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摘 要：近年来,我国的水体污染和富营养化现象越来越严重,已经严重制约了国民经济的发展.人工湿地除磷,是近几年发展起来的一种廉价有效的除磷新技术,越来越受到各国的普遍重视和关注.该文介绍了人工湿地除磷的工作原理,详细叙述了人工湿地除磷技术的发展及其应用前景.为了研究不同基质人工湿地对磷的去除效果,选用沸石、炉渣和土壤为基质,以黄昌蒲、美人蕉、水葱等为植被构建人工湿地处理生活污水.3种基质的人工湿地对磷的去除效果都很好,但除磷效率则不同.通过参数对比,得出各因素对污水中磷的去除效率.
关键词：人工湿地；除磷；基质
中图分类号X703.1
文献标识码A
文章编号1007 -7731(2010)03 -124 -03
湿地是介于陆地和水生环境之间的过渡带.人工湿地系统是模拟自然湿地的人工生态系统,类似自然沼泽地,它由人工建造、监督和控制.人工湿地系统作为一种兼有水体修复、园林绿地和景观效果的水处理设施,具有较高的应用价值.人工湿地真正用于污水净化的研究始于20世纪70年代末,它适合于水量小、水质变化不大、管理水平不高、用地充足的城镇污水处理.其特点是基本上不耗能,无需日常维护论文范文,与传统水处理方法相比既减少了能耗,又能减少二次污染.因此,人工湿地这种简便有效的污水处理技术,越来越受到人们的关注,特别是在经济尚欠发达、地理条件相对偏远的农村和中小城镇,具有广泛的应用前景.
1.人工湿地类型
人工湿地根据湿地中主要植物形式可以分为：浮生植物系统、挺水植物系统和沉水植物系统.沉水植物系统还处于实验室阶段,其主要应用领域在于初级处理和二级处理后的精处理.浮水植物主要用于N、P去除和提高传统稳定塘效率.目前一般所指的人工湿地系统都是指挺水植物系统.
人工湿地系统根据水流的形式可建成自由表面流湿地、潜流人工湿地和垂直流人工湿地.
1.1 自由表面流湿地它与自然湿地极为相似,污水以较慢的速度流过,绝大部分有机物的去除是由生长在水下的植物茎、杆上的生物膜来完成的.湿地中的氧主要是来源于水面扩散、植物根系的传输和植物的光合作用.它的优点在于投资少、操作简单、运行论文范文低.但其缺点是负荷小、处理效果差,且系统的运行受气候影响较大,冬季寒冷地区表层易结冰,夏季有滋生蚊蝇,产生臭味的现象.
1.2潜流人工湿地污水从一端水平流过填料床中的填料,这样系统可以充分利用填料表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和填料截流等作用,提高处理效果和处理能力.氧主要来源于植物根系传输.其优点是水力负荷与污染负荷较大,对BOD,COD,SS及重金属等处理效果好；由于水流在地表论文范文动保温性能好,处理效果受气温影响较小；卫生条件好,很少有恶臭和滋生蚊蝇的现象.其缺点主要是控制相对复杂.
1.3垂直流人工湿地污水从湿地表面纵向流入填料床底,床体处于不饱和状态.氧气主要来源于大气扩散和植物根系传输.其优点是硝化能力强,适合处理氨氮含量高的污水.缺点是处理有机物能力欠佳,建造要求高,控制复杂,落干／淹水时间长,夏季易滋生蚊蝇.
1.4系统组成人工湿地污水处理系统由水体、基质、水生湿地植物和微生物构成.水体是人工湿地处理的对象,它在人工湿地系统中具有十分重要的意义.我国主要用于人工湿地的基质有：石块、砾石、砂粒、细砂、砂土和土壤.这些基质既可为微生物的生长提供稳定的依附表面,也可为水生植物提供支持载体和生长所需的营养物质,当污水流经人工湿地时,基质通过一些物理、化学途径来净化污水中的各种有机污染物.水生湿地植物是人工湿地的重要组成部分,对污染物的降解和去除有重要作用.有植物系统的人工湿地总氮去除率明显高于无植物系统的人工湿地.微生物在湿地基质中与其他动物和植物共生体的相互关系起着核心作用.
2.人工湿地系统除磷机理
人工湿地系统的除磷机理主要是利用植物、微生物的生物作用以及本身基质填料的过滤吸附沉降作用；磷素作为污水中的主要营养源,是湖泊富营养化的限制因子.
2.1基质人工湿地中的基质又称填料、滤料,一般由土壤、细砂、粗砂、砾石、碎瓦片或灰渣等构成.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、LECA、沸石等.
人工湿地中基质对磷的去除包括物理去除和化学去除两大过程,物理去除指吸附在悬浮颗粒物上的固体磷经湿地表层土壤的过滤拦截而沉积的过程,化学去除主要发生在土壤中,并被认为是湿地除磷的主要机理.化学作用对无机磷的去除与湿地土壤类型密切相关.
目前土壤湿地除磷的机理主要是研究基质填料的选配,并发现通过不同的基质填料可以显著提高人工湿地系统除磷的效率.崔理华等发现垂直人工湿地中,人工土基质对城市污水中总磷(3. 00 - 25. 12mg/L)的去除率为30% - 50%,这可能是由于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流人工湿地系统处理化粪池出水,总磷的去除率达到了75% -92%.由此可见,人工湿地对磷的去除效果主要有基质的化学吸附和沉淀作用所决定.潜流型人工湿地大多使用当地的河砂和砾石作为基质材料,表面流型人工湿地多采用当地土壤作为基质材料,一些学者研究了砂子基质和土壤基质吸附净化磷素污染物的特征和机理,认为砂子和土壤基质净化磷素污染物的能力同其活性钙、胶体氧化铁和铝含量有关,一些砂子和土壤基质活性钙、胶体氧化铁和铝含量较低,磷素精华能力有限,添加化学絮凝剂和沉淀剂有助于增强水体中磷素等污染物的净化效果.对于人工湿地的基质,袁东海等人结合南京地区的实际情况做了相关实验,结果如表l.从表1可以看出,粉煤灰、矿渣在设定磷素浓度O - 50mg/L范围内,均能很好的去除磷素污染.考虑到生活污水磷素的浓度大多不会超过30mg/L,黄褐土、下蜀黄土也能做人工湿地的基质；砂子和沸石去磷效果较差,在选择它们做人工湿地基质时,要考虑强化净化磷素污染的手段,如：一是增加湿地植物的生物量,增强植物去磷能力：二是在不影响植物生长和不造成二次污染的前提下添加人工或天然的化学絮凝剂或沉淀剂.
2.2水生植物水生植物是人工湿地处理系统的核心之一,它在人工湿地污水处理系统中发挥多种作用.一方面水生植物自己能吸收一部分营养物质,同时它的根区为微生物的生存和降解营养物质提供了必要的场所和好氧厌氧条件.人工湿地植物根系常形成一个网络样的结构在这个网络中根系不仅能直接吸附和沉降污水中的磷元素,而且还为微生物的吸附和代谢提供了良好的生物物化环境条件,同时附近的微生物通过代谢,消耗了水体中的溶解氧,使之呈现厌氧状态.
水生生物去除磷的机制之一是通过植物本身的吸收作用.研究植物不同部位的吸收能力后,我们发现植物体各器官含磷量不同,他们依次为叶>,根>,茎>,胚轴,并且都随着污水浓度的升高而升高.此外,在植物体的不同生长期其含磷量也不同.
水生生物重要的功能之一是将氧气从上部输送到根部,从而在根区或根际形成一种好氧环境,这一环境能刺激有机物质的分解和硝化细菌的生长,从而达到去除污水中氮磷等营养物质的目的.利用水生植物净化污水的效果主要依靠植物运送氧气到根区的能力.因此选择合适的水生植物至关重要.一般来说,人工湿地系统的植物种类应具备以下特征：耐污性能好,处理效果好,成活率高；根系发达,茎叶茂密,输氧能力强,生长周期长；抗冻,抗热,抗病虫能力强；易于维护管理；具有美化景观的作用.
许多研究表明,植物的存在对于人工湿地系统净化功能的实现有极大的作用.吴振斌等通过实验,研究了人工湿地系统对污水磷的净化效果,结果发现3个有植物系统的去除率分别是61%、65%和59%,而无植物系统的去除率仅为28%.Peterson的研究发现,对于轻度氮磷负荷的人工湿地处理系统,在植物的生长阶段收割,可以占人工湿地氮总去除量的30%；而在重度氮磷负荷的处理系统中,虽然植物吸收氮的绝对量比轻度氮磷负荷的系统大,但其所占比例低,只有1% - 4%.彭江燕等研究了黄昌蒲、美人蕉、水葱、芦苇、风车草5种水生植物净化污水的能力,结果表明,风车草去除磷效果最好,黄昌蒲和美人蕉次之,水葱稍高于芦苇.
汤显强等人对芦苇、石菖蒲、千屈菜、美人蕉、香蒲和水葱这6种水生植物进行了实验,该实验选用塑料桶作为实验容器,在桶底部安装直径lcm的进水硬管,并与软管相连,用以布施污水,每只桶内装填14kg页岩填料,在填料上面设置出水管.出水管内径也为lcm,为减少水分蒸发损失,在填料表面覆盖5cm细沙.同时设置只有页岩填料和沙的无植物空白试验进行对比,确定不同植物对湿地磷去除效果的影响.通过不同湿地植物的TP去除率的比较,植物去除TP占总去除的8.56% - 16. 66%．千屈菜对TP吸收积累效果最好.随着植物生长成熟,植物吸收贮存的磷会从地上组织向地下组织转移,此时应对成熟植物及时收割,最大限度将植物吸收积累的磷移出人工湿地.
2.3微生物 自然界中碳、氮、磷等元素的循环离不开微生物的活动.人工湿地处理污水时,有机物的降解和转化也是主要由植物根区微生物活动来完成的.人工湿地中微生物的活动是废水中有机物降解的主要机制.水生植物通过通气组织的运输,将氧气输送到根区,从而形成了根表面及附近区域的氧化状态.废水中大部分有机物质在这一区域被好氧微生物利用氧而分解成为CO和水,有机氮化物等则被这一区域的硝化细菌所硝化.而在湿地中的还原状态区域,则是经过厌氧细菌的发酵作用,将有机物分解.至于有机磷及溶解性较差的无机磷酸盐都必须经过磷细菌的代谢活动,将有机磷化合物转变成磷酸盐,将溶解性差的磷化合物溶解,才能除去水中的磷.
3.影响人工湿地除磷效果的因素
3.1 人工湿地的构造形式人工湿地根据构造可分为表面流人工湿地和潜流式人工湿地.表面流人工湿地,水力路径以地表推流为主,在处理过程中,主要通过植物的茎叶的拦截、土壤的吸附过滤和污染物的自然沉降来达到去除污染物的目的.表面流人工湿地一般水力负荷小,系统对于氮磷的去除效果一般较差.而且由于冬季温度的下降和湿地植物的枯萎,净化功能降低.潜流式人工湿地可根据流向分为水平流与垂直流人工湿地.潜流人工湿地系统,污水在湿地床的表面论文范文动,一方面可以充分利用填料表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和填料截留等作用,提高处理效果和处理能力；另一方面由于水流在地表论文范文动,保温性好,处理效果受气候影响较小,且卫生条件较好,是目前国际上较多研究和应用的一种湿地处理系统,但此系统的投资比表面流人工湿地系统略高.
3.2进水水力负荷湿地系统中的磷主要是通过微生物及植物的吸收以及填料的物理化学作用去除的,水力负荷过低,易造成湿地系统厌氧,微生物原先在好氧环境下过量吸收的磷又重新释放,致使TP去除率下降；而水力负荷过大时,污水的流速过大,对填料的冲击也使原先被吸附在填料或植物根茎表面的磷冲出系统,造成TP去除率下降.特别在湿地的启动期间,应采用适当的进水水力负荷,以保证系统中微生物的正常生长、挂膜.
人工湿地基质:人工湿地基质
3.3 pH值 由于污水中磷素的去除主要是靠填料的物理化学作用,磷的去除与介质的酸碱环境有关.这主要和填料内的金属离子有关,一般认为其中Ca离子易于在碱性或酸性环境条件下发生反应,而与Fe离子主要是在中性或酸性环境条件下发生反应.污水在经过湿地系统时,会引起系统的pH值的变化,过长的水力停留时间会导致系统的pH值的降低.
3.4 氧源 湿地环境对很多微生物来说是一种严酷的逆境,最严酷的条件是湿地基质中缺氧.在缺氧条件下,生物不能进行正常的有氧呼吸,还原态的某些元素和有机物浓度可达到有毒的水平.人工湿地中有机磷好氧分解所消耗的氧气主要来自大气自然复氧和湿地植物供氧.溶氧水平越高,越有利于磷的降解和微生物对磷的吸收利用.
3.5季节和温度 湿地除磷效果受季节和温度影响较大.一般春、夏、秋季节的去除率较高,而冬季较低.这与冬季植物枯萎、停止生长有关.雒维国等研究发现,污水中各种形态磷的去除率变化趋势与气温的变化趋势是一致的,两者在冬季同时降到最低点,在春夏季节则有较大幅度上升.
4.结术语
众多成功应用的实践证明,人工湿地作为占地少、易管理、效果好的污水处理系统,是一项非常有效的污水除磷技术.但是和国外相比,国内的研究相对滞后.
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