人工濕地的發(fā)展、分類及機(jī)理

1、人工濕地的發(fā)展、分類及機(jī)理人工濕地1人工濕地概念及其發(fā)展一、人工濕地的概念人工濕地是人們有目的地建立一種與天然濕地相似的人工生態(tài)系統(tǒng)，水特征為水飽和或淹水狀態(tài)，植物是具有耐濕或水生植物，土為水成土。人工濕地有狹義和廣義兩種概念。根據(jù)濕地公約，廣義的人工濕地包括：養(yǎng)殖池塘；池塘：小水塘、灌溉池塘，面積8hm2;灌溉土地：灌渠、水稻田；季節(jié)性泛濫的農(nóng)田：濕草地、牧場；鹽業(yè)用地：鹽生洼地、鹽田等；蓄水用地：水庫、水壩、庫區(qū)、河堰，面積8hm2；低洼地：泥土、磚塊、礫石等洼地、礦區(qū)池塘；廢水處理區(qū)：沉淀池、氧化塘等；運(yùn)河、水溝等。狹義的人工濕地是指用于降解污染物的人工濕地。本文設(shè)計的濕地為此類濕地。狹

2、義的人工濕地依據(jù)不同的分類方式和理解角度，所產(chǎn)生的人工濕地概念也不盡相同。功能上概念：人工濕地是依據(jù)土地處理系統(tǒng)級水生植物處理污水的原理，由人工建立的具有濕地性質(zhì)的污水處理生態(tài)系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)組成上概念：人工濕地是由獨(dú)特的土壤（基質(zhì)）和生長在其上的耐濕或水生植物組成，是一個有人為參與的基質(zhì)一植物一微生物的生態(tài)系統(tǒng)。凈化機(jī)理上概念：人工濕地利用基質(zhì)一植物一微生物間的物理、化學(xué)和生物三重協(xié)同作用，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解實(shí)現(xiàn)對污水的凈化。二、人工濕地的發(fā)展最早的人工濕地是1903年建在英國約克郡Earby的濕地系統(tǒng)，該系統(tǒng)一直持續(xù)運(yùn)行到1992年，但這只是人工濕地的雛形。19

3、53年德國的Dr.KatheSeidel在其研究工作中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)葦能去除大量有機(jī)和無機(jī)物，隨著這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，在60年代中期，Dr.Seidel與Dr.Kichuth合作并由Dr.Kichuth開發(fā)了“根區(qū)法”（RZM）一一在水平潛流濕地中種植產(chǎn)葦，降解有機(jī)物，通過硝化反硝化去除氮，通過沉淀作用去除磷?！案鶇^(qū)法”理論的提出，標(biāo)志著人工濕地污水處理機(jī)理的初步萌芽。與此同時，出現(xiàn)了“厭氧微生物和產(chǎn)葦處理污水”復(fù)合系統(tǒng)，由美國的國家空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究開發(fā)。自西德1974年建成第一座完整的人工濕地以來，人工濕地在20世紀(jì)80年代得到了迅速的發(fā)展。我國在“七五”期間開始人工濕地1/9人工濕地的發(fā)展、分類及機(jī)

4、理的研究。天津市環(huán)保所在1987年建立了我國第一個產(chǎn)葦濕地工程，隨后，北京昌平于1989年建立了自由水面流人工濕地，1990年，國家環(huán)保局華南環(huán)境科學(xué)研究所與深圳東深供水局在深圳白泥坑建成了濕地處理系統(tǒng)示范工程。目前，人工濕地正在向景觀、綠化、資源與污水深度處理相結(jié)合的方向發(fā)展，國內(nèi)最典型的實(shí)例是四川成都活水公園。人工濕地正作為一種獨(dú)具特色的新型污水處理技術(shù)正式進(jìn)入水污染控制領(lǐng)域。2人工濕地的分類根據(jù)水的流動狀態(tài)，人工濕地系統(tǒng)分為自由水面系統(tǒng)，又稱表面流濕地；潛流系統(tǒng)，又稱潛流濕地，分為水平潛流系統(tǒng)和垂直潛流系統(tǒng)。一、表面流濕地污水從系統(tǒng)表面流過，氧通過水面擴(kuò)散補(bǔ)給。這種類型的人工濕地具有投資

5、少、操作簡單、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，而且該濕地系統(tǒng)與自然濕地最為類似，具有較高的生態(tài)效益。但這種濕地系統(tǒng)占地面積大，水力負(fù)荷率較小，去污能力有限，運(yùn)行受氣候影響較大，夏季有孳生蚊蠅的現(xiàn)象。洱涕萩境I*母大討I隹箸第步中爆圖3-1表面流人工濕地結(jié)構(gòu)簡圖（a）主視圖（b）剖面圖人工濕地的發(fā)展、分類及機(jī)理二、水平潛流濕地水平潛流人工濕地污水從進(jìn)口經(jīng)由砂石等系統(tǒng)介質(zhì)，以近水平流方式在系統(tǒng)表面以下流向出口，在此過程中，污染物得到降解。介質(zhì)通常選用水力傳導(dǎo)性良好的材料，氧主要通過植物根系釋放。水平潛流濕地的水力負(fù)荷和污染負(fù)荷較大，對污染物去除效果好；缺點(diǎn)是系統(tǒng)內(nèi)氧含量較少，硝化效果不如垂直流人工濕地。圖3-2

6、水平潛流人工濕地結(jié)構(gòu)簡圖（a）平面圖（b）剖面圖三、垂直潛流濕地垂直潛流人工濕地系統(tǒng)該系統(tǒng)通常在整個表面設(shè)置配水系統(tǒng)，污水從表面縱向流向填料床底部，氧可以通過大氣擴(kuò)散和植物傳輸進(jìn)入人工濕地。該系統(tǒng)有較高的好氧處理能力，因此硝化能力強(qiáng)。為防止堵塞，填料級配復(fù)雜，建造要求高，落干/淹水時間長，操作相對復(fù)雜。人工濕地的發(fā)展、分類及機(jī)理圖3-3垂直流人工濕地結(jié)構(gòu)簡圖（a）平面圖（b）剖面圖三種類型人工濕地比較表面流人工濕地水平潛流人工濕地垂直潛流人工濕地特點(diǎn)污水在濕地的表面流動，水位較淺，多在0.10.6m,與自然濕地最為接近污水在濕地床的內(nèi)部流動，從一端水平流過填料床污水在濕地床的內(nèi)部流動，從濕地表

7、面縱向流向填料床的底部，或者從底部流向頂部。優(yōu)點(diǎn)工程投資低，運(yùn)行成本最低水力負(fù)荷較局，對污染物去除效果好；很少有臭味和蚊蠅現(xiàn)象；運(yùn)行成本較低硝化能力高，可用于處理氨氮含量較圖的廢水。運(yùn)行成本較低缺點(diǎn)系統(tǒng)的處理效果受溫差變化影響大，夏季滋生蚊蠅產(chǎn)生臭味，衛(wèi)生條件較差，冬季或北方地區(qū)則易發(fā)生表面結(jié)冰現(xiàn)象控制相對復(fù)雜；脫氮、除磷的效果不如垂直流人工濕地；造價較局控制相對復(fù)雜；工程造價較局人工濕地對污水處理及水質(zhì)凈化的應(yīng)用很廣泛，主要應(yīng)用在以下方面：雨水徑流和農(nóng)業(yè)徑流凈化；鄉(xiāng)城鎮(zhèn)農(nóng)村生活污水處理和住宅中水回用；城鎮(zhèn)污水處理廠尾水深度處理；工業(yè)廢水處理；入湖、入江、入海河道末端處理；湖泊、池塘、公園和生

8、活小區(qū)富營養(yǎng)化水體處理。人工濕地建立以后，除了人工栽培的高等植物外，野生動植物也會明顯增多，首先是昆蟲，隨后是鳥類和爬行動物，再后是哺乳動物，逐漸成為一個完善的生人工濕地的發(fā)展、分類及機(jī)理態(tài)系統(tǒng)。人工濕地植物一般為常綠植物，周年郁郁蔥蔥，人工濕地中又有觀賞植物，花紅柳綠，還有各種花草，所以很多人工濕地可以兼做公共娛樂區(qū)、生態(tài)公園、吸引游客和附近的居民，是人們休閑娛樂的好地方。3人工濕地的去污機(jī)理人工濕地利用基質(zhì)一植物一微生物間的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)凈化污水的目的。人工濕地被用于去除污水中的SS、有機(jī)物、氮、磷、有毒重金屬離子、病原微生物等。前四項(xiàng)是人工濕地主要的去除對象，也是目前人工濕地領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)

9、。一、人工濕地對懸浮固體物的去除機(jī)理懸浮固體物質(zhì)在流經(jīng)濕地過程中，會因填料的截留和植物的阻隔而沉積，從污水中去除。在表面流人工濕地中，水流流速較緩慢，使懸浮固體物質(zhì)有足夠時問同污水在濕地運(yùn)移過程中發(fā)生沉積、截留和再懸浮。為盡量減小污水處理過程中再懸浮現(xiàn)象的發(fā)生，設(shè)計濕地的流速不宜過大，應(yīng)根據(jù)濕地的摩擦特征、顆粒的沉淀特征和顆粒的擾動臨界剪切力來確定。濕地植物及其散落物和根系構(gòu)成了濕地的過濾床，該過濾床具有較大的孔隙度，通過慣性沉積、流線截留和擴(kuò)散沉積過濾懸浮物質(zhì)，并在一定程度上可限制再懸浮現(xiàn)象的發(fā)生。在潛流濕地中，水體不與植物的散落物直接接觸，與表面流濕地形成的過濾床所產(chǎn)生的沉積過程不同，而且

10、濕地表面的風(fēng)和動物也不會再引起再懸浮現(xiàn)象的發(fā)生。潛流濕地對懸浮固體物質(zhì)的去除是通過介質(zhì)過濾作用，顆粒沉積在水滯留的孔隙中，發(fā)生著顆?；^程。二、人工濕地對有機(jī)物的去除機(jī)理碳化合物與每個生命過程息息相關(guān)，擁有動物、植物和微生物的濕地生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)很活躍。在污水處理領(lǐng)域，BOD5、COD、DC、TC、VOC、TOC等是表征有機(jī)物的主要指標(biāo)，其中前兩個指標(biāo)最為常用。有機(jī)物分為不溶性有機(jī)物和可溶性有機(jī)物。不溶性有機(jī)物在濕地中的去除主要是通過濕地基質(zhì)的吸附和過濾，在基質(zhì)中沉積從而被分解或者利用?？扇苄杂袡C(jī)物主要利用的是微生物作用一一植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解而被分解去除。最終污水中的有

11、機(jī)物是被異樣微生物轉(zhuǎn)化為CO2、H2O和微生物體，微生物體的最終去除需要通過定期地更換填料和收割植物。人工濕地的發(fā)展、分類及機(jī)理基質(zhì)對有機(jī)物的去除主要通過吸附和離子交換作用。在合適的條件下，一些陽離子，如：Ca2+、Mg2+等，與CO32"結(jié)結(jié)合形成沉淀，包括有碳酸鈣、碳酸鎂、白云石等。人工濕地系統(tǒng)會經(jīng)過一個成熟的過程，在達(dá)到成熟后，填料表面和植物根系周圍將生長大量的微生物而形成生物膜，生物膜對流過的有機(jī)物可吸附、吸收，從而被微生物代謝過程分解。三、人工濕地對N的去除機(jī)理人工濕地對污水中的含氮污染物的去除主要依靠填料基質(zhì)中的微生物（硝化細(xì)菌與反硝化細(xì)菌等）的氨化、硝化和反硝化作用來實(shí)

12、現(xiàn)的。氮在濕地系統(tǒng)中循環(huán)變化包括了7種化合價態(tài)（-3、0、+1、+2、+3、+4、+5價），并且在多種有機(jī)形式與無機(jī)形式之間轉(zhuǎn)換。市政污水中的氮主要以氨氮和有機(jī)氮兩種形式存在。大部分有機(jī)氮都可以被微生物降解成為氨氮，因此研究中對于無機(jī)氮的去除更為關(guān)注。污水中的無機(jī)氮也可作為濕地植物生長過程中不可缺少的營養(yǎng)物質(zhì)直接被吸收并通過植物的收獲與再種植從整個濕地系統(tǒng)中去除，但植物直接吸收只能部分降低氮元素的濃度，其在整個氮循環(huán)過程中只占小部分份額，不能夠成為氮元素去除的主體。含氮污染物主要的去除途徑是通過硝化細(xì)菌以及反硝化細(xì)菌等微生物的硝化、反硝化作用來完成的。人工濕地中的溶解氧隨填料基質(zhì)的高度不同呈現(xiàn)

13、出區(qū)域性變化，從床體底部到頂部連續(xù)呈現(xiàn)出富氧、缺氧及厭氧三種不同的狀態(tài)，這相當(dāng)于許多串聯(lián)或并聯(lián)了A/O（Anoxic/Oxic）污水處理單元，從而使硝化和反硝化作用可以有條不紊地進(jìn)行。在這種條件下，NH4+被氧化成NO2-和NO3-等離子，然后再被還原為N2o其基本過程是硝化細(xì)菌首先通過硝化作用先將氨氮氧化成亞硝酸鹽與硝酸鹽，之后反硝化細(xì)菌通過反硝化作用將硝酸鹽還原成氣態(tài)氮，最后氮?dú)鈴乃幸莩?。硝化作用在好氧環(huán)境下由自養(yǎng)型好氧微生物（硝化細(xì)菌）完成，它包括兩個生化過程：首先由亞硝酸菌（自養(yǎng)型好氧菌）將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽；然后則由硝酸菌（自養(yǎng)型好氧菌）將亞硝酸鹽進(jìn)一步氧化為硝酸鹽。在硝化反應(yīng)中起

14、作用的亞硝酸菌、硝酸菌被合稱為硝化細(xì)菌。反硝化作用在缺氧或厭氧環(huán)境下進(jìn)行的，其機(jī)理是反硝化細(xì)菌（多為異養(yǎng)、兼性厭氧細(xì)菌）利用硝酸鹽中的氧進(jìn)行呼吸作人工濕地的發(fā)展、分類及機(jī)理用，氧化分解有機(jī)物為其新陳代謝提供養(yǎng)分，同時將硝酸鹽還原為N2,最后超過飽和度的N2并從污水中逸出，從而離開整個系統(tǒng)。因此，人工濕地比無法進(jìn)行反硝化反應(yīng)的傳統(tǒng)活性污泥或者生物膜處理系統(tǒng)具有更強(qiáng)的氮處理能力；比人工的A/A/O（Anoxic/Anoxic/Oxic）系統(tǒng)在操作上要簡單，在工序上要節(jié)省，在費(fèi)用上要低廉。為了提高人工濕地氨氮的去除效率，通常會采用人工曝氣的辦法來增加系統(tǒng)中的溶解氧含量，以此提高好氧細(xì)菌的硝化能力，其

15、實(shí)際效果是很大程度上提高了氨氮的去除效率，但同時為反硝化細(xì)菌的活性帶來了抑制作用，這是因?yàn)榉聪趸磻?yīng)需要一個缺氧（或厭氧）環(huán)境，而溶解氧的增加，抑制了反硝化作用的進(jìn)行，從而使硝態(tài)氮的去除效果有所降低。如何在提高氨氮的去除率的同時增加硝態(tài)氮的去除率是保證人工濕地脫氮效果的一個難點(diǎn)。與有機(jī)污染物（COD與BOD）的去除相比，人工濕地中的硝化過程速度比較緩慢，當(dāng)BOD和COD值較高時，有限的溶解氧常被其他好氧異養(yǎng)菌用于去除有機(jī)污染物的反應(yīng)中，而硝化反應(yīng)只有在有機(jī)物濃度降低到一定程度才能開始。同時反硝化作用又需要從有機(jī)質(zhì)中獲取碳源用以維持正常的新陳代謝；當(dāng)污水有機(jī)物濃度很低時，反硝化過程不易進(jìn)行從而影

16、響整個系統(tǒng)的脫氮效率。解決這一矛盾是提高人工濕地對含氮污染物的去除率的另一難點(diǎn)。四、人工濕地對P的去除機(jī)理人工濕地對磷的去除是通過濕地填料基質(zhì)的理化反應(yīng)、植物根的系吸收以及微生物的積累等幾方面共同作用完成的。進(jìn)水中的無機(jī)磷酸鹽在水生植物的吸收和同化作用下，被合成為供能物質(zhì)（ATP和ADP）與遺傳物質(zhì)（DNA和RNA）等有機(jī)成份，在季末通過人工對植物的收獲將磷元素從整個系統(tǒng)中去除，但是植物的吸收作用只占很少的一部分。研究中發(fā)現(xiàn)污水在人工濕地系統(tǒng)中的流動與循環(huán)時，進(jìn)入系統(tǒng)中的磷主要存留在填料基質(zhì)中，留存于植物體和凋落葉中的很少。而且植物不同器官對于磷的吸收量也有很大不同。磷的另一去除途徑是通過微生

17、物對磷的正常同化吸收以及聚磷菌對磷的過量積累，通過對濕地床的定期更換而將其從系統(tǒng)中去除。在傳統(tǒng)的兩級污水處理工藝中，普通的微生物對磷的正常同化吸收一般只能去除進(jìn)水中磷含量的4.5%19%,因而，微生物對磷去除主要是通過聚磷菌與嗜磷菌的大量攝取磷元人工濕地的發(fā)展、分類及機(jī)理素作用來實(shí)現(xiàn)的。但是由于這部分被微生物吸收的磷元素在被不斷吸收和釋放的動態(tài)循環(huán)中，而且組成微生物細(xì)胞體的磷（主要存在于遺傳物質(zhì)與功能物質(zhì)中）會在聚磷菌與嗜磷菌死亡后幾乎全部被迅速分解無機(jī)磷然后釋放到環(huán)境中，所以一般認(rèn)為微生物的活動與總磷的去除效率之間并無顯著相關(guān)。而磷最主要的去除方式還是離子交換。理化作用包括填料基質(zhì)對磷的吸附

18、及填料基質(zhì)與磷酸根離子的化學(xué)反應(yīng)，其去除機(jī)理為填料基質(zhì)中Al3+、C02+、Fe3+等離子可與PO43-P發(fā)生吸附和反應(yīng)而沉淀去除PO43+,其中PO43+于與Ca2+在堿性條件下發(fā)生作用，而與Al3+、Fe3+主要是在中性或酸性環(huán)境條件下發(fā)生反應(yīng)，一般認(rèn)為磷酸根離子主要通過配位體交換而被吸附到Al3+、Fe3+表面。與此同時,大量的研究還發(fā)現(xiàn)廢水中的磷酸根只是被吸附停留在填料基質(zhì)的表面，這種吸附沉淀反應(yīng)也不是永久地沉積在填料基質(zhì)里，如果長期進(jìn)水中磷元素的濃度較低，填料基質(zhì)中被吸附的磷就會部分被重新釋放到污水環(huán)境中，填料基質(zhì)的作用在某種程度上是在作為一個“磷緩沖器”來調(diào)節(jié)水中磷的濃度，那些吸附磷最少的填料基質(zhì)最容易釋放磷。4人工濕處理污水的優(yōu)點(diǎn)一、高效人工濕地系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)之一就是其對污染物有較強(qiáng)的降解能力，它對污水中的COD、BOD、SS、N、P都有很好的去除效果。有研究表明，對某些