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人工湿地脱氮除磷机理及其研究进展

北极星环保网来源:工业水处理 李志杰等2018/1/11 8:49:51我要投稿
所属行业: 水处理  关键词:人工湿地 脱氮除磷 污水处理

北极星环保网讯:人工湿地作为一种投资少、能耗低的水处理系统,被广泛应用于各种水处理之中,与传统的处理工艺相比有较好的稳定性和生态效果。在人工湿地系统中,基质、水生植物和微生物对污染物的去除有着重要的影响。综述了人工湿地脱氮除磷的机理,讨论了基质、水生植物、微生物及进水条件对系统处理效果的影响,提出了当前人工湿地研究中存在的问题和提高人工湿地脱氮除磷能力的措施。

人工湿地

人工湿地是20世纪70年代新兴的一种污水处理方式,其利用基质、水生植物和微生物之间的相互作用,通过过滤、吸附、共沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解等方式来实现对废水中有害物质的去除,同时通过营养物质和水分的循环,实现对水的净化。近年来,人工湿地以其投资费用低,建设、运行成本低,处理过程能耗低,处理效果稳定,景观效应良好等优点多被用于改善景观水体水质之中。人工湿地还具有强大的生态功能,包括生物多样性保护、水源净化及保护与供给、气候调节、野生资源开发以及生态环境科学研究等诸多方面。

1人工湿地脱氮的机理及其主要影响因素

1.1脱氮机理

人工湿地中的氮通过微生物的氨化、硝化与反硝化作用,植物的吸收,基质的吸附、过滤、沉淀等途径去除。其中氨化、硝化与反硝化作用是去除氮的主要途径,其基本条件是湿地中存在大量的氨化菌、硝化菌、反硝化菌和适当的湿地土壤环境条件。

氨氮可被植物直接摄取,合成植物蛋白质与有机氮后,再通过植物的收割从湿地系统中除去。湿地植物根毛的输氧及传递特性,使根系周围连续呈现好氧、缺氧及厌氧状态,相当于许多串联或并联的处理单元,使硝化和反硝化作用可以在湿地系统中同时进行。

基质是人工湿地不可缺少的组成部分,它为人工湿地中微生物的生长提供稳定的依附表面,为水生植物提供生长载体和营养物质,同时,基质本身对污水净化也有重要的作用。

1.2影响脱氮的主要因素

1.2.1基质

不同基质类型对脱氮效果的影响不同。WendongTao等研究发现,石灰石基质和铺路石对氨氮和TN的去除效果无太大差别,但是石灰石基质能够增大亚硝酸盐的含量,将其最高质量浓度从3.6mg/L增加到4.7mg/L,从而更有利于厌氧氨氧化,提高对氮的去除率。

有研究表明:在相同进水水质和水力负荷条件下,页岩填料对COD、TN、TP去除效果最好,最高去除率可分别达到60%、80%、85%,其次为页岩与粗砾石组合填料,麦饭石去除效果较差。

周炜等的试验结果表明,在8月份,沸石床复合流人工湿地NH4+-N去除率在95%左右,TN去除率接近80%,硝态氮去除率在96%左右;而炉渣和砾石人工湿地与沸石床相比,除出水硝态氮无太大变化外(约为80%~90%),NH4+-N和TN的去除率较低,约为10%、50%。

此外,一般来说,分层的基质要比不分层的处理效果好。研究表明,不同粒径分层级配基质对COD的去除率均高于单一粒径基质,其中分层级配生物陶粒对COD的平均去除率高达72.91%。分层级配沸石对TN的净化能力较单一粒径基质有所提高,平均去除率高达91.23%。

1.2.2水生植物

水生植物是人工湿地的重要组成部分,对氮的去除有很大的影响。张荣社等研究表明,无植物床、芦苇床和茭草床TN去除率分别达48.7%、75.6%、63.5%。可见植物对湿地中氮的去除有很大影响。

Z.Yousefi等通过实验对比了黄花鸢尾碎石床人工湿地与空白床对TN的去除效果,结果表明,黄花鸢尾床对TN的去除效果比空白床好,二者的去除率分别为49.4%、43.4%。

不同的湿地植物对人工湿地的净化效果的影响不同。SixiZhu等研究发现,豆类植物不影响生物质生产以及基质中硝酸盐和铵盐的截留;C3类植物和C4类植物影响植物水上部分生物质的生产;最重要的是,植物的多样性越高越有利于生物质的生产和基质中氮的截留,因此,更有利于人工湿地脱氮。

韩苏娟等研究结果表明:黄菖蒲、芦苇、水莎草湿地对TN去除率较好,平均去除率分别为33.29%、30.58%、30.38%;臭蒲和香蒲对TN去除效果次之,分别为25.84%、22.92%;大红草对TN去除效果最差,仅为18.09%。

水生植物不仅可以直接摄取污水中的富营养物质,而且其根系的泌氧功能为微生物分解转化有机物提供了适宜的环境条件。植物向湿地中传输的氧气量直接影响其运行机制。水生植物可以传输约90%的氧到根系周围,从而加强微生物的硝化作用,去除水中氮。

1.2.3微生物

人工湿地中的微生物在有机物的降解转化方面发挥着重要作用。付融冰等研究发现,在距人工湿地进水沿程50cm处氨化细菌和亚硝化细菌个数最多,分别为:氨化细菌3.5×106mL-1,亚硝化细菌3.0×103mL-1,且此处TN的去除率也最高,为31.6%。随着以上两种细菌数的减少,TN的去除率也在降低。这说明湿地的氮去除效果与硝化细菌等微生物数量呈正相关。

张鸿等实验表明,由于水芹湿地和凤眼莲湿地中含有大量的硝化细菌,水芹和凤眼莲湿地对氨氮的净化率比对照组分别高8.7%、11.7%。这说明微生物在湿地对氮的去除中发挥着很重要的作用。

1.2.4进水的影响

YongjunZhao等研究表明,控制进水m(C)∶m(N)∶m(P)在一定范围内,能使有植物的人工湿地中的微生物发生相似转化,而无植物的人工湿地中的微生物则会出现脱离湿地的现象,因此,建议在建设人工湿地时应尽量种植植物,并选择合适的m(C)∶m(N)∶m(P),防止微生物异化和脱离湿地。

研究表明,湿地进水碳氮比变化时,TN的去除率随着碳氮比的增大而逐渐升高;NH4+-N的去除率随着碳氮比的增加而降低。

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