人工湿地脱氮技术的机理及应用_杨敦

人工湿地脱氮技术的机理及应用杨敦,周琪(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200092)摘要:阐述了人工湿地的脱氮机理,并对国内外一些具体的工程应用实例进行了介绍。关键词:人工湿地;脱氮;机理中图分类号:X703.1文献标识码:B文章编号:1000-4602(2003)01-0023-02基金项目:国家科技部“十五”科技专项资助项目(K99-05-35-02)人工湿地(ConstructedWetlands)系统具有建造及运行费用低(仅为传统二级污水处理厂的1/10～1/2)、维护简单、处理效果好、适用面广、对负荷变化的适应能力强等优点,近年来在国内外已获得普遍应用。1脱氮机理1.1湿地内部氧的变化及传输特性人工湿地中的物质传递和转化因含氧差异而有所不同(氧来源于植物根毛的释放、来水及水面更新溶氧)。由湿地植物经光合作用产生的氧气,一部分通过组织和根毛输送并释放到湿地环境中,并在根毛周围形成了一个好氧区域,而离根毛较远的区域呈现缺氧状态,更远的区域则完全处于厌氧状态[1],这样就形成了连续的好氧、缺氧及厌氧环境。1.2对氮的脱除在湿地中氮主要通过水生植物吸收、微生物的硝化和反硝化以及氮的挥发等途径被去除。氮在湿地系统中呈现一个复杂的生物地球化学循环,它包括了七种价态的多种转换,氮的转化是受土壤氧化还原特性影响的、微生物分解的复杂过程[2]。研究表明,污水中的无机氮可作为植物生长过程中不可缺少的物质而直接被植物摄取,并合成植物蛋白质等有机氮,通过植物的收割可使之从污水和湿地系统中去除。但这一部分仅占总氮量的8%～16%,因而不是主要的脱氮过程。在人工湿地系统中,植物根茎下穿形成有利于微生物实现硝化作用的好氧微区,同时在远离根系周围的厌氧区,枯枝、碎屑及底质层中可利用的碳源又提供了反硝化条件,所以人工湿地的脱氮主要是靠微生物的硝化、反硝化来实现的[1、3]。2应用实例在国外,人工湿地脱氮技术发展迅速。F.A.Comin等人[3]于1993年将人工湿地系统用于解决西班牙东北部Ebro河三角洲的农业径流的氮污染问题,试验中湿地的入水为当地玉米地的灌溉水,总氮负荷达270mg/(m2·d),溶解性无机氮负荷达105mg/(m2·d),溶解性有机氮负荷达27mg/(m2·d),经人工湿地处理后总氮的去除率达84%～98%。分析表明,植物吸收、植物碎屑的积累和降解以及基质中的氮循环是湿地中氮保留和降解的主要因素,根据一阶柱塞流动力学模型可得总氮去除率常数为0.075m/d。G.Sun等人[4]将潮汐流的概念引入人工湿地的运行之中,该湿地系统栽种的水生植物以芦苇为主,所处理的农业废水的氨氮平均浓度为329.5mg/L。在人工湿地运行中,每隔一定周期向湿地注水、排水,当废水排入湿地中时空气被迫从床体基质中排出,而当水排出时空气又进入床体基质中,这样利用有节奏的气、水运动就在湿地床体内部不断形成好氧、厌氧环境,有利于硝化、反硝化作用的发生,结果表明氨氮去除率可达93.1%。J.N.Carleton等人[5]经过研究发现,尽管暴雨径流使人工湿地所处理的废水水质、水量波动大,但稳定态·23·中国给水排水2003Vol.19CHINAWATER&WASTEWATERNo.1下的一阶柱塞流湿地模型对其仍适用。在暴雨径流人工湿地中应用一阶模型时,氨氮的去除率常数基本不变,而硝酸盐氮的去除率常数略低,这主要与暴雨水力特征的间歇性有关。在研究中引入了参数AR(湿地面积与暴雨汇水面积的比值),并得出氨氮去除率=100-94.3exp(-8.78AR)、硝酸盐氮去除率=100-75.1exp(-9.14AR),两者均与AR成正比,这为暴雨径流人工湿地的设计提供了依据。近几年,国内人工湿地脱氮技术也获得了较大发展。北京市北郊昌平卫星城的人工湿地系统将自由水面人工湿地用于污水的处理,在中国属首例。该系统接纳当地的生活污水及毛纺厂废水,具有500m3/d的处理能力,其水生植物选用了芦苇,通过定期收割不仅去除了污染物,而且对解决北京市的造纸原料缺乏有一定意义。当系统水力负荷为4.7cm/d、水力停留时间为4.3d、总氮和氨氮浓度分别为44.3、35.5mg/L时,对其去除率分别可达63%、59%。该系统运行费为1.18万元/a,污水处理成本为0.065元/m3,收获芦苇的产值为0.93万元/a,具有低耗高效的优点。胡焕斌等[6]于1993年在大冶铁矿建立面积为200m2的中试性人工湿地,用于处理铁矿炸药车间排放的含氮水(氨氮为14.98～93.2mg/L)。该湿地选用砾石为填料、芦苇为栽种植物,两年后则换用树苗,其对氨氮的去除率为13.7%～99.2%,处理水量为12m3/d。该系统采用木本植物,能避免许多由种植草本植物带来的问题,在国内尚属首例,已获得国家