人工湿地生态系统中氮的净化机理及其影响因素研究进展_张虎成

第18卷第4期干旱区资源与环境Vol.18No.42004年7月JournalofAridLandResourcesandEnvironmentJuly.2004文章编号:1003-7578(2004)04-163-06人工湿地生态系统中氮的净化机理及其影响因素研究进展张虎成俞穆清田卫徐宁(中国科学院东北地理与农业生态研究所长春,130012)提要:综述了人工湿地生态系统除氮的各种机理和影响系统除氮效率的主要影响因素。对今后人工湿地除氮的研究方向进行了展望,并提出以负荷去除率计算系统的除氮性能的相关建议。关键词:人工湿地;氮;净化机理;影响因素;研究进展中图分类号:X52文献标识码:A1引言氮可以导致水体富营养化,污水中的硝酸盐能污染饮用水水源,所以,人们对污水除氮一直比较关心。自上个世纪70年代未人工湿地应用于污水净化的研究以来,世界各国都开展了大量的污水除氮研究,且取得了许多有意义的成果。但由于各国自然状况、经济条件的不同及实验场地面积、处理负荷、水力停留时间等试验参数的差异,所以有关除氮机理及除氮效率的研究并没有统一的评价标准,而且对人工湿地的除氮机制研究结论也有许多不同之处。本文综述了人工湿地除氮机理和除氮效率的影响因素,对人工湿地污水净化系统的除氮研究进行了展望。2人工湿地除氮机理的研究进展人工湿地处理的潜力明显集中于两大类污染物:生物可降解的有机及营养性污染物,另一类是有毒有害物质[1]。氮作为植物所需的重要的营养元素之一,通常以多种形态存在于废水中会引起水体的富营养化,以至于降低水体水质和影响水体功能,所以长期以来污水除氮一直是污水处理的一项很重要的任务。人工湿地除氮研究中,除氮效率是系统很重要的性能指标之一。除氮方法很多,其中生物处理法是最有效的方法,它是通过一系列好氧或厌氧作用氮的化合物转变成为氮气而去除[2]。作为一种生态治污方法,人工湿地在污水除氮过程中有其明显的优势。有研究表明,湿地系统平均的可以除去86-98%的氨氮,大于99%的亚硝态氮,约82-99%的硝态氮和95-98%的总无机氮[3]。氮的去除机理和反应过程十分复杂,主要原因是氮存在形式的多样性,包括有机氮、氨氮、亚硝态氮及硝态氮,它们之间通过氧化还原而相互转化[4,5]。目前有关氮的去除机理,从反应过程来说,学术界较为一致的认识是氨化作用和复合的硝化/反硝化作用[6,7,8,9]。这三个重要的过程一般可以同时发生在人工湿地系统中,但其发生的程度却有所不同[10]。反硝化作用是系统最有效的除氮途径[11,12,13,14],即进入系统的氧化态氮越少,系统总氮的去除效果越有效[4]。其次是硝化作用,此过程需要有一定的溶解氧水平,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[15],但也有研究表明氮的去除主要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%,其次是反硝化作用,约占40.9%[16]。除此之外,挥发作用、填料吸附和植物摄取也是氮去除所涉及的过程[17,18]。但挥发、填料吸附和植物摄取的氮量十分有限[6,10,19]。从去污整个过程来看,人工湿地污水净化系统实际上是由组成系统的四个基本组成要素即、水体、湿地基质、植物、微生收稿日期:2003-08-06基金项目:KZCX3-SW-NA-13作者简介:张虎成(1974-),博士研究生,主要从事环境污染防治及评价研究。DOI:10.13448/j.cnki.jalre.2004.04.033物相互关联,通过物理、化学及生物的过程协同作用的结果[20,21]。同理,人工湿地除氮过程也主要是四个要素共同作用的结果,但系统的除氮效率却受到多种因素以及各种因素之间相互作用的直接或间接影响。3影响人工湿地除氮效率的主要因素3.1植物的影响植物的存在有利于系统中硝化作用的发生[22]。主要原因是植物根部可以形成了微好氧环境,从而有利于硝化过程的发生。有通气组织的植物根系统常常使土壤处于一种通气状态,这种好氧状态有利于微生物的生长,加强了硝化和反硝化过程,从而影响氮的去除效率[23]。有对比研究表明,有植物系统的人工湿地总氮(TN)的去除率明显高于无植物系统[24,25],尤其是对亚硝态氮的去除效果明显优于无植物系统[26]。还有研究表明不同植物的人工湿地污水净化系统具有不同的除氮效果:潜流型人工湿地污水处理系统对总氮的去除率分别为49.34%(芦苇系统)、45.49%(茭白系统)[25]。虽然植物具有一定的除氮能力,但在一般情况下,植物吸收氮量与系统去除的总氮量相比,针对于处理二级出水植物吸收的氮量约占总去除氮量的8%-16%,因此依靠植物吸收除氮的效果是不明显的[6]。但有研究表明,对当系统负荷较低时,植物吸收营养物质的作用比较明显[27]。植物在系