人工濕地除磷綜述

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摘 要：隨著人類活動的不斷增強(qiáng)，水環(huán)境氮、磷的污染日趨嚴(yán)重。人工濕地作為一種生態(tài)型的新型污水處理工藝，在實踐中已得到成功應(yīng)用。較之傳統(tǒng)的磷的處理方法，人工濕地具有生態(tài)性、景觀性、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)。本文在介紹人工濕地中磷的去除機(jī)理的基礎(chǔ)上，探討濕地中植物和填料，并指出影響系統(tǒng)除磷效果的影響因素。

　　關(guān)鍵詞：人工濕地 除磷 植物 填料 影響因素

　　一、前言

　　人工濕地作為一種集生態(tài)性、景觀性、高效低耗的廢水處理工藝，正在應(yīng)用于多種類型的廢水處理中，如生活污水、農(nóng)業(yè)廢水、城市暴雨、富營養(yǎng)化景觀水、礦山排水等等。隨著人類活動的不斷增加，水體氮磷的污染日趨嚴(yán)重。大量研究已證實：氮和磷能刺激藻類和光合水生生物的生長，而且最終引起水體富營養(yǎng)化，而磷被認(rèn)為是產(chǎn)生水體富營養(yǎng)化的最主要因素。

　　由于傳統(tǒng)的除磷技術(shù)都存在一定的局限性：化學(xué)沉淀法除磷，運(yùn)行費(fèi)用高，會產(chǎn)生大量的化學(xué)污泥；生物法除磷，工程投資高，工藝復(fù)雜，運(yùn)行管理要求高。人工濕地除磷，是在一般的人工濕地系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過人為的控制措施，優(yōu)化系統(tǒng)達(dá)到以除磷為主要目標(biāo)的廢水處理技術(shù)，其主要原理是通過濕地中的填料、植物和微生物來完成除磷。人工濕地除磷，具有投資少，運(yùn)行維護(hù)方便，經(jīng)過優(yōu)化后處理效果好等特點(diǎn)，在保護(hù)水環(huán)境，以及進(jìn)行有效的生態(tài)恢復(fù)等方面均具有十分重大的意義。

　　二、人工濕地中植物對磷的去除

　　植物是人工濕地處理系統(tǒng)的核心之一，它在人工濕地污水處理系統(tǒng)中發(fā)揮多種作用。植物主要通過自身的光合作用吸收部分污染物，有些種類的植物可以吸收重金屬或降解有機(jī)污染物。同時植物通過莖、葉中的氣孔向系統(tǒng)中輸送氧氣，以形成根際特殊的環(huán)境來促進(jìn)土壤中微生物的生長。

　　人工濕地能否有效處理污水的一個重要因素是選擇的植物種類是否合適。一般來說，人工濕地系統(tǒng)的植物種類應(yīng)具備以下特征：耐污性能好，處理效果好，成活率高；根系發(fā)達(dá)，莖葉茂密，輸氧能力強(qiáng)，生長周期長；抗凍，抗熱，抗病蟲能力強(qiáng)；易于維護(hù)管理；具有美化景觀的作用。

　　許多研究表明，植物的存在對于人工濕地系統(tǒng)凈化功能的實現(xiàn)有極大的作用。吳振斌等通過實驗，研究了人工濕地系統(tǒng)對污水磷的凈化效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3個有植物系統(tǒng)的去除率分別是61%、65%和59%，而無植物系統(tǒng)的去除率僅為28%.Peterson的研究發(fā)現(xiàn)，對于輕度氮磷負(fù)荷的人工濕地處理系統(tǒng)，在植物的生長階段收割，可以占人工濕地氮總?cè)コ康?0%；而在重度氮磷負(fù)荷的處理系統(tǒng)中，雖然植物吸收氮的絕對量比輕度氮磷負(fù)荷的系統(tǒng)大，但其所占比例低，只有1%～4%.彭江燕等研究了黃昌蒲、美人蕉、水蔥、蘆葦、風(fēng)車草5種水生植物凈化污水的能力，結(jié)果表明，風(fēng)車草去除磷效果最好，黃昌蒲和美人蕉次之水蔥稍高于蘆葦。

　　三、人工濕地中填料對磷的去除

　　人工濕地的填料是濕地的基質(zhì)和載體，其去污過程主要包括基質(zhì)的吸收和過濾等物理化學(xué)作用。填料的固磷作用主要包括化學(xué)沉淀、吸附作用、閉蓄作用等幾個方面。化學(xué)沉淀受溶度積控制，可分為鈣、鎂或鐵、鋁控制的兩種轉(zhuǎn)化系統(tǒng)?？扇苄粤姿猁}與這些金屬離子發(fā)生反應(yīng)，形成自由能下降很多，可逆性和溶解性均很小的鈣、鎂或鐵、鋁磷酸鹽。吸附作用由填料的表面性質(zhì)決定，受填料的表面積和活性基團(tuán)控制，一般認(rèn)為磷酸根離子主要通過配位體交換而被吸附停留在填料和土壤的表面。閉蓄作用和氧化還原反應(yīng)由直接關(guān)系。以上反應(yīng)的產(chǎn)物最終吸附或沉降在土體內(nèi)，從而使土體內(nèi)這些元素的含量急劇升高，幾年之后即可達(dá)到入水濃度的10～10000倍以上。因此，當(dāng)填料達(dá)到飽和之后，必須更換人工濕地的填料來保證人工濕地的持續(xù)的處理效果。

　　很多實際運(yùn)行的人工濕地，對于水中的有機(jī)物和懸浮物的去除效率較高，但是對于氮磷的去除效果相對較低。宋志文等對榮成人工濕地污水處理系統(tǒng)處理效果動態(tài)變化特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明人工濕地對于SS、COD、BOD的去除率分別為71.8±8.4％、62.2±10.1％和70.4±9.6％，大腸桿菌去除率為99.7％，對NH4+—N和TP去除效果較差，去除率分別為40. 6±15 .3%和29. 6±12. 8%.

　　選擇合適的填料對于提高磷的去除效果至關(guān)重要。在篩選除磷填料時，主要對含氫氧化（氧化）鐵或鋁基團(tuán)的天然礦物質(zhì)，或能促進(jìn)鈣磷形成的含鈣礦物質(zhì)進(jìn)行對比和篩選。其吸附效率受Eh、pH和吸附表面積等因素影響由于填料的吸附容量一定，所以當(dāng)填料吸附飽和后，應(yīng)及時更換填料以保證磷素的去除率。更換后的填料也應(yīng)妥當(dāng)處理，以免造成二次污染。在實際工程中，選擇填料應(yīng)根據(jù)其磷吸附效率、水力傳導(dǎo)率、材料易得性、價格等因素綜合考慮。

　　目前常用作人工濕地的填料有：礦渣、粉煤灰（FA）、鋼渣、蛭石、土壤、沸石、砂子、石灰石、高爐渣、活性多孔介質(zhì)（IECA）、頁巖等等?，F(xiàn)將常用填料的特點(diǎn)比較一下：

　　目前，針對以上一些填料的優(yōu)缺點(diǎn)，在人工濕地系統(tǒng)中，一般采用復(fù)合填料。對于填料的組成，一般以石、砂、礫石、土壤為基本原料，并添加合適的輔料，通過不同的組合方式來提高磷的去除效果。有研究表明，在進(jìn)水TP含量很高的情況下（化糞池出水），采用煤渣加高有機(jī)質(zhì)含量的草炭，再慘入土壤，在水力負(fù)荷為54－64cm/d的條件下，對于TP的去除率為77.6－85.0％，運(yùn)行15個月后，去除率仍大于55％。

　　四、人工濕地除磷效果的影響因素

　　1.人工濕地的構(gòu)造形式

　　人工濕地根據(jù)構(gòu)造可分為表面流人工濕地和潛流式人工濕地。表面流人工濕地，水力路徑以地表推流為主，在處理過程中，主通過植物的莖葉的攔截、土壤的吸附過濾和污染物的自然沉降來達(dá)到去除污染物的目的。表面流人工濕地一般水力負(fù)荷小，系統(tǒng)對于氮磷的去除效果一般較差。而且由于冬季溫度的下降和濕地植物的枯萎，凈化功能降低。潛流式人工濕地可根據(jù)流向分為水平流與垂直流人工濕地。潛流工人工濕地系統(tǒng)，污水在濕地床的表面下流動，一方面可以充分利用填料表面生長的生物膜、豐富的植物根系及表層土和填料截留等作用，提高處理效果和處理能力；另一方面由于水流在地表下流動，保溫性好，處理效果受氣候影響較小，且衛(wèi)生條件較好，是目前國際上較多研究和應(yīng)用的一種濕地處理系統(tǒng)，但此系統(tǒng)的投資比表面流人工濕地系統(tǒng)略高。

　　2.進(jìn)水水力負(fù)荷

　　濕地系統(tǒng)中的磷主要是通過微生物及植物的吸收以及填料的物理化學(xué)作用去除的，水力負(fù)荷過低，易造成濕地系統(tǒng)厭氧，微生物原先在好氧環(huán)境下過量吸收的磷又重新釋放，致使TP 去除率下降；而水力負(fù)荷過大時，污水的流速過大，對填料的沖擊也使原先被吸附在填料或植物根莖表面的磷沖出系統(tǒng)，造成 TP去除率下降。特別在濕地的啟動期間，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)倪M(jìn)水水力負(fù)荷，以保證系統(tǒng)中微生物的正常生長、掛膜。

　　3.pH值

　　由于污水中磷素的去除主要是靠填料的物理化學(xué)作用，磷的去除與介質(zhì)的酸堿環(huán)境有關(guān)。這主要和填料內(nèi)的金屬離子有關(guān)，一般認(rèn)為其中Ca 2+易于在堿性或酸性環(huán)境條件下發(fā)生反應(yīng)，而與A13+ 、Fe 2+主要是在中性或酸性環(huán)境條件下發(fā)生反應(yīng)。污水在經(jīng)過濕地系統(tǒng)時，會引起系統(tǒng)的pH值的變化，過長的水力停留時間會導(dǎo)致系統(tǒng)的pH值的降低。

　　4.氧源

　　濕地環(huán)境對很多微生物來說是一種嚴(yán)酷的逆境，最嚴(yán)酷的是條件是濕地基質(zhì)中缺氧。在缺氧條件下，生物不能進(jìn)行正常的有氧呼吸，還原態(tài)的某些元素和有機(jī)物濃度可達(dá)到有毒的水平。人工濕地中有機(jī)磷好氧分解所消耗的氧氣主要來自大氣自然復(fù)氧和濕地植物供氧。溶氧水平越高，越有利于磷的降解和微生物對磷的吸收利用。

　　5.季節(jié)和溫度

　　濕地除磷效果受季節(jié)和溫度影響較大。一般在春、秋季節(jié)的去除率較高，而在冬季溫度較低時去除率低。這與冬季植物枯萎、停止生長有關(guān)。雒維國等研究發(fā)現(xiàn)，污水中各種形態(tài)磷的去除率變化趨勢與氣溫的變化趨勢是一致的，兩者在冬季同時降到最低點(diǎn)，在春夏季節(jié)則有較大幅度上升。

　　五、結(jié)術(shù)語

　　眾多成功應(yīng)用的實踐證明，人工濕地作為占地少、易管理、效果好的污水處理系統(tǒng)，是一項非常有效的污水除磷技術(shù)。但是和國外相比，國內(nèi)的研究相對滯后。通過理論和實踐的系統(tǒng)研究，構(gòu)建適合我國國情和不同地域特點(diǎn)的高效人工濕地除磷系統(tǒng)時當(dāng)務(wù)之急，使其在我國得到廣泛的應(yīng)用和推廣。

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