人工濕地脫氮除磷機理及其研究進展

北極星環(huán)保網(wǎng)訊:人工濕地作為一種投資少、能耗低的水處理系統(tǒng),被廣泛應用于各種水處理之中,與傳統(tǒng)的處理工藝相比有較好的穩(wěn)定性和生態(tài)效果。在人工濕地系統(tǒng)中,基質(zhì)、水生植物和微生物對污染物的去除有著重要的影響。綜述了人工濕地脫氮除磷的機理,討論了基質(zhì)、水生植物、微生物及進水條件對系統(tǒng)處理效果的影響,提出了當前人工濕地研究中存在的問題和提高人工濕地脫氮除磷能力的措施。

人工濕地是20世紀70年代新興的一種污水處理方式，其利用基質(zhì)、水生植物和微生物之間的相互作用，通過過濾、吸附、共沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解等方式來實現(xiàn)對廢水中有害物質(zhì)的去除，同時通過營養(yǎng)物質(zhì)和水分的循環(huán)，實現(xiàn)對水的凈化。近年來，人工濕地以其投資費用低，建設、運行成本低，處理過程能耗低，處理效果穩(wěn)定，景觀效應良好等優(yōu)點多被用于改善景觀水體水質(zhì)之中。人工濕地還具有強大的生態(tài)功能，包括生物多樣性保護、水源凈化及保護與供給、氣候調(diào)節(jié)、野生資源開發(fā)以及生態(tài)環(huán)境科學研究等諸多方面。

1人工濕地脫氮的機理及其主要影響因素

1.1脫氮機理

人工濕地中的氮通過微生物的氨化、硝化與反硝化作用，植物的吸收，基質(zhì)的吸附、過濾、沉淀等途徑去除。其中氨化、硝化與反硝化作用是去除氮的主要途徑，其基本條件是濕地中存在大量的氨化菌、硝化菌、反硝化菌和適當?shù)臐竦赝寥拉h(huán)境條件。

氨氮可被植物直接攝取，合成植物蛋白質(zhì)與有機氮后，再通過植物的收割從濕地系統(tǒng)中除去。濕地植物根毛的輸氧及傳遞特性，使根系周圍連續(xù)呈現(xiàn)好氧、缺氧及厭氧狀態(tài)，相當于許多串聯(lián)或并聯(lián)的處理單元，使硝化和反硝化作用可以在濕地系統(tǒng)中同時進行。

基質(zhì)是人工濕地不可缺少的組成部分，它為人工濕地中微生物的生長提供穩(wěn)定的依附表面，為水生植物提供生長載體和營養(yǎng)物質(zhì)，同時，基質(zhì)本身對污水凈化也有重要的作用。

1.2影響脫氮的主要因素

1.2.1基質(zhì)

不同基質(zhì)類型對脫氮效果的影響不同。WendongTao等研究發(fā)現(xiàn)，石灰石基質(zhì)和鋪路石對氨氮和TN的去除效果無太大差別，但是石灰石基質(zhì)能夠增大亞硝酸鹽的含量，將其最高質(zhì)量濃度從3.6mg/L增加到4.7mg/L，從而更有利于厭氧氨氧化，提高對氮的去除率。

有研究表明：在相同進水水質(zhì)和水力負荷條件下，頁巖填料對COD、TN、TP去除效果最好，最高去除率可分別達到60%、80%、85%，其次為頁巖與粗礫石組合填料，麥飯石去除效果較差。

周煒等的試驗結(jié)果表明，在8月份，沸石床復合流人工濕地NH4+-N去除率在95%左右，TN去除率接近80%，硝態(tài)氮去除率在96%左右；而爐渣和礫石人工濕地與沸石床相比，除出水硝態(tài)氮無太大變化外（約為80%~90%），NH4+-N和TN的去除率較低，約為10%、50%。

此外，一般來說，分層的基質(zhì)要比不分層的處理效果好。研究表明，不同粒徑分層級配基質(zhì)對COD的去除率均高于單一粒徑基質(zhì)，其中分層級配生物陶粒對COD的平均去除率高達72.91%。分層級配沸石對TN的凈化能力較單一粒徑基質(zhì)有所提高，平均去除率高達91.23%。

1.2.2水生植物

水生植物是人工濕地的重要組成部分，對氮的去除有很大的影響。張榮社等研究表明，無植物床、蘆葦床和茭草床TN去除率分別達48.7%、75.6%、63.5%。可見植物對濕地中氮的去除有很大影響。

Z.Yousefi等通過實驗對比了黃花鳶尾碎石床人工濕地與空白床對TN的去除效果，結(jié)果表明，黃花鳶尾床對TN的去除效果比空白床好，二者的去除率分別為49.4%、43.4%。

不同的濕地植物對人工濕地的凈化效果的影響不同。SixiZhu等研究發(fā)現(xiàn)，豆類植物不影響生物質(zhì)生產(chǎn)以及基質(zhì)中硝酸鹽和銨鹽的截留；C3類植物和C4類植物影響植物水上部分生物質(zhì)的生產(chǎn)；最重要的是，植物的多樣性越高越有利于生物質(zhì)的生產(chǎn)和基質(zhì)中氮的截留，因此，更有利于人工濕地脫氮。

韓蘇娟等研究結(jié)果表明：黃菖蒲、蘆葦、水莎草濕地對TN去除率較好，平均去除率分別為33.29%、30.58%、30.38%；臭蒲和香蒲對TN去除效果次之，分別為25.84%、22.92%；大紅草對TN去除效果最差，僅為18.09%。

水生植物不僅可以直接攝取污水中的富營養(yǎng)物質(zhì)，而且其根系的泌氧功能為微生物分解轉(zhuǎn)化有機物提供了適宜的環(huán)境條件。植物向濕地中傳輸?shù)难鯕饬恐苯佑绊懫溥\行機制。水生植物可以傳輸約90%的氧到根系周圍，從而加強微生物的硝化作用，去除水中氮。

1.2.3微生物

人工濕地中的微生物在有機物的降解轉(zhuǎn)化方面發(fā)揮著重要作用。付融冰等研究發(fā)現(xiàn)，在距人工濕地進水沿程50cm處氨化細菌和亞硝化細菌個數(shù)最多，分別為：氨化細菌3.5×106mL-1，亞硝化細菌3.0×103mL-1，且此處TN的去除率也最高，為31.6%。隨著以上兩種細菌數(shù)的減少，TN的去除率也在降低。這說明濕地的氮去除效果與硝化細菌等微生物數(shù)量呈正相關(guān)。

張鴻等實驗表明，由于水芹濕地和鳳眼蓮濕地中含有大量的硝化細菌，水芹和鳳眼蓮濕地對氨氮的凈化率比對照組分別高8.7%、11.7%。這說明微生物在濕地對氮的去除中發(fā)揮著很重要的作用。

1.2.4進水的影響

YongjunZhao等研究表明，控制進水m（C）∶m（N）∶m（P）在一定范圍內(nèi)，能使有植物的人工濕地中的微生物發(fā)生相似轉(zhuǎn)化，而無植物的人工濕地中的微生物則會出現(xiàn)脫離濕地的現(xiàn)象，因此，建議在建設人工濕地時應盡量種植植物，并選擇合適的m（C）∶m（N）∶m（P），防止微生物異化和脫離濕地。

研究表明，濕地進水碳氮比變化時，TN的去除率隨著碳氮比的增大而逐漸升高；NH4+-N的去除率隨著碳氮比的增加而降低。

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