垂直流人工湿地净化湖水的除磷研究_余波平

收稿日期:2011-02-11基金项目:欧盟资助项目(ERBIC18CT960059)。作者简介:余波平(1981-),男,湖北荆州人,工程师。垂直流人工湿地净化湖水的除磷研究余波平,彭立新(深圳市环境科学研究院,广东深圳518001)摘要:将欧盟资助项目研究成果应用于实际工程中,以垂直流人工湿地净化湖水的应用工程作为研究对象,通过实例总结系统的除磷效能,考察垂直流人工湿地对湖水净化后水质维护效果与应用前景,检验参数的合理性,并分析相关原因。结果表明,两种功能的垂直流人工湿地均达到了设计的除磷效果,在水力负荷为1000mm/d～2000mm/d时,两系统的平均去除率分别为TP:27.3%和49.1%,磷酸盐:20.1%和34.8%。湖水经湿地净化后能维持较好的水质,TP能达到地表水III类标准。关键词:垂直流人工湿地;湖水净化;除磷中图分类号:X52文献标识码:A文章编号:1673-9655(2011)03-0053-04目前,国内外的人工湿地处理系统多局限于单一的表面流或潜流系统[1～3]。现有人工湿地处理系统大多数除磷效果不佳,水力负荷和污染负荷较低,需用土地面积大,且系统的运行寿命较短。潜流湿地若设计不当常会发生堵塞。磷是湖泊等水体富营养化的重要因素乃至限制因素,研究人工湿地系统中的磷去除机理具有重要的意义。1垂直流人工湿地的磷去除机理湿地系统去除来水中磷的机理主要为物理、化学和生物作用[4～7],详见表1。表1湿地中的磷去除机理机理备注物理沉积固体重力沉淀化学沉淀吸附不溶物的形成或共沉淀吸附在基质或植物表面生物植物吸收微生物吸收与积累适宜条件下植物摄取量较显著微生物吸收量取决于其生长所需,积累量和环境中的氧状态有关磷在污水中常以磷酸盐(PO43-、HPO42-、H2PO4-)、聚磷酸盐和有机磷存在。磷是植物生长所必需的元素,污水中的无机磷被植物吸收和同化合成ATP等,通过收割被带出系统。生物氧化将绝大多数磷转化为磷酸盐。生物同化无机磷或微生物分解有机磷时,磷的价态不变。低氧化态磷热力学不稳定(即使在高还原性的湿地土壤中也易被氧化为PO43-),土壤磷以+5价(氧化态)为主。土壤中膦化氢(气态磷)极少[5,13]。湿地土柱(soilcolumn)中的磷几乎都是结合态磷(boundP)、无机磷和有机磷[14]。湿地中磷的存在形式有三种:有机磷化合物、不溶性磷酸盐和可溶性磷酸盐。有机磷化合物主要存在于微生物和植物体内,不溶性磷酸盐是磷的主要存在形式,可溶性磷酸盐是唯一能够被微生物和植物利用的形式。人工湿地对磷的去除是由植物吸收、微生物去除及物理化学作用完成的。如同无机氮一样,废水中的无机磷在植物吸收及同化作用下,可变成植物的有机成分(如RNA、DNA、ATP等,磷是核糖核酸RNA和脱氧核糖核酸DNA以及三磷酸腺苷ATP的重要元素,同时还是许多酶促反应的辅酶因子的组成元素,是细胞内光合磷酸化和氧化磷酸化等能量转化的关键元素[8]),通过植物的收割而得以去除。物理化学作用对无机磷的去除,主要是可溶性的无机磷酸盐很容易与土壤中的Al3+、Fe3+、Ca2+等发生化学沉淀反应。其中,与土壤中Ca2+易于在碱性条件下发生化学反应,形成羟基磷灰石,而与Al3+、Fe3+主要是在中性或酸性环境条件下发生反应,分别形成磷酸铝或磷酸铁沉淀。一般认为,磷酸根离子主要通过配位体交换而被吸附到Al3+和Fe3+的表面。但是,上述磷的转变只是改变了磷在湿地中的存在形式,并没有真正地去除磷。即使对植物定期收割,它对磷的同化吸收也是有限的;生物除磷(包括聚磷菌的过量吸收)要求磷最终以生物体组成部分的形式排出系统外,而在人工湿地中则不存在这种情况。因此,磷—53—环境科学导刊http://hjkxdk.yies.org.cn2011,30(3)CN53-1205/XISSN1673-9655DOI:10.13623/j.cnki.hkdk.2011.03.018就会在湿地系统内逐渐地积累,直到饱和状态。这就会出现湿地对磷的去除因湿地的不同运行时间而有很大的差别。解决湿地磷饱和的方法有:更换整个基质;要降低湿地出水中磷含量,可以考虑增加后续化学除磷工艺(也可以降低湿地的维护费用)。可用于化学除磷的金属盐有3种,即钙盐、铁盐和铝盐。最常用的是石灰(Ca(OH)2)、硫酸铝(Al2(SO4)3·18H2O)、三氯化铁(FeCl3)、硫酸铁(Fe2(SO4)3)、硫酸亚铁(FeSO4)和氯化亚铁(FeCl2),具体沉淀物见表2。表2磷酸盐沉淀物汇总表磷酸盐沉淀剂可能形成的沉淀物二价钙Ca2+各种磷酸钙沉淀,例如β-磷酸三钙(Ca3(PO4)2)、羟基磷灰石(Ca5(OH)(PO4)3)、磷酸二钙(CaHPO4)、碳酸钙(CaCO3)二价铁Fe2+磷酸亚铁(Fe3(