人工湿地对污水中氮磷的去除机制研究进展

1、环境科学动态2000年第3期32人工湿地对污水中氮磷的去除机制研究进展梁威吴振斌(武汉430072)摘,已经严重制约了国民经济的发展。本文比较全面地介绍了近年来人工湿地对污水中氮磷去除机制的最新研究概况,系统地阐述了氮磷去除的几条主要途径:11土壤的滤过作用;21植物的吸收等作用;31微生物的降解作用。同时对温度、CO2、pH等影响去除效率的外界因素也作了简要介绍,为进一步研究提供了参考资料,同时也为采用人工湿地治理水污染和水体富营养化提供了理论依据。关健词人工湿地氮磷去除机制滤过吸收降解外界因素一、人工湿地发展现状人类即将迈进新世纪,在本世纪,人们的生活水平得到了了不起的提高,但同时必须指出

2、的是,全球的环境也被严重污染了,水、水的净化,越来越成为举世瞩目的重大环境问题。随着全球污染的加剧,环境的恶化,水资源供需矛盾日益突出,对于正处于经济高速发展时期的1我国,这一问题尤为突出。特别是近年来随着工业化和城市化的提高,工业污水和城市生活污水的排放量不断增加,在许多城市出现了严重的水污染,已经严重地制约了经济的发2展。据估计,全国年排污水量达数百亿吨,但只有24%的工业污水和4%的生活污水经过处理。80%的饮用水源遭到污染,这就更加剧了水资源的缺乏。而传统的生化二级处理场限于投资和运行费用过高,难以在中小城市推广,已建成的污水处理场也远远不能满足污水处理的要求,因此,发展和推广简便有效

3、的生物污水处理技术是改变目前水资源缺乏状况的一条重要途径。人工湿地是本世纪七十年代蓬勃兴起的一2种处理污水的方式,它的原理主要是利用湿地中基质、水生植物和微生物之间的相互作用,通过一系列的物理的、化学的以及生物的途径净化污水。自西德1974年首先建造人工湿地以来,该工艺已在欧洲得到推广应用,在美国和加拿大等国也得以迅速发展。目前欧洲已有数以百计的人工湿地投入废水处理运行,这种人工湿地的规模大小差别很大,最小的仅为一家一户排放的废水处理,大的可以处理千人以上村镇排放的污水。目前,人工湿地废水处理工艺主要有两种形式,一种称表面流(Surfaceflow)工艺,另一种称地下潜流(Subsurface

4、flow)工艺。地表流工艺中废水在湿地的土壤表层流动,水位较浅,一般为011-016m。与地下潜流工艺相比其优点是投资少,其缺点是负荷小,冬季北方表面会结冰,夏季会繁殖蚊子,还会有臭味。地下潜流工艺中废水在人工湿地的地表下流动,保温效果好,负荷高,处理效果受气候的影响小,但投资要比地表流工艺大一些。目前国际上采用较多的是这种工艺。应用人工湿地处理污水,其投资和日常运3,4本文承蒙邓家齐先生审阅并修改,特此致谢。2000年第3期环境科学动态33行费用仅为常规二级污水处理场的11012和1513,但其出水水质可达到或超过二级污水处理水平,且适用面广,除处理城镇生活污水外,也能广泛应用于农业、畜牧业

5、、食品、矿山等工农业废水的处理。自七十年代以来,湿地系统发展迅速。据统计,捷克共和国到1995年止已建起了39个人工湿地,美国在1988年至51993年间就建起了几百个人工湿地年7月,3建造了处理规模为3100md的人工湿地示范工程。此外,在北京昌平和天津等地也先后建立了人工湿地系统,对人工湿地处理污水规律6,7进行了比较系统的研究。二、人工湿地对污水中氮磷的去除机理近年来,大量研究发现氮和磷能刺激藻类和光合水生生物的生长,使水体富营养化加剧。对减少废水中营养盐(特别是氮磷)的排放量已引起了世界范围的重视,特别是在发达国家,对排放水中氮和磷含量有严格的控制标准。因此,研究人工湿地对污水中氮磷的

6、去除机制十分必要,近年来已进行了不少研究。现有的研究发现人工湿地对氮磷的去除主要是通过水生植物、基质以及微生物的共同作用来完成的。下面将介绍这一方面的主要研究进展情况。11基质目前广泛应用的人工湿地主要由沙粒、沙土、土壤、石块为基质,这些基质一方面为微生物的生长提供稳定依附表面,同时也为水生植物提供了载体和营养物质。当污水流经人工湿地时,基质通过一些物理的和化学的途径(如吸收、吸附、滤过、离子交换、络合反应等)来净化10除去污水中的N、P等营养物质。缪绅裕等在研究人工污水中的磷在模拟秋茄湿地系统中的分配与循环中发现,加入系统中的磷主要存留在土壤中,留存于植物体和凋落叶中的很11,12少。K1R

7、1Reddy在研究中也发现在人工湿地中787%的磷可能通过沉淀或吸附反应而10降解,其中pH值将起到十分重要的作用。8,9研究发现:可溶性的无机磷化物很容易与3+3+2+土壤中的Al、Fe、Ca等发生吸附和沉淀反2+应,其中土壤与Ca易于在碱性条件下发生作3+3+用,而与Al、Fe主要是在中性或酸性环境条件下发生反应。一般认为磷酸根离子主要通过配位体交换而被吸附到+和Al离子的表-19,。同时研究土壤里,至少部分是可逆的。如果污水中磷的浓度较低,土壤里就会有部分磷被重新释放到水中。土壤的作用在某种程度上是在作为一个“磷缓冲器”来调节水中磷的浓度,那些吸附磷20-22最少的土壤最容易释放磷。2水

8、生植物33+水生植物在人工湿地污水净化中起着十分重要的作用。一方面水生植物自身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氮磷等一些营养物质,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,而厌氧状态有利于反硝化过程,从而能最大限度地除去-24污水中的NO3。水生生物去除氮磷的机制之一是通过植物本身的吸收作用。研究发现不同的植物种类以及植物体不同的部位其吸收能力都不相同。缪绅裕等研究发现,

9、人工湿地经过一段时间运行以后,植物体各器官含磷量各不相同,它们依次为叶>根>茎>胚轴,且都随污水浓度升度而升高。此外,在植物体的不同生长期其磷含量11,12也不相同。水生生物重要的功能之一就是将氧气从上部输送至根部,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25-31养物质的目的。利用水生植物净化污水23,24环境科学动态2000年第3期3432效果最好的是水鳖和浮萍。詹发萃等人在国家“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、人工水草系统及水花生(Alter2na

10、ntheraPhiloxeroidesGriseb.)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。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主要是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CO2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

11、作用,将有机物分36-39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,才能除去污水中的磷。有机硫化物则必须经过根区的硫细菌的代谢活动而降解成无机的硫化物,从而才能去除污水中的硫。其中湿地中氮的去除需分两步进行:第一步氨氧化成33硝酸,即硝化作用;第二步使硝酸还原成N2O或氮气,即反硝化作用。硝化作用是好氧过程,主要由亚硝化细菌和硝化细菌来完成;而反硝化过程则在缺氧条件下由反硝化细菌来完成。研究发现植物根区好氧微生物的活动有利于硝化作用,。,需厌氧和,人工湿地中的微生物是极其丰富的,这为人工湿地污水处理系统提供了足够的分

12、解者。李科得等人研究发现芦苇床系统的根表面根际8土的细菌数量可达10个克干重,且趋于稳34定,季节变化不大。杨桂芳等在慢速渗透土地系统的水稻土中研究发现氨化细菌的数量在73510个克干重以上。不同的生境,人工湿地的微生物群落结构和活力也不一样。Duncan等以土壤呼吸量和反硝化酶活力(DEA)等为指标比较了人工湿地与天然湿地微生物之间的差异,发现人工湿地中DEA显著地高于天然湿地,而土壤呼吸量则正好相反,天然湿地中明显高于人工湿地。李科得等比较了芦苇床系统与天然芦苇场中根面和根际土的细菌、真菌、放线菌等的数量,结果发现人工芦苇床系统中各类34微生物的数量明显地高于天然芦苇场。研究同时发现,微生

13、物的数目和种类与污水净化效果也有一定的关系。李科得等研究发现芦苇系统内根际微生物与污染物去除率之间有明显的相关性。污水中的BOD和COD的去除率与微生物的数目都有较明显的相关性;污水中NH3-N的去除率与根区的硝化细菌和反硝化细菌数量的相关性极显著;而磷元素的去34,41除率则与根际中的磷细菌数目呈正相关三、影响氮磷去除的外界因素近年来研究发现,影响氮磷去除的外界因素有多种,如温度、CO2、pH、溶解氧含量、水负荷、污水中的氮磷浓度等。下面就温度、CO2、pH对氮磷去除的影响作一简单的介绍。1温度人工湿地对氮磷的去除主要是通过水生植2000年第3期环境科学动态35物的吸收、土壤的滤过作用以及微

14、生物的分解作用来完成的,而这些作用都比较容易受温度的影响,因此温度是影响人工湿地对污水中氮磷去除率的一个重要因素。3242土壤微生物影响的研究却很少见。近处来国外有些学者对CO2浓度升高对根际微生物、菌根、根瘤、土壤原生动物、植物土传病原菌和分解速率等方面的影响进行了研究,这方面已取得一定的研究成果。其中对根际土壤微生物影响的研究结果如下:2。同时,但大多数实验研究表,在2232TP的去除432浓度升高对根际、根外土壤中的微生物的生物量以及微生物总数量有促进作用,一些和植物去除氮磷密切相关的微生物生理类群,如解磷细菌、硝化细菌的数量也有所增加。48。不过,也有人发现短期的温度变化对氮磷的去除率

15、影响不大,但如果长期的温度变化将会导致营养物质的去除率发生改变。据分析可能是因为短期温度变化中湿地中微生物的种群并未发生改变,但是如果温度变化的时间相对长一些,例如几个星期时间,则人工湿地中的微生物群落将会由于适应新的环境而导致数目和种类的改变,从而也影响了人工湿地对污水中营养物质的去除效果44人们研究还发现CO2浓度升高有利于反硝化作用。在厌氧条件下,反硝化细菌的反硝化作用会大大加强,从而在一定程度上有利于氮的去除40。3pH24,49。2CO2近年来,由于环境污染排放的CO2所造成的全球气候变暖,温度升高,已经引起人们的高-1-1,增。,仅从1957年至今的几与此同时,詹发萃等人也研究发现

16、,当凤眼莲培养在不同的pH条件下,其微生物群落活性不相同,其净化效率也不相同磷的去除作用也受到影响13-1948十年间,大气中CO2的浓度就增长了20%。预计到本世纪下半叶,大气中的CO2浓度还将增加一倍。大气CO2浓度的剧烈变化将对植物及整个生态系统产生巨大的影响。大气中CO2浓度的升高主要通过影响植物生长而间接影响土壤中的微生物,因此CO2对人工湿地中微生物作用的影响也被提到一个很重要的位置虽然早在1981年Luxmoor4645。此外,人们还研究发现在不同的pH条件下,土壤对氮。参考文献11刘昌明,何希吾等著,中国21世纪水问题方略,科学出版社,北京,199821李瑞环,关于我国水的几个

17、问题在政协第。就认识到CO2九届全国委员会常务委员会第三次会议上的讲话,1998,10,2331WatersonJ.Tetal,Constructedwetlandsforwastewatertreatment,Michigan;LewisPublishersInC.,1989,379-391浓度升高时土壤微生物的变化对植被及整个生态系统的反应可能起着重要的作用,但以往大多数研究都集中在CO2浓度升高对水生植物地上部分的影响,而涉及CO2浓度升高对湿地环境科学动态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,上海环境科学,1991,10(9);4171丁廷华,环境科学,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缪绅裕,陈桂珠等,人工湿地中的磷在模拟6781InfutureofWaterReuseVol121Proc1ofWa2terReuseSymp11SanDiego,Ca126-3121August,AWWAResearchFoundation,Denver1Co1241Reddy,DielVariationosinPhysico-chemicalParametersofWaterinSelect

22、edAquaticSystems,Hydrobiologia,1981,85;201207251Armstrong,OxygendiffusionfromtherootsofsomeBritishbogplants,Nature,1964,204;801-802261Armstrong,RadialOxygendiffusionfromthero2otsofsomeBritishbogplants,Nature,1964,204;801-802271Conway,StudiesintheAutecologyofCladiummariscusR1Br11TheaerationoftheSubte

23、rraneanpartsoftheplant,NewPhytol,1937,36;6496281Gersbergetal,RoleofAquaticplantsinwastewatertreatmentbyartificialwetlands,WaterRes1,1986,20;363368291GrossaandMevi-Schutz,ABeneficialGasTransportSysteminNymphyoidespeltata,Am1J1Bot1,1987,74;947952301MoorheadandReddy,OxygenTransportthroughSelectedAquati

24、cMacrophytes,1J1Environ1Qual1,1988,17;138142311Tealetal,Gastransportinthemarshgrass,spar2秋茄湿地系统中的分配与循环,生态学报,1999,19(2);236241121林鹏,林光辉,九龙江口红树林研究1秋茄群落的氮1磷的积累和循环,植物生态学与植物学丛刊,1985,9(1);213213Hingstonetal,AnionAdsorptionbyGoethiteandGibbsiteI1TheRoleoftheProtoninDeterminingAdsorptionEnvelopes,J1Soil1Sci

25、1,1972,23;177141Breeuwsma,A1,andLyklema,PhysicalandChem2icalAdsorptionofInosintheElectricalDoubleLayeronHematite,J1Coll1Interface1Sci1,1973,43;437151Rajan,AdsorptionofDivalentPhosphateonHydrousAluminumOxide,Nature,1975,253;434161Rajanetal,PhosphateAdsorptionbySoils,1ReactionsinTropicalAcidSoils1Soil

26、Sci1Soc1Am1Proc,1975,39;846171Parfittetal,TheMechanismofPhosphateFixa2tionbyIronOxides1SoilSci1Soc1Am1Pron1,1975,39;8372000年第3期环境科学动态37tinaalterniflora1J.Exp1Bot1,1966,17;355361321ReddyandDebusk,NutrientRemovalPotentialofSelectedAquaticMacrophytes,J1Environ1Qual11985,14(4);459462331詹发萃,邓家齐等,几种不同生态系统

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