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作者：何國富涂俊吳俊單位：華東師范大學資源與環境科學學院

生態修復去除氨氮的凈化機理

自然界氮素包括有機氮化合物、無機氮化合物(氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮)。盡管分子氮和有機氮數量多,但植物不能直接利用,只能利用無機氮。在微生物、植物和動物三者的協同作用下將三種形態的氮相互轉化,構成氮循環,其中微生物起主導作。河流中氮的的去除機制包括:植物和其他生物的吸收、氨化作用、硝化作用、反硝化作用、氨的揮發作用、NH4+的陽離子交換作用等。通常條件下,有機氮易被微生物分解、轉化,因此人們更關注氨氮的去除。

水生植物根毛的輸氧及傳遞特性,使根系周圍連續分布好氧、缺氧和厭氧狀態,相當于許多串聯或并聯的處理單元,使硝化與反硝化作用能夠在濕地系統中同時進行:再如在植物一礫石床潛流濕地中,植物的根區效應與礫石的多孔性是影響氨氮去除效果的主要因素。微生物硝化、反硝化作用是人工濕地的主要脫氮方式,此外,同時也能被濕地植物直接攝取,合成蛋白質和有機氮,再通過對植物的收割,達到去除氨氮的目的。影響人工濕地脫氮的主要因素包括:溫度、溶解氧、微生物可利用的硝態氮和有機碳、PH值、氧化還原電位、停留時間〕。

目前河道生態修復去除氨氮的技術

1原位生態修復

原位生態修復是直接在河道中對受損河道進行綜合整治和修復方法的統稱。主要是通過生物修復結合物理修復和化學修復的一個過程。

1.1底泥生態處理技術

河道底泥生態系統是由底泥的化學組分和生物區系共同構成的。底泥具有一定的緩沖能力,其對河道水質穩定性具有重要影響。目前較為常見的河道底泥處理技術就是底泥疏浚。鐘繼承等發現底泥疏浚能有效的削減沉積物中N、P等營養物,重金屬和持久性污染物等污染物的含量,但疏浚過程中會引起污染物大量向水體釋放,并對底棲生物和微生物胞外酶活性產生危害。有學者指出城市河道底泥物理疏浚方法效果明顯,但工程量大,投入大,而生物一生態修復投入低,處理量大,不易產生二次污染。近幾年來底泥生態修復的技術不斷發展,出現了包括底泥植物修復、底泥生物氧化、底泥固定化等方法。童昌華等將水生植物修復底泥與物理包被底泥進行了比較,發現經水生植物處理的底泥中氨態氮沒有出現明顯的釋放高峰,且始終保持低水平,其中狐尾草的效果優于鳳眼蓮。馮奇秀等廠將底泥生物氧化配方和方法應用于黑臭河涌治理,在上游不斷流入污水的情況下,N’H4+一N去除率達到30%。

1.2水生植物修復技術

水生植物可通過自身的生長代謝吸收水中的營養物質,有效的控制水中N的含量。春、夏、秋三季主要種植鳳眼蓮、水浮蓮、浮萍等喜溫水生植物,冬季種植耐寒性水生植物,如西洋菜、小浮萍、殖草等。受污河道經鳳眼蓮為主的浮水植物處理,經5個月,NH4十一N、TN分別下降21.8%和49.7%。種植蘆葦、菱白、香蒲草,N’H4+一N的去除分別為79.5%、72.7%、59.4%[17」。南京莫愁湖種植蓮藕,生產蓮藕為25x104kg/a,帶出N達到60t[18]。4.1.3生態浮床技術.生態浮床技術是根據生態學原理發展起來的集水環境治理和生態修復一體的實用技術。生態浮床又稱生態浮島。自20年前德國BESTMAN公司開發出第一個生態浮床之后,以日本為代表的國家和地區成功地將生態浮床應用于地表水體的污染治理和生態修復。浮床植物選擇原則有四點:(I)盡可能選擇來源方便且適應能力較好的本地土著種類;(2)生長量大,繁殖能力強;(3)根系發達;(4)具有一定的經濟價值或觀賞價值。近年來,我國生態浮床技術進入快速發展期,大量學者進行了相關的研究。鄭種仁2例等利用水芹處理模擬氨氮類富營養水體,在HRT=6d時,亞硝酸細菌數為27.OX104個/g水、硝酸細菌數為1.SXIO4個/g水、N’H4十一N平均去除率達到35%;而當HRT=2天時,亞硝酸細菌數為1.3X104個/g水、硝酸細菌數為0.2x104個/g水、N’H4十一N平均去除率僅為6%。徐玉榮等建立梯級生態浮床系統對黑臭河道進行凈化,N’H4+一N的去除率平均達到71.9%,其中挺水(香菇草)、浮葉(睡蓮)和沉水植物(輪葉狐尾藻)各單元對氨氮的去除率分別為36.1%,22.3%,13.5%。

1.4生態護岸技術

生態護岸是為結合護岸工程與環境生態的要求提出的,既能滿足河道護岸功能,又有利于河流生態系統的恢復,其建設過程融合了水利工程學、生態學、環境科學、生物科學等多個學科。1965年,EmstBittmann在萊茵河兩岸種植柳樹和蘆葦。陳楊輝〔25」等利用三種形式的生態護砌去除N’H4+一N的效果分別達到83.6%、83.4%、88.1%。由此可見,生態護砌對水體中氨氮污染物去除效果的影響顯著。

2異位生態修復

對于受污染河流,尤其是水量較大或者污染嚴重的河流,在河流中設計引流裝置,將受污河水引入河道旁的污水處理設施中,對其進行集中處理后,再將其排入原河流中。此方法能夠有效去除河道中污染物,并防止污染物向下游擴散。

河道旁建設的通常是污水處理廠。19世紀,英國在泰晤士河兩岸建設了一系列污水處理廠。20世紀,聯邦德國在萊茵河兩岸建造了100多座污水處理廠。然而其高昂的建設、運行費用限制這種方法在我國河道整治中的應用。因此,找到合適的處理方法代替傳統方法成為關鍵。人工濕地、氧化塘等處理技術建設費用低,近年來得到研究人員的關注,并在許多地方得到實際應用。

2.1人工濕地處理技術

人工濕地是人工建造與監督控制的、與沼澤表面類似的處理系統,其設計、建造思想來源于對濕地自然生態系統中的物理、化學和生物作用系統研究

。人工濕地是20世紀70年代興起的一種水體污染生態治理技術,因其建設、運行費用低,能耗少,維護方便,且具有一定的景觀作用等優點,該技術越來越受到人們的重視。2006年,吳建強等在江蘇省新沂河河漫灘上構建了一個表面流人工濕地系統(SurfaeeFlowConstruetedWetland,SFW),人工濕地的進水N’H4+一N濃度為1.37一20.18mg/L,四種不同種植植物對其去除效率分別為64.27%、70.49%、66.78%、58.52%。

2.2穩定塘處理技術

穩定塘,又稱氧化塘或生物塘,是一種利用天然池塘的自然凈化能力對污水進行處理的構筑物的總稱。通常是改造廢棄魚塘或者將土地進行適當休整,建成池塘,并設置圍堤和防滲層,依靠塘內生長的微生物處理污水。穩定塘污水處理系統能有效去除污水中的有機和病原菌、無需污泥處理。城市黑臭河道治理中,對于暫時無法截污的城郊河道,利用廢棄池塘改造成氧化塘,對上游污水進行預處理仁。

研究表明,在污水進水量為432Ot/d以內(污水停留時間1.4d以上,容積負荷為CODer:0.1一kg/(d•m3)以下),氧氣為15.6kg/h的增氧曝氣條件下,NLH4+一N去除率在40%以上。由此可見,利用穩定塘處理系統對上游污水進行預處理,對于NH4+一N的去除起到了重要作用。

研究展望

河流氨氮污染涉及到人類生產、生活等各方面活動。近年來,我國對于此問題日益重視,對河道生態整治的技術不斷進步,研究隊伍不斷擴大。然而,緊靠單一的技術是不能徹底改善和保持河流水環境的。因此,急需一個系統的河道生態修復的思想,要充分發揮原位修復、異位修復等等方面技術的長處,加以結合升華。此外,只有著眼于河道整體生態環境得到改善,才能達到對于氨氮的去除且不反復。對于河流污染的治理不能急功近利,在研究過程中要求要腳踏實地、堅持不懈,必須以流域治理、系統論和水力學方法、環境工程方法、生態學方法有機結合,才能逐步實現對氮磷的控制,對河道生態的修復,實現水清、岸綠、有魚等昔日的神采。