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人工湿地对污染物的去除机理

来源:北京北科 时间:2010-11-10 点击次数:

    人工湿地对废水的处理综合了物理、化学和生物3种作用。其净化机理独特而复杂,污染物种类不同其去除机理也不尽相同。
    1 有机物的去除
    人工湿地的显著特点之一是对有机污染物有较强的去除能力。废水中的不溶性有机物主要通过填料床沉淀、过滤作用而被截留在湿地中,并可被微生物利用。国内有关对城市污水的研究表明,污水中的不溶性BOD5(约占污水总BOD5的50 %)和COD可在进水的5m内通过截留和沉淀作用而被快速去除。可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收和生物代谢降解作用而被去除。生物降解主要通过耗氧和厌氧代谢得以实现,从而降低污水的COD和BOD。好氧代谢过程可简述为:复杂有机物+ O2→CO2↑+ H2O+稳定产物,其反应过程中的氧主要来自水面复氧和植物向根区的过量氧传导,生成的稳定产物可被微生物用于细胞合成。厌氧代谢过程较慢,只能去除少量的COD和BOD,反应过程为:复杂有机物→CO2↑+ CH4↑+不稳定产物。
    2 氮的去除
    污水中氮一般以有机氮和无机氮(NH+4-N和NO-3-N)两种形式存在。其中有机氮在处理过程中在异养微生物的作用下最终转化为氨氮(NH4-N),因此我们主要研究的是无机氮的去除机理[13]。废水中无机氮作为植物生长过程中不可缺少的物质可以直接被植物摄取,合成植物蛋白质等有机氮,通过植物的收割而从湿地系统中去除。另外,人工湿地中的填料也可通过一些物理和化学的途径,如吸收、吸附、过滤、离子交换等去除污水中的一部分氮。但是无机氮主要还是通过在微生物的作用下通过硝化、反硝化反应来去除的。湿地中的植物将氧气从上部输送至主根部,从而在植物根区附近形成一个好氧环境,而离根区较远的地方形成缺氧环境,更远的区域则形成厌氧环境,这相当于许多串联或并联A / O处理单元,使硝化和反硝化作用可以同时进行。硝化作用在好氧环境下由自养型好氧微生物完成,它包括两个步骤,第一步由亚硝酸菌将NH+4-N转化为NO-2;第二步则由硝酸菌将NO-2进一步氧化为NO-3。反硝化作用在厌氧、缺氧条件下进行,反硝化菌利用NO-3中的氧进行呼吸,氧化分解有机物,将NO-3还原为N2、N2O,并从系统中逸出。硝化作用只改变氮的形式(将NH+4-N转化为NO2-N和NO-3N),反硝化作用才可使氮以N2和N2O的形式从湿地系统中根本去除。所以,人工湿地比传统活性污泥处理系统(一般无法完成反硝化作用)具有更强的除氮能力,其投资较人工的A/A/O系统也节省得多。
    3 磷的去除
    污水中磷的存在形式最常见的有磷酸盐(包括PO43-,HPO42-,H2PO-4)、聚磷酸盐和有机磷酸盐等。人工湿地除磷主要是通过湿地植物的吸收利用、微生物的积累以及填料的物理化学作用这3种途径来完成的。
    磷和氮一样,也是植物生长不可缺少的元素。废水中的无机磷部分在植物的吸收和同化作用下,被合成ATP等有机成分,最后通过植物的收割而被去除。微生物对磷的去除包括对磷的正常吸收(将磷纳入其分子组成)和聚磷菌对磷的过量积累。在传统的二级污水处理工艺中,微生物对磷的正常同化吸收一般只能去除进水中磷含量的4.5 %~19.0 %,因而,微生物对磷去除主要是通过聚磷菌的过量摄磷作用而实现的。由于人工湿地中植物的光合作用及呼吸作用的交替进行,致使系统中交替地出现好氧和厌氧条件,聚磷菌通过在厌氧条件下的放磷及在好氧条件下的摄磷而达到去除磷的目的。填料的物理化学作用包括填料对磷的吸附、过滤及与磷酸根离子的化学反应。研究发现,可溶性的无机磷很容易与填料中的A1、Fe、Ca等发生吸附和沉淀反应,其中无机磷与Ca易于在碱性条件下发生作用,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,填料的吸附、沉淀作用在湿地除磷中起着非常重要的作用。Reddy在研究中发现在人工湿地中7%~87%的磷可能通过沉淀或吸附反应而降解。与此同时,填料的吸附沉淀能力会因填料的不同而有差异,并且这种作用是有限度的,当吸附达到饱和以后,除磷效果就会减弱。
    4 重金属的去除
    人工湿地中重金属的去除主要有以下几个过程:土壤或填料对溶解性重金属的吸附和反应、植物对溶解性重金属的吸收作用、不溶性重金属随悬浮颗粒沉淀以及溶解性重金属以难溶性化合物的形式沉淀。土壤或填料对重金属的吸附分为离子交换吸附和专性吸附。通常情况下,土壤或填料表面吸附有阳离子,如H+、Al3+、Ca2+、Mg2+等,这些离子易被吸附竞争力强的重金属离子取代,发生交换吸附。专性吸附指在有大量碱土金属或碱金属离子存在时,湿地填料对痕量浓度的重金属阳离子的吸附作用。专性吸附很牢固,可减少重金属对生物的毒害。湿地植物也可通过吸收作用累积重金属,并通过地上部分的收割将其从系统中去除。尽管重金属会对植物产生毒害作用,但有些植物吸收重金属后,在植物体内能分泌一些络合物质与重金属螯合而去掉重金属的毒性。例如,风眼莲在吸收镉、铬、铅、汞、砷、硒、铜、镍等重金属后,体内产生具有重金属络合作用的金属硫肽,从而使这些重金属在植物体内富集而不产生毒害作用。土壤中微生物对重金属的去除也有相当的作用,它们可通过胞外络合作用、胞外沉淀作用固定重金属,还可把重金属转化为低毒状态,但也有的被转化为毒性更强的物质。