般是二级生物处理的1/4~1/3,运行费用为二级生物处理的1/6~1/5,人工湿地出水的BOD5、SS等明显优于二级生物处理出水,可与废水三级处理相媲美。人工湿地经过一个多世纪的发展,研究者发现人工湿地系统对有机物、氮和磷有较高的去除率,但针对不同类型的污水,人工湿地的去污机理也会有所不同。人工湿地是由人工制造具有与湿地类似作用的污水处理生态系统,主要由基质、植物和微生物组成,其去除污染物主要通过这三者相互作用并综合利用物理、化学和生物作用实现。

2人工湿地对有机物的去除机理

人工湿地的显著特点之一是具有较强的有机物去除能力。湿地中有机物的去除主要是通过好氧降解和厌氧降解来完成,湿地系统中的植物组织可以吸收部分污染物［2］。谢龙等人［3］研究表明植物对有机物的去除有促进作用,但是影响不大。废水中大部分有机物最终被微生物转化为微生物体内细胞物质及CO2和H2O［4］,反应式如下。

好氧呼吸:C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O,

无氧呼吸:C6H12O6+NO-3→6CO2+6H2O+2N2。

有数据表明［5~7］:在进水浓度较低时,人工湿地对BOD5的去除率在85%~95%之间,对CODcr的去除率可达80%以上,且进水方式不同对CODcr的去除率也有影响,一般情况下间歇流比连续流人工湿地的去除率高。目前研究表明［8］:人工湿地的堵塞的主要原因之一就是有机物的积累,而且在人工湿地中基质间积累的有机物主要是不溶性有机物。有文献表明［9］,采取人工湿地与活性污泥串联和采用回流工艺强化人工湿地对生活污水中的有机物的去除效果有较明显的提高。由于人工湿地处理工业废水的实例还很少,目前都主要集中在应用人工湿地处理含金属离子、BOD5、CODcr和油的工业废水［10］,并且系统的处理效果没有处理生活污水的效果明显。人工湿地在去除有机物时受到很多因素的影响,不同污水的BOD5和CODcr去除率如表1［9,11~13］。

表1不同污水的的有机物去除率比较

处理条件及污水种类COD去除率/%BOD去除率/%研究者强化人工湿地、生活污水87.4094.80梁邦强化工废水60.3044.80杨春生仿生强化工艺、造纸废水8589.80王丽养殖污水62.60/丁雷

从表1可以看出,人工湿地在处理非生活污水时,效果不是太好,特别是化工废水时,BOD的去除率很低。目前,人工湿地处理化工废水的技术还不太成熟,因此人工湿地主要处理的是生活污水。

3人工湿地系统的脱氮机理

人工湿地中氮有两种存在形式:无机氮和有机氮。由于污水中氨氮浓度的变化,因此人工湿地对氨氮的去除差异比较大。一般人工湿地去除废水中的氮主要是通过3种方式实现:微生物的氨化、硝化和反硝化作用、植物的吸收和氨气的挥发。

3.1微生物脱氮

国内外一些学者［14~17］指出:硝化/反硝化作用是最主要的氮去除机理,占湿地氮去除总量的60%~86%。硝化作用在好氧环境下由自养型好氧微生物完成,包括两个步骤:第一步由亚硝酸菌将NH+4-N转化为NO-2;第二步则由硝酸菌将NO-2进一步氧化为NO-3。反硝化作用在厌氧、缺氧条件下进行。在反硝化过程中,厌氧异氧菌可以降解有机物,而且是反硝化作用中的要素［18］。反硝化菌利用NO-3中的氧进行呼吸,氧化分解有机物,将NO-3还原为N2、N2O,并从系统中逸出。硝化作用只改变氮的形式(将NH+4-N转化为NO2-N和NO-3-N),反硝化作用才可使氮以N2和N2O的形式从湿地系统中根本去除。由于人工湿地中污水表面的复氧作用和植物向根系的输氧作用,在污水中形成了无数有氧-缺氧-厌氧的微环境,使得硝化菌和反硝化菌在人工湿地中同时作用,因而具有高效的处理能力［19］。氨化是氨化细菌将有机氮转化为氨氮的过程,氨化过程在好氧和厌氧的环境中都能发生,具体反应机理如下。

硝化:NH+4+1.5O2→NO-2+2H++H2O

NO-2+0.5O2→NO-3。

反硝化:6NO-3+5CH3OH→5CO2+3N2+7H2O+6OH-。

氨化:RCH(NH2)COOH+O2→RCOOH+CO2+NH3。

3.2植物的吸收

植物将废水中的氮作为营养物质吸入组织,同时植物的吸收和植物的存在有利于硝化作用［20,21］。近年来一些研究学者［22~24］指出:湿地植物对植物摄取氮的潜在速度受其净生长量和植物组织中氮浓度的限制,氮储存取决于植物组织氮浓度和最终生物量积累潜力,湿地植物组织的氮浓度和储存量受植物类型、组织类型、进水浓度和季节的影响。所以,人工湿地比传统活性污泥处理系统具有更强的除氮能力［25］。水中的无机氮可以作为植物的营养物质直接被吸收,最终通过收割植物而去除,但这一部分仅占总氮量的8%~16%,因而不是主要的脱氮过程［26］。

3.3氨气的挥发

氨的挥发和湿地系统的pH值有很大关系,仅当pH值>8时,氨挥发较为显著,而一般情况下人工湿地的pH值为7.5~8之间［27］,因此通过湿地地面挥发的氨氮可以忽略不计。近年来,关于植物叶片挥发氨的研究越来越受到研究者的注意,但目前它的具体机理还不清楚。

3.4厌氧氨氧化反应

厌氧氨氧化反应(Anammox)是一种比较新颖的脱氮方式,厌氧氨氧化菌的发现为脱氮提供了新的途径［28］。它是在厌氧的条件下通过厌氧氨氧化菌细胞中的一些功能酶将亚硝酸盐还原为N2并同时产生能量供湿地系统中的细菌生长［29］。厌氧氨氧化反应大大缩短了湿地系统中的脱氮时间。

厌氧氨氧化反应:NH+4+NO-2→N2+2H2O。

4湿地系统的脱磷机理

人工湿地的脱磷过程主要包括:土壤和基质的吸附、植物和微生物吸收［2,30］。污水中磷的主要形态有活性磷(正磷酸盐)和非活性磷(聚磷酸盐和有机磷等)［19］。

4.1基质吸附脱磷

湿地系统的除磷过程主要依赖于土壤和基质对磷的吸附作用［31,32］。选择合适的基质对人工湿地的脱磷有很大的影响,对基质可采用Langmuir吸附方程算出吸附量:

q=bQc1+bC。

其中q为单位质量吸附磷量,mg/kg;Q为最大磷吸附量,mg/kg;Cr为吸附平衡后溶液中磷的浓度,mg/L;b为自由结合能常数。

刘洋［33］通过研究表明人工湿地通常采用的土壤和砂石对磷的吸附量很小,而钢渣和炉渣对磷的吸附效果比较理想,两种基质对磷的去除率分别达到了99.8%和85.8%。同时湿地运行过程中,向水中加入一些明矾会使磷的去除率显著提高,主要是因为Al3+与PO3-4生成了AlPO4沉淀［34］。

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4.2植物和微生物的吸收

水生植物在人工湿地污水净化过程中起着十分重要的作用。水生植物的根系可以直接吸收和沉降污水中的氮磷等一些物质。水生植物重要的功能之一就是将氧气从上部输送至根部,从而在根区或根际形成一种特殊环境,这一环境能刺激有机物质的分解和硝化细菌的生长和微生物的同化吸收与聚磷菌的积累,达到去除污水中磷的目标［35］。

最近,曹雪莹［36］等人研究表明:人工湿地中,根表铁膜对磷的吸附效率远远超过了植物其他组织对磷的吸附效率,是人工湿地重要的磷积累部位,而且对于不同的植物,他们的磷累积量有较大的差别。蒋跃平等人［37］通过研究得出:菖蒲、紫露草、吉祥草、芦竹、菩提子、黑麦草、鸢尾和鸭跖草8种植物在人工湿地中有良好的生长能力并有较强的磷吸收能力。

5人工湿地处理污水能力的综合分析

根据目前的报道,人工湿地去除有机物的机理比较成熟,而在去除氮和磷方面还有些机理刚发展起来。例如,在脱氮过程中厌氧氨氧化反应过程是最近几十年刚发现的,厌氧氨氧化菌比硝化/反硝化菌能更快的脱氮,是一个比较快速的脱氮方式;而在脱磷的过程中基质的吸附量和选择基质有很大的关系。人工湿地在处理污水的效率较不稳定,影响因素较多。

5.1水力停留时间

由于植物吸收污水中的微生物分解有机物和氮等都需要一定的时间,所以停留时间应该适当的延长,最好应接近理论停留时间［38］。但是停留时间太长,就会造成厌氧的条件,这特别对氮的去除会有很大的影响。鄢璐等人通过研究发现［39］,湿地的水力停留时间为6d时,湿地污水中的氧条件最好,湿地的去除率最大。

5.2湿地植物

植物是湿地中重要组成部分,它既可以直接吸收一部分氮磷,在根区也可以形成根区效应,有利于氮的分解,另外植物要定期收割以降低污水中营养物质的含量［40］。

2014年5月绿色科技第5期5.3温度

人工湿地对污染物的净化主要是靠植物的吸收以及微生物的分解来完成,王世和等人［41］研究发现,季节变化对COD和氨氮的去除率影响较大,这是因为温度的降低使微生物的繁殖率和活性都会明显下降。微生物在20~40℃时活性最强、代谢速度最快。在土壤中反硝化最适宜的温度范围是10~30℃［42］。

5.4pH值

植物的光合作用和呼吸作用对水体的pH值有很大的影响。pH 对人工湿地微生物去除 N、P等营养物质有较大的影响。资料报道:在酸性和中性条件下,湿地植物根区附近可溶性正磷酸盐的化学沉淀作用就占主导作用［38］。

5.5湿地基质

基质作为人工湿地中植物和微生物的生长介质,是构成人工湿地的要素之一,基质对磷的吸附作用很大。基质脱磷受其自身化学特性、土壤 pH值、废水磷负荷、温度、溶解氧、竞争性离子、水力条件、运行方式等因素的影响［43］。不同的基质对磷的去除差异较大,所以根据污水的性质和来源,选择合适的基质十分重要。

6结语

人工湿地的去除效率受很多因素的影响,除了以上列举的外,还与污染物的浓度、进水方式和湿地类型等有关。人工湿地去除机理较复杂,整个过程是涉及到物理、化学、生物和植物等一系列的综合过程。植物、微生物和基质是人工湿地的基本框架,也是其三条主要的去污途径。目前人工湿地主要应用在处理生活污水上,但一些发达国家已经把目光转移到处理工业废水上了,我国目前这方面的研究报道还比较少,因此我国应对人工湿地在工业废水的去除机理做适当的研究。

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