人工湿地除磷途径及其机理研究进展_王力实

科技论坛人工湿地除磷途径及其机理研究进展王力实柳小康史永强黄玉福屈森钟周源严子春（兰州交通大学环境与市政工程学院,甘肃兰州730070）引言人工湿地是通过模拟自然湿地,人为设计与建造的由基质、植物、微生物和水体组成的复合体,利用生态系统中基质-水生植物-微生物的物理、化学和生物的三种协同作用来实现对污水的净化。人工湿地对有机物、营养物质有较强的去除能力,在实现生态环境效益的同时可美化环境,实现废水资源化,与传统的二级处理比较,人工湿地具有建设投资少、运行成本低、出水水质好、运行维护方便、抗冲击负荷能力强等特点[1]。一般来说,利用人工湿地除磷时,要对湿地中的基质、水生植物、微生物等进行优化选择,才能提高人工湿地的除磷效率。本文将围绕人工湿地除磷的基质,水生植物以及微生物的除磷效果、影响因素及其除磷机理进行讨论。1人工湿地中的基质1.1基质的种类及除磷效果人工湿地中的基质又称为填料、滤料,一般由土壤,细沙、粗砂、砾石、碎瓦片等灰渣构成。基质在为植物和微生物提供生长介质的同时,通过沉淀、过滤和吸附等作用直接去除污染物。通常研究的湿地基质包括土壤、土壤改良剂和废弃的工业副产品,磷的吸附基质主要有粉煤灰、矿渣、粘土陶粒、沸石等[2]。在人工湿地中,不同基质除磷的效果也是有很大差别的[3]。崔理华等发现垂直人工湿地中,人工土基质对城市污水中的总磷(3.00-25.12mg/L)的去除率为30%~50%,这可能是人工土基质对磷的吸收能力较弱等因素造成的;其后用煤灰渣人工土壤和风车草组成的垂直人工湿地系统处理化粪池出水,总磷去除率达到75%~92%[4]。余占环等人采用了黄棕壤、煤渣和废弃的水泥浆作为人工湿地的基质,考察了它们对磷的吸附特性,结果表明,3种基质按理论最大吸附量排序为:水泥砂浆>煤渣>黄棕壤,按易吸附性排序为:黄棕壤>水泥砂浆>煤渣,因此水泥砂浆和混凝土是比较理想的人工湿地基质[5]。李金城等人通过选取炉渣、炉灰、蜂窝煤渣、新型填料(WSC)、碎石、牡蛎壳为人工填料,对其吸附性进行研究,其动态吸附结果表明:WSC对磷的去除率最高,达到了98%以上,其次是炉渣、蜂窝煤扎、牡蛎壳、炉灰、碎石的去除率最低[6]。Gray等以钙化海藻为基质,与以往试验数据比较,发现钙化海藻除磷能力等同于页岩和钢渣[7]。所以,只要合理的选配人工湿地的基质,其除磷的效果是很好的。1.2基质除磷的影响因素pH值对人工湿地基质的吸附除磷效果有着很大的影响,这种影响主要体现在pH决定了无机磷酸盐在水体中的存在形式,而且溶液的pH值还会影响基质表面的化学特征,引起基质表面吸附位数量、形态、和电荷分布的变化,从而影响基质对磷的吸附量[8]。废水进水中磷负荷对湿地中磷的吸附和沉淀过程都有影响,对于吸附过程,这取决于进水和土壤间隙水中磷的浓度梯度;对于沉淀过程,则取决于土壤间隙水中磷化合物的溶解和沉淀平衡;然而高磷浓度的进水容易导致基质过快达到吸附饱和,从而缩短湿地使用的年限,因而在实际应用中应尽量降低废水磷负荷[9]。熊国祥等认为:进水总磷浓度低时不能取得最高的除磷效率,主要原因是当进水中磷的浓度低于基质间隙水中磷的浓度时,存在负浓度梯度,废水中的磷不能扩散到基质微孔表面得到吸附[10]。Hedstrm研究了不同磷负荷条件下高炉渣和硅酸钙岩矿对磷吸附量的影响,结果表明:初始磷浓度为5mg/L时,高炉矿渣对磷吸附量为380mg/kg;初始磷质量浓度为20mg/L时,相应吸附量为1493mg/kg[11]。硅酸钙岩矿对磷吸附也有类似的现象,初始磷质量浓度为14mg/L时,对磷的吸附量为190mg/kg;初始磷浓度为1700mg/L时,相应吸附量为12000mg/kg。这说明基质对磷的吸附量和磷的初始浓度成正比关系。随着进水总磷浓度的增加,填料对总磷的吸附速度加快,植物的吸收量也会随之增加,但这一过程还与水力停留时间密切相关,水力停留时间影响废水中磷向基质微孔表面扩散和向吸附点位靠近的机会,因而长的停留时间可提高磷的去除[12]。温度和季节条件的改变也会导致基质的除磷效率受到影响。对于冬季比较寒冷的地区,气温的降低可以形成一定的冻土层,这些都会影响人工湿地的正常运行,导致污染物的去除率降低。Agyei等人考察了飞灰、矿渣和普通水泥在不同温度条件下对溶液中磷的吸附去除效果,发现当溶液温度从25℃升高到60℃时,三种基质的除磷效率都有不同程度的提高[13]。1.3基质除磷的机理人工湿地中基质对磷的去除包括物理、物理化学和化学去除过程,物理去除指悬浮颗粒中的非溶解态磷经湿地表层土壤的过滤拦截的过程,物理化学除磷是指通过吸附、离子交换等作用达到一定的除磷效果;化学去除主要发生在土壤中,磷酸根离子可与土壤中的金属离子反应生成难溶物使部分溶解态磷得以去除;因此,化学作用对无机磷的去