低温下人工湿地去污效率及强化措施研究进展_练建军

第29卷第8期2011年8月水电能源科学WaterResourcesandPowerVol.29No.8Aug.2011文章编号:1000-7709(2011)08-0025-05低温下人工湿地去污效率及强化措施研究进展练建军,许士国(大连理工大学建设工程学部水利工程学院,辽宁大连116024)摘要:针对冬季低温下人工湿地去污效率低的问题,分析了人工湿地对主要污染物去除机理,探讨了低温对人工湿地系统三要素的去污影响,结合相关工程实例,总结了低温下人工湿地强化运行方法及措施,并提出了未来研究的方向,供北方寒冷地区人工湿地应用借鉴。关键词:低温;人工湿地;温度;溶解氧;强化措施中图分类号:X506;X703文献标志码:A收稿日期:2011-02-04,修回日期:2011-03-31基金项目:国家自然科学基金资助项目(50979012);格平绿色助学行动辽宁环境科研123工程基金资助项目(CEPF2008-123-1-6)作者简介:练建军(1985-),男,博士研究生,研究方向为重金属人工湿地治理,E-mail:jjlian@mail.dlut.edu.cn通讯作者:许士国(1958-),男,教授、博导,研究方向为水文水资源,E-mail:sgxu@dlut.edu.cn人工湿地是人工模仿自然湿地功能而构建的一种新型水处理生态系统。随着研究的深入与工艺的改进,人工湿地系统已发展为一种较为完备和独立的污水处理技术,应用范围亦逐步由城市、生活污水处理扩展到工业废水、暴雨径流及面源污染治理等[1～3]。然而,在低温下人工湿地对多种污染物尤其是有机物、氮和磷的去除却难以达到预期的效果,因此在污染源分布较为分散的北方地区的应用受到了限制。鉴此,本文分析了人工湿地对主要污染物的去除机理,探讨了冬季低温气候对人工湿地去除污染物的影响,总结了影响人工湿地运行的关键效率因子及相应的强化措施技术,为人工湿地在北方寒冷地区的应用与推广提供参考。人工湿地去除主要污染物机理分析人工湿地组成包括植物、基质和微生物三个要素,主要通过物理、化学、生物的协同作用实现净化污水的目的。目前,利用人工湿地处理的污染物主要为有机物、氮和磷。有机物人工湿地对有机物的去除是个包含植物、微生物和基质的综合反应过程,其中微生物的好氧代谢是有机物去除的主要方面。植物在生长期吸收一定的有机物,为好养微生物提供较好的氧环境使其大量附着生长。基质对颗粒有机物有一定的拦截作用,对有机物的吸附、沉淀主要通过其表面化学反应实现。由于基质表面吸附饱和后便会降低去除效果,因此基质去除有机物主要是通过大量附着微生物代谢过程而完成。氮氮的去除机理包括挥发、氨化、硝化、反硝化、植物吸收、基质吸附及微生物转化。其中,微生物去除氮机理是通过硝化菌、反硝化菌的共同作用排出氮气;植物对氮的去除主要依靠自身的生长吸收来实现,其中氮的利用形式以硝态氮为主,同时植物根系周围有较大空隙的微好氧区及枯枝腐根,所提供的可利用碳源在人工湿地除氮过程中亦起重要作用;基质理化性能对湿地除氮均产生一定影响,由于基质表面活性点位有限,使基质去氮不具有持久性,因此为微生物吸附降解提供场所成为人工湿地基质除氮的间接作用。磷人工湿地除磷主要通过植物吸收、基质的物理化学作用、微生物的同化及聚磷菌的过量摄磷来实现。植物自身生长吸收无机磷,通过植物收割使其去除,同时植物也为嗜磷微生物生长提供场所。基质对磷的吸附固定是去除的最重要途径,通过物理吸附、化学沉淀,磷被固定于基质表面而从污水中去除。Moshiri[4]认为,磷与基质中铁、钙、铝及镁等成分会发生络合反应并生成沉淀,是湿地磷去除的主要机理。微生物对磷的去除主要通过聚磷菌的好氧吸收来实现,在厌氧状态下聚磷分解形成的无机磷释放到水体,但细菌在好氧环境中吸收的磷多于其在厌氧环境中释放的量。低温对人工湿地去污效率影响人工湿地三要素中植物和微生物对温度尤为敏感,因此在低温下各类污染物尤其是氮的去除将明显降低。Buchberger等[5]认为,若未对温度依赖性的根本理解,冬季人工湿地的有效运行仅能通过增加湿地面积来弥补。因此,温度对人工湿地运行的影响不容忽视。低温对植物及其去污效率影响植物对人工湿地去污原理主要是自身吸收及为湿地微生物提供了一个好氧环境。冬季低温气候下,大部分植物均处于休眠状态,严重影响了植物对污染物的去除效果。但研究表明[6],冬季植物虽进入休眠状态、枯萎和死亡,但植物的人工湿地处理效果仍好于无植物湿地。低温对微生物及其去污效率影响人工湿地有机物和氮的去除主要依靠微生物代谢分解来实现。由于冬季湿地系统温度及氧含量较低导致微生物活性降低,使微生物对有机物的分解能力下降。硝化细菌的适应温度为20～30℃,低于15℃反应迅速下降,5℃反应几乎停止[7];而有的研究表明[8],硝化作用在2～5