人工濕地污水處理技術(shù)
人工濕地是由人工建造和控制運(yùn)行的與沼澤地類(lèi)似的地面，將污水、污泥有控制的投配到經(jīng)人工建造的濕地上，污水與污泥在沿一定方向流動(dòng)的過(guò)程中，主要利用土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用，對(duì)污水、污泥進(jìn)行處理的一種技術(shù)。其作用機(jī)理包括吸附、滯留、過(guò)濾、氧化還原、沉淀、微生物分解、轉(zhuǎn)化、植物遮蔽、殘留物積累、蒸騰水分和養(yǎng)分吸收及各類(lèi)動(dòng)物的作用。 凈化污水： 用人工筑成水池或溝槽，底面鋪設(shè)防滲漏隔水層， 填充一定深度的土壤或填料層，種植蘆葦一類(lèi)的維管束植物或根系發(fā)達(dá)的水生植物，污水由濕地的一端通過(guò)布水管渠進(jìn)入，以推流方式與布滿(mǎn)生物膜的介質(zhì)表面和溶解氧進(jìn)行充分的植物根區(qū)接觸而獲得凈化。人工濕地分為表面徑流人工濕地和人工潛流濕地。 人工濕地與傳統(tǒng)污水處理廠(chǎng)相比具有投資少、運(yùn)行成本低等明顯優(yōu)勢(shì)，在農(nóng)村地區(qū)，由于人口密度相對(duì)較小，人工濕地同傳統(tǒng)污水處理廠(chǎng)相比，一般投資可節(jié)省1/3—1/2。在處理過(guò)程中，人工濕地基本上采用重力自流的方式，處理過(guò)程中基本無(wú)能耗，運(yùn)行費(fèi)用低，污水處理廠(chǎng)處理每噸廢水的價(jià)格在1元左右，而人工濕地平均不到2毛。 因此，在人口密度較低的農(nóng)村地區(qū)，建設(shè)人工濕地比傳統(tǒng)污水處理廠(chǎng)更加經(jīng)濟(jì)。 人工濕地在農(nóng)村地區(qū)的使用效果也優(yōu)于傳統(tǒng)污水處理廠(chǎng)，首先人工濕地使用純生物技術(shù)進(jìn)行水質(zhì)凈化，而污水處理廠(chǎng)則使用化學(xué)方法，因此污水處理廠(chǎng)在處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量富含有害化學(xué)成分的淤泥、廢渣影響環(huán)境，而人工濕地則不存在二次污染。其次人工濕地以水生植物水生花卉為主要處理植物，在處理污水的同時(shí)還具有良好的景觀效果，有利于改造農(nóng)村環(huán)境。另外，人工濕地還擁有可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)效益，在人工濕地上可選種一些具備凈化效果和一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的水生植物，在污水處理的同時(shí)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。 人工濕地的運(yùn)行管理也比污水處理廠(chǎng)簡(jiǎn)單、便捷，因?yàn)槿斯竦赝耆扇∩锓椒ㄗ孕羞\(yùn)轉(zhuǎn)因此基本不需專(zhuān)人負(fù)責(zé)，只需定期清理格柵池、隔油池、每年收割一次水生植物即可。人工濕地中起主要處理作用的還是微生物，不是土壤的過(guò)濾作用，所以濕地設(shè)計(jì)中應(yīng)包括防止?jié)竦靥盍隙氯麊?wèn)題、植物死亡問(wèn)題和過(guò)冬問(wèn)題。人工濕地服務(wù)年限一般按照10-15年計(jì)算，也就是說(shuō)設(shè)計(jì)比較完善的濕地系統(tǒng)15年以后才需要清理填料床，達(dá)到服務(wù)年限的人工濕地系統(tǒng)在清理填料床后，即可重新投入使用。另外，人工濕地的建設(shè)周期短，建設(shè)一座傳統(tǒng)污水處理廠(chǎng)和完成相關(guān)管道的鋪設(shè)往往需要一年以上，而人工濕地的平均建設(shè)周期在3個(gè)月以?xún)?nèi)，因此建設(shè)人工濕地見(jiàn)效更快。 結(jié)論：在人口密度較低、污染排放較少的農(nóng)村地區(qū)，“人工濕地”生活污水處理設(shè)施有很多優(yōu)點(diǎn)，該處理設(shè)施充分利用農(nóng)戶(hù)住房周邊的地形特點(diǎn)，因地制宜、實(shí)施簡(jiǎn)單，可造在住宅旁的空地上，也可利用水塘以及公園的景觀池改造；規(guī)模可大可小，可以二三十戶(hù)家庭共用一塊，也可以一戶(hù)人家造一塊；投資少，維護(hù)方便，且占地面積小，配合種植水生植物，還可達(dá)到美化景觀的效果。 凈化空氣： SS的去除主要靠物理沉淀、過(guò)濾作用，BOD的去除主要靠微生物吸附和代謝作用，代謝產(chǎn)物均為無(wú)害的穩(wěn)定物質(zhì)，因此可以使處理后水中殘余的BOD濃度很低。污水中COD去除的原理與BOD基本相同。 N、P去除人工濕地主要利用生物脫氮及植物吸收方法。 作用機(jī)理：對(duì)污染物的去除與影響物理沉淀可沉淀固體在濕地中重力沉降去除、過(guò)濾，通過(guò)顆粒間相互引力作用及植物根系的阻截作用使可沉降及可絮凝固體被阻截而去除；化學(xué)微生物代謝：利用懸浮的底泥和寄生于植物上的細(xì)菌的代謝作用將懸浮物、膠體、可溶性固體分解成無(wú)機(jī)物；通過(guò)生物硝化-反硝化作用去除氮；部分微量元素被微生物、植物利用氧化并經(jīng)阻截或結(jié)合而被去除。自然死亡：細(xì)菌和病毒處于不適宜環(huán)境中會(huì)引起自然衰敗及死亡，植物植物代謝利用植物對(duì)有機(jī)物的吸收而去除，植物根系分泌物對(duì)大腸桿菌和病原體有滅活作用植物吸收相當(dāng)數(shù)量的氮和磷能被植物吸收而去除，多年生沼澤生植物，每年收割一次，可將氮、磷吸收、合成后分移出人工濕地系統(tǒng)。 污水進(jìn)入濕地系統(tǒng)，污水中的固體顆粒與基質(zhì)顆粒之間會(huì)發(fā)生作用，水流中的固體顆粒直接碰到基質(zhì)顆粒表面被攔截。水中顆粒遷移到基質(zhì)顆粒表面時(shí)，在范德華力和靜電力作用下以及某些化學(xué)鍵和某些特殊的化學(xué)吸附力作用下，被粘附與基質(zhì)顆粒上，也可能因?yàn)榇嬖谛跄w粒的架橋作用而被吸附。 此外，由于濕地床體長(zhǎng)時(shí)間處于浸水狀態(tài)，床體很多區(qū)域內(nèi)基質(zhì)形成土壤膠體，土壤膠體本身具有極大的吸附性能，也能夠截留和吸附進(jìn)水中的懸浮顆粒。 物理過(guò)濾和吸附作用是濕地系統(tǒng)對(duì)污水中的污染物進(jìn)行攔截從而達(dá)到凈化污水的目的的重要途徑之一。 植物是人工濕地的重要組成部分。人工濕地根據(jù)主要植物優(yōu)勢(shì)種的不同，被分為浮水植物人工濕地，浮葉植物人工濕地，挺水植物人工濕地，沉水植物人工濕地等不同類(lèi)型。濕地中的植物對(duì)于濕地凈化污水的作用能起到極重要的影響。 首先，濕地植物和所有進(jìn)行光合自養(yǎng)的有機(jī)體一樣，具有分解和轉(zhuǎn)化有機(jī)物和其他物質(zhì)的能力。植物通過(guò)吸收同化作用，能直接從污水中吸收可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如水體中的氮和磷等。水中的銨鹽、硝酸鹽以及磷酸鹽都能通過(guò)這種作用被植物體吸收，最后通過(guò)被收割而離開(kāi)水體。 其次，植物的根系能吸附和富集重金屬和有毒有害物質(zhì)。植物的根莖葉都有吸收富集重金屬的作用，其中根部的吸收能力最強(qiáng)。在不同的植物種類(lèi)中，沉水植物的吸附能力較強(qiáng)。根系密集發(fā)達(dá)交織在一起的植物亦能對(duì)固體顆粒起到攔截吸附作用。 再次，植物為微生物的吸附生長(zhǎng)提供了更大的表面積。植物的根系是微生物重要的棲息、附著和繁殖的場(chǎng)所。相關(guān)文獻(xiàn)表明，植物根際的微生物數(shù)量比非根際微生物數(shù)量多得多，而微生物能起到重要的降解水中污染物的作用。 人工濕地處理系統(tǒng)特點(diǎn)： 人工濕地處理系統(tǒng)具有緩沖容量大、處理效果好、工藝簡(jiǎn)單、投資省、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)，非常適合中、小城鎮(zhèn)的污水處理。 人工濕地處理系統(tǒng)可以分為以下幾種類(lèi)型：（1）自由水面人工濕地處理系統(tǒng)；（2）人工潛流濕地處理系統(tǒng)。（3）垂直水流型人工濕地處理系統(tǒng)。 優(yōu)缺點(diǎn) 人工濕地污水處理系統(tǒng)是一個(gè)綜合的生態(tài)系統(tǒng)，具有如下優(yōu)點(diǎn): ①建造和運(yùn)行費(fèi)用便宜 ②易于維護(hù),技術(shù)含量低 ③可進(jìn)行有效可靠的廢水處理 ④可緩沖對(duì)水力和污染負(fù)荷的沖擊 ⑤可提供和間接提供效益,如水產(chǎn)、畜產(chǎn)、造紙?jiān)稀⒔ú?、綠化、野生動(dòng)物棲息、娛樂(lè)和教育。 但也有不足 ①占地面積大 ②易受病蟲(chóng)害影響 ③生物和水力復(fù)雜性加大了對(duì)其處理機(jī)制、工藝動(dòng)力學(xué)和影響因素的認(rèn)識(shí)理解，設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)不精確，因此常由于設(shè)計(jì)不當(dāng)使出水達(dá)不到設(shè)計(jì)要求或不能達(dá)標(biāo)排放，有的人工濕地反而成了污染源。 另外，據(jù)已有數(shù)據(jù),當(dāng)上下表面植物密度增大時(shí), 人工濕地系統(tǒng)處理效率提高,在達(dá)到其最優(yōu)效率時(shí),需2~3個(gè)生長(zhǎng)周期，所以需建成幾年后才達(dá)到完全穩(wěn)定的運(yùn)行。因此，目前人工濕地技術(shù)最大問(wèn)題在于缺乏長(zhǎng)期運(yùn)行系統(tǒng)的詳細(xì)資料。 總的來(lái)說(shuō), 人工濕地污水處理系統(tǒng)是一種較好的廢水處理方式，特別是它充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力,防止環(huán)境的再污染,獲得污水處理與資源化的最佳效益，因此具有較高的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益,比較適合于處理水量不大、水質(zhì)變化不很大、管理水平不很高的城鎮(zhèn)污水,如我國(guó)農(nóng)村中、小城鎮(zhèn)的污水處理。人工濕地作為一種處理污水的新技術(shù)有待于進(jìn)一步改良，有必要更細(xì)致地研究不同地區(qū)特征和運(yùn)行數(shù)據(jù)以便在將來(lái)的建設(shè)中提供更合理的參數(shù)。 摘要:人工濕地作為一種新型的污水處理系統(tǒng),具有眾多的優(yōu)點(diǎn)。分析了人工濕地的特點(diǎn)、組成、分類(lèi)及運(yùn)行機(jī)理,總結(jié)了人工濕地系統(tǒng)在我國(guó)污水處理中應(yīng)用的發(fā)展歷史及優(yōu)勢(shì),結(jié)合有關(guān)工程實(shí)例,得出國(guó)內(nèi)應(yīng)用濕地污水處理存在的問(wèn)題,最后對(duì)人工濕地污水處理系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用及前景做了展望。 1人工濕地污水處理系統(tǒng)概述 1.1人工濕地系統(tǒng)的組成 人工濕地主要由三部分組成:植物、微生物、填料。植物如蘆葦、風(fēng)車(chē)草等水生植物,可以直接吸收污水中的有機(jī)物作為其生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),也可以吸附、富集一些有毒的重金屬,可以將空氣中的氧氣輸送到根區(qū),為床體中好氧和厭氧微生物提供良好的環(huán)境。微生物在濕地對(duì)污水中污染物的生物降解過(guò)程中起到了重要的作用,有機(jī)物被生物膜吸附后通過(guò)微生物的呼吸作用去除。填料如土壤、砂子、礫石等,是微生物生長(zhǎng)的空間和場(chǎng)所,是濕地水生植物的載體。 1.2人工濕地系統(tǒng)的分類(lèi) 1.2.1表層流人工濕地表層流人工濕地在外貌和功能上都與自然濕地最為相似,廢水在土壤的上層水平流動(dòng),固態(tài)懸浮物被填料及根系阻擋截留,通過(guò)濕地而沉淀,同時(shí)微生物也附著在填料或植物的根莖葉上,發(fā)揮生物降解作用。 1.2.2潛流人工濕地廢水從濕地表面縱向流入填料床的底部,床體處于不飽和狀態(tài),氧可通過(guò)大氣擴(kuò)散和植物傳輸進(jìn)入人工濕地系統(tǒng),但生物作用主要是厭氧反應(yīng)。 1.2.3立式流濕地水流動(dòng)情況綜合了表層流式和潛流式的特點(diǎn),但其建造要求高,易滋長(zhǎng)蚊蠅,尚不多見(jiàn)。 1.3人工濕地污水處理系統(tǒng)的特點(diǎn) 濕地系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)用平均僅為傳統(tǒng)二級(jí)污水廠(chǎng)的1/10～1/2，費(fèi)用低?；旧隙寄苓_(dá)到規(guī)定的污水排放標(biāo)準(zhǔn)。 據(jù)現(xiàn)有資料分析， 濕地處理系統(tǒng)不僅可處理以耗氧有機(jī)物和氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為主的生活污水，尤其是對(duì)重金屬和酸性的有機(jī)及無(wú)機(jī)礦物質(zhì)污染有良好的去除效果。且對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)能力強(qiáng)，能全年運(yùn)轉(zhuǎn)，管理維護(hù)方便，但北方地區(qū)冬季易結(jié)冰。 2 我國(guó)人工濕地污水處理系統(tǒng)現(xiàn)狀 2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀 近年來(lái)， 我國(guó)在人工濕地的技術(shù)開(kāi)發(fā)方面取得了一定的進(jìn)展。1988～1990 年，在北京昌平進(jìn)行了表層流人工濕地處理系統(tǒng)的研究， 處理量為500t/d 的生活污水和工業(yè)廢水，占地2hm2，水力負(fù)荷為4.7cm/d，COD 去除效率為81.2%， BOD 去除效率為85.8%。1990 年7月，國(guó)家環(huán)保局華南科學(xué)研究所在深圳市郊設(shè)計(jì)、建成了白泥坑人工濕地污水處理試驗(yàn)工程， 整個(gè)系統(tǒng)采用潛流式植物碎石體和兼性穩(wěn)定塘相組合的設(shè)計(jì)，COD去除效率為71%， BOD 去除效率為90%。深圳市河流綜合治理重點(diǎn)工程之一的沙田人工濕地污水處理廠(chǎng)，于2000 年12 月開(kāi)始建設(shè)，2001 年7 月建成投產(chǎn)，處理規(guī)模為5000m3/d， 占地2 萬(wàn)m2，COD 去除效率76%，BOD 去除效率78%。目前，山東省也在積極開(kāi)展人工濕地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃工作。 人工濕地除處理生活污水外， 還廣泛應(yīng)用于處理農(nóng)業(yè)面源污染、垃圾場(chǎng)滲濾液、富營(yíng)養(yǎng)化水體、采油廢水、采礦廢水等。隨著研究的逐漸深入，人工濕地還被用于改善飲用水源的水質(zhì)， 如利用人工濕地改善北京官?gòu)d水庫(kù)水質(zhì)，出水基本滿(mǎn)足地面水Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。 2.2 人工濕地處理污水在國(guó)內(nèi)的優(yōu)勢(shì) 2.2.1 面源污染的控制 長(zhǎng)期以來(lái)， 村鎮(zhèn)與社區(qū)的污水處理沒(méi)有受到應(yīng)有的重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，95%以上的生活污水及糞便廢水被直接排入地下或江河湖泊，加重了水污染控制的難度。因此， 可將適當(dāng)負(fù)荷的人工濕地污水處理系統(tǒng)應(yīng)用于面源污染控制。 2.2.2 城市污水處理的經(jīng)濟(jì)型模式 目前， 國(guó)內(nèi)外普遍采用二級(jí)生化處理工藝來(lái)集中處理量大面廣的生活污水， 往往需要龐大的充氧曝氣設(shè)施， 大規(guī)模的收集管網(wǎng)， 較高的運(yùn)行費(fèi)用和管理水平。同時(shí)，去除氮、磷污染物的能力較差，易造成受納水體的富營(yíng)養(yǎng)化。應(yīng)用人工濕地進(jìn)行小型分散化的污水就地處理模式，不需要大量的污水收集管網(wǎng)，而且其建造費(fèi)用可由開(kāi)發(fā)商、居民和政府共同承擔(dān)，在某種意義上緩解了水污染日益增多與政府資金短缺之間的矛盾。 2.2.3 飲用水源和景觀用水的保護(hù) 人工濕地系統(tǒng)較能充分地利用自然中的濕地植物以及基質(zhì)的自然凈化能力， 并在污水凈化工程中促進(jìn)植物的生長(zhǎng)， 增加綠化面積， 并為野生動(dòng)物提供棲息地，有利于生態(tài)環(huán)境的建設(shè)。利用人工濕地處理系統(tǒng)處理城市公園、綠地景觀水的同時(shí)， 也美化了環(huán)境， 為市民、游人創(chuàng)造了良好的生態(tài)環(huán)境，取得了顯著的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。 2.2.4 人工濕地的資源化利用 人工濕地處理分散型生活污水的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，便是經(jīng)過(guò)人工濕地系統(tǒng)處理凈化的污水可做中水回用，以解決目前普遍面臨的水資源危機(jī)。在農(nóng)村地區(qū)，可以利用凈化后的污水用于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖等； 在城鎮(zhèn)社區(qū)， 生活污水集中于人工濕地系統(tǒng)處理后，可直接用于社區(qū)的花木澆灌等，兼具了綠化和美化小區(qū)環(huán)境的作用。 2.2.5 其他 此外， 在人工濕地系統(tǒng)推廣種植用于生產(chǎn)生物質(zhì)能源的植物，具有很大的經(jīng)濟(jì)潛力。目前，多數(shù)能源植物的研究尚處于實(shí)驗(yàn)和示范階段， 而我國(guó)在能源植物作為濕地植物種植方面所開(kāi)展的工作幾乎空白。 2.3 國(guó)內(nèi)應(yīng)用濕地污水處理存在的問(wèn)題 2.3.1 工藝存在的問(wèn)題 我國(guó)在人工濕地系統(tǒng)應(yīng)用中普遍存在的問(wèn)題有： 2.3.2 土地資源可利用性的制約 一般來(lái)說(shuō)，人工濕地處理負(fù)荷較低，因此占地面積較大。以深圳沙田污水廠(chǎng)為例，處理1m3 污水需要濕地的面積為1.88m2 如果考慮前期處理，總用地為4m2/m3。如果以每人每天平均用水300L 計(jì)算，則平均處理一個(gè)人每天所產(chǎn)生的污水便需要1.2m2 的面積。由深圳白泥坑人工濕地污水處理試驗(yàn)工程可知， 處理1m3 污水需要濕地的面積為2.7m2 左右， 相較于傳統(tǒng)生化二級(jí)處理，單位污水處理用地明顯較大，特別是我國(guó)大部分地區(qū)土地資源都較為緊張的情況下， 人工濕地污水處理系統(tǒng)的應(yīng)用更受影響。 2.3.3 氣候條件的制約 我國(guó)南方地區(qū)洪水及雨季對(duì)人工濕地的運(yùn)行影響很大， 往往改變了實(shí)地處理單元中的坡降甚至淹沒(méi)濕地，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)。而在北方地區(qū)，氣溫則是影響構(gòu)建濕地運(yùn)行的最重要因素， 系統(tǒng)的處理效率最低或者甚至為零。 2.3.4 缺乏相關(guān)的數(shù)據(jù)和統(tǒng)一規(guī)范 由于我國(guó)人工濕地污水處理技術(shù)起步較晚， 且目前投入運(yùn)行試驗(yàn)的人工濕地污水處理系統(tǒng)較少， 所以關(guān)于人工濕地的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行、維護(hù)等過(guò)程的相關(guān)數(shù)據(jù)和資料，目前還沒(méi)有系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)和整理，長(zhǎng)期運(yùn)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)也缺乏可靠積累。 3 展望 人工濕地是一種很有發(fā)展前景的污水處理系統(tǒng)，今后應(yīng)該從以下幾個(gè)方面尋求新的突破。 3.1 建立人工濕地?cái)?shù)據(jù)庫(kù) 由于各地的氣候條件, 濕地規(guī)模， 負(fù)荷率， 幾何布置，植物種類(lèi)構(gòu)成，及廢水的類(lèi)型構(gòu)成等變化很大， 因而對(duì)人工濕地很難有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)。因此，建立必要的數(shù)據(jù)庫(kù)，有助于濕地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和管理維護(hù)。 3.2 進(jìn)一步探索人工濕地機(jī)理 由于其所涉及機(jī)理的復(fù)雜性和領(lǐng)域的廣泛性， 雖然有些機(jī)理研究已經(jīng)得到初步的認(rèn)可， 但是仍有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。比如，目前仍未完整地建立起各種污染物的去除反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型， 現(xiàn)有的模型基本為一些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ投鵁o(wú)法得到廣泛的應(yīng)用。 3.3 改良人工濕地技術(shù) 目前， 世界各國(guó)都投入了大量精力以改良人工濕地技術(shù)，將一些傳統(tǒng)污水處理技術(shù)引入人工濕地。除了對(duì)現(xiàn)有的人工濕地系統(tǒng)進(jìn)行研究以改良和優(yōu)化工程設(shè)計(jì)參數(shù)外， 對(duì)系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行能力和管理問(wèn)題也正在得到深入研究。例如，選擇適當(dāng)?shù)牟僮鞣绞?以防止填料的堵塞;選擇新型的填料,以確保長(zhǎng)期的除磷效果;選擇新型的水生植物,以提高濕地系統(tǒng)的綜合效益等。 3.4 加強(qiáng)濕地植物生物質(zhì)能的利用研究 濕地植物具有很大的生物質(zhì)能價(jià)值， 開(kāi)發(fā)合適的經(jīng)濟(jì)的生物質(zhì)能的利用技術(shù)，最大化人工濕地系統(tǒng)資源利用，在發(fā)揮其生態(tài)效益的同時(shí)，可增加一定的經(jīng)濟(jì)效益。 |
