人工濕地凈化污水機理的研究現狀分析

符東+王成端+廖義+黃勇+付馨烈

作者簡介：符東（1992—），男，四川巴中人,四川理工學院材料與化學工程學院碩士研究生。中圖分類號：X703文獻標識碼：A文章編號：16749944(2014)05018704

1引言

隨著社會進步和人們生活水平的不斷提高,人們對自然環境造成的污染越來越嚴重,自然界所承受的壓力也越來越大。據報道2012年全國廢水排放總量為684.6億t,化學需要量排放總量為2423.7萬t,氨氮排放總量為253.6萬t。并且在198個城市4929個地下水監測點位中,良好-較好水質監測點比例為42.7%,較差-極差水質監測點比例為57.3%。

由于傳統的化學方法處理污水成本較高,而且容易造成二次污染,因此尋找一種高效低耗、安全環保的廢水處理方法已迫在眉睫。人工濕地(constructed wetland)是20世紀70年代發展起來的一種建設成本低、運行維護費用少的廢水處理技術［1］,在處理鄉鎮、城市小區、機場和碼頭等分散式污水方面綜合效果明顯。人工濕地投資費用一般是二級生物處理的1/4~1/3,運行費用為二級生物處理的1/6~1/5,人工濕地出水的BOD5、SS等明顯優于二級生物處理出水,可與廢水三級處理相媲美。人工濕地經過一個多世紀的發展,研究者發現人工濕地系統對有機物、氮和磷有較高的去除率,但針對不同類型的污水,人工濕地的去污機理也會有所不同。人工濕地是由人工制造具有與濕地類似作用的污水處理生態系統,主要由基質、植物和微生物組成,其去除污染物主要通過這三者相互作用并綜合利用物理、化學和生物作用實現。

2人工濕地對有機物的去除機理

人工濕地的顯著特點之一是具有較強的有機物去除能力。濕地中有機物的去除主要是通過好氧降解和厭氧降解來完成,濕地系統中的植物組織可以吸收部分污染物［2］。謝龍等人［3］研究表明植物對有機物的去除有促進作用,但是影響不大。廢水中大部分有機物最終被微生物轉化為微生物體內細胞物質及CO2和H2O［4］,反應式如下。

好氧呼吸:C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O,

無氧呼吸:C6H12O6+NO-3→6CO2+6H2O+2N2。

有數據表明［5~7］:在進水濃度較低時,人工濕地對BOD5的去除率在85%~95%之間,對CODcr的去除率可達80%以上,且進水方式不同對CODcr的去除率也有影響,一般情況下間歇流比連續流人工濕地的去除率高。目前研究表明［8］:人工濕地的堵塞的主要原因之一就是有機物的積累,而且在人工濕地中基質間積累的有機物主要是不溶性有機物。有文獻表明［9］,采取人工濕地與活性污泥串聯和采用回流工藝強化人工濕地對生活污水中的有機物的去除效果有較明顯的提高。由于人工濕地處理工業廢水的實例還很少,目前都主要集中在應用人工濕地處理含金屬離子、BOD5、CODcr和油的工業廢水［10］,并且系統的處理效果沒有處理生活污水的效果明顯。人工濕地在去除有機物時受到很多因素的影響,不同污水的BOD5和CODcr去除率如表1［9,11~13］。

表1不同污水的的有機物去除率比較

處理條件及污水種類COD去除率/%BOD去除率/%研究者強化人工濕地、生活污水87.4094.80梁邦強化工廢水60.3044.80楊春生仿生強化工藝、造紙廢水8589.80王麗養殖污水62.60/丁雷

從表1可以看出,人工濕地在處理非生活污水時,效果不是太好,特別是化工廢水時,BOD的去除率很低。目前,人工濕地處理化工廢水的技術還不太成熟,因此人工濕地主要處理的是生活污水。

3人工濕地系統的脫氮機理

人工濕地中氮有兩種存在形式:無機氮和有機氮。由于污水中氨氮濃度的變化,因此人工濕地對氨氮的去除差異比較大。一般人工濕地去除廢水中的氮主要是通過3種方式實現:微生物的氨化、硝化和反硝化作用、植物的吸收和氨氣的揮發。

3.1微生物脫氮

國內外一些學者［14~17］指出:硝化/反硝化作用是最主要的氮去除機理,占濕地氮去除總量的60%~86%。硝化作用在好氧環境下由自養型好氧微生物完成,包括兩個步驟:第一步由亞硝酸菌將NH+4-N轉化為NO-2;第二步則由硝酸菌將NO-2進一步氧化為NO-3。反硝化作用在厭氧、缺氧條件下進行。在反硝化過程中,厭氧異氧菌可以降解有機物,而且是反硝化作用中的要素［18］。反硝化菌利用NO-3中的氧進行呼吸,氧化分解有機物,將NO-3還原為N2、N2O,并從系統中逸出。硝化作用只改變氮的形式(將NH+4-N轉化為NO2-N和NO-3-N),反硝化作用才可使氮以N2和N2O的形式從濕地系統中根本去除。由于人工濕地中污水表面的復氧作用和植物向根系的輸氧作用,在污水中形成了無數有氧-缺氧-厭氧的微環境,使得硝化菌和反硝化菌在人工濕地中同時作用,因而具有高效的處理能力［19］。氨化是氨化細菌將有機氮轉化為氨氮的過程,氨化過程在好氧和厭氧的環境中都能發生,具體反應機理如下。

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

植物將廢水中的氮作為營養物質吸入組織,同時植物的吸收和植物的存在有利于硝化作用［20,21］。近年來一些研究學者［22~24］指出:濕地植物對植物攝取氮的潛在速度受其凈生長量和植物組織中氮濃度的限制,氮儲存取決于植物組織氮濃度和最終生物量積累潛力,濕地植物組織的氮濃度和儲存量受植物類型、組織類型、進水濃度和季節的影響。所以,人工濕地比傳統活性污泥處理系統具有更強的除氮能力［25］。水中的無機氮可以作為植物的營養物質直接被吸收,最終通過收割植物而去除,但這一部分僅占總氮量的8%~16%,因而不是主要的脫氮過程［26］。

3.3氨氣的揮發

氨的揮發和濕地系統的pH值有很大關系,僅當pH值>8時,氨揮發較為顯著,而一般情況下人工濕地的pH值為7.5~8之間［27］,因此通過濕地地面揮發的氨氮可以忽略不計。近年來,關于植物葉片揮發氨的研究越來越受到研究者的注意,但目前它的具體機理還不清楚。

3.4厭氧氨氧化反應

厭氧氨氧化反應(Anammox)是一種比較新穎的脫氮方式,厭氧氨氧化菌的發現為脫氮提供了新的途徑［28］。它是在厭氧的條件下通過厭氧氨氧化菌細胞中的一些功能酶將亞硝酸鹽還原為N2并同時產生能量供濕地系統中的細菌生長［29］。厭氧氨氧化反應大大縮短了濕地系統中的脫氮時間。

厭氧氨氧化反應:NH+4+NO-2→N2+2H2O。

4濕地系統的脫磷機理

人工濕地的脫磷過程主要包括:土壤和基質的吸附、植物和微生物吸收［2,30］。污水中磷的主要形態有活性磷(正磷酸鹽)和非活性磷(聚磷酸鹽和有機磷等)［19］。

4.1基質吸附脫磷

濕地系統的除磷過程主要依賴于土壤和基質對磷的吸附作用［31,32］。選擇合適的基質對人工濕地的脫磷有很大的影響,對基質可采用Langmuir吸附方程算出吸附量:

q=bQc1+bC。

其中q為單位質量吸附磷量,mg/kg;Q為最大磷吸附量,mg/kg;Cr為吸附平衡后溶液中磷的濃度,mg/L;b為自由結合能常數。

劉洋［33］通過研究表明人工濕地通常采用的土壤和砂石對磷的吸附量很小,而鋼渣和爐渣對磷的吸附效果比較理想,兩種基質對磷的去除率分別達到了99.8%和85.8%。同時濕地運行過程中,向水中加入一些明礬會使磷的去除率顯著提高,主要是因為Al3+與PO3-4生成了AlPO4沉淀［34］。

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4.2植物和微生物的吸收

水生植物在人工濕地污水凈化過程中起著十分重要的作用。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質。水生植物重要的功能之一就是將氧氣從上部輸送至根部,從而在根區或根際形成一種特殊環境,這一環境能刺激有機物質的分解和硝化細菌的生長和微生物的同化吸收與聚磷菌的積累,達到去除污水中磷的目標［35］。

最近,曹雪瑩［36］等人研究表明:人工濕地中,根表鐵膜對磷的吸附效率遠遠超過了植物其他組織對磷的吸附效率,是人工濕地重要的磷積累部位,而且對于不同的植物,他們的磷累積量有較大的差別。蔣躍平等人［37］通過研究得出:菖蒲、紫露草、吉祥草、蘆竹、菩提子、黑麥草、鳶尾和鴨跖草8種植物在人工濕地中有良好的生長能力并有較強的磷吸收能力。

5人工濕地處理污水能力的綜合分析

根據目前的報道,人工濕地去除有機物的機理比較成熟,而在去除氮和磷方面還有些機理剛發展起來。例如,在脫氮過程中厭氧氨氧化反應過程是最近幾十年剛發現的,厭氧氨氧化菌比硝化/反硝化菌能更快的脫氮,是一個比較快速的脫氮方式;而在脫磷的過程中基質的吸附量和選擇基質有很大的關系。人工濕地在處理污水的效率較不穩定,影響因素較多。

5.1水力停留時間

由于植物吸收污水中的微生物分解有機物和氮等都需要一定的時間,所以停留時間應該適當的延長,最好應接近理論停留時間［38］。但是停留時間太長,就會造成厭氧的條件,這特別對氮的去除會有很大的影響。鄢璐等人通過研究發現［39］,濕地的水力停留時間為6d時,濕地污水中的氧條件最好,濕地的去除率最大。

5.2濕地植物

植物是濕地中重要組成部分,它既可以直接吸收一部分氮磷,在根區也可以形成根區效應,有利于氮的分解,另外植物要定期收割以降低污水中營養物質的含量［40］。

2014年5月綠色科技第5期5.3溫度

人工濕地對污染物的凈化主要是靠植物的吸收以及微生物的分解來完成,王世和等人［41］研究發現,季節變化對COD和氨氮的去除率影響較大,這是因為溫度的降低使微生物的繁殖率和活性都會明顯下降。微生物在20~40℃時活性最強、代謝速度最快。在土壤中反硝化最適宜的溫度范圍是10~30℃［42］。

5.4pH值

植物的光合作用和呼吸作用對水體的pH值有很大的影響。pH 對人工濕地微生物去除 N、P等營養物質有較大的影響。資料報道:在酸性和中性條件下,濕地植物根區附近可溶性正磷酸鹽的化學沉淀作用就占主導作用［38］。

5.5濕地基質

基質作為人工濕地中植物和微生物的生長介質,是構成人工濕地的要素之一,基質對磷的吸附作用很大。基質脫磷受其自身化學特性、土壤 pH值、廢水磷負荷、溫度、溶解氧、競爭性離子、水力條件、運行方式等因素的影響［43］。不同的基質對磷的去除差異較大,所以根據污水的性質和來源,選擇合適的基質十分重要。

6結語

人工濕地的去除效率受很多因素的影響,除了以上列舉的外,還與污染物的濃度、進水方式和濕地類型等有關。人工濕地去除機理較復雜,整個過程是涉及到物理、化學、生物和植物等一系列的綜合過程。植物、微生物和基質是人工濕地的基本框架,也是其三條主要的去污途徑。目前人工濕地主要應用在處理生活污水上,但一些發達國家已經把目光轉移到處理工業廢水上了,我國目前這方面的研究報道還比較少,因此我國應對人工濕地在工業廢水的去除機理做適當的研究。

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