人工湿地技术废水脱氮除磷

我是小志

近年来，流域水体的富营养化现象日益严重，虽然各地相继采用了具有脱氮除磷的二级生物处理技术，但二级出水氨氮指标仍然很高，不能从根本上解决排放水体富营养化问题，只能延缓其发展趋势[1]。因此，研究开发低投入、低能耗的脱氮除磷技术已经成为改善水环境质量的关键。与活性污泥法污水脱氮除磷处理工艺相比，人工湿地的氮磷去除能力强，且耐冲击负荷能力强、投资低、基本不需要运行费用、维护简便，故逐步兴起的人工湿地无疑成为解决这一问题的一种合适的选择[2-5]。
1
人工湿地的氮磷去除机理
湿地系统通过多种机理去除水中的氮，这些机理主要包括生物、物理和化学反应方面的协同作用[3，5]。其中生物作用主要是氨化和硝化－反硝化以及适宜条件下植物的摄取。化学作用主要是湿地中基质对氨氮的吸附。物理作用则主要是氮素固体颗粒物和再悬浮[6]。在防渗湿地系统中，忽略湿地和周围水体的氮交换量，湿地中的氮去除主要是靠上述机理过程。未防渗湿地需要考虑湿地系统和周围水体的交换量。许多研究表明湿地系统中氮的占主导作用的去除机理是微生物的硝化－反硝化作用[6-8]。VYMAZAL等[9]报道硝化反硝化脱氮量占氮总去除量的60％～80％。
湿地系统去除水中磷的机理同样主要有物理、化学和生物三个方面的作用[9-12]。物理方面的作用是两个重要的物理过程：一种是以颗粒的形式沉积于土壤中；另一种是以可溶性磷的形式被吸附[6]。有人误认为湿地仅通过现有土壤的吸附过程去除磷。多数土壤的确对磷有吸附能力，但是这样的吸附能力会随着磷负荷的增加很快达到饱和。化学作用主要是不溶物的形成或共沉淀。化学作用是人工湿地的主要除磷机理之一。但是化学作用中最主要的机理是配位交换的定位吸附还是沉淀反应，目前仍无统一的看法。微生物对磷的作用包括磷的正常吸收和过量积累。

2
人工湿地系统脱氮除磷的影响因素
随着人工湿地污水处理技术的快速发展，人工湿地在运行方式、基质等方面出现了各种不同组合，出现了一些新工艺。伴随着湿地系统中各种工况条件的不同，其对去除氮磷的效果也有很大的差别。主要的影响因素有：湿地水流类型、水生植物种类、基质、水力学特点、外界自然条件等。下面分别将对其进行详细讨论。
2.1
湿地水流类型
人工湿地按照水流方式不同，传统上可以分为：表面流湿地（SFW）、潜流湿地（SSFW）和垂直流湿地（VFW）。表面流湿地污水从系统表面流过，氧通过水面扩散补给，随水深的增加和底部土壤等原因，在系统下部形成缺氧或厌氧区。因此，表面流湿地有较好的好氧－厌氧环境，易于硝化－反硝化为脱除氨氮提供条件。但是潜流湿地存在供氧不足的缺陷，限制了氨氮硝化的效果。垂直流湿地系统中的水流兼有地表流湿地系统和潜流湿地系统的特性，硝化能力比较强。因此当进水氮的形态以氨氮为主时，表面流湿地的脱氮效能高于潜流湿地，脱氮效率可达30％。当进水氮的形态为硝酸盐氮时，潜流人工湿地脱氮效率高于表面流湿地[8,13-16]。
有研究发现，潜流人工湿地系统除磷效能最好，除磷效率可达80％[17]。
针对以上人工湿地单一性的缺点，有学者进行了传统人工湿地工艺优化组合的尝试，很大程度上提高了氮磷的去除效率。帖靖玺等[17]采用潜流式与上行垂直流式人工湿地组合工艺处理太湖流域地区废水，发现该复合湿地系统对废水中的NH+4-N、NH3-N、TN、TP具有较好的去除效果，平均去除率分别达到95％、52％、79％、81％，明显优于传统的单级人工湿地处理效果。赵素芬等将表面流和潜流两种湿地系统结合，形成复合床人工湿地，处理生活污水，结果表明该复合系统对TN、TP同样有较好于传统单级人工湿地的去除效果，且对氮磷有一定的抗冲击能力[18]。尹炜等[19]采用塘－复合潜流人工湿地组合生态系统处理城市地表径流。其复合人工湿地式由一个垂直流和三个水平潜流湿地单元串联组成。发现其中的复合人工湿地系统对TN、TP的去除率分别是82.6％～86.6％，89.0%～90.4％，脱氮效果独特。其良好的TN去除效果归因于复合人工湿地系统有较好的脱氮功能环境，污水中有机氮和氨氮在垂直流湿地中进行了较为充分的硝化，然后在水平潜流单元经反硝化得到了有效的去除，使得最终出水TN含量较低。对TP去除效果好主要是由于系统初成，湿地基质的吸附性能处于最优期。最近得以开发研究的波式潜流人工湿地（W-SFCW）同样是利用了上述这一原理。该系统通过在湿地内部有规则地设置导流板对传统水平潜流湿地的水流条件加以改进，以波式流态取代水平流态，污水在垂直方向上经过湿地内部具有不同处理特性的构造层，使人工湿地在垂直方向上不同层次的功能得到了比较充分的发挥。黄娟等在传统水平流湿地的基础上，将其沿长度方向划分为三段，各段以接触槽间隔，采用气液表面自然接触复氧或微曝气强化供氧方式，构成三段式充氧潜流湿地，对NH+4-N和TN的最高去除率分别达到了70％和56％。但是该系统对磷的去除效果提高并不明显[20]。笔者认为，这主要是因为人工湿地中影响磷去除的主要因素是湿地基质，而该改进系统并没有在此方面对处理系统进行优化。
最近一些实验研究证实，人工湿地系统和其他处理工艺相结合，对氮磷的去除有更好的效果。如前面提到的塘－复合潜流人工湿地。该工艺中的塘系统具有一定的净化功能，使后续湿地系统的进水水质波动较小，减轻了湿地负荷。云南抚仙湖湖滨带复合湿地采用生物强化沉淀池－水平潜流湿地－表面流湿地组合工艺处理入湖废水。调查表明该复合型人工湿地的脱氮效果比较明显。其生物强化沉淀池部分对后续硝化反硝化脱氮起到了生物强化的作用[21]。
由上可知，采用两级或多级人工湿地处理系统，在脱氮除磷效果方面明显由于单级的传统人工湿地处理系统，应该是今后人工湿地的一个发展方向。
2.2
湿地植物类型
植物是人工湿地的核心。通过植物不但可以去除污染物，还可以促进污水中营养物质的循环和再利用，同时还能绿化土地，改善区域气候，促进生态环境的良性循环[22]。几乎所有的植物都曾被作为人工湿地植物加以利用。
湿地系统中植物的类型对湿地脱氮除磷的效果有很大的影响。COOPER[23]的研究发现，种植水烛(Typha angustifolis)和灯心草的人工湿地基质中氮、磷分别比无植物的对照基质中低18%～28%和20%～31%，可见水烛和灯心草吸收利用了污水中部分的氮和磷。在海涂，芦苇床湿地系统是削减进入海洋过量营养物质的强有力手段之一。袁东海等[24]通过对照实验研究了潜流人工湿地系统对污水氮的净化效果，结果发现石菖蒲(Acorus gramineus)、灯心草和蝴蝶花(Iris japonica)3个有植物系统的总氮平均去除率为77.7%、71.2%和66.4%，而无植物系统的去除率仅为55.8%。吴振斌等[25]采用复合垂直流人工湿地系统研究了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为61%、65%和59%，而无植物系统的去除率仅为28%。不同湿地植物的去污效果也有所不同。REDDY等研究了凤眼莲等8种水生植物净化污水的能力，结果发现：夏季水生植物去除氮的效果优劣次序为：风眼莲（Eichhornia crassipes）、水浮莲（Pistiastratiotes L）、水鳖（Hydrocotyle umbellate L）、浮萍（Lemma minor L）、槐叶萍（Salvuinia rotundifolia L）、紫萍（Spirodela polyrhiza L）、水筛（Egeria densa Planch）；而在冬季则依次为水鳖、凤眼莲、浮萍、水浮莲、紫萍、槐叶萍、水筛。
以上实验结论都反映出植物对人工湿地系统氮、磷去除具有很大的影响，有植物的系统比无植物的系统拥有较高的去除率，而且植物的生长状况也直接影响到系统的去除效果，植物的良好长势是对氮、磷去除的重要保证。但有学者证实植物在整个湿地系统中对氮磷的直接去除作用是有限的，尤其是对氮的去除。周炜等[26]测定了各种植物对营养化河流中氮磷的去除能力，发现美人蕉对氮磷的去除率较高，对氮的净化贡献率为6.63％～23.08％，对磷的净化贡献率为32.23％～82.85％，香蒲对氮磷的净化贡献率稍低于美人蕉，而芦苇、艾草、千屈草、水葱、鸢尾和菖蒲等6中植物对氮磷的净化贡献率均比较低，尤其是对氮，平均只有10％。
2.3
基  质
基质，又称填料，是由大小不同的沙、砾、土壤颗粒等按一定厚度铺成的供植物生长、微生物附着的人工设计床体。该系统具有过滤、沉淀、吸附和絮凝等作用，能将水体中的氮磷等营养物质去除。自由表面流系统多以土壤为基质，潜流与垂直流系统则根据不同的特征污染物选择不同的基质，一般采用砾石填料和土壤组成基质层。随着研究的不断深入，也开发出了多种湿地基质。
人工湿地系统脱氮的关键在于选择填料[27]。这可能是因为有关此方面的湿地研究多为室内小试，达不到微生物彻底脱氮的要求。汤显强等[28]选取页岩、粗砾石、铁矿石、麦饭石及其组合作为人工湿地填料，发现单一填料页岩对TN、TP去除效果最好，去除率最高分别达88.9％、87.5％，页岩与粗砾石组合对TN、TP去除率较高，分别达81.7％、71.7％。这主要是因为页岩在水力渗透系数和孔隙率等方面的特征比较有利于对氮的吸附。聂发辉等[29]研究了蛭石在实验条件下去除污水中氨氮的能力，发现蛭石有较好的脱氨氮能力。崔玉波等[30]通过实验也证实火山渣对氮磷的吸附效果强于砂子。
因为人工湿地中磷的主要去除机理是基质的吸附，因此人工湿地中基质的选用对磷的去除至关重要。目前被用于人工湿地中除磷的特殊基质是浮石、石英岩、活性多孔介质（LECA）、硅灰石、页岩、矾土和工业废弃物如高炉渣和飞灰等[31]。崔理华等[32]对9种垂直流人工湿地基质进行了对磷的等温吸附实验，结果表明，在溶液磷质量浓度为100~500 mg/L条件下，9种基质中以草炭的吸附量为最高，达到了2 439.56 mg/kg，砾石的吸附量为最小，仅为188.67 mg/kg，其余基质表现出高炉渣土＞高炉渣＞煤灰渣土＞耕层土＞煤灰渣＞中粗砂土＞中粗砂的规律。而李爱权等则发现将蛭石、泥炭、砾石按照1∶1∶3的体积比例混合配置的复合基质，其总磷的平均去除率可达77.2％，磷酸盐的平均去除率可达91.4％。最近有学者对一些非传统除磷基质性能进行了探索，发现钢渣、陶瓷碎片、建筑废弃物等对磷同样具有较好的去除效果，其中钢渣对TP的去除率最高可达91.9％[33~35]。但废陶对氨氮去除效果比较差[35]。
由上可知，在人工湿地中，具有孔隙率低、水力渗透系数低等特点的基质对TN有较好的去除效果，而对磷的去除，应选用孔隙度、D80和K80比较大的基质。同时，基质的CEC、有机质、有效铁和交换性铝、钙、镁及全量镁、铝、铁等含量较高同样对磷的去除十分有利。为了使人工湿地系统综合达到较好的脱氮除磷效果，应选用具备以上条件的基质进行适当的复合。
2.4
水力学特点
水力负荷、水力停留时间（HRT）水深是影响人工湿地运行的三大要素，其对NH+4-N、TP的去除效果影响较大。但是，目前只有少数工作者对湿地运行中的水力学问题有所注意，且未得到规律性结论。有研究者发现当HRT为5 d，水位为60 cm时，人工湿地对氮的去除会有最好的效果[36，37]。但MAYO等[38]则发现当HRT由5 d增加到8 d时，总氮的去除率从33.4％增加到43.4％。HRT对人工湿地除磷影响比较小。
一般说来，出水快、出水量大的系统具有较好的净化效果。除无植物系统外，HRT较长的系统具有较好的脱氮除磷效果。容水体积大的系统净化效果也比较好。在实际运行中，HRT、水深和水力负荷等均存在最大值，能够使氮磷去除率达到最优，故对湿地水力学条件的优化将能极大地提高湿地系统脱氮除磷的功能。
2.5
外界自然条件
因人工湿地是一种面积大、较开放的处理系统，故容易受到外界自然条件如温度、光照和地形等的影响，有关此方面的研究目前也很少。MAYO等证实，当水温达到20 ℃时，人工湿地具有较好的脱氮效果[38]。这是因为20 ℃时，脱氮的硝化－反硝化作用比较好。另外，温度会影响到各种生物酶的活性[39]，进而影响到湿地系统中的微生物活性，使人工湿地系统脱氮除磷也间接受到影响。潜流型人工湿地对温度比较敏感，在冬季可采取保温措施防止湿地系统脱氮效果下降，同时采取垂直流和间歇运行方式，可减小热损失，提高脱氮效率。在人工湿地中，TP的去除受温度的影响相对比较小。
3
结  论
（1）利用人工湿地系统脱氮除磷具有效率高、能耗低、投资省、管理方便简单等优点，十分适合我国国情，适宜推广利用。
（2）人工湿地的脱氮除磷的影响因素比较多，且相互有协同作用，应根据地域特点，选择最佳工艺条件组合。
（3）采用二级或多级组合湿地工艺对氮磷的去除效果明显强于单级人工湿地处理系统，在实际的设计和运行中，应对此组合工艺优先考虑。
（4）建议对人工湿地系统适当增设出水回流，以减少硝酸盐氮的积累，提高氮的去除效率。根据实际条件投加适当的碳源或引入A/O的出水，增加硝化－反硝化作用，提高氮的去除效果。
（5）建议对人工湿地采用序批式或间歇式运行方式处理富营养化废水，以增强人工湿地的复氧能力，减小季节变化的影响，提高脱氮效率。

waterofchina

好！！！谢谢您们提供的很有价值的资料！！！

zcliang_007

不错的资料，支持一下。

rzhy04

好！！！谢谢！！！
好！！！谢谢您们提供的很有价值的资料！！！

hui狼

拜读~~~~~~~~~~

zhaoma

不错的资料，多谢楼主。

恒星

看来LZ对人工湿地进行水处理还是有些研究的 学习了

lincheng95

是否有已经的成功案例吗？？？？