人工湿地在污水处理中的应用
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1.1 国外研究概况 1953 年, 德国的 Seidel 博士在研究中发现芦苇
能 去除大量有 机和无机物 。进入 60 年 代 , 这 些 实 验室从观察开始推广至许多大规模实验, 掀起人工 湿地研究热潮。Seidel 与 Kickuth 合作于 1972 年提 出根区理论, 80 年代人工湿地系统由试验阶段进入 应用阶段, 相继德国、丹麦、奥地利、比利时、荷 兰等国家建立了大量的芦苇床系统, 主要用于小城 镇的污水处理。目前表面流湿地在北美是主要处理 湿地, 如美国有 600 多处人工湿地工程用于处理市 政、工业和农业废水; 欧洲、澳大利亚较多采用的 是潜流人工湿地工艺, 丹麦、德国、英国每个国家 都至少有 200 个wk.baidu.com统在运行。[3] 1.2 我国研究概况
SOUTHWEST WATER & WASTEWATER
西南给排水
Vol.30 No.2 2008
人工湿地在污水处理中的应用
李 兵 张绍修 肖再亮
摘 要 简要介绍了人工湿地污水处理系统的概况及国内外的研究动态, 概述了污水的去除机 理及人工湿地的设计过程, 同时展示了此技术广泛的应用前景, 但在污染物去除机理和实际应用方 面还需做更深入的研究。
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△作 者 通 讯 处 : 100011 北 京 市 东 城 区 安 德 里 北 街 18 号 第 二 炮 兵工程设计研究院 E- mail: yuxiang605@163.com
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人工湿地植物的栽培多发生在春、秋两季, 方 式主要有自然界移栽、直接种植和育苗移栽三种。 加强人工湿地管理, 控制杂草生长, 定期进行植物 收割, 有利于维持系统的处理效果。 3.3 人工湿地构造与工程参数
在建人工湿地系统之前, 必须先确定污水量、 污水水质, 根据地质、地貌等自然状况设计人工湿 地系统。应尽可能增加水流在其中流动的曲折性, 以增加该系统的稳定性和处理能力。实际设计中, 往往将湿地多级串联或附加一些预处理、后处理构 筑物构成处理系统。 4 目前存在的问题
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建设步伐的加快, 势必会带来环境污染的加剧, 为 避免重复 “先污染、后治理、先破坏、后恢复”的 老路, 我们必须先行治污, 建设一批小城镇污水处 理工程, 恢复和保持良好的生态环境, 促进小城镇 和农村经济的可持续发展。
废水中大部分有机物的最终归宿是被异养微生 物转化为微生物体及 CO2 和 H2O, 这些新生 的有机 体可以通过填料的定期更换或栽种植物的收割使污 染物最终从系统中去除。 2.3 湿地对氮的处理
人工湿地系统中氮的去除途径包括氨氮的挥 发、植物吸收、微生物的硝化、反硝化作用、基质 吸附。
来水中的氮基本以有机氮和氨氮两种形式存 在。一般情况下, 污水大部分有机氮被微生物降解 为氨氮, 所以重点是无机氮的去除。污水中的无机 氮作为植物生长的重要元素可以直接被植物摄取吸 收, 通过收割而从废水和湿地系统中去除。
物理化学作用包括填料对磷的吸附沉淀及填料 与磷酸根离子的化学反应, 这种作用对无机磷的去 除会因填料的不同而有差别。由于石灰石及含铁质 填料中 Ca 和 Fe 可与磷酸根离子反应沉淀而使磷去 除, 因而它们是除磷效果较好的填料。含钙质或铁 质的地下水渗入人工湿地也有利于磷的去除。 2.5 湿地对重金属的处理
我国幅员辽阔, 有利用人工湿地的天然优势, 但进行湿地处理系统研究较晚, 直到 “七五”期间 才有了一定的规模, 但主要还是机理性的研究, 即 使到目前为止, 大多也都停留在试验使用阶段, 应 用上相对迟缓, 应用实例也少。1990 年深圳的白泥 坑人工湿地工程是我国首次实践。 2 人工湿地的处理机理
人工湿地显著特点之一是对有机物有较强的处 理能力。植物渗出的可溶性有机物和无机物质为微 生物生长提供了基质, 使根际微生物的数量和活性 明显高于非根际带。湿地系统成熟后, 填料表面和 植物根系将由于大量微生物的生长而形成生物膜。 废水流 经生物膜时 , 大量的 SS 被填 料 和 植 物 根 系 阻挡截留, 不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作 用, 可以很快从废水中截留下来, 被微生物加以利 用; 可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸 附、吸收及微生物的代谢过程而被分解去除。
关键词 人工湿地 污水处理 应用
0 前言 人工湿地是一种人工建造和监督控制的与自然
湿地相类似的地面, 是人为地将石、砂、土壤等一 种或几种介质按一定比例构成基质, 并有选择性地 植入植物的污水处理生态系统。人工湿地污水处理 系统源于对自然湿地的模拟, 利用自然生态系统中 的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水 的净化。污水流经床体表面和床体填料缝隙时, 通 过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生 物 分 解 等 作 用 使 污 水 得 到 高 效 净 化 处 理 。[1]
2.1 氧的变化情况 人工湿地系统中氧来源于植物根毛的释放、来
水及水面更新溶氧。湿地植物光合作用产生的氧 气, 一部分通过运输组织和根毛输送释放到有机物 的电子受体, 最终以 CO2 的形式释放到系统外的环 境中。
在根系周围由于植物的运输组织和根系对氧的 传递释放形成连续的好氧、缺氧和厌氧状态, 相当 于许多串联或并联的 A2O 处理单元, 不仅保证了大 分子有机物的去除, 而且使废水中的氮、磷在被植 物和微生物作为营养成分直接吸收的同时, 可以通 过硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用 将其从废水中去除。 2.2 湿地对有机物处理
如同无机氮一样, 无机磷也是湿地植物必须的 养分, 污水中的无机磷在植物的吸收和同化作用 下, 被合成植物的 ATP、DNA 和 RNA 等有机成分, 通过对植物的收割而将磷从系统中去除。
微生物对磷的去除包括它们对磷的正常同化吸 收 ( 将磷纳入其分子组成) 和聚磷菌对磷的过量积 累, 通过对湿地床的定期更换而将其从系统中去 除。其中, 对磷的过量积累是微生物除磷的主要途 径。
不同基质的人工湿地其净化效果不同。分别对
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石英砂、煤灰渣、高炉渣基质湿地的研究表明, 煤 灰渣基质的人工湿地对有机污染物处理效果最好, COD 去除率达 71 ̄88%; 高炉渣人工湿地的除磷效 果最好, 总磷去除率 达 83 ̄90%; 而石英砂 湿地处 理效果较差。因此, 以磷为特征的污水, 最好选择 飞灰和页岩为基质, 其次是铝矾土、石灰石、膨润 土等。而以有机污染物和悬浮物为特征的污水, 常 选用土壤、细沙、砾石中的一种或多种做基质, 即 可达到良好的处理效果。
按污水在湿地床中流动的方式分, 人工湿地污 水处理工艺主要有三种形式, 即表面流工艺、地下 潜流工艺以及立式流湿地工艺。
人工湿地与传统的污水处理方法相比, 具有处 理效果好、建设和运行费用低、处理过程能耗低、 易于维护管理、良好的景观效应等优点。研究资料 表 明 , 在 进 水 浓 度 较 低 的 情 况 下 , 人 工 湿 地 COD 的去除率达 80%以上, 氮的去除率可达 60%, 磷的 去除率可达 90%以上, 但其投资和运行费一般仅为 传统的二级污水厂的 1/10 ̄1/2。[2] 1 国内外研究概况
人工湿地对于污染水体中重金属离子的去除也 有一定的效果。水体中的重金属离子通过扩散、迁 移到植物根部区域, 然后植物的根、茎、叶通过吸 收、离子交换、表面吸附等作用将其迁移、储存在 植物体内, 最后对植物的茎、叶进行收割、处理。 对重金属离子的去除主要取决于填料中生长植物的 选取。 3 人工湿地的设计
氮的去除主要是通过微生物的硝化、反硝化作 用来完成的, 特殊的氧环境 ( 如 2.1 所述) 使微生 物的硝化和反硝化可以同时进行。因此, 人工湿地 比传统活性污泥处理系统具有更强的氮的处理能
力。资料表明, 人工湿地总氮去除率可大于 60%。 2.4 湿地对磷的处理
人工湿地对磷的去除是植物吸收、微生物去除 及物理化学作用三方面共同作用的结果。进入湿地 系统中的含磷化合物主要包括颗粒磷、溶解有机磷 和无机磷酸盐, 微生物的活动使磷主要以正磷酸盐 形式存在。
基质粒径的大小是影响湿地系统水力传导性的 主要因素, 直接关系到污染物在湿地中的停留时间 和系统的空隙度。粒径大的基质, 空隙度大, 所能 容纳的污水量也大, 污水能在湿地内部受到较长时 间的吸附与吸收, 有利于污水净化。目前运行的人 工湿地, 基质粒径在 0 ̄30mm 之间, 最常选用的粒 径范围是 4 ̄16mm。但对于进水配水区和 出水集水 区 的 基 质 , 一 般 采 用 粒 径 在 60 ̄100mm 之 间 的 砾 石。
人工湿地污水处理工艺设计主要包括人工湿地 基质的构建、植物群落的构建和人工湿地构造与工 艺参数三个方面。 3.1 人工湿地基质的构建
基质是植物生长的载体, 是湿地内所有生物和 非生物的储存库。它将发生在湿地内部的各种处理 过程连接成一个整体。在人工湿地的设计中, 基质 的构建需从基质的种类、粒径和厚度三方面加以考 虑 。[4]
参考文献 1 国家环境保护 “十一五”规划.2007, 11.
2 城镇污水处理厂污染物排放标准 (GB18918- 2002) .2002, 12. 3 杭世珺.小城镇污水处理工程设计的反思与建议.2004, 3. 4 孙慧修.排水工程 ( 第四版) .中国建筑工业出版社, 1999, 12. 5 皮纳坎普, 袁国文.欧洲污水处理技术、成本与收费.2004, 2.
基质的厚度是决定人工湿地过水断面面积的污 水处理效果的重要参数, 一般需根据所栽种植物的 种类及根系的生长深度确定, 以保证湿地床中必要 的好氧条件。目前运行的人工湿地, 基质厚度在 0.5 ̄1.0m 之间, 大多数在 0.6 ̄0.8m 之间。 3.2 人工湿地植物的构建
植物在人工湿地中的作用可归纳为三个方面: ①直接吸收利用污水中的营养物质, 过滤、吸附和 富集重金属和一些有毒有害物质; ②为根区好氧微 生物输送氧气, 为各种生物化学反应的发生提供适 宜的氧化还原环境; ③增强和维持介质的水力传 输。人工湿地中常选用挺水植物, 这是因为挺水植 物根系发达、生物量大、生长率高, 在湿地系统中 能起到固定床体表面、提供良好过滤条件、防止淤 泥堵塞等作用。人工湿地植物的构建包括植物的选 择 、 栽 培 和 收 割 管 理 三 个 方 面 。[5]
常用于人工湿地的植物种类有: 芦苇、香蒲、 菖蒲、灯心草和苔草等。植物的选择应考虑以下方 面: ①生态的可接受性。所选用的植物不是有害杂 草, 对周边自然环境生态遗传的整体性不构成危 害; ②能适应当地的气候条件, 具有一定的抗病虫 害能力; ③能忍耐污染物和水生的环境条件; ④容 易繁殖和生长速度快; ⑤净化能力强。
( 1) 基质种类单一 大多数人工湿地的基质材料为土壤、砾石和沙 中的一种或几种, 这对于以有机物和悬浮物为主要 污染物的水体, 基本可达到预期处理效果, 但对含 特殊污染物的水体, 其处理效果十分有限。 ( 2) 植物种类单一 与自然湿地相比较, 自然湿地中分布广泛的湿 生和沼生植物应用较少。其次, 大多数人工湿地只 选种一种或两种植物, 这种相对单一的植物系统必 然影响人工湿地的处理效果。 ( 3) 人工湿地类型单一 对含特殊污染物或污染负荷比较高的水体难以 达到处理效果。从目前情况看, 表面流人工湿地应 用较少, 绝大多数为水平潜流人工湿地, 少数地区 采用垂直流人工湿地。 ( 4) 人工湿地处理污水机理有待进一步研究 湿地去污机理复杂, 人工湿地处理污水的机理 的研究相对薄弱, 无法为其工艺设计提供有力的理 论指导。 5 小结 人工湿地处理污水系统是近年才发展起来的新 型污水处理技术, 由于其自身的优点已得到越来越 广泛的应用。它不仅适用于中小城镇、农村地区, 而且对于远离城市管网的居民小区、旅游景区、大 型厂矿企业, 人工湿地处理污水系统也是一种很好 的选择。但是它无论是在机理还是在应用方面都需 要进一步研究。在建造人工湿地的同时, 可以选择 一些观赏性强的植物种植, 定期清理系统, 这样就 可以集除污、观赏、娱乐于一体, 甚至在有效的规