淺談目前我國人工濕地污水處理技術
水工業網 人工濕地是由人工建造和控制運行的與沼澤地類似的地面將污水污泥有控制的投配到經人工建造的濕地上污水與污泥在沿一定方向流動的過程中主要利用土壤人工介質植物微生物的物理化學生物三重協同作用對污水污泥進行處理的一種技術其作用機理包括吸附滯留過濾氧化還原沉淀微生物分解轉化植物遮蔽殘留物積累蒸騰水分和養分吸收及各類動物的作用
凈化污水
用人工筑成水池或溝槽底面鋪設防滲漏隔水層填充一定深度的土壤或填料層種植蘆葦一類的維管束植物或根系發達的水生植物污水由濕地的一端通過布水管渠進入以推流方式與布滿生物膜的介質表面和溶解氧進行充分的植物根區接觸而獲得凈化人工濕地分為表面徑流人工濕地和人工潛流濕地
人工濕地與傳統污水處理廠相比具有投資少運行成本低等明顯優勢在農村地區由于人口密度相對較小人工濕地同傳統污水處理廠相比一般投資可節省1/31/2在處理過程中人工濕地基本上采用重力自流的方式處理過程中基本無能耗運行費用低污水處理廠處理每噸廢水的價格在1元左右而人工濕地平均不到2毛
因此在人口密度較低的農村地區建設人工濕地比傳統污水處理廠更加經濟
人工濕地在農村地區的使用效果也優于傳統污水處理廠首先人工濕地使用純生物技術進行水質凈化而污水處理廠則使用化學方法因此污水處理廠在處理過程中會產生大量富含有害化學成分的淤泥廢渣影響環境而人工濕地則不存在二次污染其次人工濕地以水生植物水生花卉為主要處理植物在處理污水的同時還具有良好的景觀效果有利于改造農村環境另外人工濕地還擁有可持續的經濟效益在人工濕地上可選種一些具備凈化效果和一定經濟價值較高的水生植物在污水處理的同時產生經濟效益
人工濕地的運行管理也比污水處理廠簡單便捷因為人工濕地完全采取生物方法自行運轉因此基本不需專人負責只需定期清理格柵池隔油池每年收割一次水生植物即可人工濕地中起主要處理作用的還是微生物不是土壤的過濾作用所以濕地設計中應包括防止濕地填料堵塞問題植物死亡問題和過冬問題人工濕地服務年限一般按照10-15年計算也就是說設計比較完善的濕地系統15年以后才需要清理填料床達到服務年限的人工濕地系統在清理填料床后即可重新投入使用另外人工濕地的建設周期短建設一座傳統污水處理廠和完成相關管道的鋪設往往需要一年以上而人工濕地的平均建設周期在3個月以內因此建設人工濕地見效更快
結論在人口密度較低污染排放較少的農村地區人工濕地生活污水處理設施有很多優點該處理設施充分利用農戶住房周邊的地形特點因地制宜實施簡單可造在住宅旁的空地上也可利用水塘以及公園的景觀池改造規模可大可小可以二三十戶家庭共用一塊也可以一戶人家造一塊投資少維護方便且占地面積小配合種植水生植物還可達到美化景觀的效果
凈化空氣
SS的去除主要靠物理沉淀過濾作用BOD的去除主要靠微生物吸附和代謝作用代謝產物均為無害的穩定物質因此可以使處理后水中殘余的BOD濃度很低污水中COD去除的原理與BOD基本相同
NP去除人工濕地主要利用生物脫氮及植物吸收方法
作用機理對污染物的去除與影響物理沉淀可沉淀固體在濕地中重力沉降去除過濾通過顆粒間相互引力作用及植物根系的阻截作用使可沉降及可絮凝固體被阻截而去除化學微生物代謝利用懸浮的底泥和寄生于植物上的細菌的代謝作用將懸浮物膠體可溶性固體分解成無機物通過生物硝化-反硝化作用去除氮部分微量元素被微生物植物利用氧化并經阻截或結合而被去除自然死亡細菌和病毒處于不適宜環境中會引起自然衰敗及死亡植物植物代謝利用植物對有機物的吸收而去除植物根系分泌物對大腸桿菌和病原體有滅活作用植物吸收相當數量的氮和磷能被植物吸收而去除多年生沼澤生植物每年收割一次可將氮磷吸收合成后分移出人工濕地系統
污水進入濕地系統污水中的固體顆粒與基質顆粒之間會發生作用水流中的固體顆粒直接碰到基質顆粒表面被攔截水中顆粒遷移到基質顆粒表面時在范德華力和靜電力作用下以及某些化學鍵和某些特殊的化學吸附力作用下被粘附與基質顆粒上也可能因為存在絮凝顆粒的架橋作用而被吸附
此外由于濕地床體長時間處于浸水狀態床體很多區域內基質形成土壤膠體土壤膠體本身具有極大的吸附性能也能夠截留和吸附進水中的懸浮顆粒
物理過濾和吸附作用是濕地系統對污水中的污染物進行攔截從而達到凈化污水的目的的重要途徑之一
植物是人工濕地的重要組成部分人工濕地根據主要植物優勢種的不同被分為浮水植物人工濕地浮葉植物人工濕地挺水植物人工濕地沉水植物人工濕地等不同類型濕地中的植物對于濕地凈化污水的作用能起到極重要的影響
首先濕地植物和所有進行光合自養的有機體一樣具有分解和轉化有機物和其他物質的能力植物通過吸收同化作用能直接從污水中吸收可利用的營養物質如水體中的氮和磷等水中的銨鹽硝酸鹽以及磷酸鹽都能通過這種作用被植物體吸收最后通過被收割而離開水體
其次植物的根系能吸附和富集重金屬和有毒有害物質植物的根莖葉都有吸收富集重金屬的作用其中根部的吸收能力最強在不同的植物種類中沉水植物的吸附能力較強根系密集發達交織在一起的植物亦能對固體顆粒起到攔截吸附作用
再次植物為微生物的吸附生長提供了更大的表面積植物的根系是微生物重要的棲息附著和繁殖的場所相關文獻表明植物根際的微生物數量比非根際微生物數量多得多而微生物能起到重要的降解水中污染物的作用｜
人工濕地處理系統特點
人工濕地處理系統具有緩沖容量大處理效果好工藝簡單投資省運行費用低等特點非常適合中小城鎮的污水處理
人工濕地處理系統可以分為以下幾種類型（1）自由水面人工濕地處理系統（2）人工潛流濕地處理系統（3）垂直水流型人工濕地處理系統
優點
人工濕地污水處理系統是一個綜合的生態系統具有如下優點:
①建造和運行費用便宜
②易于維護,技術含量低
③可進行有效可靠的廢水處理
④可緩沖對水力和污染負荷的沖擊
⑤可提供和間接提供效益,如水產畜產造紙原料建材綠化野生動物棲息娛樂和教育
但也有不足
①占地面積大
②易受病蟲害影響
③生物和水力復雜性加大了對其處理機制工藝動力學和影響因素的認識理解設計運行參數不精確因此常由于設計不當使出水達不到設計要求或不能達標排放有的人工濕地反而成了污染源
另外據已有數據,當上下表面植物密度增大時,人工濕地系統處理效率提高,在達到其最優效率時,需2~3個生長周期所以需建成幾年后才達到完全穩定的運行因此目前人工濕地技術最大問題在于缺乏長期運行系統的詳細資料
總的來說,人工濕地污水處理系統是一種較好的廢水處理方式特別是它充分發揮資源的生產潛力,防止環境的再污染,獲得污水處理與資源化的最佳效益因此具有較高的環境效益經濟效益及社會效益,比較適合于處理水量不大水質變化不很大管理水平不很高的城鎮污水,如我國農村中小城鎮的污水處理人工濕地作為一種處理污水的新技術有待于進一步改良有必要更細致地研究不同地區特征和運行數據以便在將來的建設中提供更合理的參數
摘要:人工濕地作為一種新型的污水處理系統,具有眾多的優點分析了人工濕地的特點組成分類及運行機理,總結了人工濕地系統在我國污水處理中應用的發展歷史及優勢,結合有關工程實例,得出國內應用濕地污水處理存在的問題,最后對人工濕地污水處理系統在我國的應用及前景做了展望
1人工濕地污水處理系統概述
1.1人工濕地系統的組成
人工濕地主要由三部分組成:植物微生物填料植物如蘆葦風車草等水生植物,可以直接吸收污水中的有機物作為其生長的營養物質,也可以吸附富集一些有毒的重金屬,可以將空氣中的氧氣輸送到根區,為床體中好氧和厭氧微生物提供良好的環境微生物在濕地對污水中污染物的生物降解過程中起到了重要的作用,有機物被生物膜吸附后通過微生物的呼吸作用去除填料如土壤砂子礫石等,是微生物生長的空間和場所,是濕地水生植物的載體
1.2人工濕地系統的分類
1.2.1表層流人工濕地表層流人工濕地在外貌和功能上都與自然濕地最為相似,廢水在土壤的上層水平流動,固態懸浮物被填料及根系阻擋截留,通過濕地而沉淀,同時微生物也附著在填料或植物的根莖葉上,發揮生物降解作用
1.2.2潛流人工濕地廢水從濕地表面縱向流入填料床的底部,床體處于不飽和狀態,氧可通過大氣擴散和植物傳輸進入人工濕地系統,但生物作用主要是厭氧反應
1.2.3立式流濕地水流動情況綜合了表層流式和潛流式的特點,但其建造要求高,易滋長蚊蠅,尚不多見
1.3人工濕地污水處理系統的特點
濕地系統的投資和運行費用平均僅為傳統二級污水廠的1/10～1/2費用低基本上都能達到規定的污水排放標準
據現有資料分析濕地處理系統不僅可處理以耗氧有機物和氮磷等營養物質為主的生活污水尤其是對重金屬和酸性的有機及無機礦物質污染有良好的去除效果且對負荷變化的適應能力強能全年運轉管理維護方便但北方地區冬季易結冰
2我國人工濕地污水處理系統現狀
2.1應用現狀
近年來我國在人工濕地的技術開發方面取得了一定的進展1988～1990年在北京昌平進行了表層流人工濕地處理系統的研究處理量為500t/d的生活污水和工業廢水占地2hm2水力負荷為4.7cm/dCOD去除效率為81.2%BOD去除效率為85.8%1990年7月國家環保局華南科學研究所在深圳市郊設計建成了白泥坑人工濕地污水處理試驗工程整個系統采用潛流式植物碎石體和兼性穩定塘相組合的設計COD去除效率為71%BOD去除效率為90%深圳市河流綜合治理重點工程之一的沙田人工濕地污水處理廠于2000年12月開始建設2001年7月建成投產處理規模為5000m3/d占地2萬m2COD去除效率76%BOD去除效率78%目前山東省也在積極開展人工濕地系統的設計規劃工作
人工濕地除處理生活污水外還廣泛應用于處理農業面源污染垃圾場滲濾液富營養化水體采油廢水采礦廢水等隨著研究的逐漸深入人工濕地還被用于改善飲用水源的水質如利用人工濕地改善北京官廳水庫水質出水基本滿足地面水Ⅲ類標準｜
2.2人工濕地處理污水在國內的優勢
2.2.1面源污染的控制
長期以來村鎮與社區的污水處理沒有受到應有的重視據統計95%以上的生活污水及糞便廢水被直接排入地下或江河湖泊加重了水污染控制的難度因此可將適當負荷的人工濕地污水處理系統應用于面源污染控制
2.2.2城市污水處理的經濟型模式
目前國內外普遍采用二級生化處理工藝來集中處理量大面廣的生活污水往往需要龐大的充氧曝氣設施大規模的收集管網較高的運行費用和管理水平同時去除氮磷污染物的能力較差易造成受納水體的富營養化應用人工濕地進行小型分散化的污水就地處理模式不需要大量的污水收集管網而且其建造費用可由開發商居民和政府共同承擔在某種意義上緩解了水污染日益增多與政府資金短缺之間的矛盾
2.2.3飲用水源和景觀用水的保護
人工濕地系統較能充分地利用自然中的濕地植物以及基質的自然凈化能力并在污水凈化工程中促進植物的生長增加綠化面積并為野生動物提供棲息地有利于生態環境的建設利用人工濕地處理系統處理城市公園綠地景觀水的同時也美化了環境為市民游人創造了良好的生態環境取得了顯著的社會環境和經濟效益
2.2.4人工濕地的資源化利用
人工濕地處理分散型生活污水的一個重要優勢便是經過人工濕地系統處理凈化的污水可做中水回用以解決目前普遍面臨的水資源危機在農村地區可以利用凈化后的污水用于當地農業灌溉水產養殖等在城鎮社區生活污水集中于人工濕地系統處理后可直接用于社區的花木澆灌等兼具了綠化和美化小區環境的作用
2.2.5其他
此外在人工濕地系統推廣種植用于生產生物質能源的植物具有很大的經濟潛力目前多數能源植物的研究尚處于實驗和示范階段而我國在能源植物作為濕地植物種植方面所開展的工作幾乎空白
2.3國內應用濕地污水處理存在的問題
2.3.1工藝存在的問題
我國在人工濕地系統應用中普遍存在的問題有
①淤積阻塞造成這種情況的原因往往是污水沒有經過預處理直接排入濕地或是在人工濕地運行的初期植物根系不發達導致去除懸浮物能力較差有些情況下甚至是由于進水水力負荷太大或是洪水暴雨對人工濕地床體的沖擊而造成堵塞
②坡降變化由于水流的不斷流動沖刷造成處理單元的坡降發生改變致使配水不均增加了單位面積處理單元的水力負荷同時也使得有機負荷的區域分配不均降低了處理效果
③水生動植物對處理系統的影響
④對周圍土壤有滲透的影響
2.3.2土地資源可利用性的制約
一般來說人工濕地處理負荷較低因此占地面積較大以深圳沙田污水廠為例處理1m3污水需要濕地的面積為1.88m2如果考慮前期處理總用地為4m2/m3如果以每人每天平均用水300L計算則平均處理一個人每天所產生的污水便需要1.2m2的面積由深圳白泥坑人工濕地污水處理試驗工程可知處理1m3污水需要濕地的面積為2.7m2左右相較于傳統生化二級處理單位污水處理用地明顯較大特別是我國大部分地區土地資源都較為緊張的情況下人工濕地污水處理系統的應用更受影響
2.3.3氣候條件的制約
我國南方地區洪水及雨季對人工濕地的運行影響很大往往改變了實地處理單元中的坡降甚至淹沒濕地嚴重影響了系統而在北方地區氣溫則是影響構建濕地運行的最重要因素系統的處理效率最低或者甚至為零
2.3.4缺乏相關的數據和統一規范
由于我國人工濕地污水處理技術起步較晚且目前投入運行試驗的人工濕地污水處理系統較少所以關于人工濕地的設計建造運行維護等過程的相關數據和資料目前還沒有系統的統計和整理長期運行系統的數據也缺乏可靠積累
3展望
人工濕地是一種很有發展前景的污水處理系統今后應該從以下幾個方面尋求新的突破
3.1建立人工濕地數據庫
由于各地的氣候條件,濕地規模負荷率幾何布置植物種類構成及廢水的類型構成等變化很大因而對人工濕地很難有統一的設計和運行參數因此建立必要的數據庫有助于濕地系統的設計和管理維護
3.2進一步探索人工濕地機理
由于其所涉及機理的復雜性和領域的廣泛性雖然有些機理研究已經得到初步的認可但是仍有許多問題需要進一步研究比如目前仍未完整地建立起各種污染物的去除反應動力學模型現有的模型基本為一些經驗模型而無法得到廣泛的應用
3.3改良人工濕地技術
目前世界各國都投入了大量精力以改良人工濕地技術將一些傳統污水處理技術引入人工濕地除了對現有的人工濕地系統進行研究以改良和優化工程設計參數外對系統的長期運行能力和管理問題也正在得到深入研究例如選擇適當的操作方式,以防止填料的堵塞;選擇新型的填料,以確保長期的除磷效果;選擇新型的水生植物,以提高濕地系統的綜合效益等
3.4加強濕地植物生物質能的利用研究
濕地植物具有很大的生物質能價值開發合適的經濟的生物質能的利用技術最大化人工濕地系統資源利用在發揮其生態效益的同時可增加一定的經濟效益
