人工濕地脫氮機(jī)理綜述

人工濕地脫氮機(jī)理綜述

目前，大多數(shù)廢水中都含有氮化合物，如工農(nóng)業(yè)廢水、城市污水和廢水。這些含氮化合物未經(jīng)處理進(jìn)入水體后,會對水環(huán)境會造成多種負(fù)面影響,如毒害水生生物、造成水體富營養(yǎng)化等。對于污水處理濕地系統(tǒng),其有機(jī)物去除率通常能滿足設(shè)計的要求,但是整體的脫氮效果較差。以歐洲的濕地處理系統(tǒng)為例,長期穩(wěn)定運行的濕地,氨氮去除率只有35%,經(jīng)過強(qiáng)化改進(jìn)后也只能達(dá)到50%左右。與之類似,對于暴雨處理濕地系統(tǒng),一般TN去除率約為45%,主要去除的為顆粒態(tài)有機(jī)氮。因此,如何提高人工濕地脫氮效率,已經(jīng)成為目前人工濕地處理技術(shù)研究的熱點。深入開展人工濕地脫氮機(jī)理研究,有利于優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計,提高其脫氮效率。1生物脫氮處理脫氮有物化和生物兩個主要途徑。生物脫氮通常被視為最經(jīng)濟(jì)的脫氮方式,主要包括硝化、反硝化兩個過程。但是生物脫氮也有許多問題,如在低碳廢水中需要外加碳源、維護(hù)成本較高等。在人工濕地中主要脫氮方式包括生物脫氮、物化作用和植物吸收,其中硝化和反硝化為最主要脫氮途徑。利用人工濕地處理廢水,反硝化和植物吸收對TN的去除率分別達(dá)到60%~70%和20%~30%的TN。1.1好氧好氧環(huán)境下的氨化反應(yīng)人工濕地脫氮主要依靠微生物的氨化、硝化和反硝化等作用完成。人工濕地中氮的轉(zhuǎn)化,見圖1。氨化反應(yīng)是微生物將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨的過程,氨化作用在好氧、厭氧和缺氧的環(huán)境下均能發(fā)生,通常在好氧條件下,氨化反應(yīng)更容易進(jìn)行。硝化反應(yīng)是在好氧的條件下,通過硝化細(xì)菌將氨氧化為硝酸鹽的過程。該過程可分為兩步:第一步是通過亞硝酸菌將氨氧化為亞硝酸鹽;第二步是通過硝酸菌將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽。反硝化反應(yīng)是指亞硝酸鹽和硝酸鹽在反硝化菌的作用下,被還原為氣態(tài)氮的過程。在缺氧條件下,異養(yǎng)反硝化菌利用NOx-作為最終的電子受體,有機(jī)碳作為電子供體進(jìn)行反應(yīng)。在人工濕地中由于存在氧的濃度梯度,這就為氨化-硝化-反硝化有序地發(fā)生提供了反應(yīng)條件。1.2減少傳統(tǒng)反硝化對有機(jī)碳源的需求厭氧氨氧化反應(yīng)(ANAMMOX)過程是在厭氧條件下,NO2-作為電子受體,通過厭氧氨氧化菌將氨氧化為N2的過程。厭氧氨氧化菌的發(fā)現(xiàn)為氮轉(zhuǎn)化的研究提供一個新的途徑。厭氧氨氧化菌能參與反硝化反應(yīng),并在氮循環(huán)中起到部分作用。因為該過程不需要曝氣和外加碳源,所以能節(jié)約成本并可解決外加有機(jī)物降解不完全的問題。與傳統(tǒng)異養(yǎng)反硝化菌相比,厭氧氨氧化菌都是自養(yǎng)菌。因此提高廢水系統(tǒng)中厭氧氨氧化菌的活性和生物量,有利于減少傳統(tǒng)反硝化對有機(jī)碳源的需求。厭氧氨氧化是一個全新的生物反應(yīng)。與硝化相比,它以亞硝酸鹽取代氧,改變末端電子受體;與反硝化作用相比,它以氨取代有機(jī)物,改變電子供體。這一脫氮過程不需要外加碳源,其微生物性質(zhì)已被證實,明顯區(qū)別于傳統(tǒng)的硝化反硝化過程,大大縮短了傳統(tǒng)的氮循環(huán)過程。但是由于厭氧氨氧化菌增殖較慢,所以其生存環(huán)境必須嚴(yán)格控制。將厭氧氨氧化菌與自養(yǎng)反硝化細(xì)菌置于同一個反應(yīng)器內(nèi),即可進(jìn)行“亞硝酸鹽的完全自養(yǎng)短程脫氮”(CANON)反應(yīng):影響ANAMMOX和CANON的關(guān)鍵因素包括溫度、pH、游離氨、游離亞硝酸、HRT、DO、鹽度、有機(jī)物和羥胺等。對厭氧氨氧化菌的篩選和最佳參數(shù)的確定,有助于形成人工濕地的新型脫氮路線。1.3無機(jī)氮濕地植物無機(jī)氮是植物生長過程中不可缺少的物質(zhì)。污水中本身存在的無機(jī)氮和硝化反應(yīng)產(chǎn)生的無機(jī)氮均可被濕地植物攝取,用于植物生長,最終通過植物的收割從系統(tǒng)中去除。但是不同種類的濕地植物對不同形態(tài)的氮具有選擇性吸收,在植物生存環(huán)境中,若NH4+充足,且發(fā)生硝化反應(yīng)受限的條件下,NH4+通常被優(yōu)先攝取。1.4基質(zhì)氨離子和氨氯的作用物化脫氮對TN的去除率一般在新建的濕地中較高,但是隨著時間推移這種作用會慢慢降低。盡管在人工濕地中會發(fā)生許多物化反應(yīng),但是最主要的物化脫氮是吸附、沉淀作用。在人工濕地中,氨會被基質(zhì)所吸附,但這種吸附極不穩(wěn)定,一旦水的理化環(huán)境發(fā)生了變化,很容易被釋放出來。當(dāng)水中氨的濃度因為硝化反應(yīng)消耗降低時,在新的濃度下氨又會被重新吸附并達(dá)到新的平衡。氨離子也可與基質(zhì)上的離子發(fā)生交換或被腐殖質(zhì)吸附。氨吸附速率和過程會受基質(zhì)、交替浸沒、干燥方式、浸沒周期和植物生長情況等影響。在人工濕地中,多數(shù)顆粒態(tài)的有機(jī)氮可以通過沉淀作用去除。顆粒沉淀到濕地底部或是吸附到植物的根部,然后被微生物和植物去除。2其他影響因素影響人工濕地脫氮的主要因素有:溫度、HRT、濕地植物、微生物等。這些因素往往相互關(guān)聯(lián),改變其中的一個因素常會導(dǎo)致其它因素的變化。下面分別進(jìn)行介紹。2.1人工濕地底泥中反硝化菌的活性溫度作為一個關(guān)鍵的環(huán)境要素,對人工濕地中硝化和反硝化細(xì)菌的活性有很大影響。生物脫氮的最適溫度為20~25℃。當(dāng)水溫低于15℃或高于30℃與硝化和反硝化微生物活性都會顯著下降,因此大多數(shù)與脫氮相關(guān)的微生物溫度都要求高于15℃。一些研究也表明在人工濕地底泥中反硝化菌的活性大體上在春、夏季明顯高于秋、冬季,硝酸鹽去除率夏季也高于冬季。盡管一般認(rèn)為反硝化在溫度低于5℃時停止反應(yīng),但是一些研究已經(jīng)表明在溫度為4℃或更低時,反硝化依然以很低的反應(yīng)速率進(jìn)行。Vymazal發(fā)現(xiàn)在土壤中,氨化、硝化和反硝化作用的最佳溫度分別為40~60℃、30~40℃、10~30℃。此外溫度對濕地中氧的擴(kuò)散和植物的生長也有很大的影響。2.2hrt的延長在大多數(shù)濕地中,與去除有機(jī)污染物不同,脫氮需要更長的HRT。延長HRT有利于提高人工濕地的脫氮效率。隨著HRT的延長,系統(tǒng)中TN、NH4+-N和總凱氏氮(TKN)的濃度呈指數(shù)降低,并且系統(tǒng)中所去除的TKN有97%的去除量與HRT有關(guān)。Akrato發(fā)現(xiàn)在潛流人工濕地系統(tǒng)中,當(dāng)HRT為8d、溫度為15℃是維持人工濕地運行效能的基本條件,當(dāng)HRT能達(dá)到14~20d最為理想。2.3人工濕地凈化生活污水在濕地系統(tǒng)中,植物的根部不但為微生物的生長提供了附著的表面,同時也創(chuàng)造了適宜微生物生長的氧化還原環(huán)境。植物的根部是反應(yīng)最活躍的地區(qū),通過植物、微生物、基質(zhì)和污染物共同作用會發(fā)生多種物理和生物化學(xué)的反應(yīng)。根據(jù)根區(qū)理論,植物通過對氧的傳輸,能增強(qiáng)根區(qū)微生物的活性,并能在根區(qū)形成好氧-缺氧-厭氧區(qū),有利于硝化、反硝化反應(yīng)的發(fā)生,提高系統(tǒng)的脫氮效果。濕地植物自身也具有吸收營養(yǎng)物質(zhì)、穩(wěn)固濕地床表面、冬季保溫和支撐冰面的作用。有研究表明:兩棲榕人工濕地對生活污水TN有較好的去除效果,與未種植物的系統(tǒng)相比,TN去除率提高了17%?？梢?水生植物在人工濕地的凈化作用中扮演著重要的角色。濕地植物死亡后其營養(yǎng)物質(zhì)會在土壤中積累并可能導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化,在一段時間內(nèi)也會增加出水的BOD。因此,植物收割應(yīng)控制在合適的時間內(nèi)。如果不收割,死亡植物的養(yǎng)分會重新進(jìn)入水體,并消耗水體中的氧,對人工濕地運行造成不利的影響。Breen發(fā)現(xiàn)通過收割植物可提高營養(yǎng)物質(zhì)的去除。但是,Kadlec等指出由于常規(guī)收割方法高成本和低可持續(xù)性,因此不能大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。直至今日,植物根部氮含量與植物的生長、收割之間的關(guān)系依然不明確。也有研究表明通過植物收割僅能去除5%~10%的氮,所以在歐洲濕地植物通常不收割。植物收割實驗顯示出迥異的結(jié)果,因此未來關(guān)于植物收割對處理性能的影響仍需要進(jìn)一步的研究。2.4生物活性成分由于生化反應(yīng)大多是在微生物的作用下進(jìn)行的,所以微生物在人工濕地污水處理系統(tǒng)中起著重要的作用。研究表明,微生物在有機(jī)物降解和脫氮等方面起著重要作用。在人工濕地中氮主要是通過濕地植物根區(qū)微生物的硝化、反硝化作用去除,蘆葦和茭草床中植物吸收的TN僅占入水TN的15%左右。在人工濕地中,植物的根系分泌物可促進(jìn)某些脫氮細(xì)菌的生長和氮的轉(zhuǎn)化,從而間接提高凈化效率。有植物的濕地系統(tǒng),脫氮細(xì)菌的數(shù)量顯著高于無植物的濕地系統(tǒng),且植物根部的細(xì)菌比基質(zhì)中高1~2個數(shù)量級,這為人工濕地污水處理系統(tǒng)提供了足夠的分解者。3人工濕地的構(gòu)建措施人工濕地脫氮的運行與管理關(guān)鍵在于對所涉及的微生物、植物和運行參數(shù)作深入了解。在脫氮微生物研究方面,目前對微生物培養(yǎng)及其結(jié)構(gòu)和種群鑒定已經(jīng)進(jìn)行大量的研究。常用生物技術(shù)是以16SrDNA為基礎(chǔ)(包括PCR-DGGE、FISH、T-RFLP等),這些技術(shù)適用于監(jiān)測廢水處理系統(tǒng)中微生物的結(jié)構(gòu)和動態(tài)變化。而對于濕地植物的研究則主要集中在植物的選用等方面。一般而言選用同類型植物有利于提高營養(yǎng)物質(zhì)的去除率。選用多種植物可對環(huán)境變化有“緩沖作用”,使植物群體能較快地反映和適應(yīng)環(huán)境變化。在人工濕地中,水位和流速是影響人工濕地處理性能兩個關(guān)鍵參數(shù)。水位會影響氧的擴(kuò)散、微生物和植物的多樣性;流速會影響HRT、污染物負(fù)荷及傳質(zhì)。此外濕地的運行和管理還需要考慮到其它限定因素,如氣候、地下水水位、表層水類型等。人工濕地運行過程遇到一些常見的問題,如氧消耗、床層破壞、基質(zhì)堵塞和短流等。解決上述問題,目前已有一些辦法,如安裝曝氣設(shè)備供氧、開發(fā)專門的刮泥設(shè)備和高效的基質(zhì)、增加超越線路等。人工濕地脫氮的運行與管理可采用模擬分析的方法。考慮到濕地處理過程和機(jī)理的復(fù)雜性,通過已知信息來解釋模擬結(jié)果是完全可行的。模擬分析能給使用者提供很大的便利,它將有效地改進(jìn)濕地的設(shè)計和運行。目前模擬程序已經(jīng)用于監(jiān)測復(fù)雜的水環(huán)境行為。4工濕地脫氮處理技術(shù)研究人工濕地處理系統(tǒng)是一種集環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益與社會效益于一體的污水處理方式,具有建造、運行成本較低、出水水質(zhì)好、操作簡單和美化環(huán)境等優(yōu)點,是非常適合我國國情的一項污水處理工藝,在我國的廣大農(nóng)村、中小城鎮(zhèn)有著廣闊的應(yīng)用前景。脫氮作為人工濕地系統(tǒng)一個重要的功能,為了達(dá)到最佳的脫氮效果,建議如下。(1)繼續(xù)深入生物脫氮的機(jī)理和動力學(xué)研究。人工濕地脫氮機(jī)理非常復(fù)雜,涉及的領(lǐng)域范圍很廣,仍然存在許多問題需要進(jìn)一步探討。例如如何提高系統(tǒng)的硝化和反硝化能力,維持冬季穩(wěn)定運行和解決污染物高效去除的問題。最新發(fā)現(xiàn)的ANAMMOX和CANON過程對改善脫氮效率和提高處理性能具有重要的意義。但是,對該過程在人工濕地處理中的應(yīng)用還需要深入研究,尤其必須弄清厭氧氨氧化菌的生長條件并確定設(shè)計參數(shù)。此外采用同位素追蹤15N技術(shù),對濕地微生物細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行組分分析和對微生物進(jìn)行動力學(xué)研究,將可能獲得氮遷移機(jī)理方面的信息(2)基于基因工程的脫氮基因研究。今后的研究必須確定微生物和水生植物的具體脫氮基因。為改善濕地系統(tǒng)