人工湿地在污水处理中应用

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1、人工湿地在污水处理中的应用怀化市环境保护监测站 王 丹摘 要近年来,全球的水体污染和富营养化现象越来越严重,而对于水资源紧缺的我国,这一现象已严重影响了国 民经济的发展。 人工湿地是由人工建造和监督控制,充分利用湿地系统净化污水能力的特点,利用生态系统中的物理、 化学和生物的三重协同作用,通过过滤、 吸附、 沉淀、 离子交换、 植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化的一 种生态工程,是目前国际上较多采用的处理污水的一种工艺。 本文介绍了人工湿地的含义、 处理污水的优点、 净化污水 的原理、 在污水处理中的应用以及它的前景展望。 关键词污水治理 人工湿地 生活污水 工业废水随着我国国民经济飞

2、速发展,人民生活水平得到了很大的 提高,但同时也带来了一系列的环境问题,其中水污染是环境污 染的一个重要方面,对于水资源极其紧缺的中国,治理水污染就 显得尤为重要。 特别是近年来的工业化和城市化发展,工业污水 和城市生活污水的排放量不断增加,在不少城市出现了严重的 水污染,若不尽快控制与治理,将危及人们的身体健康,势必阻 滞国民经济的发展,甚至威胁人类生存。据估计,我国每年排放 污水量达数百亿吨,但只有24%的工业污水和4%的生活污水经 过处理, 80%的饮用水源遭到污染,而已建成的传统污水处理厂 远远不能满足污水处理的需要,这就更加加剧了水资源的缺 乏1。因此,积极创新技术、 寻求防治水污染

3、的新模式就显得日 益紧迫,人工湿地正是顺应这一要求而发展起来的一种简便有 效的生态工程污水处理技术。 1、 人工湿地的含义 什么是人工湿地呢?人工湿地是由人工建造和监督控制,充 分利用湿地系统净化污水能力的特点,利用生态中的物理、 化学 和生物的三重协同作用,通过过滤、 吸附、 沉淀、 离子交换、 植物 吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化2。 目前,人工湿地 废水处理工艺主要有3种形式,即表现流工艺(SFW)、 地下潜流 工艺(SSFW)、 立式流工艺(V FW)。 2、 人工湿地处理污水的优点 人工湿地不仅可以用于城市和各种工业废水的二级处理, 还可用于高级处理的精处理和对农田径流的处理

4、,在有些情况 下人工湿地可能是唯一的适用技术。 建造人工湿地处理污水的优点主要表现在以下几个方面。 首先,污水处理成本大幅度降低,一般为每吨污水0. 10. 2元, 此价格是传统二级处理的1?101?5。 此外,基建投资也少得多, 通常每吨污水150800元,是传统二级污水处理的1?52。其 次,人工湿地处理污水不会产生污垢,同时能有效地去除污水中 的磷和氨,使排放到自然水系中的水无富营养化问题。最后,生 态处理工程使污水处理与环境生态建设有机结合,在处理污水 的同时还可以创造新的城市生态景观。 由于人工湿地处理污水主要用于直接处理污水或深度处 理,因此人工湿地的建设应视情况而定,可在市郊结合

5、部、 污水 处理厂的出水口附近建造人工湿地。 一些人工湿地属预处理型, 在那些目前还不具备建造污水处理厂的城乡结合部建造人工湿 地,将生活污水排入,利用所种植物对其进行预处理,然后再排 入自然水系。 还有些湿地属加强处理型,如在污水处理厂附近建 造人工湿地,将污水处理厂处理过的污水引入,再经过人工湿地 的加强处理,提高其水质,然后排入自然水系,作为其补充水源。 3、 人工湿地净化污水的原理 人工湿地主要由五部分组成:一是具有各种透水性的基质, 如土壤、 砂、 砾石;二是适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物, 如芦苇等;三是水体(在基质表面上或下流动的水);四是无脊椎 或脊椎动物;五是好氧或厌氧微

6、生物种群。其中,基质为微生物 的生长提供稳定的依附表面,为湿地植物根系提供载体和营养 特质。湿地植物除直接吸收营养物质、 富集污染物外,还为根区 微生物的生长、 繁殖和降解提供氧气,植物根系维持湿地水力传 输。湿地微生物的活动降解污染物,并为植物提供了养分。人工 湿地由这五部分通过物理、 化学、 生物的协同作用来消除污染。 人工湿地中的基质又称填料、 滤料,一般由土壤、 细沙、 粗砂、 砾石、 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,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,

7、同时也会考虑便于 取材、 经济适用等因素。一般来说,采用潜流人工湿地处理以 SS、COD和BOD为特征污染物的污水时,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、 细砂、 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,泡沸石和油页岩对P的吸附能力较差3。 湿地中生长的植物通常称为湿地植物,包括挺水植物、 沉水 植物和浮水植物。大型挺水植物在人工湿地系统中主要起固定 床体表面、 提供良好的过滤条件,防止湿地被淤泥淤塞,为微生 物提供良好根区环境以及冬季运行支撑冰面的作用。这种类型 的植

8、物对N、P等营养物质的吸收只在水量处理能力较小的自 由表面流人工湿地中起重要作用4。人工湿地中的植物一般应 具有处理性能好、 成活率高、 抗水能力强且具有一定美学和经济 价值的水生植物。 常用的挺水植物主要有芦苇、 灯心草、 香蒲等。 某些大型沉水植物、 浮水植物也常被用于人工湿地系统,如浮萍 等。人工湿地中种植的许多植物对污染物都具有吸收、 代谢、 累 积作用,对A l、Fe、Ba、Cd、Co、B、Cu、M n、P、Pb、V、Zn均有富集 作用,一般植物的长势越好、 密度越大,净化水质的能力越强5。 微生物是人工湿地净化废水的主要 “执行者”,它们把有机 质作为丰富的能源,将其转化为营养物质

9、和能量。 人工湿地在处 理污水之前,各类微生物的数量与自然湿地基本相同,但随着污 水不断进入人工湿地系统,某些微生物的数量将逐渐增加,并在 一定时间内达到最大值而趋于稳定。人工湿地中的优势菌属主 要有假单胞杆菌属、 产碱杆菌属和黄杆菌属,这些优势菌属均为 快速生长的微生物,其体内大多含有降解质粒,是分解有机污染 物的主体微生物种群。人工湿地系统中的微生物主要去除污水 中的有机质和N ,某些难降解的有机物质和有毒物质需要运用 微生物的诱发变异特性,培育驯化适宜吸收和消化这些有机物 质和有毒物质的优良细菌,进行降解6。 4、 人工湿地在污水处理中的应用 4. 1人工湿地处理城镇生活污水 人工湿地处

10、理城市生活污水已经得到了广泛的应用。城镇 生活污水中富有含氮、 磷等物质,其特征污染物主要为N、P、 BOD、COD、 动植物食用油和纤维素等。何蓉等通过小试装置研 究了表面流人工湿地对人工模拟生活污水的处理效果及相关运 行参数。实验结果表明,表面流人工湿地系统对污水中的 CODcr、CODcr75%、TN 75%、TP73% ,其中CODcr和TN达到 一级排放标准分别需3d和4d的表观停留时间, TP要达到二级 排放标准则需6d的表现停留时间。而且,湿地植物对TN和TP 的去除有比较明显的促进作用7。岳春雷等采用复合活污水具 有良好的净化作用,对NH35- N、TP、COD、BOD5、TS

11、S、 细菌总 数和浊度的去除率高达80%以上,出水水质达到了国家杂用水 标准8。靖元孝研究表明种植风车草的潜流型人工湿地对TN、 TP、COD、BOD的去除率分别为64%、47%、74%和74% ,与不 种植物的人工湿地相比, TN、TP、COD和BOD的去除率分别提 高了28%、19%、14%和13%9。Belmont等研究发现地下潜流 工艺和立式流湿地工艺的人工湿地能去除生活废水中80%以上682科技信息专题论述 的TSS、COD和硝酸盐,能去除大约50%的铵。研究还发现,在 地下潜流工艺湿地上种上观赏的花,既带来经济效益,又能提高 TSS和硝酸盐的去除率,处理后的废水可以用来灌溉10。

12、Korkusuz等比较了炉渣和沙砾做基质的人工湿地处理生活污 水的效果, TSS去除率分别为63%和59% ,COD去除率分别为 47%和44% ,NH4+- N去除88%和53% ,总氮去除44%和39% , PO43- P去除44%和1% ,总磷去除45%和4%。就除磷和硝酸 盐而言,以炉渣为基质的湿地比以沙砾为基质的湿地效果 好11。 4. 2人工湿地处理工业废水 人工湿地处理工业废水,也开展了一些工作,但处理工业废 水的实例并不多见。主要集中在应用人工湿地处理矿山酸性废 水、 淀粉工业废水、 制糖工业废水、 炼油废水、 造纸废水、 食品加 工废水等。这些废水的特征污染物主要是金属离子、

13、BOD、COD 和油。 黄姜是生产 “药用黄金” 皂素的主要原材料,生产过程 中会产生大量的工业废水。 皂素废水是一种难降解、 污染物浓度 高的酸性废水,目前还没有成功应用于工程实际的废水处理工 艺。王瑾等采用人工湿地处理经两相厌氧工艺好氧工艺组 合工艺处理之后的废水,以满足达标排放的要求。经过4个月试 验研究得出人工湿地COD平均去除率为47. 9% ,氨氮平均去除 率为75. 6% ,总磷平均去除率为88. 8%。 水平潜流型人工湿地作 为皂素废水深度处理工艺是可行的12。彭举威等研究发现啤酒 废水经酸化预处理后进入人工湿地,床体中充填适量石灰石,可 以起到调节PH值和提高氧化还原电位(O

14、RP)的作用。间歇流 方式进出水,可以最大程度地利用床体上层的大气复氧,缓解了 水生植物根系放氧不足的矛盾;适当缩短间歇流周期,可以提高 系统处理废水的能力13。夏汉平等对广东茂名石化公司的炼油 废水用人工湿地来进行处理,在为期两个月的处理过程中,人工 湿地在前期对炼油废水的净化效率很高,它们对第一批高浓度 废水中氨氮、COD、BOD和油的去除率分别为9717%、7812%、 9114%和9513% ,对第一批低浓度污水分别是97. 1%、71. 5%、 73. 7%和89. 8%。但是,随着时间的推移,湿地的净化效果会有 一定程度的下降,然后逐渐趋于稳定14。M buligwe等用人工湿 地

15、处理染料废水,湿地上栽种植物能提高处理效率是没有栽种 植物的2倍15。 4. 3人工湿地处理面源废水 面源污染主要是水体富营养化的问题。 在农业生产中,化肥 和有机农药的大量应用,其危害性也相当严重。 因此人工湿地在 其应用上主要就是对氮、 磷和有机物的有效去除。 张荣社等对滇 池流域内暴雨径流的特点及其组成进行调查研究,通过现场试 验,对潜流和自由表面人工湿地除磷脱氮进行了系统全面的研 究。在此基础上建成人工湿地组合系统控制暴雨径流氮磷污染 示范工程16。杨敦等采用潜流式人工湿地系统对其在处理、 控 制暴雨径流污染问题进行了模拟研究,试验结果表明,莒蒲-沸 石湿地系统有较好的综合净化能力,去

16、除率平均为CODcr87. 13% , TN 97. 33% , TP77. 29%17。 刘文祥认为由漂浮植物池、 沉水植物池、 挺水植物池以及草滤带组成的人工湿地,对氮、 磷、 泥 沙以及有机物有较好的吸收、 吸附以及物理沉降作用,可控制农 田径流污染,具有工艺简洁、 运行管理方便、 生态环境效益显著、 投资少等优点,是控制农业面源污染的实用工程技术18。 5、 人工湿地前景展望 人工湿地系统是一个综合性的生态工程系统,具有缓冲容 量大、 处理效果好的功能,一般可达到二级和高级水平,它应用 生态系统中物种共生、 物质循环再生原理,结构与功能相关原 则,在促进废水中污染物质良性循环的前提下充分发挥资源的 生产潜力,能防止环境的再污染,获得污水处理与资源化的最佳 效益。 人工湿地自广泛使用以来已提供了不少成功的例证。 正因 为它在污水的修复方面表现了极大的发展潜力,从而得到公众 的普遍接受。 人工湿地污水处理系统还应该在以下一些方面得到发展: 一是如何进一步提高生物修效率,