高效垂直流人工濕地系統(tǒng)水質(zhì)凈化技術(shù)

1、垂直流人工濕地主要作用機(jī)理見表1。高效垂直流人工濕地系統(tǒng)水質(zhì)凈化技術(shù)摘要： 垂直流人工濕地技術(shù)作為綠色環(huán)保的污水處理新技術(shù)，已成為環(huán)境科學(xué)研究的重要領(lǐng)域之一。 本文系統(tǒng)地介紹了垂直流人工濕地處理系統(tǒng)中植物、基質(zhì)和微生物等組成部分對污水的去除作用， 討論了能對凈化功能造成影響的主要因素如基質(zhì)選擇和堵塞問題， 并提出垂 直流人工濕地在我國污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用局限及發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞： 垂直流人工濕地；污水；凈化功能；影響因素人工濕地是一種低投資、 低能耗、低處理成本和具有氮磷去除功能的廢水生態(tài)處理技術(shù)， 已逐漸被世界各國所接受。 在歐洲和北美， 數(shù)以千計(jì)的天然濕地和人工濕地被廣泛應(yīng)用于處 理多種廢水，

2、其中包括城市污水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)徑流、城市暴雨、填埋場瀝濾液和礦山酸 性排水 1-3 。它的原理主要是利用濕地中基質(zhì)、 水生植物和微生物之間的相互作用， 通過一 系列的物理的、 化學(xué)的以及生物的途徑凈化污水。 人工濕地根據(jù)水面的位置可分為兩種類型 表流人工濕地和潛流人工濕地。 相比表流人工濕地， 潛流濕地保溫效果好， 處理效果受氣候、 季節(jié)的影響較小， 并且運(yùn)行過程中若管理得當(dāng)還可以有效防止蚊蠅滋生和產(chǎn)生臭味， 目前國 內(nèi)外多采用潛流人工濕地處理污水 4 。潛流人工濕地根據(jù)主導(dǎo)水流可分為水平流和垂直流， 垂直流人工濕地占地面積更小、 供氧條件好、 水力操作簡單， 系統(tǒng)運(yùn)行初期便有良好的凈化 效

3、果 5 。復(fù)合垂直流人工濕地通常用于市政水的處理，尤其適用于對氨氮排放量有嚴(yán)格要 求的領(lǐng)域，在實(shí)現(xiàn)水體和生態(tài)修復(fù)方面有較廣泛的應(yīng)用范圍。垂直流人工濕地的特點(diǎn)垂直流人工濕地系統(tǒng)凈化功能強(qiáng)。 不僅能有效去除污水中懸浮物、 有機(jī)污染物、 氮、磷， 而且對重金屬、 細(xì)菌、 藻毒素、 外源生物活性物質(zhì)和環(huán)境激素類物質(zhì)等也有比較理想的去除 效果； 適用范圍廣。 不僅可對污水進(jìn)行集中處理， 而且可因地制宜進(jìn)行分散處理； 不僅可用 于生活污水、 城市綜合污水處理， 還可用于湖泊水體修復(fù)以及部分行業(yè)廢水的處理， 如農(nóng)業(yè)、 養(yǎng)殖、礦山等。常年運(yùn)行比較穩(wěn)定，即使在冬季也有較好的凈化效果。建設(shè)、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低， 尤其是運(yùn)

4、轉(zhuǎn)費(fèi)低。 與景觀建設(shè)相結(jié)合， 具有凈化美化環(huán)境的效果。 貼近自然， 沒有環(huán)境擾動。目前， 復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)已在我國許多退化和受損湖泊中成功推廣應(yīng)用，對生活污水、城鎮(zhèn)綜合污水和醫(yī)療廢水也有較好的處理效果6, 7。垂直流人工濕地的凈化功能垂直流人工濕地對污染物的處理綜合了物理、 化學(xué)、 生物和植物的作用。 填料表面和植 物根系中生長了大量的微生物形成的生物膜， 廢水流經(jīng)時(shí)， 固體顆粒被填料及根系阻擋截留， 有機(jī)質(zhì)通過生物膜的吸附及同化、 異化作用而得以去除。 床層中因植物根系對氧的傳遞釋放， 使其周圍的微環(huán)境中依次呈現(xiàn)出好氧、 缺氧和厭氧狀態(tài)， 保證了廢水中的氮、 磷不僅能被植 物及微生物作

5、為營養(yǎng)成分直接吸收， 還可以通過硝化、 反硝化作用及微生物對磷的過量積累 作用從廢水中去除，最后通過濕地基質(zhì)的定期更換或收割使污染物最終從系統(tǒng)中去除8 。表格1垂直人工濕地系統(tǒng)去除污染物的機(jī)理反應(yīng)機(jī)理對污染物的去除與影響可沉降固體在濕地及預(yù)處理的酸化（水解）池中沉降去除；可絮凝固沉降體通過絮凝沉降去除，在此沉降過程中BOD、N、P、重金屬、難降物理解有機(jī)物、細(xì)菌和病毒等得到部分去除過濾通過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 體被阻截而去除沉淀磷及重金屬通過化學(xué)反應(yīng)形成難溶解化合物或與難溶解化合物一起沉 淀去除化學(xué)吸附磷及重金屬被吸附在基質(zhì)和植物表面，某些難降解有機(jī)物也能通

6、過吸 附作用去除分解通過紫外輻射、氧化還原等反應(yīng)過程，使難降解有機(jī)物分解或變成穩(wěn) 定性較差的化合物生物微生物代謝分解；通過生物硝化-反硝化作用去除 N;微生物將部分重金屬氧化并 經(jīng)陰截或結(jié)合而去除植物代謝 植物丄士 ”心植物吸收通過植物對有機(jī)物的吸收而去除，植物根系分泌物對大腸桿菌和病原體有滅活作用相當(dāng)數(shù)量的N、P、重金屬及難降解有機(jī)物被植物吸收而去除自然死亡細(xì)菌和病毒處于不適宜環(huán)境中會自然腐敗、死亡從表1可知，濕地系統(tǒng)通過物理、化學(xué)、生物和植物的綜合反應(yīng)過程將水中可沉降固體、 膠體物質(zhì)，BOD、N、P、重金屬、難降解有機(jī)物、細(xì)菌和病毒等去除，顯示了強(qiáng)大的多功 能凈化能力。濕地植物常見的濕地植

7、物有：蘆葦、香蒲、燈心草、風(fēng)車草、水蔥、香根草、浮萍等，其中應(yīng)用 最廣的是蘆葦。植物的選擇最好是取當(dāng)?shù)氐幕虮镜貐^(qū)天然濕地中存在的植物，以保證對當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境的適應(yīng)性，并盡可能地增加濕地系統(tǒng)的生物多樣性以提高濕地系統(tǒng)的綜合處理能力。人工濕地系統(tǒng)要求水生植物對各種高濃度的污染物有一定的承受能力。所選的植物品種要能更有效地利用多余的營養(yǎng)物，或更能忍受污染物，植物的改變對污染物的去除是有利的。不同的生長環(huán)境，適宜的濕地植物是不同的。Cheng9等利用風(fēng)車草能吸收富集水體中30%的銅和錳，對鋅、鎘、鉛的富集也達(dá)5%-15%。駱世明10在用潛流人工濕地處理養(yǎng)豬場廢水的研究中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)車草和香根草人 工濕地對有

8、機(jī)物有較強(qiáng)的緩沖能力，冬季兩濕地的BOD去除率可以達(dá)到 70%-90%?；|(zhì)基質(zhì)又稱基質(zhì)濾料，主要包括土壤、砂土、礫石等?；|(zhì)是濕地植物和微生物賴以生存 的基礎(chǔ)，這些基質(zhì)一方面為微生物的生長提供穩(wěn)定的依附表面，同時(shí)也為水生植物提供了載體和營養(yǎng)物質(zhì)，并為濕地中大部分的物理、化學(xué)和生物反應(yīng)提供反應(yīng)界面。基質(zhì)對污水的凈化主要通過物理和化學(xué)途徑來實(shí)現(xiàn)，如吸收、吸附、離子交換、絡(luò)合反應(yīng)等。賀峰11等運(yùn)用復(fù)合垂直流人工濕地對基質(zhì)中氮的積累規(guī)律探究表明，系統(tǒng)基質(zhì)對氮的積累主要發(fā)生在表層?；|(zhì)對磷的吸附是濕地去除磷的首要因素，主要機(jī)理在于基質(zhì)中的Al3+、Fe3+、Ca2+等能與可溶性無機(jī)磷化物形成不溶性磷酸

9、鹽而使磷固定下來，但這種吸附沉淀不是永久性的， 當(dāng)基質(zhì)吸附磷達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，就會產(chǎn)生磷的釋放。基質(zhì)表面及植物根系有利于生物膜的附 著，基質(zhì)對污水的凈化依賴于生物膜中大量的微生物群體。李今12等從基質(zhì)生物膜量、生物膜厚度和脫氫酶活性等方面研究了以復(fù)合垂直流人工濕地中基質(zhì)顆粒作為附著生長載體 的生物膜的特性。結(jié)果表明，復(fù)合垂直流人工濕地中，基質(zhì)生物膜的形成時(shí)間為40-60 d。進(jìn)水水質(zhì)不同， 基質(zhì)生物膜的形成時(shí)間有差異， 進(jìn)水中相對高的營養(yǎng)水平有利于基質(zhì)生物膜 的積累， 60 d 內(nèi)形成的穩(wěn)定生物膜量相差 1.59 倍； 生物膜活性也較大， 平均相差 1.5 倍。不 同發(fā)育程度的生物膜表現(xiàn)出的活性

10、不同，最佳活性厚度為150呵。人工濕地中不同層次基質(zhì)生物膜厚度差異顯著， 最表層0-5 cm層次基質(zhì)生物膜厚度 2-3倍于10cm以下層次，為最 佳活性厚度的 3-4 倍， 其生物膜的過量積累不僅不利于處理效率的提高， 且易造成人工濕地 的堵塞。2.3 微生物在人工濕地系統(tǒng)凈化污水過程中， 基質(zhì)中的微生物起到十分重要的作用， 一方面它們既 是生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分， 另一方面又是有機(jī)污染物去除的積極分解者， 它們的組成以 及功能的發(fā)揮將直接影響人工濕地的凈化效果。垂直流人工濕地對氮的去除主要通過硝化和反硝化作用實(shí)現(xiàn)，硝化細(xì)菌是好氧型菌， 分布在濕地基質(zhì)層的表層，基質(zhì)底層的厭氧狀態(tài)則有利于反硝

11、化細(xì)菌的生存。鄧歡歡13等深入研究人工濕地凈化機(jī)理，利用 biolog 微平板，研究了垂直流人工濕地基質(zhì)微生物群落結(jié) 構(gòu)及代謝特性。 平均色度變化 （AWCD ）表明基質(zhì)上層微生物群落碳源代謝能力要小于下層 碳源代謝能力，對不同碳源利用特性分析表明垂直流人工濕地基質(zhì)微生物對糖類利用較好， 對胺類、氨基酸、羧酸和聚合物其次，對酚類利用能力較差。主成分分析（PCA） 結(jié)果表明人工濕地不同栽種植物和不同深度類型的基質(zhì)微生物群落具有各自不同的群落結(jié)構(gòu)和代謝特 征。功能多樣性指數(shù)研究顯示， 不同樣點(diǎn)間豐度差別較小， 而多樣性和均勻性指數(shù)都是下層 要高于上層， 風(fēng)車草濕地高于香蒲濕地。 研究表明垂直流人工

12、濕地基質(zhì)微生物群落的結(jié)構(gòu)和 代謝特性受到不同環(huán)境和栽種植物影響 ,具有不同的代謝特點(diǎn)。影響垂直流人工濕地凈化功能的主要因素垂直流人工濕地的凈化效果受多種因素影響， 這些因素主要包括水力因素、 基質(zhì)選擇和 堵塞問題。3.1 水力因素由于植物吸收營養(yǎng)物質(zhì)及微生物分解污染物都需要一定的時(shí)間才能完成，所以水在濕地停留的時(shí)間越長（最好接近于理論停留時(shí)間） ，就越能有效地吸收污水中的營養(yǎng)物質(zhì)和沉降 污水中的顆粒污染物。張翔凌等 14 以沸石、無煙煤、頁巖、蛭石、礫石、陶瓷濾料、高爐鋼渣、生物陶粒等 8 種基質(zhì)為材料，在 1 000-2 500 mm/d 的高水力負(fù)荷條件下，研究了不同基質(zhì)在垂直流人工 濕地

13、模擬柱中運(yùn)行 1 年的水力學(xué)特性和系統(tǒng)堵塞動態(tài)。 結(jié)果表明： 基質(zhì)系統(tǒng)的水力停留時(shí)間 和水頭損失可間接反映濕地堵塞狀況 ;基質(zhì)自身結(jié)構(gòu)與其水力學(xué)特征密切相關(guān)。生物陶粒、 高爐鋼渣和沸石 3種基質(zhì)分別填充的系統(tǒng)內(nèi)部水頭損失較小、 水力停留時(shí)間短、 堵塞不明顯； 礫石、 蛭石堵塞較為嚴(yán)重。 通過對不同基質(zhì)的含水率和孔隙率的分析發(fā)現(xiàn)， 基質(zhì)的高含水率 （如蛭石） 有利于垂直流人工濕地對污染物的去除， 但卻不利于濕地的運(yùn)行管理； 基質(zhì)的高 孔隙變化率（如頁巖和礫石）是濕地系統(tǒng)發(fā)生堵塞的重要驅(qū)動因素。因此,如何根據(jù)不同結(jié)構(gòu)特性和水力學(xué)特征選擇基質(zhì)對垂直流人工濕地的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理非常關(guān)鍵。水力負(fù)荷即單位濕

14、地面積、 單位時(shí)間所處理的污水體積， 它反映了濕地的處理能力， 水 力負(fù)荷的大小直接影響到系統(tǒng)對污水的凈化效果。 我國在運(yùn)用垂直流人工濕地技術(shù)時(shí)， 是將 其作為二級處理的替代技術(shù)， 必須提高人工濕地的水力負(fù)荷。 因此， 選擇理想的負(fù)荷以達(dá)到 最佳的凈化效率是垂直流人工濕地在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)予以考慮的關(guān)鍵因素。3.2 基質(zhì)的選擇不同的基質(zhì)類型對污染物的去除機(jī)理不同，去除效果也不同。近年來 , 隨著人工濕地處 理技術(shù)的發(fā)展， 目前研究和應(yīng)用較多的基質(zhì)包括碎石、 沸石、 鋼渣等。 沸石內(nèi)部的鋁硅酸鹽 骨架、 孔道和孔穴具有可交換的陽離子， 應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的離子交換性能， 同時(shí)空穴和孔 道有很大的比表面

15、積， 允許一定大小的分子自由移動， 決定了沸石對氣體、 液體均具有良好 的吸附性能。垂直流人工濕地因其水力停留時(shí)間短， 故具有占地面積較小的優(yōu)點(diǎn)， 但較短的水力停留 時(shí)間又會影響處理出水水質(zhì)，因此需要強(qiáng)化基質(zhì)的處理能力。張翔凌 15 選取礫石、沸石、 無煙煤、頁巖、蛭石、陶瓷濾料、 高爐鋼渣、圓陶粒 8 種填料，在較高水力負(fù)荷 (1 000-2 500 mmd-1)的條件下，進(jìn)行垂直流人工濕地模擬柱凈化污水實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，無煙煤、圓陶粒、礫石具有較好去除有機(jī)物的能力，對 COD 的去除率達(dá)到 50%以上；鋼渣和無煙煤對 BOD 的去除率達(dá)到 70%以上。沸石和陶瓷濾料對總氮和氨氮的去除率達(dá)到7

16、0%以上，其他幾種填料對總氮和氨氮的去除率僅為 20%左右。高爐鋼渣和無煙煤具有較好去除磷的能力，高 爐鋼渣對總磷和總?cè)芙庑粤椎娜コ蔬_(dá)到90%以上，無煙煤對總磷和總?cè)芙庑粤椎娜コ蔬_(dá)到 60%-70% ?？紫堵实淖兓瘜Υ怪绷魅斯竦氐膬艋芰τ酗@著影響。3.3 堵塞問題堵塞是在所有高負(fù)荷污水過濾系統(tǒng)中常見的自然效應(yīng)。 濕地中堵塞層的形成是有機(jī)和無 機(jī)固體物在基質(zhì)內(nèi)部顆粒間隙的沉積、 基質(zhì)間隙間生物量生長和分解以及基質(zhì)本身所含物質(zhì) 的化學(xué)沉淀反應(yīng)等產(chǎn)生的。 由于垂直流人工濕地獨(dú)特的水流方式和去污特點(diǎn)， 它更容易發(fā)生 堵塞現(xiàn)象。而且發(fā)生堵塞后 , 濕地的凈化能力會受到嚴(yán)重影響。同時(shí)，由于堵塞導(dǎo)致

17、基質(zhì)表 面積水，使得蚊蠅更容易滋生，濕地的環(huán)境友好度降低。詹德昊16 等針對復(fù)合垂直流人工濕地淤堵前后的水力特征進(jìn)行研究， 發(fā)現(xiàn)淤堵后人工濕地水力特征發(fā)生變化， 出水流量減少， 停留時(shí)間變長，下行池表面積水。詹德昊 17 等還利用灼燒失重法研究了復(fù)合垂直流人工濕 地中有機(jī)質(zhì)的積累規(guī)律及其與濕地填料淤堵的關(guān)系， 發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)積累是導(dǎo)致人工濕地淤堵的 一個(gè)重要原因， 且有機(jī)質(zhì)含量與填料滲透系數(shù)呈明顯負(fù)相關(guān)性。 由于污水中連續(xù)的營養(yǎng)供應(yīng)， 系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的生物量不斷增加也是造成堵塞的一個(gè)因素； 厭氧條件也加速了系統(tǒng)的堵塞， 因 而間歇的進(jìn)水方式和適當(dāng)?shù)母蓾窠惶媸欠浅１匾模?另外過多地種植植物和維護(hù)不及時(shí)

18、也是 造成堵塞的原因。影響垂直流人工濕地在運(yùn)行效果的因素還有很多， 如植物的生長依賴于人工濕地所在區(qū) 域的氣候，氣溫的降低會影響人工濕地的正常運(yùn)行， 使污染物的去除率降低， 在少雪的冬季， 冰雪覆蓋不能有效防止冰凍和凌汛， 因此應(yīng)對濕地進(jìn)行適當(dāng)?shù)母采w隔離。 基質(zhì)除磷和微生物 脫氮必須保證合適的 pH 值、溫度和溶解氧量。此外，濕地的設(shè)計(jì)運(yùn)行還要考慮到經(jīng)濟(jì)與社 會條件，有關(guān)維護(hù)、修復(fù)和管理的問題還需進(jìn)一步加強(qiáng)研究。4. 結(jié)論與展望垂直流人工濕地獨(dú)特的水流方式和間歇進(jìn)水的運(yùn)行方式使系統(tǒng)充氧更充分，在去除氨氮和總氮方面有顯著的優(yōu)勢， 不僅適合處理城市污水和生活污水， 也適用于湖泊富營養(yǎng)化 水體修復(fù)、

19、垃圾滲濾液處理、面源污染治理等，是一種高效的污水處理技術(shù)。另外，復(fù) 合垂直流人工濕地采用好氧、 厭氧的復(fù)合水處理結(jié)構(gòu)， 加強(qiáng)了硝化、 反硝化作用， 避免 了傳統(tǒng)污水處理工程的不足， 且與景觀建設(shè)相結(jié)合， 具有凈化美化環(huán)境的效果， 非常適 合用于湖泊水體修復(fù)。目前， 垂直流人工濕地的應(yīng)用范圍主要分布于我國較溫暖地區(qū)，在北方寒冷地區(qū)的應(yīng)用剛剛開始， 如何加強(qiáng)垂直流人工濕地的保溫措施， 克服低溫對凈化效果的影響， 還需通過實(shí)際工程的研究進(jìn)行探索。與其他類型濕地系統(tǒng)相比， 垂直流人工濕地更容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象， 雖然國內(nèi)外研究人員 對堵塞的機(jī)理進(jìn)行了有益的探索， 但目前尚未提出避免堵塞發(fā)生的解決辦法， 這

20、也是今 后需要研究的方向。周琪 , 人工濕地技術(shù)在污水處理與水環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用及展望. 給水排水 , 2009(07): p.1-3.Hanping, X., Mechanisms and Efficiencies on Wastewater Treatment with Constructed Wetlands: A Review.J. Chinese Journal of Ecology, 2002. 4 .Rousseau, D.P.L., P.A. Vanrolleghem, and N. De Pauw, Model-based design of horizontal subsur

21、face flow constructed treatment wetlands: a review. Water Research, 2004. 38(6): p. 1484-1493.尹煒, et al., 潛流人工濕地的局限性與運(yùn)行問題 .中國給水排水 , 2004(11): p. 36-38.Luederitz, V., et al., Nutrient removal efficiency and resource economics of vertical flow and horizontal flow constructed wetlands. Ecological Engineering, 2001. 18 (2): p. 157-171.宣亞紅 , et al., 垂直流人工濕地系統(tǒng)在城市生活小區(qū)污水處理和回用中的應(yīng)用.上海水務(wù) ,2008(03): p. 34-36+65.孫大朋 , 張祖陸 , and 盧鵬飛 , 復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)對小清河污水的凈化效果研究 . 水科學(xué)與工程技術(shù) , 2007