人工湿地废水生态处理系统的作用机制

人工湿地废水生态处理系统的作用机制

籍国东　倪晋仁

(北京大学环境工程系,水沙科学教育部重点实验室,北京100871)

摘　要　人工湿地废水生态处理新技术的高效去污能力基于独特而复杂的作用机制,其中最重要的是湿地基质、大型

植物和微生物的高度协同作用。基质在为植物和微生物提供生长介质的同时,也能够通过沉淀、过滤和吸附等作用直接去除污染物。大型湿地植物既是微生物的“固定化载体”,氧气的生产和运输“机器”,同时还能够稳固湿地床表面,起到冬季保温和支撑冰面的作用。微生物是消除污染物的作用者,它能够在去除氮、磷等营养物的同时把有机质作为丰富的能源转化为营养物质和能量。

关键词　人工湿地　废水处理　生态工程　作用机制

Mechanisms of constructed w etland w aste w ater

ecological treatment systems

Ji Guodong Ni Jinren

(The K ey Laboratory of Water and Sediment Sciences ,Ministry of Education

Department of Environmental Engineering ,Peking University ,Beijing 100871)

Abstract The mechanisms of the constructed wetland wastewater treatment technology that are available to im 2prove water quality are interrelated and often complex.Among them ,the most important is the combination of the substrate ,vegetation and microorganisms in wetlands.As a medium for the growth of plants and microorganisms ,the substrates can remove directly pollutants by the processes including precipitation ,filtration and s orption.Macrophytic plants provide mediums for microorganisms and trans fer oxygen by leaves and stems into roots.They als o fix wetland surface ,which can support ice layer and insulate heat.It ’s no doubt that microbial populations have removal potential for pollutants.Important trans formations of nutrient ,such as nitrogen and phosphor result from microbial anisms are in turn converted to nutrients and energy through microbial processes.

K ey w ords constructed wetland ;wastewater treatment ;ecological engineering ;mechanisms

收稿日期:2003-05-11;修订日期:2003-07-01

作者简介:籍国东(1973～),男,博士,研究方向:废水生态处理技术

及理论。E 2mail :jiguodong @

人工湿地(constructed wetland )一词最早是由澳大利亚的Mackney 于1904年提出的,是指人工建造和监督控制的、工程化的沼泽地[1]。真正意义上采用人工湿地净化污水始于1953年德国的Max Planck 研究所,该研究所的Seidel 博士在研究中发现芦苇能去除大量有机和无机污染物。20世纪60年代末,Seidel 与K ickuth 合作并由K ickuth 于1972年提出了根区法[2,3],此根区法由一种种植芦苇的巨型床组成,选择含钙、铁、铝添加剂的土壤,以改善土壤结构对P 的沉淀性能。当污水流过芦苇床时,有机物被降解,氮被硝化反硝化,P 与Ca 、Fe 、Al 共沉积累于土壤中。该理论的提出掀起了人工湿地研究与应用的热潮,标志着人工湿地作为一种污水处理技术开始受到关注。自20世纪80年代以来,每年都有关于人工湿地污水处理技术的国际会议召

开,其中1996年在奥地利维也纳召开的“第五次人工湿地与水污染控制国际研讨会”,为这一技术的推广和发展创造了崭新的契机,标志着这种独具特色的新型污水处理技术正式进入水污染控制领域。20世纪90年代中期以来,在拓宽人工湿地应用范围的同时,世界各国对制约人工湿地新技术设计和推广应用的关键———独特而复杂作用机制的研究也随之深入[4,5]。

1　人工湿地的作用机制

1.1　基质的作用

人工湿地中的基质又称填料、滤料,由土壤、细

第5卷第6期环境污染治理技术与设备

Vol .5,No .62004年6月Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control

J un .2004

沙、粗砂、砾石、沸石、碎瓦片或灰渣等构成。基质在为植物和微生物提供生长介质的同时,也能够通过沉淀、过滤和吸附等作用直接去除污染物。自由表面流湿地多以自然土壤为基质,水平潜流和垂直潜流湿地基质的选择因特征污染物的不同而不同,同时也会考虑便于取材、经济适用等因素。一般来说,水平潜流和垂直流人工湿地以SS 、COD 和BOD 为去除目标时,根据水力停留时间、占地面积和出水水质等限制因素,可以选用土壤、细沙、粗砂、砾石、碎瓦片或灰渣中的一种或几种为基质。以除

P 为目的的人工湿地最好选择飞灰或页岩为基质,其次是

铝矾土、石灰石和膨润土,泡沸石和油页岩一般不能作为除P 的基质[6]。

1.2　大型植物的作用人工湿地中的大型植物,像其他所有光合自氧

的有机体一样利用太阳能从空气中吸收无机物合成有机物,为异养生物提供能量。如果湿地有充足的光源、水和营养供给,湿地生态系统中大型植物将占主导地位,它不仅有惊人的繁殖速率,同时还具有很高的分解和转化有机物及其他物质的能力。大型植物在湿地介质中的重要作用,使它成为人工湿地不可缺少的组成部分[7～15](见图1)。图1　人工湿地生态处理系统净化污水的概念图

Fig.1　The conceptual sketch of the constructed wetland ecological system for treating wastewater

大型湿地植物使湿地床表面更加稳固,并提供了良好的物理过滤条件,它使垂直流通系统不受阻碍,防止冬季湿地表面冻结并为微生物生长提供了巨大的表面支撑。湿地植物的新陈代谢对处理系统的影响取决于人工湿地的类型,植物对营养物质的

吸收仅在负荷率较低的自由表面流人工湿地系统中

起重要作用。大型植物通过光合作用和根系的渗透作用将氧传输到根圈介质,增强了有机物的好氧分解和氨态氮的硝化作用。此外,大型植物对废水处理系统的美学方面还有特殊的价值。概括起来,大型植物在湿地系统中的主要作用见表1。

表1　大型植物在人工湿地中的作用

T able The roles of macrophyte in constructed w etland 水上部分水中部分基质中的根和茎光合作用抑制浮游植物生长形成小气候

冬季保温

减小风速存储养分景观美化过滤作用吸收养分吸附污染物

减小水流速率提供生物膜的支撑面冬季支撑冰面释放氧稳固基质表面防止阻塞释放氧

形成铁氧化膜

微生物固定化载体

吸收营养物质

产生抗生素等

1.2.1　增强基质传导功能根和茎的生长可以疏松基质。在垂直流人工湿地中,活着(或死去)的根茎产生的通道形成的巨大表面,增强了水在湿地床中的传导速率。此外,当根和茎死亡并分解后,它们留下的大孔隙,也可促进基质对液体的传导速率。有研究表明,以土壤为机制的人工湿地运行3年后,基质对液体的传导速率一

般为10m/s 。但是,在澳大利亚、丹麦和乌克兰学者所作的实验中,基质对液体的传导速率都小于10m/s 。1.2.2　微生物附着及强化作用

大型植物的根、茎和叶淹没在水中,为生物膜提供了巨大的附着表面。根、茎埋于湿地基质中,形成了供微生物生长的培养基。这些生物膜与其他浸没于湿地系统中的固体表面膜一样,为微生物提供了良好的生存环境。

生长在植物微生物共生系统中的大型植物作为微生物的“固定化载体”,很多微生物都能够附着在植物体上,进而对微生物净化起强化作用。它不仅能够为微生物提供碳源和能源,根周围的渗出液还能够提高微生物的降解活性。大型植物根区环境中具有明显的厌氧、缺氧和好氧微生物降解功能区。

在好氧菌较多的根系周围,大部分污染物能够被降解,一些水溶性较差的难降解有机污染物需要经过厌氧、缺氧和好氧的复合作用才能被降解。1.2.3　吸收营养物的作用

大型植物需要吸收营养物质,以便生长、繁殖。

大型植物吸收营养物质的能力随着生物量的增加而

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7环境污染治理技术与设备第5卷