人工湿地水生植物选择对氮磷去除效果的研究方案进展

人工湿地水生植物对污水中氮磷的去除效果的研究进展Studying progress on effects of Nitrogen and Phosphorus removal by Aquatic Plants in Constructed Wetland摘要：与传统的二级活性污泥法处理工艺相比，人工湿地具有运行费用低，维护管理方便以及较强的氮磷处理能力等优点。又由于人工湿地中的水生植物对氮磷的处理效果显著，并且不同的水生植物对氮、磷的去除效果相异。因此，本文在综述人工湿地发展及应用现状的基础上，重点阐述了国外学者对于水生植物筛选及组合在人工湿地中对氮磷的去除作用及效果的研究现状。最后提出了当前人工湿地水生植物研究的展望和提高人工湿地脱氮除磷能力的对策。Abstract：Compared with the conventional activated sludge technology in secondary treatment ,there exists three advantages of constructed wetlands：low operating costs , easy maintenance and management，as well as the strong processing capacity of nitrogen and phosphorus. The removal rate of N and P by aquatic plants differ far from each other. This paper reviews the development and application status of CW and focuses on the current research situation of the role and effects of aquatic for nitrogen and phosphorus removal in wastewater treatment of constructed wetlands. Finally, the prospects and strategies to improve the NP removal capacity of wetland wetland aquatic plants are proposed.Key words: constructed wetland; aquatic plants ;wastewater treatment;studing progress.1 介绍1.1 人工湿地发展现状自西德1974年首先建造人工湿地以来, 该污水处理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。我国在“七五期间”开始了人工湿地的研究，首例采用人工湿地处理污水的研究工作始于1988-1990年在昌平进行的处理量为 500t/d 生活污水和工业废水的表面流人工湿地。它的原理是利用湿地中基质、水生植物和微生物之间的相互作用,通过一系列物理的、化学的以及生物的途径净化污水。应用人工湿地处理污水, 其投资和日常运行费用仅为常规二级污水处理场的1/10-1/2和1/5-1/3, 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、食品、矿山等工农业废水的处理。目前,人工湿地废水处理工艺主要有两种形式：（1）表面流(Surface 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0.1- 0.6m，采用这种工艺的湿地简称表面流湿地（SFW）。SFW与自然湿地最为接近,绝大部分有机物的去除是由长在植物水下茎、杆的生物膜来完成。但因其不能充分利用填料及丰富的植物根系,卫生条件亦不好,故设计中一般不采用。（2）地下潜流(Subsurface flow)工艺：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。采用该工艺的潜流湿地(SSFW)应用广泛，因水在填料表面下渗流,可充分利用填料表面及植物根系上生物膜及其他各种作用处理废水。采用两种工艺设计的人工湿地构造如图1所示：图1 表面流湿地及潜流湿地构造图1.2 人工湿地的分类根据所用植物类型不同，可分为漂浮植物湿地和挺水植物湿地：（1）漂浮植物湿地漂浮植物湿地适于热带和亚热带地区，其主要植物为水葫芦(Eichhornia crasspies)，在摩洛哥和巴西的水葫芦湿地都取得了较好的净化效果(Mnadi等，1998;Russel，1999)，我国也有利用水葫芦治理麻黄素厂的污水，在进水污染物浓度较高的情况下，各污染物的去除率仍达80%左右(艾而肯.热合曼等，2000)。美国乔治亚洲技术研究所的环境工程师发现，浮萍(Lemna minor)的植物组织可以快速吸收各种氯化物、氟化物和氯氟混合物，且其吸收速度高于细菌的降解速度(2005)。漂浮植物繁殖能力强，可通过光合作用由根系向水体放氧，并通过植物吸收有效去除N、P及重金属等污染物。（2）挺水植物湿地挺水植物种类繁多，挺水植物湿地多用芦苇属(Phragmities)、香蒲属(Typha)等生长快、根系发达的植物。挺水植物通过发达的根系向基质送氧，使基质中形成多个好氧、兼性厌氧、厌氧小区，利于多种微生物繁殖，降解污染物。目前人工湿地主要指挺水植物系统。1.3 人工湿地中的水生植物水生植物主要包括三大类:水生维管束植物、水生鲜类和高等藻类。而在污水治理中应用较多的是水生维管束植物(Aquatic vascular plant)，它具有发达的机械组织，植物个体比较高大。当前研究发现，人工湿地多选用挺水植物，如芦苇、茳芏、大米草、水花生、稗草、水生莺尾、千屈菜、水芋、黄营蒲等。将其种植于湿地填料表层的土壤之上；而浮水植物则主要用于氮、磷去除和提高稳定塘效率之时。（1）水生植物的作用：当污水进入成熟的人工湿地后，a.植物能通过直接净化作用如吸收、吸附和富集等去除污水中的污染物，包括对氮、磷的吸收利用和对重金属的吸附和富集；b.植物可通过输送氧气至根部增加人工湿地降解污染物的好氧补充量；c.也由于植物根及根系可以穿透介质形成疏松间隙从而加强水利传导和维持通气状况；d.植物为微生物提供了栖息地。水生植物的根系常形成一个网络状的结构，并在植物根系附近形成好氧环境，从而有利于各种自养微生物及异养微生物的生长(Jerry等，2001)；e.某些水生植物还具有经济价值和美观价值。（2）湿地中的水生植物选择遵循的原则：a.耐污能力强、处理性能良好；b.根系发达，生长周期长；c.适应当地环境；d.具有一定的经济价值。湿地中植物的种类对湿地的处理效果有很大影响。一般来讲，如主要去除对象是BOD和N(反硝化)时，所选植物就需要具备能为微生物提供附着界面的庞大根系以及较强的传氧能力;而当靠植物的吸收去除N、P、重金属和某些有机物时，就需要选择具有较好的富集吸收能力并且生长速度快的种类;如果去除的污染物目标较多时，就需要寻找能够有效地发挥多种生态功能的种类，或不同生态功能类型的种类搭配使用。另外，对当地气候的适应、植物的抗逆性及对病虫害的抵抗能力、植物管理的难易包括植物的后处理等也应给予考虑。因此如何选择合适的植物种类来提高处理效率是设计人工湿地的一个重要容。2 人工湿地氮磷处理机理人工湿地对氮磷的去除有三条主要途径:a.土壤的滤过作用;b.植物的吸收等作用;c.微生物的降解作用。以下分别讨论氮、磷的去除机制，并重点阐述水生植物的氮磷去除机理。2.1 人工湿地对氮的处理氮在湿地系统中循环变化如图2所示,包括了7种价态,多种有机、无机形式的转换：图2 氮在湿地系统中的循环进入湿地中的氮基本以有机氮和氨氮2种形式存在。一般情况下,有机氮被微生物分解成氨氮,所以应当更关注无机氮的去除。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废水和湿地系统中去除。但是氮的去除主要是通过微生物的硝化、反硝化作用来完成的。硝化作用只改变氮的形式(将NH4+一N转化为NO3-一N和NO2-一N),反硝化作用才可使氮以N2和N2O形式从系统中根本去除。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)具有更强的氮的处理能力,比人工的A/A/0系统则节省得多。2.2 湿地对磷的处理污水中的磷包括活性磷和非活性磷,后者又包含可溶性和颗粒性两种形态。人工湿地对磷的去除是基质吸附、植物吸收和微生物去除 3条途径共同作用的结果。如同无机氮一样,无机磷也是湿地植物必需的养分。废水中无机磷在植物吸收及同化作用下可变成植物的ATP,DNA及RNA等有成分,因此磷最终从系统中去除依赖于湿地植物的收割和饱和基质的更换。图3表示了磷在人工湿地中的存在形式和去除途径。基质吸附作用包括填料对磷的吸附及填料与磷酸根离子的化学反应,这种作用对无机磷的去除会因填料的不同而有差别。由于石灰石及含铁质填中Ca和Fe可与PO3-反应而沉淀去除PO3-,因而它们是除磷效果较好的填料。微生物对磷的去除包括它们对磷的正常同化(将磷纳入其分子组成)和对磷的过量积累。在一般二级污水处理系统中,当进水磷含量为10mg/L时,微生物对磷的同化吸收(形成污泥组成式C60H87O23N12P的一部分)去除仅是进水总磷量的4.5%一19%,所以,微生物除磷主要是通过强化后对磷的过量积累来完成的。植物吸收作用如下，不再累述。图 3 人工湿地中磷的存在形式和去除途径2.3 水生植物植物对氮、磷的吸收(1)植物对氮的吸收：无机氮作为植物生长过程中不可缺少的营养物质，能以离子形式(NH4+和N03-)被植物吸收利用，部分有机氮被微生物分解成氨氮后也能被植物吸收利用。靖元孝等(2002)对风车草净化生活污水的实验表明，种植风车草的潜流型人工湿地对TN的去除率为64%，与不种植物的人工湿地相比去除率提高了28%,且每克干重风车草能净吸收污水中的氮2.25mg。chrisi等(1996)通过对潜流湿地系统中芦苇、香蒲的收割实验发现，每克干重芦苇、香蒲能净吸收污水中的氮15-32mg。这表明湿地植物对氮具有一定的吸收作用，但不同植物的吸收能力不同。(2)植物对磷的吸收：污水中最常见的有磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷酸盐等，能被植物根系直接吸收的磷主要是一价磷酸根离子(H2PO4-)和二价磷酸根离子(HPO42-)，三价磷酸根离子(PO43-)，几聚磷酸盐和有机磷酸盐不能或很难被植物根系吸收。其中一价磷酸根离子和二价磷酸根离子被根系吸收是依靠植物通过呼吸作用获得的能量而完成的生理过程(stott meister等，2003)。Macjnnaet等(1995)采用人工湿地方法处理城市污水的研究表明，污水约5%的磷能够被湿地植物吸收利用。剑彤等(1998)对水稻、皇草和玉米等8种湿地植物进行了去除污水中磷的吸收能力比较研究，结果表明这8种湿地植物均能吸收部分污水中的磷。不同的植物种类对人工湿地系统的污水净化效果存在一定的差异，由于能否筛选到净化效果好、耐污能力强、适应当地环境、耐寒抗热、抗病虫害能力强的植物将直接影响到人工湿地脱氮除磷性能的发挥，因此湿地植物的筛选是人工湿地研究的一个重要方面。3 水生植物的筛选与组合试验研究3.1 实验设置当前国外学者依照前文所述的水生植物选择原则，进行了水生植物筛选试验及组合试验研究，本文分别介绍两种试验方法。3.1.1 人工湿地水生植物筛选试验-野外模拟人工法（1）试验地理位置及试验对象选择：选择某一人工湿地示区，并以该区域本地的优势水生植物为试验对象，选择原则有：该植物为本地优势生长植物，具有一定的经济价值；并具有发达根系，运输氧气至人工湿地床体部的能力较强等。在植物混合实验时,先将具有发达根系和输氧能力的植物种植于床体的前端,使其有效去除有机污染物。再将氮磷吸附能力较强的植物种植在床体后端。（2）人工湿地床体的系统结构：不同的试验系统可设计一种以上的湿地床类型，如平面流床体或和平面流-潜流混合床体。设计过程：分别设置单元床体的长、宽、高以及间距-在单位床体栽种不同水生植物-设空白床-设置试验植物的行间距。污水经过自流流入到调节池,调节池部铺有塑料膜。废水经泵打到高位水箱,通过PVC输水管流入到各个床体单元。每个床体分栽不同的水生植物,填充不同的介质,并设空白床。见图4所示。图4 某人工湿地野外模拟试验床体的系统结构其中 1,2,3,4,5，6号为某类人工湿地复合生态床。可任意挑选一个为空白床。 （3）不同水生植物净化性能的对比试验: 在相同的试验条件下, 通过监测污染物浓度变化, 对它们进行性能比较。间隔10天后对总氮、总磷的采样数据进行对比。3.1.2 人工湿地水生植物筛选与组合试验采用人工配制污水为实验用水进行室水培实验, 研究一定数量及种类人工湿地中常见水生植物对氨氮和总磷的同化吸收能力,筛选出净化效果好的植物,构建植物组合,以单一植物为对照,研究植物组合对于提高氨氮、总磷净化效果的作用.（1）实验材料选取：植物选取原则遵循:繁殖力强、耐寒耐旱性突出、生长快、耐污性性强等。（2）实验方法：选取室实验，实验室需直射及散射自然光照,保持良好通风.实验期间保持气温16-28(平均22).以5000ml烧杯作为实验容器,长势良好、大小均匀的植株作为待测对象.植株直接放入烧杯,不添加任何基质,不采取固定措施,临窗培养,尽可能保持各处理采光和通风条件的一致.实验前,用双层报纸包好烧杯侧壁, 以模拟根区的弱光条件,并防止由于照射使藻类过量繁殖而影响氮磷等指标的测定；将植物用自来水洗净,室温放置20-30min风干,称重,测量植物形态指标.配制人工污水(主要成分为NH4Cl、KH2PO4和自来水), 测定其NH4+-N、TP、pH值、DO等指标以确定初始值并列表。如表1所示： 表1 人工配制污水中NH4+-N、TP初始浓度(C0,mg/L)各项水质指标的测试采用水与废水监测分析方法中的标准方法: NH4+-N采用纳氏试剂光度法;TP采用过硫酸钾消解,钼锑抗分光光度法;pH值采用玻璃电极法;DO采用便携式溶解氧仪法.将人工污水及筛选与组合研究所选用的实验植物放入烧杯中,同时设置不放置任何植物的空白作为对照.根据不同植物对水分吸收数量及蒸腾作用强度的不同,定期向烧杯中补充自来水并做记录,以确定水样体积的变化并防止水分减少过快而影响植物的正常生长.自实验开始计时, 每隔5d测试一次各处理的NH4+-N、TP、pH 值、DO等水质指标.每种处理设2个平行样,每个平行样取3个重复样.同时计算测试后的剩余水样体积;取出植物在室温下风干称重,以确定其测试后的质量.通过各种水质指标、加水体积和植物质量的测定,计算各种植物对氨氮、总磷的去除率(En)和单位质量植物去除氨氮、总磷的质量(Wn).（3）数据分析方法：氨氮、总磷去除率的计算方法见公式(1)、公式(2):En=(C0CnKn)/C0100% (1)Kn=V0(V1V2Vm)/V0 (2)单位质量植物去除氨氮、总磷质量的计算方法:Wn=(C0V0CnVn)/(M0Mn)/2 (3)式中:En为第n次测样时某处理对氨氮、总磷的去除率(%),n为测样次数,n取值为1, 2, 3; C0为氨氮、总磷初始浓度(mg/L);Cn为第n次测样时氨氮、总磷浓度(mg/L);Kn为第n次测样时的稀释倍数;V0为水样初始体积(ml);Vm为某处理第m次加水体积(ml),m为第n次测样前加水次数;Wn为第n次测样时单位质量植物去除氨氮、总磷质量(mg);Vn为某处理在第n次测样时的体积(ml);M0为植物的初始质量(g);Mn为第n次测样时植物质量(g).3.2 实验结论3.2.1 不同水生植物氮、磷净化效果国外学者已筛选出多种能有效去除水体中氮磷的植物,如:芦苇(Phragmites)、香蒲(Typha)、菖蒲(Acorus)、石菖蒲(Acorus tartarinowii)、美人蕉(Canna indica)和千屈菜(Lythrum salicaria)等。同时结果表明:不同植物对氨氮、总磷的去除能力差别较大。千屈菜(Lythrum salicaria)、菖蒲(Acorus calamus)、美人蕉(Cann indica)、达香蒲(Typha davidiana)对氨氮净化效果较好,初始浓度29.69mg/L、15d后,去除率96.6%、98.6%、87.7%、95.1%。美人蕉、凤眼莲(Eichhornia crssipes)、千屈菜、石菖蒲(Acorus tartarinowii)对TP净化效果较好,初始浓度4.44mg/L、15d后,去除率99.0%、54.6%、69.9%、36.7%。芦苇是人工湿地中最常见的种类, 其生物量大,具有较深的径和根系。灯心草(Juncus effusus)因具有很强的氧传输能力和光合作用 (即使在冬天也能进行 ), 在中欧地区广泛应用。Tanner等发现,砾石床人工湿地中总氮的去除与植物的生物量呈线性关系, 而总磷的去除却不存在这种关系。红萍(Azolla)对水中的铵态氮和磷具有强烈的吸收作用,对面源污水中氮磷的净化率较高,其平均累计氮净化率达71.7%。对比研究表明, 水芹(Eichhornia crass)湿地对磷的去除优于凤眼莲 (Eichhornia crassipes)湿地,芦苇床系统优于茭草床 (Zizanis caduciflora)系统；根据试验方法2，选取10种常见氮磷去除率较高的植物为试验对象，取相同的人工配制污水，经15d处理后，观察植物对1号人工配制污水中NH4+-N、TP的净化效果，见表2：表2 水生植物对1号人工配制污水中NH4+-N、TP的净化效果3.2.2 水生植物组合对人工配制污水中氨氮、总磷的净化效果组合实验结果表明, 适当的水生植物组合能提高氨氮与总磷的净化效果.根据试验方法2，选择对氨氮、总磷净化效果较好的若干种植物构建了7种植物组合,并以单一植物为参照,研究水生植物组合能否提高人工配制污水中氨氮、总磷的净化效果.经15d处理后水生植物组合对4号人工配制污水中NH4+-N、TP的净化效果，如表3：表3 水生植物组合对4号人工配制污水中NH4+-N、TP的净化效果3.2.3 植物氮磷去除效果的其他结论植物在不同季节、不同生长期以及不同部位, 对氮磷的吸收是不同的。Reddy等在研究几种水生植物污水净化能力时发现, 夏季凤眼莲脱氮除磷的效果较好, 而冬季水鳖(Hydrocotyle umbellata L.)效果较好。一般认为植物各器官对磷的吸收含磷量叶 茎胚轴,但Tanner等对砾石床人工湿地中8种植物的研究表明, 大部分植物地下部分组织氮和磷的含量与地上部分基本相当。不同的根系状况, 微生物及酶的空间分布是不同的。增大湿地植物根系的扩展空间, 有利于提高人工湿地净化污水的有效空间, 是增强人工湿地污水净化能力的一项重要措施。研究得出, 香蒲(Typha angustifolia) 、灯心草人工湿地最佳净化空间为20-25cm以上的湿地层, 此空间细菌、放线菌和真菌极其丰富。由于两栖榕主根不发达且侧根主要集中在地表, 导致该植物为人工湿地微生物提供附着物和传输氧气的作用比草本植物差,从而影响净化效果,总氮、总磷的去除率只有 40%-50%。因此可考虑两栖榕和草本植物混种,草本植物地下发达的须根系与两栖榕地表发达的侧根系和不定根系形成纵横交错的根系网, 地上部分可充分利用, 地下部分密度大, 为人工湿地中的微生物提供充足氧气和理想的附着物, 从而达到最佳净化效果。4 研究展望及对策4.1 人工湿地植物研究设想及展望由前文所述不难看出，当前对人工湿地中水生植物的研究应集中于人工湿地生境条件下水生植物的生理生态研究，包括植物相生相克作用研究以及外界因素对植物氮磷吸收率的影响等；另外植物种类筛选及适宜人工生境的研究与创建,也为进一步发挥植物在人工湿地中的作用和完善人工湿地污水处理技术提供依据和手段：通过一些环境因子的改变和人工湿地的设计、操作、运行的调控,创造有利于根系进一步向深处扩展的条件, 充分地利用人工湿地的体积；如何创造湿地植物越冬生长的条件, 使其在冬季仍然表现出良好的生长状况, 常年维持人工湿地的高效净化污水能力等也有待于进一步地研究。4.2 提高人工湿地脱氮除磷能力的对策人工湿地是一个复杂的污水处理生态系统, 其对氮磷的去除与基质、微生物、植物种类、污水类型、水力负荷、水文特征、气候特征等因素密切相关,为了提高氮磷的去除效果,建议考虑以下对策:(1) 增加湿地面积, 保证有效的过滤面积和体积。(2) 适当的有机负荷、间歇布水方式、适当的水力落差(1%-2%)以及较长的水力流程。(3) 采用富含Ca、Fe和AL等的基质。(4) 筛选氮磷吸收能力强、具抗逆性、有一定经济利用价值和景观价值,易管理的湿地植物。(5) 增加预处理设施, 表面流湿地和垂直流湿地结合布置。(6) 及时收割湿地植物和更换基质。(7) 如果要提高除磷效果,最好采用水平流人工湿地,因为水平流人工湿地的腐殖质可以积累大量的磷。(8) 在低温地区,提高湿地光照条件,在湿地周围栽树挡风等。Reference1 R. G. Hunter, D. L. Combs, Nitrogen, Phosphorous,and Organic Carbon Removal in Simulated Wetland Treatment Systems.J. Environmental Contamination and Toxicology;2001,(4)2 Y. T. Tu, P.C. Chiang, J. Yang. application of a constructed wetland system for polluted stream remediation.J.Journal of Hydrology;510(2014):70783 J. Brisson , F. Chazarenc .Maximizing pollutant removal in constructed wetlands :Should we pay more attention to macrophyte species selection?.J.science of the total environment;407(2009):392339304 Cristina vila,Marianna Garf.Three-stage hybrid constructed wetland system for wastewater treatment and reuse in warm climate regions.J Ecological Engineering;61(2013):43495潇源，宋志文.高效净化氮磷污水的湿地水生植物筛选与组合.J.湖泊科学；2008,20(6):741-7476梁 威，吴振斌.人工湿地对污水中氮磷的去除机制研究进展.J环境科学动态;2000,32(3)7王国祥,濮培民等.冬季水生高等植物对富营养化湖水的净化作用.中国环境科学,1999,19(2)8单 丹.人工湿地水生植物对氮磷吸收及对重金属锡去除效果的研究.大学硕士学位论文，20069熊 飞，文朝等.人工湿地脱氮除磷的效果与机理研究进展.J.湿地科学.2005,3(3)10王 薇,俞 燕.人工湿地污水处理工艺与设计.城市环境与城市生态.2001,14(1)11耀良.新型废水处理技术人工湿地J.污染防治技术.1996,(1-2):1-8.12白晓慧,王宝贞.人工湿地污水处理技术及其发展应用.J.建筑大学学报.1999,32(6)13成水平，吴振斌.人工湿地植物研究.J.湖泊科学.2002,14（6）14吴建强,阮晓红.人工湿地中水生植物的作用和选择.J.水资源保护.2005,21（1）15闫巧丽.水生植物在人工湿地污水处理系统中净化性能的对比试验研究.J.科技创新导报.2008,20您好，欢迎您阅读我的文章，本WORD文档可编辑修改，也可以直接打印。阅读过后，希望您提出保贵的意见或建议。阅读和学习是一种非常好的习惯，坚持下去，让我们共同进步。