表面流人工湿地中氮磷去除机理.docVIP

表面流人工湿地中氮磷的去除机理 张 军，周 琪，何 蓉 同济大学环境科学与工程学院，上海 200092 摘要：人工湿地作为一种高效、低耗的污水处理新工艺已被广泛接受，特别是其在脱氮、除磷方面的应用逐步为人们所重视。本文深入地讨论了表面流人工湿地中各种生物、物理、化学过程对污水中各种形态含氮、含磷化合物的去除机理，及其具体途径、相关反应和反应类型，总结了国内外对各个过程影响因素、控制条件、反应速度、去除能力及相互之间协调拮抗作用的研究结果。虽然硝化/反硝化作用和土壤吸附沉淀作用已被公认为是表面流人工湿地脱氮、除磷的主要途径，但不同研究结果之间仍存在着明显差异，鲜有多介质环境条件下各种脱氮、除磷过程中多种氮、磷形态的质量平衡研究，而以此为基础的人工湿地生态动力学模型的研究则是深入了解人工湿地运行机理、设计和预测其处理效率，以及推动人工湿地污水处理工艺广泛应用的关键。 关键词：人工湿地；氮磷；去除机理 中图分类号：X52；X703 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2004）01-0098-04目前，我国城市污水处理普遍采用活性污泥法、氧化沟法、间歇性活性污泥法等。我国处理污水造价在1000元/t以上，运行费用在0.3～1.2元/t之间，而我国2050年以前要投入建设的污水处理厂还需投资1000亿元左右，再加上管网费用需投资2000亿元，那么年运营费用近100亿元[1]。由于高昂的投资和运行费用，使得各种二级、三级处理技术难以大面积推广。事实也说明，单纯依靠传统的人工处理方法在我国当前的情况下尚难以从根本上解决水污染的问题，只能延缓其发展趋势。20世纪70年代以来，人工湿地处理技术的提出和发展，为综合解决上述问题提供了一种新的选择。人工湿地作为一种新型生态污水处理技术，具有投资和运行费用低（仅为传统二级污水厂的1/10至1/2）、抗冲击负荷、处理效果稳定、出水水质好，芦苇可以利用（作为造纸原料）等诸多优点。因此人工湿地技术不失为我国经济尚欠发达、地理条件相对宽裕的广大中小城镇、居民小区污水处理的优选方案。从近年来国内外的研究进展，特别是国内如火如荼的开发应用，以及包括去污机理、动力学模型等理论的进一步成熟，人工湿地作为一种经济有效的污水处理手段，必将成为我国污水处理的重要工艺而得到广泛应用[2]。 1 表面流人工湿地在污染控制中的应用 表面流人工湿地通常是利用天然沼泽、废弃河道等洼地改造而成的，其底部有由粘土层或其它防渗材料构成的不透水层，以防止有害物质对地下水造成的潜在危害，填以渗透性良好的土壤（10-6~10-7 m/s），生长着各种挺水、潜水植物，污水以比较缓慢的流速和较浅的水深流过土壤表面，经过表面流人工湿地系统中各种生物、物理、化学作用，从而得到净化。目前，表面流人工湿地已经广泛地应用于处理生活、养殖污水[3]，蓄积和净化暴雨径流[4]，利用人工湿地控制面源污染[5]，恢复和重建河流、湖泊湿地[6]，在线净化受污河、湖水[7]等各个方面。特别是表面流人工湿地在外观形式和功能结构上都十分类似于天然湿地系统，污水中的营养元素可以促进植物生长，有机污染物可以通过微生物的分解利用后，通过食物链的传递为各种动物提供食物，从而使其成为一个经过人工强化的、生物多样性极其丰富的自然生态系统，可以为迁徙过冬的鸟类和各种湿地生物提供充足的食物和生活空间[8]。因此，对表面流人工湿地系统的研究、开发和应用，既可以为综合解决传统二级处理脱氮除磷效率不高，三级处理投资运行费用昂贵提供一种新的选择，又可以为保护、利用、恢复目前日渐萎缩和退化的自然湿地面积提供一个全新的解决方式[9]。 2 表面流人工湿地中氮的去除机理 含氮化合物在表面流人工湿地中的循环变化过程如图1所示。 图1 含氮化合物在表面流人工湿地中的循环变化 表面流人工湿地中含氮化合物主要包括颗粒有机氮（particulate organic nitrogen）、溶解有机氮（dissolved organic nitrogen）、氨态氮（NH4+-N、NH3-N）和硝态氮（NO2--N、NO3--N）。一般进入表面流人工湿地的城市污水中的总氮约有50%的质量分数是有机氮，余下的主要是有机氮在下水道中被微生物降解后的产物NH4+-N[10]。同时各种植物的枯萎，藻类、细菌、附着微生物等的死亡，也是表面流人工湿地中PON的又一重要来源。这些PON在进入表面流人工湿地以后会最终沉淀于水层底部，被腐殖层和土壤中的微生物通过氨化作用（ammonification）降解成为氨态氮又返回水体之中，少量难降解PON逐渐稳定、沉积成为新的湿地土壤。有机氮转化成氨态氮的过程是由温度和pH控制的，有研究表明城市污水中的有机氮在11~14 ℃条件下，经过19