人工湿地脱氮机理研究_李超

2010．NO．4.ISSN1672-9064CN35-1272/TK李超李卉（武汉理工大学土木工程与建筑学院湖北武汉430070）摘要人工湿地可应用于城市污水厂出水深度处理和农业污染治理等。介绍人工湿地国内外研究进展及脱氮的机理，详细阐述影响人工湿地污水处理系统脱氮的因素，为人工湿地污水处理工艺的推广应用提供科学依据。关键词人工湿地脱氮机理污水治理中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1672-9064(2010)04－0007－02人工湿地脱氮机理研究作者简介：李超（1984~），男，武汉理工大学土木工程与建筑学院给排水专业毕业，主要研究方向是水污染控制理论与应用。1国内外情况1953年德国的MaxPlanck首次采用人工湿地进行污水净化试验研究，并在研究中发现芦苇能有效地去除有机和无机污染物，且对磷的净化效果最好。20世纪60年代末，Sei-del和Kickuth合作并由Kickuth于1972年提出根区理论，该理论的提出掀起了人工湿地研究与应用热潮。直到1974年，第1个人工湿地在德国的Othfrensen建成。目前人工湿地已经作为一种低投入、高效率、易维护的生态工程设施在世界各地广泛地应用。此后该工艺迅速在欧美得到推广，1990年cooper和Findlater调查显示，北美至少有300个以上的湿地系统用于处理工业、城市生活污水，而在英国和欧洲则超过500个。到1991年，共有140多种利用人工湿地的设备在美国申请到专利，1992年美国国家环境保护局建立了北美人工湿地数据库，专门收录了100多个人工湿地运行的实验数据，人工湿地已被认为是污水处理系统中必不可缺的一部分［1］。近些年，人工湿地脱氮技术发展迅速。G.Sun等人将潮汐流的概念引入人工湿地的运行当中，该湿地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。运行方式为，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中排出，而当水排出时空气又进入床体中，通过这样有节奏的气、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%。F.A.Comin等人将人工湿地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玉米地的灌溉水，总氮负荷为270mg/(m2·d)，溶解性有机氮负荷为27mg/(m2·d)，溶解性无机氮负荷为105mg/(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。同样，国内人工湿地脱氮技术在近几年也获得了很大发展。中国首例人工湿地建成于北京市北郊昌平，该人工湿地系统为表面式，主要用于处理当地的生活污水及毛纺厂废水，处理能力为500m3/d，其水生植物选用了芦苇，通过定期收割去除污染物，且可以作为北京市造纸的原料。当湿地系统水力负荷为4.7cm/d、水力停留时间为4.3d、总氮和氨氮浓度分别为44.3mg/L和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。1993年胡焕斌等在大冶铁矿建立的人工湿地占地面积为200m2，用于处理铁矿炸药车间排放的含氮废水，其中氨氮浓度为14.98～93.2mg/L。该湿地系统填料为砾石、栽种植物为芦苇，2a后换用树苗，该湿地对氨氮的去除率为13.7%～99.2%，处理水量为12m3/d。该系统的创新点为湿地植物采用了木本植物，避免了许多由种植草本植物带来的问题，并获得国家专利。试验还表明，木本植物对重金属有较强的富集能力，这也为含重金属废水的处理提供了一条新的思路［2］。2人工湿地脱氮原理人工湿地进水中氮的形态包括颗粒态氮、溶解性有机氮和无机氮。每种形态的氮所占的比例与污水的类型以及前处理有关。进入湿地系统中的氮可以通过氨的挥发、微生物硝化/反硝化作用、植物吸收以及介质沉淀吸附等过程得到去除。2.1氨挥发湿地地面氨挥发需要在系统pH大于8.0的情况下发生，一般人工湿地的pH在7.5～8.0之间，因此，通过湿地地面挥发损失的氨氮可以忽略不计。但是，当人工湿地中填充的是石灰石等介质时，湿地系统中的pH会很高，此时通过挥发损失的氨氮需要考虑［3］。近年来，关于植物叶片氨挥发引起了人们的注意，有些研究者发现了农作物叶片的氨挥发现象，并认为是植物生长后期氮素积累降低的原因之一。目前，关于人工湿地植物氨挥发所起的作用尚不清楚［4］。2.2硝化/反硝化一般生活污水中氮的形式以有机氮和氨氮为主，有机氮首先在微生物的作用下转化成为氨氮，氨氮在硝化菌的作用下转化成为硝态氮，这一过程需要足