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                人工湿地抗低温策略汇总更新

                2022-3-9 14:20| 发布者: ynzhhj| 查看: 410| 评论: 0|来自: 水处理技术

                低温对人工湿地的影响是一个没有单一解决方案的综合问题,为了提高人工湿地低温运行效率,国内外学者基于人工湿地内部组成和外部运行操作因素提出了许多抗低温措施,使人工湿地对污染物,特别是对氮磷的去除能力显著提高。本文基于文献报道,梳理了低温对人工湿地主要组成部分的影响机理,从内部组分优化和外部资源配置两方面分析总结了现有应对低温的人工湿地技术措施。

                内部组分优化

                植物选择

                人工湿地植物选择需基于几点要求:①植物对当地环境的适应能力;②根系发达程度与输氧能力;③抗逆性;④污染净化能力;⑤景观价值;⑥水体营养水平和特征污染物类型。目前最常用的湿地植物主要是香蒲、菖蒲、芦苇、鸢尾等挺水植物。寒冷地区可选择用耐寒植物替代常用湿地植物。种植西伯利亚鸢尾的水平潜流人工湿地,低温(4.4℃)时仍具有较高的有机物和氮磷去除率。

                季节性植物选配利用不同植物去除效率随季节的变化实现人工湿地全年稳定的污染物去除。利用菹草和芦苇生长发育历期差异组成的选配系统,相比于种植芦苇的人工湿地冬季NH4+-N和TP去除率分别提高18.1%和17.6%。植物通过根系分泌化感物质对其他种类植物生长具有促进或者抑制作用,合理的植物搭配能提高污染物去除能力并且增加低温下人工湿地的生态稳定性。因此,近年来寒冷地区湿地植物选配由单一耐寒植物的选择向植物种间协同作用发展。


                基质选配

                基质在满足成本和本地适用性两个基本因素后,还应充分考虑物理、化学和生物特性。例如,基质颗粒大小对水力特性和孔隙度起决定性作用。基质粒径越细人工湿地净化效率越高,但容易造成基质堵塞和表面堆积物桥接,降低人工湿地使用寿命。针对污水类型,选择合适的基质能提高人工湿地的净化效率。目前常用的基质中沸石、火山岩等脱氮效果较好,无烟煤、陶粒等对磷的吸附能力较强。

                常见基质去污特性

                为缓解低温对基质污染物去除能力的影响,向基质中添加附加材料可改善基质中氧化还原条件。在添加铁基材料的垂直潜流人工湿地中,低C/N比废水在低温下(0-10℃)TN去除率达到65.5%。此外,还能实现Cu2+、Cr6+等多重污染净化。其机理为Fe2+作为电子供体驱动反硝化,提高氮的去除率,并通过离子交换反应实现重金属离子的去除。


                微生物驯化

                随着极地土壤和冰川周围与氨氧化有关的嗜冷菌及嗜冷反硝化细菌的发现,生物强化技术应运而生。固定化微生物技术不仅能有效防止微生物被水流冲走或被捕食,同时还能忍耐高污染负荷、温度和PH扰动。将富集得到的耐冷氨氧化功能菌固定化后投加到人工湿地中,耐冷氨氧化功能菌群强化处理的人工湿地(5℃)氨氮平均去除率比对照组提高24.0%。


                高效复合微生物技术指利用生态位分离和协同代谢等原理构建低温微生物复合菌剂。按照有机物降解菌、脱氮功能菌与除磷功能菌最优菌液体积比为10:0.5:0.5投加,在10-15℃时仍具有较好的水质净化效果。生物促生剂生物强化技术利用促生剂在原位强化系统中的土著微生物活性,提高人工湿地系统水质净化效果。以垂直流人工湿地系统为研究对象,生物促生剂添加量为5μL/L时,TN、NH4+-N去除率较对照组分别提高了71.5%和31.7%。


                底栖动物投放

                底栖动物是湿地生态系统食物链中的重要一环,在人工湿地中却通常被忽视。底栖动物分布广泛,耐污性强,不仅能通过捕食、富集直接去除水体污染物,同时还能通过扰动改善基质表面积,促进养分交换和人工湿地系统自然通风。将底栖动物引入人工湿地,构建“植物-底栖动物-微生物”综合协同体系,强化人工湿地冬季运行效果。冬季(2-8℃)利用筛选得到的摇蚊幼虫构建菹草-摇蚊幼虫人工湿地系统。相较于空白系统没有出现NH4+-N积累,且TN、NO3--N、TP去除率分别提高15.2%、29.5%和37.6%。这是由于底栖动物呼吸产生的CO2能促进植物光合作用,使植物对氮磷的吸收能力增强;排泄产生的粪便以及对颗粒有机物的矿化作用能提供丰富的碳源,提高污水C/N比,促进微生物反硝化作用;微生物实验结果表明,底栖动物肠道内具有一定数量的硝化和反硝化细菌,因此底栖动物肠道内好氧、厌氧交替环境也有利于废水中氮的去除。

                外部资源配置

                曝气

                DO对人工湿地有着十分重要的作用,当水体中DO降低时:①好氧有机物降解效率下降;②发酵成为有机物降解的主要途径,导致水体发黑发臭;③硝化过程成为氮素去除的主要限制因素。植物根系泌氧是人工湿地的主要复氧途径,但根系泌氧速率具有明显的季节变化特征。


                为提高人工湿地系统的复氧能力,根据曝气位置分为4种局部曝气强化措施,进水预曝气和人工湿地前、中、后段充氧曝气。通过比较4种方式的污染物去除效果,结果表明进水预曝气对人工湿地DO的提高有限,对改善人工湿地内部氧气环境作用不大;前段曝气模式下人工湿地硝化与反硝化区域功能分区明确,脱氮效果最好。低温下(-8-16℃),前段曝气人工湿地DO平均质量浓度为1.4mg/L,非曝气组仅为1.0mg/L左右。


                按曝气时间可将曝气强化措施分为间歇曝气和连续曝气。在底部曝气的水平潜流人工湿地中,连续供氧导致出水NO3--N大量累积,出水NO3--N浓度比间歇曝气增加约41.7%。由于间歇曝气能为微生物提供厌氧/好氧交替运行环境,具有更好的污染物去除效果且能降低能量损耗,实际应用中以间歇曝气运行为主。

                保温措施

                采取保温措施能从根本上解决低温对人工湿地运行稳定性的负面影响。冰雪覆盖是寒冷地区最为常用的保温措施。但易受温度扰动,保温效果不稳定。选择合适的保温材料覆盖能起到较为稳定的保温效果。沈阳浑南人工湿地工程采用碳化芦苇碎屑作为覆盖物进行保温,当环境温度下降至-17--26℃时,人工湿地水温可保持在11-14℃,且上、中、下层水温没有显著差异。另外,植被覆盖和塑料薄膜覆盖能避免或减轻冬季湿地填料的冻结。但地膜覆盖会阻碍人工湿地大气复氧且易破碎、易造成白色污染。黑龙江省海林农场在温室内的人工湿地能在环境温度降低到-30℃时使水温维持在8℃,NH4+-N(71.0%)、COD(85.0%)去除效果较好。将人工湿地置于温室也是提高寒冷季节运行效果的可行选择。


                工艺组合

                人工湿地组合系统能弥补单独应用一种类型人工湿地存在的不足。目前应用最广泛的几种组合工艺有:表面流与潜流人工湿地组合工艺、水平潜流与垂直潜流人工湿地组合工艺以及多级潜流人工湿地组合工艺等。


                表面流-潜流人工湿地组合工艺利用潜流单元有利于去除污水中的NH4+-N、TP和COD,表面流单元有利于去除污水中的TN的特点。在处理生活污水时,冬季出水水质达《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级B标准。爱沙尼亚的一座水平潜流-垂直潜流二级人工湿地,在寒冷气候(-7.7-13.4℃)下出水水质满足爱沙尼亚污水处理厂排放标准。利用三级水平潜流人工湿地和三级垂直潜流人工湿地处理牲畜废水,两种组合型人工湿地均具有比单级人工湿地更好的污染物去除效率,且三级垂直潜流人工湿地污染物去除率最佳。这可能是由于三级垂直潜流人工湿地逐级下跌式的进水方式更有利于人工湿地大气复氧,促进氧气传递,提高有机物降解和硝化反应速率。


                运行调控

                水位是决定人工湿地植物类型的关键因素,并且会通过影响氧化还原电位和DO间接影响生物化学反应。美国俄勒冈州两个河岸草甸湿地的调查结果表明,物种丰富度与地下水位深度呈明显相关性。

                进水方式是人工湿地另一重要的运行参数,主要分为连续进水、脉冲进水和间隙进水。脉冲进水具有最好的TN和NO3--N去除率,积水和空水阶段交替运行有利于促进人工湿地床体内氧气的传递和利用速率,形成厌氧和好氧交替的环境,促进含氮污染物的降解。尽管连续进水的氧气条件较差,但进水流量稳定有利于维持人工湿地内部温度稳定,在冬季可起到一定的抗低温效果。


                水力停留时间反映了污染物与植物根区、基质和微生物的接触时间。美国佛蒙特州四座水平潜流人工湿地的运行结果表明,水力停留时间与BOD5去除率呈正相关。然而,我国宁波运行的塔式混合型人工湿地在低温下(8℃)以不同水力负荷运行时,TN和BOD5去除率却没有明显差异。这表明水力负荷与污染物去除率之间的关系还可能受人工湿地结构影响。实际应用中应当兼顾人工湿地占地面积、运行成本等因素合理选择水力停留时间。

                通过以上所述的一系列抗低温措施对人工湿地系统进行优化,能在一定程度上改善低温带来的不利影响,促进人工湿地在我国北方地区的应用。然而,随着水处理目标的不断提高,进一步强化低温条件下水质净化效率仍是未来人工湿地研究的重点之一。未来对于人工湿地抗低温模式的研究可从以下几个方面展开:

                ①为突破低温人工湿地水质净化效率的瓶颈,内部组分优化和外部资源配置应协同进行。已有文献多基于单一抗低温措施研究,对内外部组合措施的抗低温能力鲜有报道。然而,低温对人工湿地的影响是内外部条件变化综合作用的结果。湿地内部溶解氧不足和微生物活性低是抑制人工湿地去污效果的关键因素。曝气增氧对人工湿地在寒冷气候下处理能力的提高具有巨大潜能。然而,目前对于曝气量与净化效率之间的关系,以及曝气后湿地中氧气的分布和迁移知之甚少。植物作为连接人工湿地系统微观与宏观的重要成分,其多样性和生长状况对微观微生物群落结构具有显著影响。但植物易随温度降低而枯萎凋零,并且现有研究结果表明植物多样性与湿地中功能微生物群落丰度之间的关系尚不明确。因此,探究出具有最佳曝气方式和耐寒植物混种模式的抗低温组合措施将进一步推进人工湿地在我国北方冬季的应用。

                ②探明低温对人工湿地净化效率的影响机理,为抗低温措施的应用提供理论支撑。目前对于低温人工湿地的研究大多局限于水质净化效果的提升,缺乏对湿地内部微观体系的深入探讨。在进行耐寒植物的选择与搭配后,建立植物生理指标、根系微生物群落组成与水质净化效率之间的关系;分析不同曝气位置对沿程微生物群落变化的影响。这一系列宏观措施与微观结构联系的建立都有利于构建完整的低温人工湿地框架。

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