人工濕地污水處理技術概況

1、    人工濕地污水處理技術概況    閆棟華摘 要：人工濕地是一種較為傳統(tǒng)的廢水處理技術，由于其成本較低的特點被廣泛應用于廢水處理之中，其替代技術已被應用于多種廢水的處理，本文敘述了人工濕地污水處理技術的概念、人工濕地組成要素、分類、特點、原理及其在國內(nèi)外的研究應用現(xiàn)狀，闡述了污水在濕地中的處理過程及凈化機理及當前人工濕地在技術方面的缺陷，對人工濕地的發(fā)展進行了展望，可為人工濕地污處理技術的應用研究提供參考。關鍵詞：人工濕地 污水處理 類型 機理：x703 ：a ：1672-3791（2018）01（a）-0106-041 人工濕地概念濕地廣義上指長年

2、積水和過濕的土地，是陸生和水生生態(tài)系統(tǒng)之間的過渡性地帶，廣泛分布于世界各地不僅擁有著豐富的生物多樣應，還具有顯著的生態(tài)凈化作用，是地球上一種獨特的、多功能的生態(tài)系統(tǒng)被稱為“地球之腎”。濕地是地球上生產(chǎn)力最高的生態(tài)系統(tǒng)之一。濕地提供水和初級生產(chǎn)力，成為了很多鳥類、哺乳類動物、魚類、爬行類動物以及其他水路兩棲類動物賴以生存的環(huán)境，是植物遺傳物質(zhì)的重要儲存地。濕地已經(jīng)成為了影響珍稀禽類繁殖和生存的關鍵因素，所以，濕地也成為了鳥類優(yōu)質(zhì)的生活環(huán)境。按國際濕地公約定義，濕地系指不問其為天然或人工、長久或暫時之沼澤地、濕原、泥炭地或水域地帶，帶有靜止或流動、或為淡水、半咸水或咸水水體者，包括低潮時水深不超過

3、6m的水域。由于人類的不合理開發(fā)，濕地資源在我國受到很大破壞。在特殊時期和環(huán)境條件下，研究和建立人工濕地生態(tài)系統(tǒng)是對自然濕地生態(tài)系統(tǒng)的適度補充，也是對其功能退化的恢復性建設1。人工濕地是近些年發(fā)展起來的一種新型污水處理生態(tài)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的污水生物處理方法能對清除一些有機物能產(chǎn)生非常明顯的效果，但是卻無法實現(xiàn)對氮磷的有效去除；一些化學技術能在很大的程度上將氮磷去除，但是需要耗費較高的費用，還能大大提高二次污染的可能性。在這個方面，人工濕地具有較為明顯的優(yōu)勢，其無需耗費大量的成本，方便人工對其進行管理和維護并且其運行的成本較低，對氮磷的去除效果也比較明顯，能盡快適應符合的變化，也能在很大的程度上起到使

4、環(huán)境更加美觀的作用2。與自然濕地相比而言，人工濕地在承載負荷量，地點選擇，污水處理能力及可控性上具有較大優(yōu)點。人工濕地是一種由人工建造和監(jiān)督控制的，與沼澤地類似的濕地生態(tài)系統(tǒng)3。人工濕地污水處理技術是指將污水、污泥經(jīng)過一定比例調(diào)配投入到人為建造的濕地當中，使污水與污泥形成流動的狀態(tài)，關鍵在于利用土壤、植物、人工以及微生物在物理、化學以及生物3個方面形成協(xié)同的效應，從而實現(xiàn)對污水以及污泥的處理。2 人工濕地國內(nèi)外研究應用現(xiàn)狀人工濕地在污水處理方面最早的應用是1903年建在英國約克郡ear by的人工濕地，其被認為世界上第一處用于處理污水的人工濕地。而人工濕地生態(tài)理論是在20世紀70年代由學者ki

5、ckuth提出根區(qū)法（the root-zone-method）理論之后逐步發(fā)展起來的4。根區(qū)法是由一種有蘆葦?shù)木匦纬刈咏M成，選擇含有鈣、鐵、鋁添加劑的土壤，得以改善土壤結構和對p的沉淀性能，水以地下潛流水平流過蘆葦根，污水流過蘆葦床，有機物降解，n經(jīng)過硝化、反硝化作用被去除，p與ca、fe、al共沉淀，積累于土壤中。同時，“厭氧微生物和蘆葦處理污水”復合系統(tǒng)在美國的國家空間技術實驗室研發(fā)成功，隨后人工濕地的污水處理技術日益完善，在歐洲、美國、加拿大、日本等地廣泛地被利用。我國對人工濕地的研究進程應該追溯到“七五”期間，目前仍然處于初級探索階段。天津市環(huán)保所建成了我國第一個蘆葦濕地工程，隨后相

6、繼于1898年和1990年在北京昌平區(qū)、深圳白泥坑建成了效果良好的濕地處理系統(tǒng)示范工程。1990年國家環(huán)保局華南環(huán)保所與深圳東深供水局共同建立的人工濕地示范工程的出水結果達到了二級處理水平。2002年，建立于江蘇泅洪縣的人工濕地污水處理廠日處理污水量可達50000m3。近年來，人工濕地處理污水技術在我國積極發(fā)展，現(xiàn)階段人工濕地已經(jīng)可以用來處理生活污水、養(yǎng)殖廢水、橡膠廢水、油田廢水、造紙廢水、啤酒廢水等。3 人工濕地組成要素人工濕地基本上是由具有各種透水性的基質(zhì)；適于在飽和水和厭氧基質(zhì)中生長的植物；在基質(zhì)表面下或上流動的水體；無脊椎或脊椎動物以及好氧或厭氧微生物種群五部分組成。3.1 濕地基質(zhì)濕

7、地的機制可以為土壤、砂、礫石、沸石、灰?guī)r、石灰石、爐渣等，這些基質(zhì)為濕地植物提供生活環(huán)境和物理支撐，使微生物附著其上，是濕地中化學物質(zhì)反應的場所。濕地中水體除了為各種復雜離子、化合物提供反應界面外，還可以提供營養(yǎng)物質(zhì)給濕地植物與濕地微生物5。研究表明礦渣和粉煤灰等鈣素含量較高的堿性基質(zhì)影響磷素吸附凈化效果的主要因素是基質(zhì)的全鈣含量，堿性條件下基質(zhì)全鈣含量越高其吸附的磷素越多，凈化磷素污染的效果越好。砂子、沸石、下蜀黃土、黃褐土和蛭石等活性膠體氧化鐵鋁含量較多的中性基質(zhì)，影響其磷素吸附凈化效果的主導因素是其膠體氧化鐵的含量，膠體氧化鐵能促進基質(zhì)吸附磷素效應，提高磷素凈化能力。人工濕地生態(tài)系統(tǒng)處理

8、污水過程中，濕地植物與濕地微生物發(fā)揮了巨大作用。3.2 濕地植物人工濕地植物主要分為3部分：浮游植物、沉水植物和挺水植物。概括來說植物主要能起到3個方面的作用：將污水中的營養(yǎng)物質(zhì)直接轉換為生長所需的營養(yǎng)成分，將一些重金屬物質(zhì)以及一些有害物質(zhì)進行集中和吸收并將其轉化成為生長所需的物質(zhì)；為一些以氧氣作為生存必需元素的微生物提供氧氣，從而維持其正常生長、繁殖以及降解對氧氣的剛性需求；植物的根部能在很大的程度上提高基質(zhì)對于水力的傳輸效率6。濕地植物從上半部分運輸氧氣到下半部分，在根部形成對氧氣的需求環(huán)境，從而實現(xiàn)分解有機物以及促進消化細菌生長的目標，同時達到去除一系列污染物的目標7。3.3 濕地微生物

9、濕地植物的根際周圍分布有大量的微生物，這些微生物能對土壤有機質(zhì)進行分解，轉化無機質(zhì)，促進氮的固定以及為植物提供營養(yǎng)。吸收有機污染物是在植物與微生物的協(xié)調(diào)作用下實現(xiàn)的，植物主要從3個方面實現(xiàn)對一些有機污染物的降解，即轉化、結合與分離8。4 人工濕地類型4.1 按濕地職能分類從濕地的職能角度對其進行分類，主要可以分為：第一類生境類，主要作用在于對天然濕地形成輔助作用，從而維持生物品種的多樣化；第二類抗洪類，主要的作用是抵御洪水以及防止泄洪帶來的危害；第三類水產(chǎn)類，主要應用于農(nóng)業(yè)方面以及水產(chǎn)品的養(yǎng)殖；第四類處理類，主要應用于對污水以及污染物進行處理。4.2 按濕地植物分類人工濕地按照濕地內(nèi)主要植物分

10、為浮游植物系統(tǒng)，沉水植物系統(tǒng)和挺水植物系統(tǒng)。4.2.1 浮游植物系統(tǒng)浮游植物是指漂浮在水體之中的微小植物，一般情況下浮游植物按其粒徑可分為3類：即小型浮游植物（20200m）、微型浮游植物（320m）和超微型浮游植物（0.73m）。常規(guī)用于評價水體質(zhì)量的標準是浮游植物的種類。當水體質(zhì)量受到污染后，浮游植物的種類會出現(xiàn)一定程度的減少，而一些抗性能力較強的個體數(shù)量會出現(xiàn)快速增長的趨勢，從而破壞浮游植物的多樣性，所以，浮游植物的多樣性能作為反映水體質(zhì)量的指標，指標的數(shù)值越大，說明水質(zhì)污染的情況越輕。水體中的物理（溫度、光），化學（有機質(zhì)、營養(yǎng)鹽、毒素）和生物（競爭、捕食）等因素都會影響浮游植物在水體

11、中的分布以及種類。浮游植物多為單細胞或群體，形態(tài)結構簡單，處于食物鏈的開始端，對水環(huán)境的變化反應較敏感，其優(yōu)勢種群和密度，對水體的營養(yǎng)程度有指示作用，是國內(nèi)外進行水環(huán)境監(jiān)測的首選項目。4.2.2 沉水植物系統(tǒng)沉水植物指的是根、根須或葉狀體固著在水下基質(zhì)上并且其葉片也在水面下生長的大型植物。濕地植物的繁殖器官有兩種情況：沉水或挺出水面。濕地植物的植物體能夠被充分利用其各部分都可吸收水分和養(yǎng)料。沉水植物在濕地生態(tài)系統(tǒng)中有著不可替代作用，它給水生生物提供更多的生活棲息和隱蔽場所，使水中溶解氧含量增加，同時還可以使水質(zhì)得以凈化，為水生動物提供食物來源等，改善了整個生態(tài)系統(tǒng)。董悅等（2013）利用5種不

12、同沉水植物群落系統(tǒng)對中國2010上海世博區(qū)后灘濕地底泥進行生態(tài)修復，于2009年8月）2010年8月對沉水植物覆蓋度與生物量，以及底泥有機質(zhì)（om）、總氮（tn）、總磷（tp）的分布與變化進行動態(tài)監(jiān)測。結果表明：沉水植物群落覆蓋度、生物量有明顯的季節(jié)變化，總體呈升高趨勢且與底泥om、tn、tp呈正相關；底泥經(jīng)修復后，om質(zhì)量分數(shù)、tn和tp質(zhì)量比分別比背景值降低61.9%79.7%、78.7%83.9%、32.3%42.7%；底泥有機指數(shù)從iv級（有機污染）降至ii級（較清潔），降低了水體富營養(yǎng)化的風險。馬劍敏等（2009）研究在長江中游地區(qū)、面積為0.66km2、水質(zhì)為劣類的重富營養(yǎng)湖泊武漢

13、月湖重建了以菹草和伊樂藻為優(yōu)勢種的沉水植物先鋒群落，2005年春季的沉水植物蓋度達到45%，提高了透明度。冬季是相對適合種植伊樂藻以及菹草的季節(jié)，因為冬季的水位相對較低，透明度較高，在這個季節(jié)建立伊樂藻與菹草等適合在動機和春季生長的沉水植物使其逐漸成為一個先鋒群落是一種效率較高的方法；污染情況比較嚴重且水質(zhì)不透明的情況能在很大程度上阻礙先鋒群落的形成，如果在水位較低，或者使水質(zhì)透明度較高的階段，水生植物可以承受一定的污染負荷，而且在水位能降低時，能在很大程度上提高重新形成的沉水植被成活的幾率。4.2.3 挺水植物系統(tǒng)挺水植物主要指的是植物的根以及根莖生長在地步的泥土之中，但是莖與葉卻能生長在水

14、面之上。在01.5m的淺水處較為常見或者生長于潮濕的岸邊。挺水植物在水面之上生長的部分，與陸生植物的某些特點是十分相似的；而在水面之下生長的部分則與水生植物的某些特點是相似的。蘆葦是典型的挺水植物，張葆華等研究了兩種水深條件（2cm淺水位和15cm深水位）下蘆葦濕地對模擬太湖水中氮磷的凈化能力。研究結果顯示，蘆葦能在很大的程度上提高濕地對氮磷的去除能力。濕地內(nèi)反硝化過程為主要脫氮途徑。蘆葦對濕地反硝化過程的促進作用主要是通過提供有機碳源實現(xiàn)的。沉水植物系統(tǒng)目前處于實驗室研究階段，其主要應用領域在于初級處理和二級處理后的精處理。浮游植物主要用于n、p去除和提高傳統(tǒng)穩(wěn)定塘效率?，F(xiàn)在一般所指人工濕地

15、系統(tǒng)是指挺水植物系統(tǒng)。挺水植物系統(tǒng)根據(jù)廢水流經(jīng)的方式，可分為表面流濕地、潛流濕地、立式流濕地。4.3 按水體流動方式分類4.3.1 表面流濕地污水從濕地表面漫流經(jīng)過長方形構筑物，其結構簡單造價低；因為污水在填料表面漫流，易滋生蚊蠅，對周圍環(huán)境會產(chǎn)生惡劣影響，其處理效率較低。表面流人工濕地中氧主要來源于水體表面擴散、在植物根系中傳輸和植物光合作用。由于傳輸能力有限，故人工濕地一般不會采用。4.3.2 潛流濕地污水從填料的之間的縫隙滲透下去，在很大的程度上使填料以及植物根部的生物膜發(fā)揮處理污水的作用，提高出水的質(zhì)量。與表面流濕地相比，潛流人工濕地對水力的負荷程度更大，對bod、cod、tss、tp

16、、tn、藻類、石油類等能產(chǎn)生比較明顯的去除效果。4.3.3 垂直流濕地，污水沿垂直方向流動，硝化作用充分，氧供應能力強，占地面積小，可使水力負荷長期運行。垂直流濕地可采用工程手段對系統(tǒng)的供氧狀況進行改善，可提高布水均勻性，更加有利于硝化和反硝化的發(fā)生。但是垂直流濕地對于污水中的有機物的處理能力弱，控制比較復雜，夏季蚊蠅滋生。5 人工濕地污水凈化機理人工濕地生態(tài)系統(tǒng)在基質(zhì)-微生物-植物復合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學和生物的共同作用下實現(xiàn)對污水進行高度凈化的目標。污水凈化的物理作用是之水體中的可沉固體，難溶有機物等的沉淀作用，濕地中的植物根系與填料可對污染物進行吸附和過濾，化學作用則為污染物在水體中化學

17、作用沉淀，離子交換或發(fā)生氧化還原反應，生物作用指的是濕地中經(jīng)過微生物的代謝，植物的吸收與生長使污染物質(zhì)減少。使污染物質(zhì)從系統(tǒng)中去除的方式有定期更換濕地填料，定期對濕地植物進行收割。其對bod5的去除率可達85%95%，cod的去除率可達80%以上，處理出水中的bod5<10mg/l，ss<20mg/l，氮和磷的去除率也達到50%左右。5.1 人工濕地對有機物的去除機理，污水中的有機物可分為不溶性有機物與可溶性有機物，微生物對濕地中有機物的去除起到重要作用。在濕地生態(tài)系統(tǒng)中土壤具有巨大比表面積，污水流經(jīng)顆粒表面時，不溶性的有機物經(jīng)沉淀、過濾、吸附作用快速地被截留，隨之為微小生物利用；

18、可溶性有機物通過微生物的代謝被去除。植物可向土壤中傳輸氧氣，因而土壤中好氧菌、厭氧菌和兼性菌共同存在。好氧菌將有機物分解為二氧化碳和水；厭氧菌發(fā)酵將有機物分解為二氧化碳和甲烷。謝龍等（2009）研究以總有機碳（toc）作為模型參數(shù)，建立了1個水平潛流人工濕地有機物去除機理模型，種植花葉蘆竹的水平潛流人工濕地和空白濕地對生活污水中總有機碳的去除率分別為92%和91%，去除的主要途徑為生物降解作用，生物降解量占進水總有機碳的84%；植物對總有機碳去除有促進作用，但影響不大。5.2 人工濕地對n的去除機理盧少勇等（2006）研究表明，通常情況下，常用的去除氮的方法是在人工濕地中進行硝化以及反硝化，在

19、ph值低于7.5的情況下，可以將氨的揮發(fā)現(xiàn)象忽略不計；在ph值高于9.3的情況下，氨的揮發(fā)作用非常明顯。當植物處于各項指標都比較適中的條件下，可以通過收割植物實現(xiàn)去除氮的目標。天然濕地對于氮的去除效果要遠遠低于人工濕地。5.3 人工濕地對p的去除機理人工濕地中磷主要以有機磷（生物態(tài)和非生物態(tài)的）、磷酸、可溶性磷酸鹽和不溶性磷酸鹽的形態(tài)存在。盧少勇等（2006）研究了人工濕地中的磷去除機理，在防滲人工濕地系統(tǒng)中，主要的磷去除機理包括化學作用（如沉淀作用和吸附作用）；生物作用（如植物吸收作用和微生物吸收與積累作用）和物理作用（如沉積作用）；在未防滲的人工濕地系統(tǒng)中，濕地系統(tǒng)和周圍水體（如地下水）的

20、交換量對濕地的磷去除有重要的影響。通常情況下，物理作用和化學作用是人工濕地中最主要的磷去除途徑。人工濕地中利用微生物去除磷的效果與環(huán)境中氧氣的狀態(tài)具有非常密切的關系，通過植物的吸收來去除磷的作用的大小和收割頻率與時期、進水負荷、植物物種和氣候條件等有關。蛭石磷素吸附能力較強，酸堿性適中，可以作為磷素吸附劑摻加到沙子、沸石或者土壤基質(zhì)中，提高其磷素等污染物的凈化能力5。5.4 人工濕地對重金屬的去除機理通過土壤或填料對重金屬的吸附和反應達到濕地對重金屬的去除目的，吸附分為離子交換吸附同專性吸附。因為污水中重金屬離子濃度一般不高，重金屬離子便不能與土壤中無機陰離子形成沉淀，可與土壤中的有機質(zhì)絡合。

21、微生物也可去除重金屬，微生物為固定重金屬可發(fā)生胞外絡合作用、胞外沉淀作用，或者把重金屬轉化為低毒狀態(tài)，但也有可能轉化為毒性更強的物質(zhì)。植物也可對重金屬進行積累，溶解性的重金屬可被植物吸收，莖以上部分可通過收割最終從濕地中去除，不溶性重金屬被介質(zhì)過濾截留。密集的植株形成活性高的根區(qū)網(wǎng)絡系統(tǒng)，減慢了濕地污水流速，使污水中懸浮顆粒沉降。6 人工濕地污水處理系統(tǒng)問題及展望人工濕地現(xiàn)可有效地作為傳統(tǒng)污水處理的一種替代，可達到節(jié)省資金、保護水環(huán)境實施生態(tài)恢復目的?，F(xiàn)已廣泛地應用在生活污水、工業(yè)廢水、養(yǎng)殖廢水等水體的處理。但人工濕地在運行過程中存在著一定問題。人工濕地在北方寒冷地區(qū)存在越冬和運行問題，人工濕

22、地的運行受溫度影響較大，隨著溫度的變化，污染物的去除效果也隨之變化，因為污水處理中水生植物與微生物起重要作用，它們的生命狀態(tài)與溫度息息相關。研究表明，在4以下時濕地中的硝化作用趨于停止。聶志丹等（2002）研究表明各人工濕地隨季節(jié)的變化去除效率排序為夏季>秋季>春季>冬季。tp的去除率隨季節(jié)變化相對比較平穩(wěn)，tn次之，nh3-n、cod、mn變化較大，冬季去除率下降尤為明顯。針對該問題可采用植物覆蓋、地膜覆蓋、冰雪覆蓋等方法。人工濕地運行中的堵塞問題，由于在預處理的過程中存在一些工作上的失誤或者不到位的地方，污染程度過于嚴重時很多無法相溶的有機物的出現(xiàn)就會使?jié)竦責o法承受，從而

23、產(chǎn)生了無法在一定時間內(nèi)凈化的容量。不合理的基質(zhì)選擇也是造成堵塞的原因，在特定情況下比表面積大和孔隙率高的基質(zhì)為較優(yōu)選擇。過大的水力負荷使有機物在短時間內(nèi)聚積，濕地水流短路進而堵塞。因為垂直潛流類的濕地其結存在一定的差異，在對濕地進行設計的過程中對于其長度和寬度并沒有形成具體的硬性規(guī)定，主要利用多孔管道水運輸?shù)綕竦氐纳硖?，這樣才能使水力能夠均勻開來，從而實現(xiàn)無論進水速度如何，都不會造成管道堵塞的問題發(fā)生。濕地中表層土壤往往易被污染物吸附飽和，開發(fā)當?shù)匚侥芰^強的人工濕地基質(zhì)或者利用吸附能力較強的無污染的工業(yè)副產(chǎn)物作為人工濕地基質(zhì)或者添加劑是解決人工濕地基質(zhì)凈化能力低下的首選措施5。但是在濕地中要謹慎使用化學凝聚劑和沉淀劑，以免對環(huán)境造成二次污染。人工濕地需要科學的規(guī)劃與設計，人工濕地主要分為兩個部分，即預處理系統(tǒng)和配水系統(tǒng)。其中，預處理的部分的主要組成結構是沉淀池等，主要用于去除存在于污水中體積較大的物質(zhì)，從而降低濕地系統(tǒng)的處理壓力，配水系統(tǒng)中的進水排水網(wǎng)狀結構是人工濕地系統(tǒng)的關鍵，主要的用途是將存在于污水中的不同類型的污染物去除掉，從而達到凈化污水的作用2。人工濕地污水處理系統(tǒng)需以長遠運行為目標，因此，在對濕地進行設計以及實際建造時一定要對建造區(qū)域的地域特點以及植被覆蓋的情況和天氣等因素進行仔細的考量，可利用地形差是濕地中進出水自流盡可能地降低使用水泵提水減少費用。我國人工