人工濕地系統(tǒng)污水處理應(yīng)用研究

1、洛陽理工學院 環(huán)境工程與化學系 楊波 B09070321本科畢業(yè)論文（論文）題目 人工濕地系統(tǒng)污水處理應(yīng)用研究 學生姓名 楊波 專業(yè)名稱 環(huán)境工程 指導教師 姚珺 2013 年 5月 20日人工濕地系統(tǒng)污水處理應(yīng)用研究楊波（洛陽理工學院 環(huán)境工程與化學系，河南 洛陽 471023）摘 要：人工濕地污水處理技術(shù)是一個完整的系統(tǒng)，在國內(nèi)外正不斷得到研究發(fā)展，具有投資低、出水水質(zhì)好、抗沖擊力強、增加綠地面積、改善和美化生態(tài)環(huán)境、操作簡單、維護和運行費用低廉等優(yōu)點。本文系統(tǒng)的介紹了人工濕地污水處理技術(shù)的概念、分類、結(jié)構(gòu)、功能、在國內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀及其成果。這項技術(shù)較適宜我國國情，適用于農(nóng)村及中小型城市

2、的污水處理，具有很強的發(fā)展前景。因此，研究人工濕地污水處理技術(shù)已是十分迫切與必要的。關(guān)鍵詞：人工濕地 污水處理 污染物去除 表面流濕地 潛流濕地 垂直流人工濕地 硝化反硝化強度Artificial wetland water treatment technology progressYangboAbstract: the artificial wetland sewage treatment technology is a complete system at home and abroad, are constantly get research and development, and h

3、as low investment, outlet water quality, good resistance to impact of strong, increase green area, improve and beautify the ecological environment, simple operation, maintenance and operation cost is low wait for an advantage. This paper systematically introduces the artificial wetland sewage treatm

4、ent technology of the concept, classification and structure, function, at home and abroad, research and application status and achievements. This technique is suitable to China's national conditions, suitable for rural and small and medium-sized city sewage disposal, and has a strong development

5、 prospects. Therefore, the artificial wetland sewage treatment technology is already very urgent and necessary.Keywords: artificial wetland sewage treatment pollutants removing surface flow wetland vertical flow artificial wetland22目 錄1 、綜述12、人工濕地的國內(nèi)外現(xiàn)狀13、人工濕地的概念24、人工濕地的分類35、人工濕地的構(gòu)成66、人工濕地的處理機理77、人工

6、濕地在我國的應(yīng)用及發(fā)展118、環(huán)境因子對人工濕地的影響149、人工濕地維護1510、人工濕地優(yōu)點與缺點1511、對人工濕地的展望18參 考 文 獻20謝辭221 、綜述 濕地指天然或人工形成的沼澤地等帶有靜止或流動水體的成片淺水區(qū)，還包括在低潮時水深不超過6米的水域。人工濕地，就是指人為影響、施工形成的濕地系統(tǒng)。無論人工或天然，濕地都具有其極其強大的生態(tài)功能，還具有相同的特點其表面常年或經(jīng)常覆蓋著水或充滿了水，是介于陸地和水體之間的過渡帶，其中生長著許多挺水、浮水和沉水植物。這些植物能夠在其組織中吸附金屬及一些有害物質(zhì)，很多植物還能參與解毒過程，對污染物質(zhì)進行吸收、代謝、分解，實現(xiàn)水體凈化。所

7、以濕地經(jīng)常被稱作“天然污水處理器”而且這個“天然污水處理器”幾乎不需要添加化石燃料和化學藥品。目前全世界至少有數(shù)千個人工與自然濕地用于污水處理， 每個面積從不足200平方到4000ha不等。 人工濕地發(fā)展起于20世紀七八十年代， 興起于荷蘭、丹麥、英國等國家，80年代從歐洲到美洲、澳洲等地區(qū)和國家都廣泛開展了這方面的研究工作。屬于一種新型的污水處理技術(shù)，它的優(yōu)點在于投資低、抗沖擊能力強、出水水質(zhì)好、操作簡單、增加綠地面積、維護和運行費用低廉、改善和美化生態(tài)環(huán)境。并且，它能夠有效地處理多種多樣的廢水，如生活污水、工業(yè)廢水、垃圾滲濾液、地面徑流雨水、合流制下水道暴雨溢流水等。 不過，由于污水中的有

8、毒物質(zhì)和病菌是否會對濕地造成嚴重危害， 特別是對生物多樣性帶來損害？ 長期高負荷地承載污水是否會導致濕地功能退化，甚至導致濕地本身的消亡？并且，濕地的地理要求，有時可能會在一些比較偏遠的地區(qū)，特別對都市的廢水處理往往起不到很好的作用。是否該用天然濕地處理污水一直是一個爭議的話題，但是天然濕地總體上具有高效或強大的污水處理能力，因此為了保護天然濕地，也為了處理操作的方便，用于污水凈化的人工濕地便應(yīng)運而生了。2、人工濕地的國內(nèi)外現(xiàn)狀 人工濕地發(fā)展起于20世紀七八十年代，自西德1974年首次建造人工濕地以來，各種不同類型的濕地被用來處理不同類型的污水。1996年9月在奧地利維也納召開人工濕地有關(guān)的研

9、討會，表明人工濕地污水處理技術(shù)已經(jīng)進入水污染控制行列?，F(xiàn)在,在美國有很多人工濕地用來處理生活用水，市政用水，農(nóng)業(yè)用水及特殊的工業(yè)用水;在丹麥、德國、英國各國也有大量的人工濕地系統(tǒng)在運行 ,而且在特殊廢水方面取得了突破性的進展，為后來其他國家在濕地方面的發(fā)展起到指引作用 。我國在此方面的研究較晚，直到“七五”期間才有了一定的規(guī)模，但主要還是理論性方面的研究，大致落后發(fā)達國家十余年，應(yīng)用上也相對滯后，應(yīng)用實例較少。1900年7月，國家環(huán)?？偩秩A南環(huán)保所在深圳建造的白泥坑人工濕地工程，可以看作首次實踐，處理效果良好（BOD去除率90%，COD去除率80.47%，SS去除率93%）。值得欣慰的事，目前

10、我國少數(shù)城市已經(jīng)開始著手應(yīng)用工作。2002年，我國沿海大部分城市開始著手建立大型的人工濕地，而且到現(xiàn)在處理的效果還非常的好。最近美國、澳大利亞及歐洲各國都編制了人工濕地設(shè)計指南，設(shè)計方法多采用一級推流動力學模型，但由于影響人工濕地的因素較復雜，故各國出版的設(shè)計指南的相關(guān)動力學參數(shù)值也差異較大。全球目前已擁有英國和北美兩大人工濕地數(shù)據(jù)庫，里面有關(guān)于大概2000多座人工濕地的設(shè)計、運行和建造情況的數(shù)據(jù)，有較大的參考價值。包括我國在內(nèi)，很多發(fā)展中國家對人工濕地的應(yīng)用發(fā)展遲緩，主要原因是缺乏相應(yīng)的設(shè)計指南和規(guī)范標準，故設(shè)計出來的人工濕地問題很大，效果也不理想，因此很多專家認為人工濕地不適合中國。然而，

11、事實證明，人工濕地在世界范圍內(nèi)具有廣泛的適用性。從熱帶的坦桑利亞到寒冷的挪威，大量人工濕地都已成功得到工程化應(yīng)用，運行效果也較穩(wěn)定。因此，編輯人工濕地設(shè)計規(guī)范并建立數(shù)據(jù)庫能夠擴大人工濕地在我國廣泛的應(yīng)用。3、人工濕地的概念人工濕地是由人工建造和控制運行的與沼澤地類似的地面，將污水、污泥有控制的投配到經(jīng)人工建造的濕地上，污水在濕地流動的過程中，由于土壤，、基質(zhì)、植物、微生物及動物的物理化學及生化作用，對各種廢水，污水及污泥的一種有效的處理技術(shù)。其中包括多種物理化學機理如吸收，過濾，離子交換，微生物的吸附分解和轉(zhuǎn)化及動物的作用。它是較復雜的生態(tài)系統(tǒng)，它應(yīng)用到生態(tài)系統(tǒng)中物種共生、能量流動，物質(zhì)循環(huán)再

12、生機理，在促進廢水中污染物質(zhì)良性循環(huán)的前提下，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。人工濕地去除的污染物種類極多，包括N , P , SS , 有機物，微量元素，病原體等。有關(guān)實驗結(jié)果表明，在污水進水濃度較低情況下，人工濕地對BOD5的去除率可達8595，COD去除率可達80以上，處理出水中BOD5的濃度在10mg/l左右，SS小于20mg/l。廢水中大部分有機物作為異養(yǎng)微生物的有機養(yǎng)分，最終被轉(zhuǎn)化為微生物體及CO2 , H2O。人工濕地面積要根據(jù)污水的處理量，可以建在郊區(qū)，污水處理廠出水的附近建造也是可行的。有一些人工濕地屬于前處理，有些地方還不具備建造污

13、水處理廠的地方，將生活污水排入，利用所種動植物及微生物對其進行處理，然后再排入自然水系當中，用于保護水體不被污染；還有些濕地屬于加強型，在污水處理廠附近建造人工濕地，當污水處理廠的水不能達標排放時，可將水引入到人工濕地，再經(jīng)過人工濕地的加強處理，提高其出水水質(zhì)，然后排入天然水體當中，作為其補充水源。人工濕地是一種為處理污水而利用工程手段模擬自然濕地系統(tǒng)建造的構(gòu)筑物, 在構(gòu)筑物中隨著高度的不同選擇不同大小填料( 如碎石、砂子、泥炭等)，水力坡降及填料級配往往影響池底坡降及填料表面坡降, 一般選擇1%8%之間比較合適。要在填料表層種植處理性能好，生長周期長，美觀，成活率高及具有經(jīng)濟價值的植物 (如

14、美人蕉) 4、人工濕地的分類 人工濕地污水處理技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展和研究，根據(jù)濕地中主要植物形式將人工濕地劃分為：1、浮游植物系統(tǒng); 2、挺水植物系統(tǒng)；3、沉水植物系統(tǒng)。其中沉水植物系統(tǒng)還處于實驗室研究階段，其主要應(yīng)用領(lǐng)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。目前一般所指人工濕地系統(tǒng)都是指挺水植物系統(tǒng)。國內(nèi)外學者從工程設(shè)計的角度出發(fā)，按照系統(tǒng)布水方式的不同或水在系統(tǒng)中流動方式不同將人工濕地處理系統(tǒng)劃分為以下幾種類型：表面流濕地處理系統(tǒng)；潛流濕地處理系統(tǒng)；垂直流地處理系統(tǒng)。 4.1 表面流濕地( Surface Flow Constructed We

15、tland) ,是一種污水從濕地表面漫流而過的長方形構(gòu)筑物, 結(jié)構(gòu)簡單, 工程造價低; 但由于污水在填料表面漫流, 易滋生蚊蠅, 對周圍環(huán)境會產(chǎn)生不良影響, 而且其處理效率較低。污水從濕地表面流過，如圖1所示。在流動的過程中廢水得到凈化。水深一般0.30.5米，水流呈推流式前進。污水從入口以一定速度緩慢流過濕地表面，部分污水或蒸發(fā)或滲入地下。近水面部分為好氧生物區(qū)，較深部分及底部通常為厭氧生物區(qū)。表面流人工濕地中氧的來源主要靠水體表面擴散、植物根系的傳輸和植物的光合作用。但是由于傳輸能力十分有限，故人工濕地大部分采用潛流式濕地系統(tǒng)。圖1表面流人工濕地示意圖 4.2 潛流濕地( Subsurfa

16、ce Constructed Flow Wetland) ,污水在填料縫隙之間滲流,可充分利用填料表面及植物根系上生物膜及其他作用處理污水, 出水水質(zhì)好。由于水平面在覆蓋土層或細砂層以下, 衛(wèi)生條件較好, 故被廣泛采用。潛流式濕地一般由兩級濕地串聯(lián)，處理單元并聯(lián)組成。與表面流人工濕地相比，水平潛流人工濕地的水力負荷大，對BOD、COD、TSS、TP、TN、藻類、石油類等有顯著的去除效率。潛流濕地一般設(shè)計成有一定底面坡降的、長寬比大于3 且長大于20 m 的構(gòu)筑物, 污水流程較長, 有利于硝化和反硝化作用的發(fā)生, 脫氮效果較好?；蚍叫螛?gòu)筑物, 污水的流程較短, 反硝化作用較弱, 且工程技術(shù)要求較

17、高。由于垂直流濕地可方便地采用工程手段來改善系統(tǒng)的供氧狀況, 提高布水均勻性, 營造更加有利于硝化和反硝化發(fā)生的系統(tǒng)環(huán)境, 故越來越受到人們的重視。 4.3 垂直流濕地(Vertical Flow Constructed Wetland),污水沿垂直方向流動, 氧供應(yīng)能力較強, 硝化作用較充分, 占地面積較小, 可實現(xiàn)較大的水力負荷長期運行。垂直潛流人工濕地的硝化能力高于水平潛流人工濕地，對于氨氮含量較高的污水廢水有較好的處理效果。垂直流濕地一般設(shè)計成高約1 m 左右的圓形或方形構(gòu)筑物如圖2 所示，污水的流程較短, 反硝化作用較弱, 且工程技術(shù)要求較高。由于垂直流濕地可方便地采用工程手段來改善

18、系統(tǒng)的供氧狀況, 提高布水均勻性, 營造更加有利于硝化和反硝化發(fā)生的系統(tǒng)環(huán)境。垂直流濕地的缺點是對于污水中的有機物的處理能力不足，控制相對復雜，夏季有滋生蚊蠅的現(xiàn)象。圖2垂直流人工濕地示意圖復合流式潛流人工濕地（Composite streaming undercurrents artificial wetland）沈陽環(huán)境科學研究院的專有及專利技術(shù)復合流式潛流人工濕地技術(shù)(以水平流為主與上升式垂直流結(jié)合)，示意圖如圖2。與其它類型人工濕地相比，復合流式潛流人工濕地的水力負荷大，對BOD5、CODCr、SS、氮磷等污染指標的去除效果好，而且沒有惡臭和孳生蚊蠅現(xiàn)象，特別是能有效解決北方寒冷地區(qū)的

19、冬季運行問題，同時解決了濕地項目的尖端難題，即通過設(shè)置倒膜系統(tǒng)、各種級配的填料，解決濕地的堵塞問題。5人工濕地的構(gòu)成 人工濕地是由填料、植物、微生物、藻類等幾種基本成分構(gòu)成的。5.1 填料 目前人工濕地所應(yīng)用的填料一般為砂、土壤、礫石等，主要被用來構(gòu)成濕地的濾床，是承載植物的載體，是濕地構(gòu)成中最主要的部分。它不僅可以為植物的生長提供基質(zhì)還可以吸附、過濾其中的部分有機污染物1。5.2 植物 植物在濕地中是非常重要的去污組成，根生長在填料層里面，可以通過自身的生長和繁殖，消耗掉大量污染物，并且還可以通過植物的光合作用為濕地填料中附著生長的微生物提供氧氣。 濕地的植物通常選擇具有特定功能的水生草本植

20、物，通常有以下特點：有較好耐污能力，有較好處理污水的能力，極易成活；枝葉茂盛，要有發(fā)達的根系，有極強輸氧能力，生長周期長；抗凍，抗熱，不易發(fā)生病蟲害；非常容易管理與維護；比較常見的人工濕地植物有：蘆葦、美人蕉。鳳眼蓮、香蒲、菖蒲等24。 濕地草本植物可通過吸收移走大量養(yǎng)分，雖然它們對BOD和TSS的去除效率不理想5。所以，如果能收割草本植物（蘆葦）成熟的莖葉就可保證污水中的養(yǎng)分被持續(xù)有效的移走。但目前大規(guī)模應(yīng)用持續(xù)收獲法去除污水養(yǎng)分與有毒物質(zhì)的做法還不很成功，主要是受經(jīng)費、持續(xù)性和收獲物處理（防止二次污染）等條件的影響；而且草本植物從水體中所吸收的重金屬含量也只能占極小部分（分別為1%和2%）

21、，有些條件甚至低于0.1%并且被吸收的量大部分還聚集在根內(nèi)6。 濕地植被也影響水的運動，不同植物密度和生活類型都會影響水流的速度，從而影響到處理效果。此外，植物根系還會為微生物的活動提供生活空間，植物根系表面也可以吸收一些重金屬及沉淀物。有些植物的根系還能分泌有機物可以殺死污水中的大腸桿菌和病原菌等微生物7。 通常來說植物對污水處理有多重作用，一般來說可分為直接凈化作用和間接凈化作用。直接凈化作用主要是指植物通過自身的作用直接去除污水中的污染物（對無機質(zhì)的吸收，對重金屬的吸附等等）；間接凈化作用是指植物能為濕地系統(tǒng)其他活動去除污水中廢物提供條件和場所（如向水中提供氧氣、為微生物活動提供場所等）

22、8。5.3 微生物 微生物在濕地養(yǎng)分的生物地球化學循環(huán)過程中主要起起主導作用，它們將水中的有機物分解成無機物從中獲得能量和自身的組成元素。同時對水中的重金屬有吸附和降解的作用，它是污水處理的主體。有著極其重要的作用。 微生物的生物量可以把它作為一個濕地生態(tài)系統(tǒng)中土壤物理化學特征標志，養(yǎng)分含量變化以及有機質(zhì)積累與分解的一個有效反應(yīng)參數(shù)。濕地中附著生長的微生物種類多種多樣，存在著好氧、厭氧、兼氧型不同呼吸類型的微生物，這能夠處理不同性質(zhì)的污水，同時也具有極其高的效率1。5.4 藻類 濕地中存在著大量的藻類，而且種類也很繁多，填料層的高度的不同藻類的種類分布也不相同，有時還成為濕地生態(tài)系統(tǒng)中生物量的

23、主要組成成分。不同的性質(zhì)污水選擇不同的藻類，所以，其數(shù)量的變化也可直接反映出污水水質(zhì)成分的變化。 盡管藻類體內(nèi)的元素組成的含量很低，然而它們在在處理污水方面也起著非常重要的作用。另外，藻類有較短的生長周期，因此當污水有較高濃度的污染物時可起到短期吸收固定然后再緩慢釋放與循環(huán)的過程。絲狀藻類影響著濕地水體的DO與CO2濃度及其日變化，它能使水體中PH值在白天比在晚上要高出23個PH單位。水體中這種DO，CO2和PH的劇烈日改變不僅影響水體的化學變化，而且還會影響植物的生長和植物對污染物的作用7。6人工濕地污水處理機理6.1 植物的去污機理 植物在植物去污過程中起著舉足輕重的作用。一般為生長快、生

24、物量大、吸收能力強的草本植物8。在通過吸收移走養(yǎng)分的能力方面，挺水植物被普遍認為沒有水葫蘆這類漂浮植物效果好，因為后者往往有極快的繁殖速度，且根系直接從水體中吸收養(yǎng)分與元素，并對懸浮顆粒產(chǎn)生過濾與吸附效果9。但一般來說，植物通過吸收帶走的養(yǎng)分與金屬量通常情況下只能占污水中總量的極其小的一部分10，而且被吸收的量大部分還聚積在植物根內(nèi)11。例如在柏木屬濕地系統(tǒng)中，植物體內(nèi)所包含的N 和P 量分別僅占污水中各自總量的20 和1 % 12。但對草本植被來說情形就可能完全不同。例如，有蘆葦存在時，濕地對NH4-N 的去除率接近100 % ，而無蘆葦時，僅為40一75 % 13 ; Thut14也發(fā)現(xiàn)濕

25、地植被可以減緩水流速度，當有毒物質(zhì)和和重金屬流經(jīng)濕時速度的減緩，有利于污染物的沉淀和消除。此外，有一些濕地植物還能吸收有毒物質(zhì)，將其保存在體內(nèi)或土壤之中，可以凈化下游的水源，又通過物質(zhì)循環(huán)為其他生物提供養(yǎng)分。但當前大規(guī)模應(yīng)用連續(xù)收割法去除污水養(yǎng)分與有毒物質(zhì)的做法還不很現(xiàn)實，主要是受資源、可靠性和收獲物處置（防止二次污染）等因子的限制16；并且水中植物所吸納的重金屬含量（如Fe 和Mn ）也只能占到水體中的很小部分（分別為l 和2 % ) ，有的甚至還低于0.117。濕地植物有適應(yīng)土壤缺氧條件的結(jié)構(gòu)與特性，像發(fā)達的通氣細胞組織，并且可占到植物體積的60 % - 70 % ，以便于O2 在植物體內(nèi)

26、運輸并傳送到根部，這不僅可提供植物在無氧環(huán)境中的呼吸需求，還可以有利于根區(qū)的氧化還原反應(yīng)與好氣微生物的生活18。濕地植被還影響到水體的流動，植物密度與生活類型都會影響到植物減慢水體流動的速度，進而帶來懸浮顆粒吸附與沉降的不相同7 。此外植物還可以為微生物的生活活動提供巨大的物理表面，植物根系的表面也是重金屬和一些有機物沉積的地方13.。有些植物（如蘆葦）的根系分泌有機物還能殺死污水中的大腸桿菌和病源菌等細菌18。6.2 土壤的凈化機理土壤是濕地的基礎(chǔ)與載體，其去污過程來自離子交換、專性與非專性吸附、鰲合作用、沉降反應(yīng)等化學反應(yīng)。其實，土壤對污水中P 和重金屬的去除作用主要就是通過以上化學反應(yīng)來

27、實現(xiàn)的，其反應(yīng)產(chǎn)物最終吸附或聚集在土體內(nèi)，所以使土體內(nèi)這些元素的含量快速上升，過了幾年可以達到入水濃度的10-10000倍以上11。植物根系可以保持或改變土壤的物理結(jié)構(gòu)、化學成分等，對優(yōu)化、改善土壤，保持地球土壤圈的天然、正常環(huán)境，有著無可替代的重要作用，土體內(nèi)無機與有機成分對金屬的強烈固持很可能是土壤具有強大聚積能力的原因20 。土壤吸附金屬的量在表層深10cm 的范圍內(nèi)不會隨深度增加而有明顯下降，也就是說，從地表往下至少深10cm的土層的吸附能力是基本一致的11?？梢哉f，土壤的所有理化性狀都可能影響到它對污水的處理效果，其中最重要的影響因子之一要數(shù)氧化還原電位Eh 21。濕地的一個重要特征

28、是存在好氧與厭氧界面，從而使土體內(nèi)的Eh 變幅高達1000mV（-300700 mV ) ，而旱地土壤的Eh 通常只在400700 mV 范圍內(nèi)變化 22。這意味著濕地土壤能發(fā)生比旱地土壤多得多的氧化還原反應(yīng)，如有機化合物的降解反應(yīng)，金屬氧化物的還原反應(yīng)，硝化一反硝化反應(yīng)，產(chǎn)沼反應(yīng)（CO32或CO2被還原成CH4 ）等23。土壤中無機磷等元素有效性與溶解狀態(tài)也明顯受Eh高低的影響2。此外，土壤（EH）還會通過影響植物或微生物生長和代謝來間接影響濕地的去污效果24 。6.3 微生物與藻類的凈化機理微生物在濕地養(yǎng)分的生物地球化學循環(huán)過程中往往起核心作用，濕地中的微生物是其生態(tài)系統(tǒng)中的最要組成部分在

29、凈化污染物方面發(fā)揮著重要作用，污水中有機物的降解和轉(zhuǎn)化主要是濕地微生物活動來完成的 25。微生物的多少可把它作為一個濕地生態(tài)系統(tǒng)中土壤物理化學特征，養(yǎng)分含量變化和有機質(zhì)積累與分解的一個重要反映指標13。例如，早在1954 年Van Heuvelen 和Svore 就了解好氧與厭氧細菌能夠?qū)⑺械挠袡C物分解掉，藻類可以利用廢水中的成分。甲烷菌能將碳酸鹽轉(zhuǎn)變成甲烷氣體，等等16。以上這些全是濕地中的重要生化反應(yīng)。真菌主要在植物根表面形成菌根吸收營養(yǎng)11。相關(guān)研究表明，濕地植物根區(qū)的細菌總數(shù)與BOD5去除率之間存在顯著相關(guān)性。藻類有時也是濕地生態(tài)系統(tǒng)中生物量的重要組成成員，盡管藻類體內(nèi)的元素組成的含

30、量有限，然而它們在貯藏和轉(zhuǎn)移養(yǎng)分方面有時也能起著極其重要的作用。另外，藻類有較快的周轉(zhuǎn)速率，因此當污水有較高養(yǎng)分時可起到較短時間吸收固定然后再隨后緩慢釋放與循環(huán)的過程。6.4 處理濕地的綜合作用機理 實際上濕地之所以能夠去除污染物，除了濕地中的植物、土壤和微生物等成分的各自作用外，其實主要還是這些成分的相互作用，造就了濕地具有巨大的凈化功能。 濕地的土壤支撐著所有濕地動植物與微生物的生命活動，土壤的任何狀況發(fā)生改變都可能影響到生物的生長發(fā)育及其對污染物的凈化的作用，從而有了不同的凈化效果。正如Guntenspergen等25所指出：“目前對根際微生態(tài)系統(tǒng)的化學過程還不很清楚，但可以肯定的是，這

31、些過程都是有利于污水凈化的”。濕地的由于基質(zhì)，植物微生物的存在使其具有強大的吸附功能，能夠降解和除去水中的污染物。能夠讓污染物轉(zhuǎn)化為資源這包含著極其復雜生物群落與自然環(huán)境間的相互作用的過程。包括物理，化學生物三方面的作用。生物作用是濕地環(huán)境凈化功能的主要方式。土壤中各種元素的循環(huán)與轉(zhuǎn)化都與微生物作用密切相關(guān)，而程又受土壤Eh 與pH 的強烈影響這些微生物這些過程。微生物的數(shù)量隨著土壤Eh 的降低而降低，導致土壤酶的活性與有機碳，P 和N 的礦化反應(yīng)也跟著降低，它們之間有這非常顯著的關(guān)聯(lián)性12。當然，污染物自身的降解、沉淀、揮發(fā)等過程都能降低自身的濃度，進而使污水得到一定程度凈化。并且這些物理化

32、學反應(yīng)在有植物存在時往往會變得更激烈，因為植物根部的分泌物常常能加快這些反應(yīng)的進行，而且植物根系還為這些反應(yīng)的發(fā)生提供物理支撐點12.13。pH 影響土壤微生物的活動，而且土壤PH的升降又直接影響到養(yǎng)分的有效狀態(tài)和重金屬對生物的毒性22。如前所說濕地土壤Eh有-300+700 mV 之間變化時該變化至少受3 方面因素的影響，一是水文條件影響，二是電子受體的存在與否，三是植物將O2 向根區(qū)的運輸作用。運轉(zhuǎn)和養(yǎng)分循土壤中電子受體的有效性和氧化還原條件與濕地中有機質(zhì)的運轉(zhuǎn)和養(yǎng)分循環(huán)有著密切關(guān)系。因為氧氣的擴散作用，即便在淹水情況下，土體和水體內(nèi)也會存在不同程度的有氧環(huán)境，從而讓氧化還原反應(yīng)能在濕地內(nèi)

33、連續(xù)發(fā)生。同時一些反應(yīng)反過來影響土壤酸堿度的改變，例如濕地土壤內(nèi)時常發(fā)生的Fe3+和H2S 之間的氧化還原反應(yīng)。 8Fe3+H2S+4H2O=8Fe2+SO42-+10H+這就使土壤和水體的pH降低，如果不采取一定的措施（如施用石灰等）中和酸度，濕地的凈化效果就會受到非常大的影響。由此可知，濕地處理污水的能力是濕地中植物、土壤、微生物甚至動物等組成成分和諸多環(huán)境因素綜合影響的結(jié)果，這些組分之間以及組分與環(huán)境因子之間相互作用，相互促進，同時也相互制約，這構(gòu)成了濕地的強大凈化功能。7、人工濕地在我國的應(yīng)用與發(fā)展 7.1人工濕地在我國的應(yīng)用實例 1990年7月在深圳建起我國第一個人工濕地污水處理工程

34、白泥坑人工濕地處理系統(tǒng)。白泥坑人工濕地污水處理系統(tǒng)位于深圳市寶安縣百泥坑村南500m處。水系沿山角流向海灣屬海洋性氣候。占地面積189畝，日處理量3100m3/d廢水。其處理流程見圖3：圖3處理流程人工濕地及氧化塘系統(tǒng)各單元的設(shè)計參數(shù)見表1：(2)表1 深圳百泥坑人工濕地系統(tǒng)各單元的設(shè)計參數(shù)項目單元數(shù)長(m)寬(m)碎石粒徑(mm)碎石層厚(cm)池底坡度 (%)水力負荷(m3/m2.d)第一級第二級第三級第四級3233424730311112.518.51919105010305104010050120150(水深)60-1001,1.5,2.02.0,3.000.5,1.0,1.095.4

35、95.4(停留一天)100.7經(jīng)過近兩年的試驗運轉(zhuǎn),出水效果較好。除氨氮指標效果不明顯外;其余指標均能達到國家規(guī)定的二級處理排放標準。該工程無動力消耗,管理較方便,除每月作一次水質(zhì)監(jiān)測外,平時無需其它管理。從外觀看,進水水質(zhì)略顯渾濁,但無色無臭,是一個村鎮(zhèn)排出的生活污水及少量村辦企業(yè)的廢水匯合而成。其運行費用為0.02元/m3僅為傳統(tǒng)活性污泥法的10。深圳百泥坑人工濕地處理系統(tǒng)與其它污水處理廠的比較見表2：表2 深圳人工濕地系統(tǒng)與其它污水處理廠的經(jīng)濟比較工程名稱總投資(萬元)單位污水投資額(元/m3)年運行費用(萬元)噸水處理成本(元/m3)單位污水用地(m2/m3)深圳某廠蛇口某廠珠海某廠海

36、南某廠白泥坑3300150054742.9660833574138>100>100>10036.5約2.0>0.20>0.20>0.200.200.022.671.201.202.79從表2可以看出，人工濕地的工程總投資，處理單位污水的投資額，年運行費用及單位污水的處理費用均比其它傳統(tǒng)方法的費用低得多。 7.2 我國對于人工濕地硝化與反硝化的研究人類對水資源的需求量與日俱增，與此同時，水污染情況也越來越嚴重。據(jù)調(diào)查，我國污水年排放數(shù)百億噸，但只有24%的工業(yè)污水和4%的生活污水經(jīng)過了處理，有90%以上的城市水域污染嚴重，近50%的重點城鎮(zhèn)水源水質(zhì)不合標準。據(jù)

37、國家環(huán)保總局發(fā)布的2004年全國環(huán)境統(tǒng)計公報，全國廢水排放總量482.4億噸，其中城鎮(zhèn)生活污水排放量占廢水排放總量的54.2% ，COD排放量占排放總量的61.9%，NH3-N占68.3%，生活污水無論從排放量還是污染物負荷量上看，都是最大的污染源，其處理已經(jīng)成為污水治理重要的一環(huán)。而人工濕地技術(shù)(Constructed Wetlands CW)作為一種低投資、低能耗、低處理成本、易管理廢水生態(tài)處理技術(shù)，尤其是在氮磷營養(yǎng)鹽去除方面有著其他污水處理技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢。根據(jù)我國學者研究表明，人工濕地系統(tǒng)可同時進行反硝化與硝化作用，由于氮在濕地內(nèi)經(jīng)微生物的作用下主要由硝化與反硝化作用而轉(zhuǎn)化去除。所以

38、，研究人工濕地硝化反硝化能力的平衡機制是研究的重點方向之一。有研究表明，濕地系統(tǒng)的硝化與反硝化強度具有較明顯的分層現(xiàn)象，表層土壤高于深層土壤。硝化作用更為明顯。硝化強度在空間分布上出現(xiàn)明顯分層，主要是溶解氧在濕地系統(tǒng)內(nèi)部分布不均導致的。硝化細菌對氧氣的競爭不如好氧異養(yǎng)菌,化能異養(yǎng)菌生長快,與氧氣的親和力強,而且沿著水流方向，溶解氧逐步消耗，系統(tǒng)慢慢呈現(xiàn)厭氧狀態(tài)，不利于硝化菌的生長。另一方面，在表層的土壤能與大氣直接接觸，大氣的復氧效果比較好，因此硝化作用會強于深層土壤。但總體而言，大部分濕地內(nèi)部都是處于厭氧狀態(tài)，對硝化菌生長不利，因此濕地系統(tǒng)的硝化作用強度都很低，成為制約濕地脫氮潛力發(fā)揮的主要

39、因素。反硝化菌是異氧型兼性厭氧菌，而目前大部分濕地系統(tǒng)內(nèi)部屬于厭氧區(qū)，有利于反硝化菌的生長，反硝化強度一般比較高，在空間分布上并沒有明顯區(qū)別。但是，沿水流方向濕地系統(tǒng)有機物濃度逐漸下降,發(fā)生碳源不足的情況,而硝態(tài)氮是反硝化作用的電子受體,有機物是反硝化作用的碳源和電子供體, 因此反硝化強度在空間分布上仍有一定變化。有研究表明，反硝化強度沿程變化不明顯,沿程均能夠保持較高的反硝化強度,在保證炭源供給的情況下,系統(tǒng)沿程均能充分發(fā)揮反硝化脫氮的作用,適合于硝氮的去除.人工濕地硝化反硝化作用強度除了在空間分布上會出現(xiàn)分層外，還會受到很多因素的影響，溫度的變化，種植植物與否，基質(zhì)的種類等。其中溫度對濕地

40、硝化反硝化作用有很大的影響，研究表明，低溫不利于硝化反硝化作用的進行，硝化反應(yīng)的適宜溫度是2030，在低于15時，反應(yīng)速度迅速下降，5反應(yīng)幾乎完全停止。反硝化反應(yīng)的溫度范圍較寬，在540范圍內(nèi)可以進行，但溫度低于15，反硝化作用明顯下降。由于植物根系具有輸氧作用,改善了根區(qū)溶解氧微環(huán)境,并且植物根系為硝化細菌提供了良好的附著界面,有利于硝化細菌生長繁殖和硝化反應(yīng)順利進行。因此，種植植物對硝化反硝化作用有明顯的促進作用。大量研究發(fā)現(xiàn)，有植物濕地硝化作用高于不種植物濕地。而且選擇根系發(fā)達的植物更有利于促進硝化作用發(fā)生。另外，由于植物的參與，系統(tǒng)的微生物數(shù)量和活性會增強，也一定程度上也增強了系統(tǒng)的反

41、硝化作用?；|(zhì)由于疏松、通氣性好、比表面積大,一方面有利于空氣中的氧氣進入濕地,為硝化細菌提供充足的氧氣,有利于硝化作用除氮;而一些多孔基質(zhì)由于含水率高,能使?jié)竦匦纬蓞捬醐h(huán)境,有利于反硝化作用除氮?？刂葡到y(tǒng)不同水位出水，則可改變系統(tǒng)內(nèi)的淹水高度，從而可以改變好氧層和厭氧層的相對深度。在高水位出水，則系統(tǒng)內(nèi)大部分被水浸沒，處于厭氧狀態(tài)，有利于反硝化作用的發(fā)生；在低水位出水，則有利于系統(tǒng)大氣復氧，增加好氧層深度，促進硝化作用的發(fā)生。因此，濕地系統(tǒng)不同水位出水能對硝化反硝化強度產(chǎn)生很大影響。8環(huán)境因子對濕地系統(tǒng)處理功能的影響 8.1 溫度濕地系統(tǒng)主要依靠濕地植物的吸收、填料的過濾機吸附、微生物的分解

42、與轉(zhuǎn)化等作用來完成對有機物的去除，而溫度對植物和微生物生長與繁殖能力有較大影響較大，從而植物和微生物在不同的季節(jié)有著不同的生物量，同時，溫度還影響生物物理化學的反應(yīng)速率。研究表明：人工濕地對污染物和氮磷的去除作用夏季明顯強于冬季19。 8.2 PH值 大量研究表明，PH值對微生物的影響非常之大，如在低PH值條件下，濕地中真菌類微生物的活性比較強，而高PH值條件下，會影響濕地系統(tǒng)對氮磷的去除效率；在不同PH值條件下濕地植物活性有所不同；PH值得變化還會影響土壤中離子的電離，因此影響土壤對污水中有機物的吸附去除效率。8.3 溶解氧與CO2濃度 濕地系統(tǒng)中的氧氣和CO2濃度的變化會影響植物的光合作用

43、的速率，進而影響植物對有機污染物的去處；植物根系的維管束可輸送氧氣到達濕地深層，在濕地系統(tǒng)中形成好氧、缺氧和厭氧微處理區(qū)，溶解氧和CO2的變化必然破壞濕地系統(tǒng)中的微環(huán)境，從而會最終影響系統(tǒng)處理污染物的功能。9人工濕地維護 人工濕地系統(tǒng)在運行期間（進水負荷高達50cm左右）隨著時間的推移往往會發(fā)生滲透性能下降的情況，進而出現(xiàn)系統(tǒng)堵塞現(xiàn)象，滲濾池的基質(zhì)的粒徑、種植植物種類及表層（1至10cm的沙子）決定著系統(tǒng)的滲透性能。系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)過程中，因為有機物的生長和懸浮物的沉淀減小了滲透池表層空隙而引起過度堵塞，造成系統(tǒng)的滲透性能降低。在系統(tǒng)運行過程中，通常采用以下方法來對系統(tǒng)進行維護，恢復系統(tǒng)的滲透性能，

44、解決系統(tǒng)堵塞的問題。（1）如果在對系統(tǒng)的出水水質(zhì)要求不太高的情況下，可以用較大的碎石來取代池內(nèi)的沙子是較適合的做法。（2）可以加強污水的前處理，通常主要是采用沉淀或過濾池的方法來去除污水中的懸浮物質(zhì)，用來減少懸浮物對系統(tǒng)造成堵塞問題。（3）及時清理系統(tǒng)植物濾池的表面有助于提高系統(tǒng)的滲透性。系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)一年以后，植物濾池表面有許多植物落葉殘體，因此每年對池內(nèi)的植物栽剪兩次有助于較好的保持系統(tǒng)的滲透性。（3）在系統(tǒng)運行時候，在可以的條件下，需要按時更換系統(tǒng)植物池中的沙子。（5）加強植物濾池的植物選擇，應(yīng)當避免選擇蔽草植物。有關(guān)植物選種的問題還有待于進一步研究，不僅考慮之物對系統(tǒng)滲透性能的影響，還要周

45、全凈化效果、美化功能等方面諸多的因素。（6）必要時定期對系統(tǒng)停止供水，可以一定限度恢復系統(tǒng)的滲透性能。在實際運行中，應(yīng)根據(jù)實際的污水水質(zhì)情況和對出水水質(zhì)的要求等情況進行調(diào)節(jié)，。為了保證連續(xù)穩(wěn)定地處理污水（不間斷進水），在進行人工濕地系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)留有余地，以便在運行期間使多個濾池輪番淹水26。 10、人工濕地優(yōu)點和缺點與傳統(tǒng)污水處理手段相比，人工濕地在污水處理技術(shù)有著自身獨特的優(yōu)點，當然也存在一定的不足。10.1 優(yōu)點 （1）投資少，建設(shè)、運營成本低廉國內(nèi)外大量的研究實踐表明，人工濕地處理污水的建設(shè)和運營成本都比較低，而且便于管理維護。以我國部分系統(tǒng)為例，表2中的對比數(shù)據(jù)顯示可知，其建設(shè)成本（噸

46、污水投資）和運營成本（噸污水處理費）大約為傳統(tǒng)污水處理廠成本的1/101/5之間，所以能夠節(jié)約大量的資金，經(jīng)濟效益顯著提高。 （2）污水處理系統(tǒng)組合的多樣性、針對性一般的人工濕地污水處理系統(tǒng)主要由人工基質(zhì)和水生植物兩部分組成。不同基質(zhì)對對人工濕地有著不同的處理效果，并且某些基質(zhì)的組合要優(yōu)于單一基質(zhì)的處理能力。所以可以根據(jù)污水中的污染物的種類、特征可以選擇不同的基質(zhì)或采取幾種基質(zhì)的組合。如以石灰石作為基質(zhì)可以有效地去除P，含有機質(zhì)豐富的基質(zhì)可以很好的吸附各種污染物，而要去除TN，采用沸石石灰石組合的基質(zhì)非常的好。至于水生植物的類型非常繁多，一般選擇挺水植物。通過調(diào)查研究、廣泛被應(yīng)用的水生植物有蘆

47、葦、燈芯草、寬葉香蒲、浮萍、美人蕉、紅楓、鳳眼蓮等類型。實驗表明，不同種類的植物對不同種類污染物質(zhì)也具有一定的選擇性。例如茭白、蘆葦對、污染物有較好的去除效果，寬葉香蒲對、Zn等重金屬都有較好的去除效果。植物的選取還要根據(jù)地域性（當?shù)氐闹参镱愋统苫盥矢撸?、環(huán)境價值、經(jīng)濟價值、衍生的微生物種群等方面情況。由上可知，由于人工濕地污水處理系統(tǒng)組合的多樣性、針對性，我們根據(jù)情況可以靈活地對其進行選擇。（）處理污水的高效性 大量的研究數(shù)據(jù)表明，人工濕地處理污水的效果是不錯的，有些方面優(yōu)于傳統(tǒng)的污水處理工藝。人工濕地對有機物有較強的降解能力，在進水濃度較低的情況下，人工濕地對BOD的去除率可達8595，C

48、OD去除率可達80以上，處理污水中BOD的濃度在10mg/L、SS濃度小于20mg/L，對去除率可達60，對的去除率可達90以上，去除的污染物范圍廣泛，包括N，P，SS，有機物，微量元素，病原體等。需要注意的是，由于濕地各條件等方面的不同，污染物的去除效率在一定范圍內(nèi)波動。（4）獨特的綠化環(huán)境功能 人工濕地同自然濕地一樣，因為濕地中生長著大量的水生植物，所以具有綠化的功能。大規(guī)模的人工濕地不僅迅速增加了綠地面積、而且消除城市熱島效應(yīng)有一定的幫助，并且還為人們提供一個優(yōu)美的新型的城市生態(tài)景觀。收割濕地中的植物可以用來造紙，減少對樹木的砍伐，有利于保護環(huán)境。10.2 缺點（1）受氣候條件限制較大

49、人工濕地的處理效果受溫度影響較大以及對基建要求較高，不能在條件不具備地方運用。以我國北方城市哈爾濱為例，哈爾濱屬于中溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫在2.54.3之間，冬季極其寒冷。此種氣候條件不適合蘆葦?shù)葻釒е参锏纳L，只能選取溫帶或部分亞熱帶植物作為凈污植物。另外，在冬季地表水結(jié)冰，水停止了流動。所以表面流濕地在哈爾濱等北方城市的冬季是不可行的，只宜采用潛流濕地。 （2）占地面積相對較大 人工濕地凈污的效果與污水在濕地中水力停留時間有著很大關(guān)系。其次，系統(tǒng)還要有備用池來交替運行。此外，為防止淤積，污水往往進行先期處理。所以，在我國土地資源相當緊張的現(xiàn)實條件下，不可能大規(guī)模、大面積的運用。每

50、立方米污水處理用地大大超過傳統(tǒng)處理工藝。因此，人工濕地系統(tǒng)的選址問題要考慮環(huán)境、經(jīng)濟效益綜合最優(yōu)化、規(guī)?；囊蛩?，尤其在空置土地比較少的大城市。最佳的解決辦法就是將工程選址在市郊區(qū)域，緩解城市用地的緊張。 （3）容易產(chǎn)生淤積、飽和現(xiàn)象 人工濕地能有效的有機物、懸浮物、TN、TP、SS、重金屬、病原體等污染物質(zhì)。但是隨著時間的推移，部分營養(yǎng)物質(zhì)會逐漸地積累、濕地中的微生物相應(yīng)地繁殖，如果維護不當，易滋生蚊蟲、散發(fā)惡臭，影響周圍環(huán)境。同時，容易產(chǎn)生淤積、阻塞現(xiàn)象，隨著污水處理過程的不斷進行，數(shù)年內(nèi)基質(zhì)的吸附能通常會趨于飽和，也會影響濕地的處理效果。此外，人工濕地中栽培的植物還易收到病蟲害、火災(zāi)的威

51、脅以及自身生長周期的影響。生物和水力復雜性加大了對其處理機制、工藝動力學和影響因素的認識理解，設(shè)計運行參數(shù)不精確，因此常由于設(shè)計不當使出水達不到設(shè)計要求或不能達標排放，有的人工濕地反而成了污染源。11、對于人工濕地的展望人工濕地發(fā)展與20世紀七八十年代，雖然經(jīng)過幾十年的發(fā)展，這項技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是它還是具有很多值得我們挖掘和研究的地方。對于人工濕地目前依舊存在很多不容易解決的問題，比如表面流人工濕地，雖然造價低，易操作，但是易滋生蚊蠅，并且氣味難聞對城市環(huán)境卻有很大的影響。而潛流式人工濕地卻有著與表面流人工濕地截然相反的特點，它雖然對城市環(huán)境沒有很大的影響，但是造價高并且不容易操作。人工濕

52、地這項技術(shù)與其他污水處理技術(shù)相比有著很多先天的優(yōu)勢，首先，人工濕地水處理技術(shù)對于城市生活廢水有很好的效果，而目前城市生活廢水的處理直接影響到城市的衛(wèi)生環(huán)境以及人們的舒適度。并且，人工濕地可以發(fā)展成為景觀濕地，雖然目前只是一個目標，但是人工濕地發(fā)展成為景觀濕地是一種趨勢，這樣人工濕地不僅能夠解決城市的污水處理問題，還能夠為城市的居民提供一個休閑娛樂的場所。而這個目標所需要的就是怎么樣解決人工濕地的滋生蚊蠅，不易操作等技術(shù)。再次，人工濕地水處理技術(shù)相對比與其他技術(shù)，發(fā)展時間較短，屬于比較年輕的技術(shù)，可開發(fā)和研究的地方還有很多。從這一點來看，人工濕地水處理技術(shù)就應(yīng)該得到我們的特別重視，因為每一項年輕

53、的技術(shù)在不久的將來一定會發(fā)展成為中堅技術(shù)。 中國對于人工濕地的研究目前還不是很充分，最近一段時間美國、澳大利亞及歐洲各國都編制了人工濕地設(shè)計指南，設(shè)計方法多采用一級推流動力學模型，但由于影響人工濕地的因素較復雜，故各國出版的設(shè)計指南的相關(guān)動力學參數(shù)值也差異很大。全球目前已擁有英國和北美兩大人工濕地數(shù)據(jù)庫，里面有關(guān)于大概2000多座人工濕地的設(shè)計、運行和建造情況的數(shù)據(jù)，有較大的參考價值。參 考 文 獻1戴興春，徐亞同，謝冰.淺談人工濕地法在水污染控制中的應(yīng)J用.環(huán)境保護，2004,29（10）：7-9.2曹向東，王寶貞，藍云蘭，劉鴻亮.Remover of nitrogen and phosph

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