水平潛流人工濕地的脫氮機(jī)理范文

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1影響脫氮的主要因素

1.1植物植物是水平潛流人工濕地重要的組成部分。植物通過生物量增長從濕地中吸收氮素被認(rèn)為是濕地脫氮的重要途徑之一〔19〕。研究表明，植物吸收的最大總氮量占進(jìn)水量的5%～15%〔20〕。此外，植物根系的輸氧功能可改變水平潛流人工濕地系統(tǒng)內(nèi)部的溶解氧環(huán)境，為微生物硝化-反硝化作用的進(jìn)行提供適宜的環(huán)境條件，進(jìn)一步促進(jìn)氮的去除轉(zhuǎn)化。不同植物因其生理特性、根系輸氧能力等的不同，對氮的吸收能力也存在較大差異，最終導(dǎo)致濕地除污效果的明顯不同。表1對比了幾種常見濕地植物的脫氮效果。在選擇濕地植物時(shí)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和景觀效果等篩選生物量大、耐污能力強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)且抗逆性強(qiáng)的植物。同時(shí)，應(yīng)重視植物之間的合理搭配及使用，充分發(fā)揮不同植物的去污特點(diǎn)，通過優(yōu)化物種組合提高水平潛流人工濕地的凈化效果。

1.2基質(zhì)基質(zhì)作為水平潛流人工濕地重要組成部分，在為植物和微生物提供生長介質(zhì)的同時(shí)，還能夠通過沉淀、過濾和吸附等從濕地中去除氮素。不同種類基質(zhì)，對氮的凈化機(jī)理不同，對氮的去除效率也有明顯的差異。表2比較了幾種常見基質(zhì)的脫氮效果。濕地基質(zhì)的理化屬性也可能影響其對污水的脫氮效果。基質(zhì)的粒徑大小與孔隙度決定著水平潛流人工濕地滲透系數(shù)的大小。一般孔隙率大的基質(zhì)可使廢水比較容易地滲透到其中，除氮的各種機(jī)理可以在基質(zhì)內(nèi)部發(fā)生，從而提高脫氮效率。在選擇濕地基質(zhì)時(shí)，應(yīng)遵循材料的易得、高效、價(jià)廉及安全無毒等原則。應(yīng)首先篩選對污染物去除能力強(qiáng)的當(dāng)?shù)夭牧希@樣既能提高水平潛流人工濕地對污水的凈化能力，又能減少成本投入。此外，應(yīng)重視基質(zhì)材料之間的組合使用，通過發(fā)揮各基質(zhì)的優(yōu)勢效應(yīng)提高水平潛流人工濕地的去污能力。

1.3碳源水平潛流人工濕地具有較好的反硝化效果，而碳源是系統(tǒng)反硝化脫氮的重要保障之一。不同碳源物質(zhì)被反硝化菌利用的程度及代謝產(chǎn)物均不相同，因而對反硝化過程產(chǎn)生的影響亦不相同，即使外加碳源投加量相同，反硝化效果也有所不同。目前，人工濕地脫氮工藝大多采用傳統(tǒng)碳源，包括一些糖類物質(zhì)和易生物降解的液體碳源（甲醇、乙酸等），費(fèi)用較高，且該類有機(jī)碳源具有一定毒性。為了降低脫氮成本，尋找經(jīng)濟(jì)、無毒、高效、實(shí)用的新型碳源成為研究趨勢。其中，天然植物材料不僅富含纖維素且可作為資源化利用的有機(jī)碳源，包括濕地植物的枯枝落葉、廢棄的木材、農(nóng)用廢棄物稻桿或麥稈等各種植物秸稈材料。表3對比了新型植物碳源和傳統(tǒng)碳源的脫氮效果。在達(dá)到近似脫氮效果的前提下，植物碳源提取液的使用成本僅占傳統(tǒng)碳源的19%~27%，且其使用量僅為傳統(tǒng)碳源的28%~40%，對出水水質(zhì)沒有任何影響。溶解氧微生物硝化-反硝化作用是水平潛流人工濕地脫氮的主要機(jī)理。其中，硝化作用和反硝化作用對氧的需求是不一樣的。硝化作用是好氧過程，通常情況下發(fā)生硝化作用時(shí)溶解氧應(yīng)高于2.0mg/L；反硝化作用則是厭氧過程，溶解氧應(yīng)低于0.5mg/L〔33〕。濕地氧環(huán)境關(guān)系到濕地的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及其凈化效果〔34〕。和垂直流人工濕地相比，水平潛流人工濕地的構(gòu)造決定了其內(nèi)部整體厭氧的環(huán)境，使其具有較好的反硝化脫氮效果。為了保障濕地硝化-反硝化這一重要脫氮機(jī)制的暢通，需同時(shí)提高硝化和反硝化脫氮的效率。周斌等研究發(fā)現(xiàn)，間歇運(yùn)行方式對水平潛流人工濕地床體中上層氧環(huán)境有較明顯地提升，落干時(shí)間的延長可以增強(qiáng)復(fù)氧效果，硝化反應(yīng)強(qiáng)度可隨濕地氧環(huán)境的改善而提高，且間歇運(yùn)行方式下的反硝化能力高于連續(xù)運(yùn)行方式。周健等〔36〕的研究也表明，采用間歇進(jìn)水方式，氨氮和總氮平均去除率可分別達(dá)到89.0%和74.0%，比連續(xù)式進(jìn)水的氨氮和總氮去除率分別提高3.0%和32.0%。因此，間歇運(yùn)行方式被認(rèn)為是保障水平潛流人工濕地硝化-反硝化脫氮的有效途徑。為進(jìn)一步提高濕地系統(tǒng)脫氮效率，可采用人工增氧技術(shù)改善濕地氧環(huán)境，主要包括改進(jìn)濕地工藝設(shè)計(jì)、自動增氧、進(jìn)水預(yù)曝氣和鋪設(shè)曝氣管等〔37〕。

1.5運(yùn)行條件

1.5.1進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)水碳氮比對水平潛流人工濕地硝化-反硝化作用的影響很大，污水中低碳氮比是導(dǎo)致系統(tǒng)脫氮效率低的主要原因。因此，在進(jìn)水總氮含量恒定的情況下，碳源的增加有利于系統(tǒng)反硝化作用的順利進(jìn)行。但是隨著碳氮比的不斷增加，碳源與氨氮競爭消耗溶解氧，導(dǎo)致硝化反應(yīng)無法有效進(jìn)行。賈文林等〔38〕研究發(fā)現(xiàn)，總氮去除率隨碳氮比的增大而逐漸提高，而氨氮去除率則隨著碳氮比的增加而降低。碳氮比越高，反硝化過程越徹底。陳慶昌等〔39〕的研究也證實(shí)，碳氮比的提高抑制了硝化反應(yīng)的進(jìn)行，從而限制了氨氮的轉(zhuǎn)化。因此，合理調(diào)整進(jìn)水碳氮比將是提高濕地脫氮效率的重要途徑。對以硝態(tài)氮為主的污水，提高碳氮比可保證反硝化脫氮的順利進(jìn)行。對以氨氮為主的污水，還必須考慮系統(tǒng)復(fù)氧的問題。

1.5.2布水方式出水回流的運(yùn)行方式可以增加污水在水平潛流人工濕地中的停留時(shí)間，使污水與附著在植物根系與基質(zhì)上的生物膜充分接觸，有利于提高水平潛流人工濕地的脫氮效率〔5〕。包涵等分析了不同回流方式及回流比對水平潛流人工濕地脫氮效果的影響，結(jié)果表明，當(dāng)回流比為10∶1時(shí)，濕地內(nèi)部的溶解氧升高，氨氮去除率顯著提高；而無論有無回流，水平潛流人工濕地內(nèi)部都能進(jìn)行高效的反硝化反應(yīng)。張濤等〔41〕研究發(fā)現(xiàn)，將水平潛流人工濕地出水按1/3的回流比回流到濕地進(jìn)水口時(shí)，可獲得較好的總氮去除率，總氮去除率達(dá)到60%以上，相比未回流處理，總氮去除率提高了約20%。當(dāng)水平潛流人工濕地出水回流時(shí)，回流混合液中的反硝化細(xì)菌可利用原污水中的有機(jī)物作為碳源，將回流中的硝態(tài)氮還原成N2或N2O，從而達(dá)到脫氮目的。

1.5.3水力停留時(shí)間水力停留時(shí)間是影響水平潛流人工濕地脫氮效果的重要因素，通常情況下，隨著水力停留時(shí)間的延長，污水中的氮與附著在植物根系與基質(zhì)上的微生物有充分的接觸和反應(yīng)時(shí)間，因而脫氮效率也會隨之升高。崔芳等〔42〕研究發(fā)現(xiàn)，水力停留時(shí)間在4~24h時(shí)，水平潛流人工濕地對污水中氨氮的去除率僅為29.0%~30.69%；隨著停留時(shí)間的延長，在48h時(shí)，氨氮去除率達(dá)到40.25%；隨后氨氮去除率隨停留時(shí)間的延長而降低，這是因?yàn)橥Ａ魰r(shí)間過長，系統(tǒng)處于缺氧狀態(tài)，硝化作用受到抑制，導(dǎo)致氨氮去除率下降。YiDing等〔18〕研究發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)水碳源充足的條件下，當(dāng)水力停留時(shí)間為2d時(shí)，硝態(tài)氮和總氮去除率分別僅為70.0%和46.0%，而當(dāng)水力停留時(shí)間為4d時(shí)，硝態(tài)氮和總氮去除率可分別達(dá)到97.1%和94.4%，水力停留時(shí)間對水平潛流人工濕地反硝化過程有著顯著影響。

2結(jié)語和展望

隨著生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)，我國在水環(huán)境領(lǐng)域亟需經(jīng)濟(jì)高效的工藝設(shè)備和技術(shù)。水平潛流人工濕地因具有投資省、操作簡便、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)勢，目前應(yīng)用非常廣泛，尤其適合于我國農(nóng)村中、小城鎮(zhèn)的污水處理，具有較高的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益及社會效益。作為引起水體富營養(yǎng)化的主要因素，氮素在水平潛流人工濕地中主要經(jīng)過微生物的硝化-反硝化作用被去除，如何確保硝化-反硝化的順利進(jìn)行將是未來研究的重點(diǎn)。當(dāng)前已有不少研究者關(guān)注新型“綠色”碳源和基質(zhì)材料的研發(fā)，這些材料符合無毒、經(jīng)濟(jì)、高效的使用原則，可更好地提高水平潛流人工濕地的脫氮效率。此外，針對目前水平潛流人工濕地占地面積大的不足，已有研究人員研發(fā)了一種占地面積小的塘床耦聯(lián)復(fù)合型人工濕地凈水系統(tǒng)，旨在通過組合技術(shù)更高效地凈化污染水體，同時(shí)可有效緩解當(dāng)前用地緊張與治污建設(shè)之間的矛盾，對水平潛流人工濕地在更大范圍內(nèi)的推廣使用具有重要意義。

作者：丁怡 王瑋 王宇暉 宋新山 單位：東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 國家環(huán)境保護(hù)紡織污染防治工程技術(shù)中心