人工濕地對污水中氮磷的去除機(jī)制研究進(jìn)展

1、環(huán)境科學(xué)動態(tài)2000年第3期32人工濕地對污水中氮磷的去除機(jī)制研究進(jìn)展梁威吳振斌(武漢430072)摘,已經(jīng)嚴(yán)重制約了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。本文比較全面地介紹了近年來人工濕地對污水中氮磷去除機(jī)制的最新研究概況,系統(tǒng)地闡述了氮磷去除的幾條主要途徑:11土壤的濾過作用;21植物的吸收等作用;31微生物的降解作用。同時對溫度、CO2、pH等影響去除效率的外界因素也作了簡要介紹,為進(jìn)一步研究提供了參考資料,同時也為采用人工濕地治理水污染和水體富營養(yǎng)化提供了理論依據(jù)。關(guān)健詞人工濕地氮磷去除機(jī)制濾過吸收降解外界因素一、人工濕地發(fā)展現(xiàn)狀人類即將邁進(jìn)新世紀(jì),在本世紀(jì),人們的生活水平得到了了不起的提高,但同時必須指出

2、的是,全球的環(huán)境也被嚴(yán)重污染了,水、水的凈化,越來越成為舉世矚目的重大環(huán)境問題。隨著全球污染的加劇,環(huán)境的惡化,水資源供需矛盾日益突出,對于正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時期的1我國,這一問題尤為突出。特別是近年來隨著工業(yè)化和城市化的提高,工業(yè)污水和城市生活污水的排放量不斷增加,在許多城市出現(xiàn)了嚴(yán)重的水污染,已經(jīng)嚴(yán)重地制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)2展。據(jù)估計,全國年排污水量達(dá)數(shù)百億噸,但只有24%的工業(yè)污水和4%的生活污水經(jīng)過處理。80%的飲用水源遭到污染,這就更加劇了水資源的缺乏。而傳統(tǒng)的生化二級處理場限于投資和運行費用過高,難以在中小城市推廣,已建成的污水處理場也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足污水處理的要求,因此,發(fā)展和推廣簡便有效

3、的生物污水處理技術(shù)是改變目前水資源缺乏狀況的一條重要途徑。人工濕地是本世紀(jì)七十年代蓬勃興起的一2種處理污水的方式,它的原理主要是利用濕地中基質(zhì)、水生植物和微生物之間的相互作用,通過一系列的物理的、化學(xué)的以及生物的途徑凈化污水。自西德1974年首先建造人工濕地以來,該工藝已在歐洲得到推廣應(yīng)用,在美國和加拿大等國也得以迅速發(fā)展。目前歐洲已有數(shù)以百計的人工濕地投入廢水處理運行,這種人工濕地的規(guī)模大小差別很大,最小的僅為一家一戶排放的廢水處理,大的可以處理千人以上村鎮(zhèn)排放的污水。目前,人工濕地廢水處理工藝主要有兩種形式,一種稱表面流(Surfaceflow)工藝,另一種稱地下潛流(Subsurface

4、flow)工藝。地表流工藝中廢水在濕地的土壤表層流動,水位較淺,一般為011-016m。與地下潛流工藝相比其優(yōu)點是投資少,其缺點是負(fù)荷小,冬季北方表面會結(jié)冰,夏季會繁殖蚊子,還會有臭味。地下潛流工藝中廢水在人工濕地的地表下流動,保溫效果好,負(fù)荷高,處理效果受氣候的影響小,但投資要比地表流工藝大一些。目前國際上采用較多的是這種工藝。應(yīng)用人工濕地處理污水,其投資和日常運3,4本文承蒙鄧家齊先生審閱并修改,特此致謝。2000年第3期環(huán)境科學(xué)動態(tài)33行費用僅為常規(guī)二級污水處理場的11012和1513,但其出水水質(zhì)可達(dá)到或超過二級污水處理水平,且適用面廣,除處理城鎮(zhèn)生活污水外,也能廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)

5、、食品、礦山等工農(nóng)業(yè)廢水的處理。自七十年代以來,濕地系統(tǒng)發(fā)展迅速。據(jù)統(tǒng)計,捷克共和國到1995年止已建起了39個人工濕地,美國在1988年至51993年間就建起了幾百個人工濕地年7月,3建造了處理規(guī)模為3100md的人工濕地示范工程。此外,在北京昌平和天津等地也先后建立了人工濕地系統(tǒng),對人工濕地處理污水規(guī)律6,7進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。二、人工濕地對污水中氮磷的去除機(jī)理近年來,大量研究發(fā)現(xiàn)氮和磷能刺激藻類和光合水生生物的生長,使水體富營養(yǎng)化加劇。對減少廢水中營養(yǎng)鹽(特別是氮磷)的排放量已引起了世界范圍的重視,特別是在發(fā)達(dá)國家,對排放水中氮和磷含量有嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)。因此,研究人工濕地對污水中氮磷的

6、去除機(jī)制十分必要,近年來已進(jìn)行了不少研究?，F(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)人工濕地對氮磷的去除主要是通過水生植物、基質(zhì)以及微生物的共同作用來完成的。下面將介紹這一方面的主要研究進(jìn)展情況。11基質(zhì)目前廣泛應(yīng)用的人工濕地主要由沙粒、沙土、土壤、石塊為基質(zhì),這些基質(zhì)一方面為微生物的生長提供穩(wěn)定依附表面,同時也為水生植物提供了載體和營養(yǎng)物質(zhì)。當(dāng)污水流經(jīng)人工濕地時,基質(zhì)通過一些物理的和化學(xué)的途徑(如吸收、吸附、濾過、離子交換、絡(luò)合反應(yīng)等)來凈化10除去污水中的N、P等營養(yǎng)物質(zhì)?？娂澰５仍谘芯咳斯の鬯械牧自谀M秋茄濕地系統(tǒng)中的分配與循環(huán)中發(fā)現(xiàn),加入系統(tǒng)中的磷主要存留在土壤中,留存于植物體和凋落葉中的很11,12少。K1R

7、1Reddy在研究中也發(fā)現(xiàn)在人工濕地中787%的磷可能通過沉淀或吸附反應(yīng)而10降解,其中pH值將起到十分重要的作用。8,9研究發(fā)現(xiàn):可溶性的無機(jī)磷化物很容易與3+3+2+土壤中的Al、Fe、Ca等發(fā)生吸附和沉淀反2+應(yīng),其中土壤與Ca易于在堿性條件下發(fā)生作3+3+用,而與Al、Fe主要是在中性或酸性環(huán)境條件下發(fā)生反應(yīng)。一般認(rèn)為磷酸根離子主要通過配位體交換而被吸附到+和Al離子的表-19,。同時研究土壤里,至少部分是可逆的。如果污水中磷的濃度較低,土壤里就會有部分磷被重新釋放到水中。土壤的作用在某種程度上是在作為一個“磷緩沖器”來調(diào)節(jié)水中磷的濃度,那些吸附磷20-22最少的土壤最容易釋放磷。2水

8、生植物33+水生植物在人工濕地污水凈化中起著十分重要的作用。一方面水生植物自身能吸收一部分營養(yǎng)物質(zhì),同時它的根區(qū)為微生物的生存和降解營養(yǎng)物質(zhì)提供了必要的場所和好氧厭氧條件。人工濕地植物根系常形成一個網(wǎng)絡(luò)樣的結(jié)構(gòu),在這個網(wǎng)絡(luò)中根系不僅能直接吸附和沉降污水中的氮磷等一些營養(yǎng)物質(zhì),而且還為微生物的吸附和代謝提供了良好的生物物化環(huán)境條件。同時附近的微生物通過代謝,消耗了水體中的溶解氧,使之呈現(xiàn)厭氧狀態(tài),而厭氧狀態(tài)有利于反硝化過程,從而能最大限度地除去-24污水中的NO3。水生生物去除氮磷的機(jī)制之一是通過植物本身的吸收作用。研究發(fā)現(xiàn)不同的植物種類以及植物體不同的部位其吸收能力都不相同?？娂澰５妊芯堪l(fā)現(xiàn),

9、人工濕地經(jīng)過一段時間運行以后,植物體各器官含磷量各不相同,它們依次為葉>根>莖>胚軸,且都隨污水濃度升度而升高。此外,在植物體的不同生長期其磷含量11,12也不相同。水生生物重要的功能之一就是將氧氣從上部輸送至根部,從而在根區(qū)或根際形成一種好氧環(huán)境,這一環(huán)境能刺激有機(jī)物質(zhì)的分解和硝化細(xì)菌的生長,從而達(dá)到去除污水中氮磷等營25-31養(yǎng)物質(zhì)的目的。利用水生植物凈化污水23,24環(huán)境科學(xué)動態(tài)2000年第3期3432效果最好的是水鱉和浮萍。詹發(fā)萃等人在國家“七五”攻關(guān)“綜合生物塘技術(shù)及黃州城區(qū)污水綜合生物塘處理研究”中也發(fā)現(xiàn),在鳳眼蓮、藻菌系統(tǒng)、人工水草系統(tǒng)及水花生(Alter2na

10、ntheraPhiloxeroidesGriseb.)等幾種不同的生態(tài)系統(tǒng)中,水生植物去污效果依次為:鳳眼蓮>藻菌>人工水草好氧系統(tǒng)>人工水草厭氧系統(tǒng)。3微生物自然界中碳、氮、磷等元素的循環(huán)離不開微生物的活動。人工濕地處理污水時,有機(jī)物的降解和轉(zhuǎn)化也主要是由植物根區(qū)微生物活動來完成的。人工濕地中微生物的活動是廢水中有機(jī)物降解的主要機(jī)制。水生植物通過通氣組織的運輸,將氧氣輸送到根區(qū),從而形成了根表面及附近區(qū)域的氧化狀態(tài)。廢水中大部分有機(jī)物質(zhì)在這一區(qū)域被好氧微生物利用氧而分解成為CO2和水;有機(jī)氮化物等則被這一區(qū)域的硝化細(xì)菌所硝化。而在濕地中的還原狀態(tài)區(qū)域,則是經(jīng)過厭氧細(xì)菌的發(fā)酵

11、作用,將有機(jī)物分36-39解。至于有機(jī)磷及溶解性較差的無機(jī)磷酸鹽都必須經(jīng)過磷細(xì)菌的代謝活動,將有機(jī)磷化合物轉(zhuǎn)變成磷酸鹽,將溶解性差的磷化合物溶解,才能除去污水中的磷。有機(jī)硫化物則必須經(jīng)過根區(qū)的硫細(xì)菌的代謝活動而降解成無機(jī)的硫化物,從而才能去除污水中的硫。其中濕地中氮的去除需分兩步進(jìn)行:第一步氨氧化成33硝酸,即硝化作用;第二步使硝酸還原成N2O或氮氣,即反硝化作用。硝化作用是好氧過程,主要由亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌來完成;而反硝化過程則在缺氧條件下由反硝化細(xì)菌來完成。研究發(fā)現(xiàn)植物根區(qū)好氧微生物的活動有利于硝化作用,。,需厭氧和,人工濕地中的微生物是極其豐富的,這為人工濕地污水處理系統(tǒng)提供了足夠的分

12、解者。李科得等人研究發(fā)現(xiàn)蘆葦床系統(tǒng)的根表面根際8土的細(xì)菌數(shù)量可達(dá)10個克干重,且趨于穩(wěn)34定,季節(jié)變化不大。楊桂芳等在慢速滲透土地系統(tǒng)的水稻土中研究發(fā)現(xiàn)氨化細(xì)菌的數(shù)量在73510個克干重以上。不同的生境,人工濕地的微生物群落結(jié)構(gòu)和活力也不一樣。Duncan等以土壤呼吸量和反硝化酶活力(DEA)等為指標(biāo)比較了人工濕地與天然濕地微生物之間的差異,發(fā)現(xiàn)人工濕地中DEA顯著地高于天然濕地,而土壤呼吸量則正好相反,天然濕地中明顯高于人工濕地。李科得等比較了蘆葦床系統(tǒng)與天然蘆葦場中根面和根際土的細(xì)菌、真菌、放線菌等的數(shù)量,結(jié)果發(fā)現(xiàn)人工蘆葦床系統(tǒng)中各類34微生物的數(shù)量明顯地高于天然蘆葦場。研究同時發(fā)現(xiàn),微生

13、物的數(shù)目和種類與污水凈化效果也有一定的關(guān)系。李科得等研究發(fā)現(xiàn)蘆葦系統(tǒng)內(nèi)根際微生物與污染物去除率之間有明顯的相關(guān)性。污水中的BOD和COD的去除率與微生物的數(shù)目都有較明顯的相關(guān)性;污水中NH3-N的去除率與根區(qū)的硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量的相關(guān)性極顯著;而磷元素的去34,41除率則與根際中的磷細(xì)菌數(shù)目呈正相關(guān)三、影響氮磷去除的外界因素近年來研究發(fā)現(xiàn),影響氮磷去除的外界因素有多種,如溫度、CO2、pH、溶解氧含量、水負(fù)荷、污水中的氮磷濃度等。下面就溫度、CO2、pH對氮磷去除的影響作一簡單的介紹。1溫度人工濕地對氮磷的去除主要是通過水生植2000年第3期環(huán)境科學(xué)動態(tài)35物的吸收、土壤的濾過作用以及微

14、生物的分解作用來完成的,而這些作用都比較容易受溫度的影響,因此溫度是影響人工濕地對污水中氮磷去除率的一個重要因素。3242土壤微生物影響的研究卻很少見。近處來國外有些學(xué)者對CO2濃度升高對根際微生物、菌根、根瘤、土壤原生動物、植物土傳病原菌和分解速率等方面的影響進(jìn)行了研究,這方面已取得一定的研究成果。其中對根際土壤微生物影響的研究結(jié)果如下:2。同時,但大多數(shù)實驗研究表,在2232TP的去除432濃度升高對根際、根外土壤中的微生物的生物量以及微生物總數(shù)量有促進(jìn)作用,一些和植物去除氮磷密切相關(guān)的微生物生理類群,如解磷細(xì)菌、硝化細(xì)菌的數(shù)量也有所增加。48。不過,也有人發(fā)現(xiàn)短期的溫度變化對氮磷的去除率

15、影響不大,但如果長期的溫度變化將會導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)的去除率發(fā)生改變。據(jù)分析可能是因為短期溫度變化中濕地中微生物的種群并未發(fā)生改變,但是如果溫度變化的時間相對長一些,例如幾個星期時間,則人工濕地中的微生物群落將會由于適應(yīng)新的環(huán)境而導(dǎo)致數(shù)目和種類的改變,從而也影響了人工濕地對污水中營養(yǎng)物質(zhì)的去除效果44人們研究還發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高有利于反硝化作用。在厭氧條件下,反硝化細(xì)菌的反硝化作用會大大加強(qiáng),從而在一定程度上有利于氮的去除40。3pH24,49。2CO2近年來,由于環(huán)境污染排放的CO2所造成的全球氣候變暖,溫度升高,已經(jīng)引起人們的高-1-1,增。,僅從1957年至今的幾與此同時,詹發(fā)萃等人也研究發(fā)現(xiàn)

16、,當(dāng)鳳眼蓮培養(yǎng)在不同的pH條件下,其微生物群落活性不相同,其凈化效率也不相同磷的去除作用也受到影響13-1948十年間,大氣中CO2的濃度就增長了20%。預(yù)計到本世紀(jì)下半葉,大氣中的CO2濃度還將增加一倍。大氣CO2濃度的劇烈變化將對植物及整個生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響。大氣中CO2濃度的升高主要通過影響植物生長而間接影響土壤中的微生物,因此CO2對人工濕地中微生物作用的影響也被提到一個很重要的位置雖然早在1981年Luxmoor4645。此外,人們還研究發(fā)現(xiàn)在不同的pH條件下,土壤對氮。參考文獻(xiàn)11劉昌明,何希吾等著,中國21世紀(jì)水問題方略,科學(xué)出版社,北京,199821李瑞環(huán),關(guān)于我國水的幾個

17、問題在政協(xié)第。就認(rèn)識到CO2九屆全國委員會常務(wù)委員會第三次會議上的講話,1998,10,2331WatersonJ.Tetal,Constructedwetlandsforwastewatertreatment,Michigan;LewisPublishersInC.,1989,379-391濃度升高時土壤微生物的變化對植被及整個生態(tài)系統(tǒng)的反應(yīng)可能起著重要的作用,但以往大多數(shù)研究都集中在CO2濃度升高對水生植物地上部分的影響,而涉及CO2濃度升高對濕地環(huán)境科學(xué)動態(tài)2000年第3期3641CooperPFetal,Constructedwetlandsforwastewatertreatment

18、,Michigan;LewisPublishersInC.,1989,153-17251SherwoodC.Reed;DonaldBrown,WaterEnviron.Res.,1995,67(2);244-25061胡康萍等,上海環(huán)境科學(xué),1991,10(9);4171丁廷華,環(huán)境科學(xué),1992,13(2);891BortoneGet,DenitrificationandBiologicalPhosphateRemovalinSequencingbatchreactorstreatingpiggerywastewater,Proic,WaterQualityInternational92,W

19、ashingtonD1C1,24-30May,Wat1Sci1andTechnol1,1992,26(56);977181Rydenetal1,TheMechanismofPhosphateSorptionbySoilandHydrousFerricOxideGel1,J1Soil1Sci11977,28;172191Tayloretal,AMechanismofPhosphateAdsorp2tiononSoilandAnionExchangeResinSurfaces,SoilSci1Soc1An1J1,1978,42alinLakeSedim2;1D,1AdsorptionofPhosp

20、horusbyLakeSediments,SoilSci1Am1Proc11968,32;514221Williamsetal,AdsorptionandDesorptionofIn2organicPhosphorusbyLakesedimentsina011MNaclSystem,Environ1Sci1Technol1,1970,4;517231Reddy,NutrientTransofrmationsinAquaticMac2rophyteFiltersUsedforWaterPurification,P1600986101K1R1Reddy,FateofNitrogenandPhosp

21、horusinawastewaterRetentionReserviorContainingAquaticMacrophytes,J1Environ1Qual1,1983,12(1);137141111繆紳裕,陳桂珠等,人工濕地中的磷在模擬6781InfutureofWaterReuseVol121Proc1ofWa2terReuseSymp11SanDiego,Ca126-3121August,AWWAResearchFoundation,Denver1Co1241Reddy,DielVariationosinPhysico-chemicalParametersofWaterinSelect

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24、cMacrophytes,1J1Environ1Qual1,1988,17;138142311Tealetal,Gastransportinthemarshgrass,spar2秋茄濕地系統(tǒng)中的分配與循環(huán),生態(tài)學(xué)報,1999,19(2);236241121林鵬,林光輝,九龍江口紅樹林研究1秋茄群落的氮1磷的積累和循環(huán),植物生態(tài)學(xué)與植物學(xué)叢刊,1985,9(1);213213Hingstonetal,AnionAdsorptionbyGoethiteandGibbsiteI1TheRoleoftheProtoninDeterminingAdsorptionEnvelopes,J1Soil1Sci

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26、Sci1Soc1Am1Proc,1975,39;846171Parfittetal,TheMechanismofPhosphateFixa2tionbyIronOxides1SoilSci1Soc1Am1Pron1,1975,39;8372000年第3期環(huán)境科學(xué)動態(tài)37tinaalterniflora1J.Exp1Bot1,1966,17;355361321ReddyandDebusk,NutrientRemovalPotentialofSelectedAquaticMacrophytes,J1Environ1Qual11985,14(4);459462331詹發(fā)萃,鄧家齊等,幾種不同生態(tài)系統(tǒng)

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