污水生态净化技术的研究与应用

污水生态净化技术的研究与应用[摘要]阐述污水生态净化技术的概念、特点、分类及主要子技术的原理、设计参数，并对净化主体水生植物、微生物、水生动物和基质的去污机理进行分析，介绍目前其在国内外应用情况，提出以后应用发展方向。[关键词]生态净化；净化机理；应用1引言地表水污染和水资源缺乏已成为我国社会经济发展的主要制约因素之一。一份调查表明[1]，全国90%以上的水域受到严重污染，约50%重点城市的水源不符合饮用水水源标准。常规的水处理法[2]分为物理法、化学法、生物法以及物理化学法，在解决水环境污染、缓解水资源紧张方面起到了巨大的作用。但常规方法运用只注重理化指标的改善，并没有考虑到生命体的适应度、舒适度，存在很大的局限性。且传统工艺投资高、耗能大，运行管理要求高。由于我国经济发展水平不高，能源短缺，许多地方缺乏高水平操作管理人员[3]，只将污水进行一级物理处理，即使有二级生物处理，氮、磷等排放浓度依然很高。早在20世纪60年代，专家就指出[4]：即使全部普及二级处理，承接污水中的氮、磷等引起富营养化的物质与生物难以降解的有机物、重金属将继续增加，使水污染防治举步维艰，以物化法为主的三级处理因基建和运行费用太高，实际应用价值不大。由生态学、环境学两学科交叉产生的生态净化技术是一个全新的概念，更着眼于整体综合治理的水处理技术，已引起业界的高度重视。跟踪其技术发展很有必要。2污水生态净化技术概念、特点及分类2.1概念提出污水生态净化与水生生态系统密切相关，可以定义为水生生态系统中各种生命体、非生命物质（包括进入这个系统的污染物质）通过富集与扩散、合成与分解、拮抗与协同等多种过程，达到消除污染物。这些过程通常发生在系统内部，且与系统的物质循环和能量流动紧密联系。2.2主要特点污水生态净化技术与常规技术相比有如下几个特点：①在消除污染物时一般存在一个特定的生态系统；②污染物参加生态系统的物质循环；③根据生态系统中能量流动与物质循环再生原理，在消除污染的同时实现系统本身废物产生与能源消耗达到最小；④对生态质量的改善及评价的综合性极强；⑤达到环境效益同时可获得社会经济效益；⑥投资低、操作简单、维护和运行费用低，建设投资仅为常规处理技术的1/2～1/3，运行费用仅为常规处理技术的1/5～1/10；⑦不投放药剂，不会形成二次污染；⑧能持续性利用。2.3分类污水生态净化技术主要分为[2，4]人工湿地、稳定塘、土地处理、水生养殖技术等。特别人工湿地技术近几年来被广为运用，成为污水生态净化的先锋技术[3]。3污水生态净化技术体系3.1人工湿地技术人工湿地是在一定长宽比及底面有坡度的洼地中，由土壤和填料（如卵石、砂等）混合组成填料床，在床体的表面种植处理性能好、成活率高的植物如芦苇，污水可以在床体的填料缝隙中曲折地流动（潜流式）或在床体表面流动（表面流式），形成一个独特的生态环境。经过系统内各环节的“新陈代谢”对水中污染物转化分解。不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很快地截留被微生物利用；可溶性有机物则通过植物茎、根系生物膜的吸附、生物代谢而去除。这种技术处理效果好，造价及运行费远低于常规技术，已经成为提高大型污水水质的有效方法。3.2土地处理技术土地处理是一种古老、但行之有效的生态净化技术。它是以土地为处理设施，利用土壤—植物系统的吸附、过滤及净化作用和自我调控功能，达到对污水净化的目的。土地处理可分为快速渗滤（RI）、慢速渗滤（SR）、地表漫流（OF）、湿地系统（WL）、地下渗滤（VG）、人工土快滤等形式。一些研究成果[5]还提出了冰下快速渗滤、土地处理复合系统（快渗＋慢渗、快渗＋慢渗＋漫流、湿地＋稳定塘等）等改良型技术。土地处理对于有机氯和氨氮等有较好的去除。其工艺条件和工程参数如表1所示。土地处理不适用于含重金属，难降解“三致”有机物的污水，地下水位很高的地方还会有污染地下水的危险，应用时应综合考虑。表1土地处理系统的工艺条件和工程参数[16]处理类型水力负荷/(m/a)土壤渗透系数/(m/d)土层厚度/(m)地下水位/(m)地面坡度/(%)慢速渗滤0.6～60.036～0.36＞0.60.6～3≤30快速渗滤6～1500.36～0.6＞1.51.0＜15人工土快滤[5]200～3004～5＞0.6不限＜3地表漫流3～21≤0.12＞0.3不限＜15湿地系统3～20≤0.12＞0.3不限＜2地下渗滤0.4～30.36～1.2＞0.6＞1.0＜153.3稳定塘技术稳定塘是通过菌藻共生系统对污水进行处理的工程设施[2]。人类应用稳定塘来处理污水已有3000多年的历史[7]。按净化作用机理分为[8]好氧塘、厌氧塘、兼性塘、曝气塘和综合生物塘。不同类型的塘串联组成塘系统，往往具有更好的处理能力。在中小城市和农村，经常会有一些不宜耕作的低价土地或废弃坑洼池塘，在这种情况下，稳定塘就成为最具优势的处理方案。稳定塘特征参数如表2所示。表2稳定塘特征参数[8]塘类型代表性负荷参数kgBOD5/(ha·d)代表性水力停留时间/(d)代表性尺寸深度/(m)面积/(ha)兼性塘22～6725～1801.2～2.54～60好氧塘85～17010～400.3～0.45－厌氧塘160～80020～502.5～5－3.3水生养殖技术水生养殖是是以太阳能为初始能源，通过种植水生作物，形成人工生态系统进行水产和水禽养殖。在太阳能的推动下，通过系统中多条食物链的物质和能量的逐级迁移传递，将进入该系统污水中的污染物进行降解和转化，最后不仅去除了污染物，而且以水生作物和净化水的形式作为资源回收，实现污水资源化。4污水生态净化机理分析4.1水生植物的净化机理现有大部分研究[10,11]证实，水生植物是污水生态净化系统中的重要组分。水生植物可以分为[9]挺水、漂浮、浮叶和沉水植物。挺水植物以芦苇属（Phragmitis）、香蒲属（Typha）和Bulrush属（Scirpus）的使用频率最高[10]。漂浮植物使用多的有浮萍等，浮叶植物使用多的有凤眼莲等，沉水植物使用多的有伊乐藻、苦草等。水生植物重要净化机理之一就是将氧气从上部输送至根部，在根区或根际形成好氧环境，这一环境能促进有机物质的分解和硝化细菌的生长，在远离根区，形成缺氧和厌氧环境，有利于反硝化细菌生长。植物对氮磷等营养物质吸收并不占重要地位。通过水生植物收割试验表明磷在植物干重中只占很小的比例[11]，不同的植物种类以及植物体不同部位的吸收能力都不相同[12]。在通过吸收移走养分的能力方面，挺水植物被普遍认为不如凤眼莲这类浮叶植物，因为后者具有极快的繁殖速度，且根系直接从污水中吸收养分，并对SS产生过滤与吸附效果[10]。以N和P为例，挺水植物能吸收200～2500kg(N)/(hm2·a)和30～500kg(P)/(hm2·a)；漂浮植物则具有较大的吸收量，约2000kg(N)/(hm2·a)和350kg(P)/(hm2·a)，而沉水植物较低，仅为700kg(N)/(hm2·a)和100kg(P)/(hm2·a)[13]。缪绅裕等[14]研究发现秋茄植物各器官含磷量各不相同，依次为叶＞根＞茎＞胚轴。除了去除氮磷外，水生植物及其枯枝落叶层形成一自然生物滤器，有助于控制嗅味；还能阻碍杂草生长，昆虫繁殖；植物根系促进SS过滤，可防止系统的堵塞；在冬季形成一个绝热层，有助于使基质免受霜冻[15]。由于水生植物在净化过程中起到十分重要的作用，因此选择合适的十分重要。一般选择遵循以下原则：净化能力强，具有抗逆性、抗冻、抗热、抗病虫害能力，易管理，对周围环境的适应能力，综合利用价值高，能美化环境。4.2微生物的净化机理微生物在污水净化中往往起核心作用，主要包括细菌、真菌、放线菌、原生动物、藻类等，它们是各类污水中最先出现并对污染物吸收与降解的生物群体，而且还能捕获溶解成分给它们的动物或植物共生体利用[16]。微生物生物量可作为系统中底泥物理化学特征，养分含量变化以及有机质积累与分解有效反映指标。细菌中起主要作用的是硝化细菌、反硝化细菌、聚磷菌和硫细菌。氮在自然界中循环包括7种价态。污水中的氮主要以有机氮和氨氮形式存在。通常有机氮被细菌分解成氨氮。污水中无机氮被植物直接吸收只占很少的一部分，主要是通过细菌的硝化、反硝化来去除。如前所述，植物可以使系统溶解氧呈区域性变化，连续呈现好氧、缺氧状态，先在好氧条件下将氨氮氧化成硝酸盐，再在缺氧条件下将硝酸盐还原成气态氮从水中逸出。这种系统比传统生物处理具有更强的氮处理能力，比A/A/O系统能源则节省很多。微生物对磷的去除通过正常同化吸收和聚磷菌对磷的过量积累。微生物对磷的同化吸收一般占去除总量的4.5%～19%[11]，因而，主要是通过聚磷菌的过量摄磷而实现的。由于植物的光合及呼吸作用的交替进行，致使系统中交替地出现好氧和厌氧而利于聚磷菌的过量摄磷。对硫的去除主要靠硫细菌的分解。有机硫化物首先经矿质化被分解成硫化氢，部分硫化氢挥发逸出湿地，部分则通过硫磺细菌和硫化细菌的硫化作用形成硫磺、硫酸，它们与土壤中的各种离子形成无机硫化物。真菌主要在植物根表形成菌根吸收养分[17]。其是参与基质中有机质分解过程的主要成员，具有强大的酶系统，能促进纤维素、木质素、果胶等的分解，并能将蛋白质最终分解释放氨。放线菌是分解不含氮和含氮有机化合物的积极参与者，能比真菌更好的分解氨基酸等蛋白物质，还能形成抗生物质维持系统生物群落的动态平衡。原生动物摄食一些微生物和碎屑，起着调节微生物群落的动态平衡和清洁污水的作用[18]。虽然藻类体内的元素组成含量不是很高，但它们在贮藏和转移养分方面有时也能起着举足轻重的作用。藻类有较快的周转速率，因此当污水有较高养分时可起到短期吸收固定再随后缓慢释放与循环的作用[19]。丝状藻控制着污水的DO与CO2浓度及其日变化，它能使污水pH值在白天比在晚上要高出2～3个pH单位。很显然污水中这种DO，CO2和pH的剧烈日变化不仅影响污水的化学变化，还会影响植物的生长及对污染物的作用。4.3水生动物的净化机理荷兰[20]在对Worldwijd浅水湖泊实施治理发现纵然通过人工手段削减50%以上磷量，亦难自动使湖实现生态恢复，但通过对湖内鱼类群体数量和种类组成的调控，成功实现转化为草型湖泊。日本学者解释水生动物净化机理认为[21,22]通过改变鱼类的群落结构，如提高食鱼性鱼类生物量，降低以浮游动物为食的滤食性鱼类生物量，进而引起浮游动物生物量上升，浮游动物通过摄食浮游植物、细菌和悬浮有机碎屑，达到改善水质的目的。浮游动物起着重要的调控作用，体现为对初级生产力如浮游植物的控制，对高级捕食者如食鱼性鱼类的控制，在营养级间生态转换效率的控制。底栖软体动物也对富营养水体具有明显的净化效应。在中－富营养型湖泊内，软体动物在生物量上占主要地位；而在重富营养型湖泊内则无软体动物，底栖动物以寡毛类或摇蚊幼虫为主。软体动物中的螺蛳、蚌类主要摄食固着藻类、有机碎屑同时分泌促絮凝物质，使水中悬浮物质絮凝，促使水变清。所以通过增加螺蛳、河蚌，补充底栖动物资源数量，可以促进物质循环、增强系统稳定性。水生动物选择原则为：不会大量的繁殖，甚至失控；不会对污水形成强烈的搅动甚至影响污水景观；能与水生植物形成合理的生物链循环。4.4基质的净化机理基质（即填料）是人为设计的、由不同大小颗粒的砾、沙、土等按一定的厚度铺成的供植物生长、微生物附着的床体，具有过滤、沉淀、吸附和絮凝等作用。填料的选择对于生态净化系统特别是人工湿地的运行效果有重要意义。在床体内部填充多孔的、有较大比表面积的填料可改善人工湿地的水力学性能，为微生物提供更大的附着面积，增强系统对污染物尤其是氮、磷的去除能力。填料的任何性状发生改变都可能影响到生物的生长发育，从而影响污水净化效果。其去污通过离子交换、专性与非专性吸附、整合、沉降等作用。广为使用的填料土壤与磷、重金属等的反应产物最终吸附或沉降在土体内，从而使土体内这些元素的含量急剧升高，几年之后即可高达入水浓度的10～10000倍以上。土壤最重要的影响因子为氧化还原电位Eh。湿地的一个重要特征是存在