人工湿地处理污水的应用研究_马军龙

科技情报开发与经济ＳＣＩ-ＴＥＣＨＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ＆ＥＣＯＮＯＭＹ２００8年第１8卷第29期人工湿地是一种人工建造和监督控制的与沼泽类似的地面，是近几十年迅速发展的一种污水处理生态新技术。在有一定长宽比和底面坡度的洼地上用土壤和填料（如砾石等）混合组成填料床，使污水在床体的填料缝隙中流动或在床体表面流动，并在床体表面种植具有性能好，成活率高，抗水性强，生长周期长，美观及具有经济价值的水生植物（如芦苇、蒲草等）形成一个独特的动植物生态体系［１］。其特点是：处理效果好，抗冲击能力强，具有较强的Ｎ和Ｐ去除能力，管理方便，造价及运行费用低，可作为传统污水处理技术的一种有效替代方案，这对于节能降耗、清洁生产、保护水环境以及进行有效的生态恢复具有十分重要的现实意义。１人工湿地的分类根据湿地中主要植物形式，人工湿地可分为：浮游植物系统；挺水植物系统；沉水植物系统。其中，沉水植物系统还处于实验室研究阶段，浮游植物主要用于Ｎ与Ｐ的去除和提高传统稳定塘效率，挺水植物在人工湿地系统应用广泛。詹发萃等在国家“七五”攻关“综合生物塘技术及黄州城区污水综合生物塘处理研究”中也发现，在凤眼莲藻菌系统、人工水草系统等几种不同的生态系统中，水生植物去污效果依次为：凤眼莲—藻菌—人工水草好氧系统—人工水草厌氧系统［２］。目前，人工湿地还可以按污水在湿地床中流动的方式不同而分为：地表湿地（ＳｕｒｆａｃｅＦｌｏｗＷｅｔｌａｎｄ，ＳＦＷ）、潜流湿地（ＳｕｂｓｕｒｆａｃｅＦｌｏｗＷｅｔｌａｎｄ，ＳＳＦＷ）和垂直流湿地（ＶｅｒｔｉｃａｌＦｌｏｗＷｅｔｌａｎｄ，ＶＦＷ）［３］。２人工湿地对各种污染物的去除机理许多研究表明，构成人工湿地污水处理系统的基本要素是水体、基质、植物和微生物。人工湿地生态系统是通过物理、化学和生物净化机理处理污水，物理作用表现为过滤、沉积，污水进入湿地，经过基质层和密集的植物根、茎、叶系，污水中的悬浮物被过滤截留下来，并沉积在基质中；化学作用表现为吸附、化学沉淀、离子交换和氧化还原反应等，这类化学反应主要取决于所选择的基质类型；生化作用表现为微生物在好氧、兼氧及厌氧状态下，通过开环、断键分解成简单分子、小分子等作用，实现营养物质和水分的生物地球化学循环及污水资源化和无害化处理。水体、基质、植物和微生物这些基本要素都有单独的污水净化能力，但人工湿地基质中微生物类群在人工湿地污水净过程中起到极其重要的作用。２.１人工湿地对有机物的去除机理人工湿地的特点之一是对有机污染物的去除能力较强。污水的有机质分为不溶性和可溶性。不溶性有机质在流经湿地系统中被过滤、沉淀，被截留下来为微生物分解利用；可溶性有机质则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及微生物的好氧和厌氧代谢过程被去除。污水中大部分有机物的最终归宿是被异养微生物转化为微生物体及ＣＯ２和Ｈ２O，这些新生的有机体可以通过填料定期更换最终从系统中去除［４］。２.２人工湿地对氮的去除机理污水中的氮基本以有机氮和氨氮两种形式存在，其去除途径有：植物和微生物的吸收、氨化作用、硝化作用、反硝化作用、氨的挥发作用等，其中主要靠微生物的氨化、硝化和反硝化作用。一般情况下，有机氮被微生物分解成氨氮，所以人们更重视无机氮的去除。污水中氨氮可以作为营养成分被植物分解吸收合成蛋白质等，通过收割植物，有机氮又从污水和湿地中去除，但植物吸收不是主要的脱氮途径，这一部分仅占总氮量的８％～１６％［５］。微生物的硝化、反硝化作用是人工湿地中脱氮的主要途径。人工湿地中的溶解氧呈区域性变化，连续呈现好氧、缺氧及厌氧状态。相当于许多串联或并联Ａ/Ｏ处理单元，使硝化和反硝化作用可以同时进行：硝化是在好氧环境下，亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝酸盐（ＮＯ２-）；硝酸菌又将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐（ＮＯ３-）。在硝化过程中，植物根系的输氧以及系统中的ＤＯ（溶解氧）的含量是反应的重要因素。对于１.０ｍｇ/Ｌ的氨氮，当系统中溶解氧大于４.６ｍｇ/Ｌ时，硝化过程才能顺利进行。但也有研究表明，氮的去除主要是通过废固体物的沉积作用而去除的，去除率是进水氮量的５７.６％，再者是反硝化作用，约占４０.９％［６］。硝化反应只改变了氮的形式，而反硝化作用才能实现氮从系统的去除。反硝化作用在无氧条件下进行，反硝化菌利用硝酸盐中的氧进行呼吸，氧化分解有机物，将硝态氮还原为Ｎ２或Ｎ２Ｏ，并从系统中逸出。在ｐＨ较低时，还原成Ｎ２受到限制［７］。因此，从环境保护的角度看，湿地系统的ｐＨ值一般要维持在６以上。人工湿地氮处理能力强于一般无法完成反硝化作用的传统活性污泥处理统，经济上低于人工的Ａ/Ａ/Ｏ系统。研究者采取人工曝气的办法，将氧气直接输送到植物根部，在植物根部附近形成好氧、缺氧及厌氧状态，这样的条件有利于硝化菌和反硝化菌的生长，提高湿地微生物的硝化和反硝化作用