人工濕地-新型污水處理技術(shù)

1、.人工濕地新型污水處理技術(shù)道格拉斯(南開(kāi)大學(xué) 物理科學(xué)學(xué)院 天津300071)摘要：本文主要介紹人工濕地的定義、作用機(jī)制、工藝流程等內(nèi)容，再結(jié)合國(guó)際社會(huì)的發(fā)展現(xiàn)狀總結(jié)分析其實(shí)際的應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)和存在的不足，進(jìn)而提出人工濕地污水處理技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：人工濕地；污水處理 中圖分類(lèi)號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 引 言隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的不斷增加，工業(yè)污水、生活污水、農(nóng)業(yè)污水的排放量逐年增加。由于大部分污水未經(jīng)處理直接排入水體，各種污染物的數(shù)量超過(guò)水體環(huán)境的自?xún)羧萘慷鹚h(huán)境的日益惡化。目前世界上污水治理一般采取電滲析技術(shù)、離子交換樹(shù)脂技術(shù)、生物吸附技術(shù)、功能高分子吸附技術(shù)、膜生物反應(yīng)器技術(shù)

2、等，但復(fù)雜的發(fā)生機(jī)制和高昂的治理費(fèi)用限制了這些方法的應(yīng)用范圍。探索高效、低耗、低成本、易管理、可持續(xù)的污水處理技術(shù)是世界各國(guó)環(huán)境治理的一個(gè)重要方向，對(duì)于我國(guó)這樣的發(fā)展中國(guó)家則有更加重大的意義。本文就人工濕地的定義及分類(lèi)、優(yōu)勢(shì)與不足、作用機(jī)制、工藝流程等方面的問(wèn)題加以綜述。1 人工濕地的定義及分類(lèi)11 人工濕地的定義人工濕地是在模擬自然濕地的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的人工生態(tài)系統(tǒng)，由人類(lèi)自行建造和監(jiān)管控制。人工濕地污水處理技術(shù)是在20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種特色凈污技術(shù)，綜合運(yùn)用生物、化學(xué)、物理原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的處理和凈化，與傳統(tǒng)的二級(jí)生化處理工藝相比，不僅凈污效果好、工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、維護(hù)費(fèi)用低廉、氮氧去

3、除率高、系統(tǒng)配置可塑性強(qiáng)，而且凈化之后的水源具有一定的生物安全性，因此，社會(huì)效益和生態(tài)效益顯著。隨著近年來(lái)人工濕地污水處理技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用研究，促成了許多城市都開(kāi)始建造本地區(qū)的人工濕地工程，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，其發(fā)展前景也更加廣闊。12 人工濕地污水處理系統(tǒng)的基本類(lèi)型根據(jù)工程設(shè)計(jì)原理和水體流動(dòng)差異，可以將人工濕地污水處理系統(tǒng)分為水平潛流濕地系統(tǒng)、表面流濕地系統(tǒng)、垂直流濕地系統(tǒng)三種類(lèi)型。其中，水平潛流濕地系統(tǒng)的保濕性良好，對(duì)一些重金屬和有機(jī)物能夠起到良好的去除效果，而且不易受自然環(huán)境的影響。表面流濕地系統(tǒng)不需要人工基質(zhì)作為填料，工程造價(jià)較低，但是對(duì)水的負(fù)荷力較低，凈污能力有限。垂直

4、流濕地系統(tǒng)很好地綜合了兩者的優(yōu)勢(shì)，但是由于工程造價(jià)高，其應(yīng)用范圍受到限制，并沒(méi)有在大范圍內(nèi)得到推廣使用。2人工濕地污水作用機(jī)制早在1953年，德國(guó)的凱撒博士就在研究中證實(shí)蘆葦能夠有效清潔水中的有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)物，并由此開(kāi)發(fā)出了植物過(guò)濾系統(tǒng)。1977年“根區(qū)法”理論的提出，標(biāo)志著人工濕地污水處理技術(shù)的初步萌芽形成，在此后的幾十年里，人工濕地污水處理技術(shù)得到不斷的完善和發(fā)展，并在西方國(guó)家得到廣泛的應(yīng)用。人工濕地由人工基質(zhì)作為填料，和水生植物組成一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)中基質(zhì)、水生植物、微生物之間的相互作用，借助基質(zhì)的過(guò)濾、沉淀、吸附、離子交換、微生物分解等化學(xué)、生物、物理原理實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的高度凈化?，F(xiàn)有

5、研究認(rèn)為濕地之所以能夠凈化污水，是其中物理、化學(xué)及生物協(xié)調(diào)作用和影響的結(jié)果。成熟的人工濕地，其填料表面吸附了許多微生物形成的大量生物膜，植物根系廣布于池中，當(dāng)污水流經(jīng)人工濕地時(shí)，污水中的懸浮物(包括不溶性有機(jī)物)被填充料及植物根系阻擋截留而沉淀在基質(zhì)中，通過(guò)微生物的同化吸收和異化分解得以去除；污水中的許多污染物還可以通過(guò)植物根系和微生物分泌的一些物質(zhì)發(fā)生離子交換、離子吸附、化學(xué)沉淀等化學(xué)反應(yīng)得以去除。德國(guó)學(xué)者Kickuth R的“根區(qū)法”理論認(rèn)為，生長(zhǎng)在濕地中的挺水植物通過(guò)葉吸收和莖干的運(yùn)輸作用，將空氣中的氧轉(zhuǎn)運(yùn)到根部，再經(jīng)過(guò)植物的根部表面組織擴(kuò)散。這樣，使根系周?chē)奈h(huán)境依次呈現(xiàn)好氧、缺氧及

6、厭氧狀態(tài)，十分利于硝化、反硝化作用及微生物對(duì)磷的過(guò)量積累作用從廢水中得以去除，最后通過(guò)濕地基質(zhì)的定期更換或收割使污染物質(zhì)最終從系統(tǒng)中去除。人工濕地中物質(zhì)的傳遞與轉(zhuǎn)化主要因含氧情況不同而有所差別，圖1可以清楚地表現(xiàn)這一過(guò)程 3 工藝流程人工濕地的工藝流程有多種 ，目前常用的有 ：推流式 、階梯進(jìn)水式 、回流式和綜合式 4 種（如圖所示）推流式是最基本的形式。階梯進(jìn)水式可避免濕地床前部堵塞，使植物長(zhǎng)勢(shì)均勻，有利于后部的硝化脫氮作用 ；回流式可對(duì)進(jìn)水進(jìn)行一定的稀釋?zhuān)黾铀械娜芙庋醪p少臭味；出水回流還可促進(jìn)濕地床中的硝化和反硝化作用 ，采用低揚(yáng)程水泵，通過(guò)水力噴射或跌水等方式進(jìn)行充氧；綜合式則一方

7、面設(shè)置水體回流，另一方面還將進(jìn)水分布至濕地床的中部 ，以減輕濕地床前 的負(fù)荷 。4 人工濕地的植物選擇41 人工濕地植物的種類(lèi) 在人工濕地的設(shè)計(jì)與施工時(shí)，人工濕地植物主要應(yīng)用的類(lèi)型可以分為水生類(lèi)型、濕生類(lèi)型和陸生類(lèi)型。具體分類(lèi)如下：水生類(lèi)型：1 ） 挺水植物； 2 ） 浮水植物； 3 ） 浮葉植物； 4 ） 沉水植物。濕生類(lèi)型：1 ） 濕生草本植物； 2 ） 濕生木本植物。陸生類(lèi)型：1 ） 陸生草本植物； 2 ） 陸生木本植物。42 人工濕地植物篩選原則 人工濕地污水處理的效果， 與生態(tài)系統(tǒng)功能有著密切的關(guān)系， 尤其是生態(tài)系統(tǒng)中的生物特性以及生物群落之間的相互作用。不同的植物群落本身的根系厚度

8、、 釋放的氧氣量各不相同，所以在污水處理過(guò)程中發(fā)揮的作用也不盡相同， 所以需要對(duì)人工濕地植物的進(jìn)行必要的分類(lèi)和篩選。人工濕地植物的篩選，要堅(jiān)持以下幾個(gè)原則：第一，充分尊重植物自身的適應(yīng)性， 考慮植物的凈化能力和生長(zhǎng)周期， 才能發(fā)揮植物的作用；第二，植物的選擇要與周?chē)木坝^和植物相互協(xié)調(diào)一致，能夠形成統(tǒng)一的整體； 第三，每種植物的作用與功能各不相同， 所以要合理搭配各種不同功能的植物，才能形成一個(gè)系統(tǒng)的整體，增強(qiáng)去污能力；第四，對(duì)植物進(jìn)行多用途考慮，利用不同功能的植物搭配，在強(qiáng)化去污效果的同時(shí)， 降低植物本身對(duì)環(huán)境造成的不利影響?？偟膩?lái)說(shuō)，人工濕地應(yīng)選擇耐污、凈化、抗逆能力強(qiáng)的鄉(xiāng)土植物作為人工濕

9、地的種植植物。如美國(guó)人工濕地常用的植物有蘆葦、香蒲、燈心草、水蔥、竹等；深圳市白泥坑人工濕地栽種了蘆葦、茳芏、燈心草、蒲草等。有些人工濕地中還兼養(yǎng)耐污能力強(qiáng)的鯉、鯽等魚(yú)種組成水生生物塘，使整個(gè)濕地變成一個(gè)花草繁茂、魚(yú)兒歡躍的系統(tǒng)綠化工程。5人工濕地污水處理技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與不足51人工濕地污水處理技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)人工濕地污水處理技術(shù)與傳統(tǒng)的二級(jí)生化處理工藝相比，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：（1）人工濕地污水處理系統(tǒng)的工程建造成本低廉，設(shè)備維護(hù)也比較簡(jiǎn)單；（2）人工濕地污水處理系統(tǒng)主要由人工基質(zhì)和水生植物組成，人工基質(zhì)的選擇空間較大，土壤、細(xì)沙、石灰石、礫石等都可以作為填料，填料組成不同，基質(zhì)

10、的凈污能力也不同，因此，可以根據(jù)污染物的種類(lèi)和性質(zhì)選擇合適的填料組合，有針對(duì)性地處理污水。此外，水生植物種類(lèi)也比較多，燈芯草、茭白、浮萍、鳳眼蓮、蘆葦?shù)榷际浅Ｒ?jiàn)的挺水植物，這些水生植物對(duì)氮、磷、無(wú)機(jī)物等污染物的凈化能力存在差異，因此可以通過(guò)水生植物的合理選取提高污水凈化能力；（3）在進(jìn)水濃度較低的情況下，人工濕地污水處理系統(tǒng)對(duì)COD的去除率可以達(dá)到85%以上，對(duì)氮的去除率可以達(dá)到65%以上，對(duì)磷的去除率可以達(dá)到90上，除了這些常見(jiàn)的無(wú)機(jī)物之外，對(duì)其他農(nóng)藥類(lèi)、重金屬等的去除率也保持在90%以上，因此，人工濕地污水處理系統(tǒng)與傳統(tǒng)污水處理工藝相比，去污能力更高；（4）傳統(tǒng)污水處理廠只具有單一的污水處

11、理功能，不具備生態(tài)功能，但是人工濕地污水處理系統(tǒng)卻由于其獨(dú)特的組成部分而與自然濕地類(lèi)似，對(duì)周?chē)h(huán)境可以起到較強(qiáng)的影響作用，大規(guī)模人工濕地的建成，不僅增加了地球的綠地面積，還能為人們提供一個(gè)全新的城市生態(tài)景觀，在發(fā)揮污水凈化功能的同時(shí)，達(dá)到了生態(tài)效益和社會(huì)效益的雙重收益。52人工濕地污水處理技術(shù)的不足人工濕地污水處理技術(shù)雖然具有較多的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但是由于其特殊的污水處理機(jī)制，容易受到氣候條件的影響，例如冬季寒冷天氣不適宜美人蕉等熱帶水生植物的正常生長(zhǎng)，其污水處理能力也受到一定的限制。此外，由于人工濕地污水處理系統(tǒng)的凈污效果與污水在水體中的流動(dòng)時(shí)間呈正比，因此需要足夠的填料空間才能防止污水的淤積，其

12、占地面積也比一般的污水處理廠大23倍，因此，在工程選址時(shí)就需要考慮遠(yuǎn)離市區(qū)的郊區(qū)。人工濕地污水處理系統(tǒng)的去污過(guò)程需要依靠自身的水體系統(tǒng)，人工干預(yù)的范圍有限，隨著時(shí)間的推移，重金屬、懸浮物、有機(jī)物等污染物會(huì)逐漸積累，導(dǎo)致大量的微生物繁殖，一旦維護(hù)不當(dāng)，就會(huì)產(chǎn)生淤積現(xiàn)象，降低水體的傳導(dǎo)性和處理效果，如果人工濕地處于連續(xù)性的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，水體內(nèi)的基質(zhì)就會(huì)逐漸飽和，失去原有的去污能力，因此，需要定期對(duì)基質(zhì)進(jìn)行去淤處理。6人工濕地污水處理技術(shù)的發(fā)展61我國(guó)在人工濕地污水處理技術(shù)方面的發(fā)展現(xiàn)狀人工濕地污水處理技術(shù)在我國(guó)的研究起步比較晚，直至“七五”期間才開(kāi)始著手進(jìn)行該系統(tǒng)的機(jī)理性研究，應(yīng)用實(shí)例還較少。在我國(guó)

13、首次建成的人工濕地工程是由國(guó)家環(huán)?？偩衷谏钲谥鞒纸ǔ傻陌啄嗫尤斯竦毓こ?，其污染物去除率可以達(dá)到90%，隨后，江蘇、上海、沈陽(yáng)等地也積極開(kāi)展研究規(guī)劃工作，并先后建成了規(guī)模不一的人工濕地工程，并取得良好的凈污效果。62人工濕地污水處理技術(shù)的發(fā)展前景長(zhǎng)期的研究實(shí)踐表明，人工濕地污水處理技術(shù)作為一項(xiàng)先進(jìn)的污水處理技術(shù)，各國(guó)對(duì)該技術(shù)的研究深度還將不斷深入，它具有傳統(tǒng)技術(shù)所不具備的綜合效益，因此，人工濕地污水處理技術(shù)的發(fā)展空間非常廣闊。人工濕地污水處理技術(shù)在我國(guó)經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，不僅取得了較高的綜合效益，而且符合我國(guó)當(dāng)前階段的國(guó)情。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)僅有4%的生活污水和25%的工業(yè)廢水能夠經(jīng)過(guò)凈化循環(huán)利用，

14、其余的全部被直接排放，不僅浪費(fèi)了大量的淡水資源，而且也使大范圍的城市用水受到了污染，淡水資源日益緊缺的社會(huì)形勢(shì)迫切需要一種有效的污水處理技術(shù)，緩解當(dāng)前的水資源緊缺狀態(tài)。此外，受到經(jīng)濟(jì)條件的限制，一些邊遠(yuǎn)地區(qū)由于資金缺乏還沒(méi)有建立污水處理廠，因此，大力發(fā)展人工濕地污水處理技術(shù)對(duì)于在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)水資源回收具有重大的意義。7 結(jié) 語(yǔ)人工濕地由于其工藝較為簡(jiǎn)單、投資少、能耗低、運(yùn)行費(fèi)低、維護(hù)、操作和管理方便，目前已引起全世界環(huán)境科學(xué)家的高度重視，其處理技術(shù)的研究和系統(tǒng)構(gòu)建是當(dāng)前國(guó)際濕地領(lǐng)域的一項(xiàng)研究熱點(diǎn)。但就目前來(lái)看，這種污水處理方法容易受到氣候條件、占地面積等的限制?？傮w看來(lái)，結(jié)合我國(guó)當(dāng)?shù)膰?guó)情，人工濕地污水處理技術(shù)在未來(lái)的污水處理領(lǐng)域必然具有更加廣闊的發(fā)展前景，同時(shí)也是一項(xiàng)利國(guó)利民的工程。參 考 文 獻(xiàn)1張玉春，許虹淺談人工濕地污水處理技術(shù)及應(yīng)用J價(jià)值工程，2011，（15）2賴(lài)翠婷人工濕地污水處理技術(shù)探討J科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014