人工湿地处理技术简介

人工湿地处理技术简介人工湿地处理技术是利用生态工程的方法，在一定的填料上种植特定的湿地植物，建立起一个人工湿地生态系统，当水通过系统时，其中的污染物质和营养物质被系统吸收或分解，使水质得到净化。该技术具有建造成本较低、运行成本很低、出水水质非常好、操作简单等优点，同时如果选择合适的湿地植物还具有美化环境的作用。适用范围经过人工湿地系统处理后的出水水质可以达到地面水水质标准，因此它实际上是一种深度处理的方法。一、人工湿地系统的构造人工湿地是由填料、水生植物共同组成的独特的动植物生态系统①湿地填料的选择填料的选择对人工湿地的处理效果有很大的影响。填料在人工湿地中为植物提供物理支持，为各种化合物和复杂离子提供反应界面及对微生物提供附着。常用到的填料有土壤、砾石、砂、沸石、碎瓦片、灰渣等。根据处理目的，污染物的特征不同而有不同的填料选择。一般来说，以处理SS、COD和BOD为主要特征污染物时可选用土壤、细沙、粗砂、砾石、碎瓦片或灰渣中的一种或几种为填料。对脱N除P要求高的，可以选择对这两者有较强去除能力的填料进行优化组合。如采用沸石和石灰石的结合既考虑了沸石对NH4+-N的吸附、活化土壤中难溶性P及进行生物再生作用又利用了石灰石对P的高吸附特性，达到同时脱N除P的目的。现在填料的选择多偏向于较大颗粒的粒径，原因是水流在粒径较大的填料床内的短路最小，能够形成渠流，并且堵塞现象发生少，不易分散。②水生植物的选择植物是人工湿地的重要组成部分。水生植物在人工湿地的作用有：将景观水中的部分污染物作为自身生长的养料而被吸收；能够将某些有毒物质的重金属富集、转化、分解成无毒物质；根系生长有利于景观水均匀地分布在湿地植物床过水断面上，向根区输送氧气创造有利于微生物降解有机污染物的良好根区环境；增加或稳定土壤的透水性。可用于组合式湿地的植物有：芦苇、香蒲、灯心草、风车草、水葱、香根草、浮萍等，其中应用最广的是芦苇。植物的选择最好是取当地的或本地区天然湿地中存在的植物，以保证对当地气候环境的适应性，并尽可能地增加湿地系统的生物多样性以提高湿地系统的综合处理能力。植物的栽种方式有播种法和移栽插种法。移栽插种比较经济快捷。二、人工湿地系统的类型人工湿地系统根据湿地中主要植物类型可分为浮生植物系统、挺水植物系统和沉水植物系统。沉水植物（如狐尾藻、金鱼藻）系统主要应用于初级处理和二级处理后的精处理。浮水植物（如浮萍、凤眼莲）主要用于N、P去除和提高传统稳定塘效率。目前所指的人工湿地一般都是挺水植物系统。挺水植物系统根据水在湿地中流动的方式不同又分为三种类型：地表流湿地（SFW，SurfaceFlowWetland）、潜流湿地（SSFW，SubsurfaceFlowWetland）和垂直流湿地（VFW，VerticalFlowWetland）。OBAO组合式湿地处理系统即是挺水植物系统，根据以上三种类型湿地的优缺点，结合不同景观水域的特点进行合理、科学的有机组合。①地表流湿地系统地表流湿地系统也称水面湿地系统，与自然湿地最为接近，但它是受人工设计和监督管理的影响，其去污效果又要优于自然湿地系统。污染水体在湿地的表面流动，水位较浅，多在0.1~0.9m之间。通过生长在植物水下部分的茎、竿上的生物膜来去除污水中的大部分有机污染物。氧的来源主要靠水体表面扩散，植物根系的传输和植物的光合作用，但传输能力十分有限。这种类型的湿地系统具有投资少，操作简单，运行费用低等优点，但占地面积大，负荷小，处理效果较差，易受气候影响大，卫生条件差。处理效果易受到植物覆盖度的影响，与潜流湿地相比，需要较长时间的适应期才能达到稳定运行。②潜流湿地系统潜流湿地系统也称渗滤湿地系统。这种类型的人工湿地，污水在湿地床的内部流动，水位较深。它是利用填料表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和填料截留的作用来净化污水。由于水流在地表以下流动，具有保温性能好，处理效果受气候影响小，卫生条件较好的特点。与水面流湿地相比，潜流湿地的水力负荷大和污染负荷大，对BOD、COD、SS、重金属等污染指标的去除效果好，出水水质稳定，不需适应期，占地小，但投资要比水面湿地高，控制相对复杂，脱N除P的效果不如垂直流湿地。③垂直流湿地系统垂直流湿地的水流情况综合了地表流湿地和潜流湿地的特性，水流在填料床中基本上呈由上向下的垂直流，床体处于不饱和状态，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统。垂直流湿地的硝化能力高于水平潜流湿地，可用于处理氨氮含量较高的污水，但对有机物的去除能力不如潜流湿地，落干/淹水时间较长，控制相对复杂，基建要求较高，夏季有孳生蚊蝇的现象。三、人工湿地系统的工艺流程人工湿地系统的流态主要有四种：推流式、阶梯进水式、回流式和综合式。阶梯进水式可以避免填料床前部的堵塞问题，有利于床后部的硝化脱氮作用的发生；回流式可以对进水中的BOD5和SS进行稀释，增加进水中的溶解氧浓度并减少处理出水中可能出现的臭味问题，出水回流同样还可以促进填料床中的硝化和反硝化脱氮作用；综合式则一方面设置了出水回流，另一方面还将进水分布到填料床的中部以减轻填料床前端的负荷。人工湿地系统的运行方式可根据其处理规模的大小及处理目的不同，对地表流、潜流、垂直流三种湿地类型进行多种方式的有机组合，一般有单一式、并联式、串联式和综合式四种。四、人工湿地系统的净化机理人工湿地系统对景观水体的净化机理十分复杂，但一般认为，净化过程综合了物理、化学和生物的三重协同作用。物理作用，主要是对可沉固体、BOD5、氮、磷、难溶有机物等的沉淀作用，填料和植物根系对污染物的过滤和吸附作用；化学作用是指人工湿地系统中由于植物、填料、微生物及酶的多样性而发生的各种化学反应过程，包括化学沉淀、吸附、离子交换、氧化还原等；生物作用则主要是依靠微生物的代谢（包括同化、异化作用）、细菌的硝化与反硝化、植物的代谢与吸收等作用，达到对污染物的去除。最后通过对湿地填料的定期更换或对栽种植物的收割，而使污染物质最终从系统中去除。下面分别对人工湿地系统中氧的变化特性，有机物的去除，氮的去除及磷的去除加以阐述。①组合式湿地中氧的变化特性湿地中各种物质传递和转化因含氧差异而有所不同。湿地中氧的来源主要是植物根毛的释放、来水及水面更新溶氧。湿地植物通过光合作用产生的氧气，一部分通过输运组织和根毛输送释放到湿地环境中，并在根毛周围形成了一个好氧区域，而离根毛较远的区域呈现缺氧状态，更远的区域则完全处于厌氧状态，这样就形成了连续的好氧、缺氧及厌氧环境。这些溶解氧（DO）含量不同的区域分别有利于废水中不同污染物的降解、转化及去除。在芦苇湿地处理污水前，随光照强度的增加及光照时间的延长，芦苇根区的氧化还原势（Eh）逐渐升高，夜间，由于缺乏光照，Eh逐渐降低。这说明芦苇叶片通过光合作用产生的O2是通过芦苇的茎和根输送到了根区，同时不断向水体扩散，使得水体中的溶解氧增加。DO在水体中具有累积效应，到天黑时累积量达到最大值。夜间，由于芦苇根系的呼吸作用和床内微生物的代谢作用使得水中的溶解氧浓度下降。根据一天内湿地床中溶解氧的累积量可以计算出芦苇向水体的供氧能力。一般水生植物根区水DO浓度常保持在1.53~1.95mg/l之间。②人工湿地对有机物的去除人工湿地处理系统的显著特点之一就是对有机物有较强的降解能力。水体中的不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很快地被截留而被微生物利用，而出水中的可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。因此湿地对有机物的去除作用是物理的截留沉淀和生物的吸收降解共同作用的结果。水中大部分有机物最终是被异氧微生物转化为微生物体及CO2和H2O，通过对填料床的定期更换及对湿地植物的收割而将新生的有机体从系统中去除。人工湿地系统虽对有机物具有较高的去除能力，但是随着处理的运行会出现有机物的积累现象，影响了湿地对水中有机物的净化效果。研究表明，水体在植物床填料内流动时，随着迁移距离的延长，COD的降解速率呈现减慢的趋势。关于有机物在湿地中的动态变化规律还有待更深入的研究。③人工湿地对氮的去除人工湿地系统对氮的去除作用包括填料的吸附、过滤、沉淀以及氨的挥发，植物的吸收和微生物硝化、反硝化作用。氮在湿地系统中呈现一个复杂的生物地球化学循环，它包括了七种价态的多种转换。水体中的氮通常是以有机氮和氨的形式存在。在土壤—植物系统中，有机氮首先被截留或沉淀，然后在微生物的作用下转化为氨态氮，由于土壤颗粒带有负电荷，氨离子很容易被吸附，土壤微生物通过硝化作用将氨离子转化为NO3-，土壤又可恢复对氨离子的吸附功能。同时水中的无机氮可作为植物生长过程中不可缺少的物质而直接被植物摄取，并合成植物蛋白质等有机氮，通过植物的收割而从废水和湿地系统中去除。但氮的去除主要还是通过湿地中微生物的硝化和反硝化作用。研究表明，微生物的反硝化是人工湿地脱氮的主要途径，植物吸收总氮量仅占入水量的15%左右。如果通过选择有效的植物组合，能够对脱氮起到良好效果。如研究报道芦苇具有较强的输氧能力，菱白具有较强的吸收氮、磷的能力，将两种植物混种对TN和氨氮的去除率分别达到了60.6%和80.9%。另外，湿地中的填料也可通过一些物理和化学的途径如吸收、吸附、过滤、离子交换等去除一部分污水中的氮。据报道沸石对NH4+-N具有较高的吸附功能，并且大多都用此填料来处理含氮废水的试验。还有研究表明，蛭石对氨氮的去除要好过沸石，其主要是通过离子交换作用来去除污水中氨氮，物理吸附作用相对很少，并且阳离子交换反应速度快，饱和吸附量可达20.83mg/l。因此，强化湿地内部填料层的作用，有利于提高系统的硝化能力。在潜流式湿地中，硝化能力沿水流方向逐渐减小，主要为前部高后部低，这主要是与潜流湿地内的氮转化细菌分布有关。张甲耀等对潜流湿地内的氮转化细菌的研究结果表明，人工湿地系统中氨化细菌，亚硝化菌，硝化菌，反硝化细菌数量都处于较高水平，其中氨化细菌、反硝化细菌数量高于硝化细菌，亚硝化菌又高于硝化菌，亚硝化菌数量前部高于后部，硝化菌数量中后部高于前部，这样反硝化作用受到硝态氮含量的影响使得硝化能力随水流方向减小。可以通过改进布水方式如分段进水，多点布水来提高系统的整体硝化能力。污水中所含重金属离子也影响到硝化能力，当污水中重金属离子含量较多时，处理水中的NH4+-N非减反增，影响湿地处理效果。④组合式湿地对磷的去除人工湿地系统对磷的去除是由植物吸收、微生物去除及填料的物理化学作用而完成的。如同无机氮一样，废水中的无机磷在植物吸收及同化作用下，可变成植物的有机成分（如ATP，DNA，RNA等），通过植物的收割而得以去除。填料的物理化学作用主要是填料对磷的吸收、过滤和与磷酸根离子的化学反应，因填料不同而存在差异。填料中含有较多的Fe、Al及Ca的离子时能有利于对磷的去除。研究报道，以花岗石和粘性土壤为主要介质的湿地能高效去除水中的磷物质，就是因为土壤中含有较丰富的铁、铝离子而花岗石含钙离子较多能与磷酸根离子结合形成不溶性盐固定下来。但填料对磷的这种吸附和沉淀作用并不是永久性的，而是部分可逆的。实验表明，土壤对磷的吸附过程存在着积累现象，当达到饱和状态后，会降低对磷的去除率。当污水中磷的浓度过低时，填料中会有部分被吸附的磷重新回到水中。吴振斌等的研究表明，在系统运行初期，进水无机磷含量较低的情况下（0~0.05mg/l之间），填料向系统中释放了磷酸盐，致使出水无机磷浓度升高。而且还研究发现植物的生长状况也直接影响到去除效果的好坏，在春季和夏季，植物生长迅速，生物量增加，对磷的吸收加快，出水中磷含量减少，而在秋季植物枯萎后，吸收速度放慢，冬季死亡的植株会释放磷到湿地中，致使出水磷含量上升，无机磷含量甚至高于进水。因此，对植物的及时收割和填料的定期更换有助于延长湿地系统的处理寿命。微生物对磷的去除，包括对磷的正常同化作用（将磷纳入其分子组成）和对磷的过量积累。一般二级污水处理中，当进水磷含量为10mg/l时，微生物对磷的正常同化（形成污泥组成式C60H87O23N12P的一部分）去除，仅是进水总量的