人工濕地脫氮技術(shù)探討

1、人工濕地脫氮技術(shù)探討摘要：介紹了人工濕地的定義和類型，探討了人工濕地的脫氮機(jī)理，不同類型的人工濕地的脫氮效率，提出了提高人工濕地脫氮效率的對策，并對人工濕地脫氮技術(shù)進(jìn)行了展望。論文關(guān)鍵詞：人工濕地；脫氮機(jī)理；脫氮效率1 人工濕地濕地是指被地表水或地下水長期或間斷性地淹沒或飽和，并通常伴生有優(yōu)勢的水生植被與水生生物的生態(tài)系統(tǒng)。從組成來看，濕地系統(tǒng)包括水、永久性或間歇性處于飽和狀態(tài)的基質(zhì)以及水生生物。1-2人工濕地是模擬自然濕地的人工生態(tài)系統(tǒng)，它是一種由人工建造和監(jiān)督控制的、類似沼澤地的地面，利用自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用，通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物分解來

2、實(shí)現(xiàn)對污水的高效凈化。與自然濕地相比，人工濕地污水處理系統(tǒng)因具備自然濕地凈化污水的功能而不影響其生態(tài)價(jià)值，并且容易對工藝過程進(jìn)行優(yōu)化控制與管理3，因而倍受關(guān)注。近二十多年以來，在全球范圍內(nèi)，特別是在歐美國家，人工濕地系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，處理各種不同類型的廢水，如生活污水、暴雨徑流、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)面源污染、酸性礦水及垃圾滲濾液等4-8。研究表明，人工濕地不僅對有機(jī)物有較強(qiáng)的降解能力，對污水處理廠難去除的營養(yǎng)元素如氮、磷也有一定的去除效果9-11。一般認(rèn)為，人工濕地由五部分組成：(1)具有各種透水性的基質(zhì)，如土壤、砂、礫石；(2)適于在飽和水和厭氧基質(zhì)中生長的植物，如蘆葦；(3)水體（在基質(zhì)表面下或上

3、流動(dòng)的水）；(4)無脊椎或脊椎動(dòng)物；(5)好氧或厭氧微生物種群。圖1.人工濕地結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1. The structure of artificialwetlands根據(jù)污水在系統(tǒng)中流動(dòng)方式的差異，人工濕地污水處理系統(tǒng)可分為表面流(SFCW)和潛流(SSFCW)兩種類型，后者又分水平流(HSSFCW)和垂直流(VSSFCW)兩種布水方式，也有的把布水方式設(shè)計(jì)成波形流動(dòng)(WSSFCW) 12。在SFCW中，污水在基質(zhì)(通常為土壤)表面漫流，一般水層深0.20.4m,而SSFW中，污水在表層以下基質(zhì)(大多為礫石)中滲流。從兩種系統(tǒng)的特性來看，SFCW具有較低的建設(shè)安裝成本和簡單的水力特

4、征，適合應(yīng)用于污染河水和湖水修復(fù)、農(nóng)業(yè)暴雨徑流及污水二、三級處理等方面；SSFCW水流維持在礫石基質(zhì)表面以下，保溫效果好，處理效果受氣候、季節(jié)的影響較小，并且可以避免異味、昆蟲帶菌及暴露等問題，比較適合于處理垃圾滲濾液、農(nóng)業(yè)污水及一些工業(yè)廢水。2人工濕地脫氮機(jī)理及效果人工濕地對BOD、COD、SS及污染細(xì)菌的去除率可達(dá)90%以上，但對氮的去除率較低且不穩(wěn)定，一般接近50%13，有的為60%80%14，在有預(yù)處理設(shè)施和處理面積足夠大(50m2m-3d)的條件下，其總氮和總磷的去除可達(dá)90%以上15。人工濕地對氮的去除作用包括基質(zhì)的吸附和過濾、植物和其他生物的吸收氨化作用、硝化作用、反硝化作用、氨

5、的揮發(fā)作用、NH4+的陽離了交換作用等。污水中的氮基本以有機(jī)氮和氨氮兩種形式存在，一般情況下，有機(jī)氮被微生物分解與轉(zhuǎn)化，所以人們更關(guān)注氨氮的去除。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(dāng)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(shí)進(jìn)行。研究認(rèn)為，在植物-礫石床潛流濕地中，論述國家的基本權(quán)利和義務(wù)礫石床良好的多孔性和植物的根區(qū)效應(yīng)是影響氨氮去除效果的主要因素，氮去除率達(dá)80%16。硝化作用只將NH3-N轉(zhuǎn)化為NO2-N和NO3-N，反硝化作用才可以使氮以N2O和N2形式從系統(tǒng)中根本去除。在氮的反硝化過程中又分為兩步，即先變?yōu)镹2O(溫室氣體

6、)，再轉(zhuǎn)變?yōu)镹2，在pH較低時(shí)，后一步受到限制13。因此，從環(huán)境保護(hù)的角度看，濕地系統(tǒng)的pH一般要維持在6以上。 污水中氨氮作為植物生長過程中不可缺少的物質(zhì)也可以被植物直接攝取，合成植物蛋白質(zhì)與有機(jī)氮，再通過植物的收割從廢水和濕地系統(tǒng)中除去。值得注意的是，人工濕地系統(tǒng)中已沉淀的有機(jī)物在部分硝化以后一部分氮可以回到水中，同樣當(dāng)吸收了氮的植物枯死后也會(huì)釋放一部分氮回到水中，因此在計(jì)算氮的去除時(shí)應(yīng)考慮總的物料平衡。人工濕地系統(tǒng)因構(gòu)成方式和水流途徑不同，對氮的去除效果也存在一定的差異。在SFCW中，由于營養(yǎng)元素的去除主要發(fā)生在沉積物質(zhì)中，而污水在沉積物上流經(jīng)時(shí)，溶解營養(yǎng)元素向沉積物中擴(kuò)散的速度非常緩慢

7、，因而氮的去除只有10%15%17；而在SSFCW中，水流與基質(zhì)和植物根系的接觸比較充分，氮的去除效果也相應(yīng)較好，如在每公頃面積處理約800人產(chǎn)生的生活污水的負(fù)荷條件下，氮的去除率為35%，在適當(dāng)條件下分別可以提高到50% 18。對脫氮效果而言，VSSFCW優(yōu)于HSSFCW，復(fù)合垂直流較單一流向較好，間歇運(yùn)行優(yōu)于連續(xù)運(yùn)行19。WSSFCW優(yōu)化了傳統(tǒng)潛流人工濕地的流態(tài)，污水可在床體內(nèi)進(jìn)行波形流動(dòng)，反復(fù)地與濕地系統(tǒng)中的上、中、下層的微生物、根系及基質(zhì)充分接觸，研究表明12，在相同試驗(yàn)條件下，WSSFCW在污染物去除方面明顯優(yōu)于HSSFCW，氨氮的去除率提高了22%。3提高人工濕地脫氮效率的對策人工

8、濕地是一個(gè)復(fù)雜的污水處理生態(tài)系統(tǒng)，其對氮的去除與基質(zhì)、微生物、植物種類、污水類型、水力負(fù)荷、水文特征、氣候特征等因素密切相關(guān)，為了提高氮的去除效果，建議考慮以下對策：(1)增加濕地面積，保證有效的過濾面積和體積；(2)適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)負(fù)荷、間歇布水方式、適當(dāng)?shù)乃β洳?1%2%)以及較長的水力流程20；(3)采用富含Ca、Fe和Al的基質(zhì)；(4)篩選氮吸收能力強(qiáng)、具抗逆性、有一定經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值和景觀價(jià)值，易管理的濕地植物；(5)增加預(yù)處理設(shè)施，表面流濕地和垂直流濕地結(jié)合布置；(6)及時(shí)收割濕地植物和更換基質(zhì)；(7)在低溫地區(qū)，提高濕地光照條件，在濕地周圍栽樹擋風(fēng)等。4 總結(jié)和展望污水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷嚴(yán)格是目前世界各國的普遍發(fā)展趨勢，以控制水體富營養(yǎng)化為目的的氮、磷脫除技術(shù)開發(fā)已成為世界各國主要的奮斗目標(biāo)。研究生物脫氮新技術(shù)、新工藝對于開展水體富營養(yǎng)化的研究與治理，實(shí)現(xiàn)自然資源、環(huán)境、人口的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。人工濕地污水處理工藝，作為一種新興的污水處理工藝，已經(jīng)在實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。雖然，人工濕地脫氮除磷的效果具有局限性，但是作為一種污水處理新工藝，對人工濕地污水處理技術(shù)的研究，可以拓展我們的思路，對其脫氮效果的研究