范瑩　劉芊宏

摘要：文章介紹了人工濕地的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)人工濕地及其對(duì)不同污染物的污水處理原理進(jìn)行了闡述，針對(duì)人工濕地污染物處理系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素進(jìn)行了具體的說(shuō)明，并結(jié)合人工濕地系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，介紹了其污水處理方法及流程。

關(guān)鍵詞：人工濕地；污水處理技術(shù)；去除機(jī)理；廢水；懸浮物去除；有機(jī)物去除 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：X703 文章編號(hào)：1009-2374（2016）30-0099-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.048

1 概述

隨著工業(yè)化發(fā)展，污水處理技術(shù)的發(fā)展和提高成為目前亟待解決的問(wèn)題，而人工濕地技術(shù)作為一種可持續(xù)發(fā)展的污水處理技術(shù)方法也越來(lái)越引起人們的重視和研究，追溯其歷史來(lái)源于1953年德國(guó)Kathe Seidel博士研究發(fā)現(xiàn)了蘆葦能去除大量無(wú)機(jī)和有機(jī)污染物，隨之激發(fā)了德國(guó)以及整個(gè)歐洲在這方面的研究，目前人工濕地技術(shù)已在歐洲得到了普遍的推廣應(yīng)用。而我國(guó)在人工濕地技術(shù)方面的研究起步較晚，1987年建立了第一個(gè)人工濕地，最初的人工濕地技術(shù)也僅僅應(yīng)用在生活污水的處理上，具有處理污水出水水質(zhì)穩(wěn)定、對(duì)氮磷等有很強(qiáng)的去除能力、系統(tǒng)管理方便等特點(diǎn)，目前已逐漸推廣至工業(yè)廢水、養(yǎng)殖廢水等領(lǐng)域中，代表了人工濕地技術(shù)在未來(lái)發(fā)展的一個(gè)新趨勢(shì)。

2 人工濕地污水處理系統(tǒng)及原理

2.1 人工濕地概述

人工濕地通常是由填料層、微生物、水生植物、脊椎和無(wú)脊椎動(dòng)物、水體5大部分組成，人工濕地系統(tǒng)一般可以分為3類，如表1所示：

由表1可以看出，表面流濕地由于以自然泥土作為基質(zhì)，經(jīng)濟(jì)上建設(shè)花費(fèi)較小，且人工濕地表面有較充足的氧氣，但由于其污水僅僅在表面流動(dòng)，所以占地面積大，且水力負(fù)荷較低，處理效率低下；垂直流濕地屬于構(gòu)造性人工潛流濕地，處理效率很高，尤其是針對(duì)氮磷的處理效率，且不容易堵塞，但是系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜且經(jīng)濟(jì)建設(shè)花費(fèi)很高；水平潛流濕地是將需要處理的污水在填料層從進(jìn)水端水平流向出水端，所以有很好的保溫效果，因此有效地降低了惡臭以及蚊蠅產(chǎn)生的可能，對(duì)有機(jī)物以及重金屬的去除效果尤其好。通常會(huì)針對(duì)這三種濕地系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)建立組合人工濕地，以達(dá)到高效的污水去除效果。

2.2 人工濕地污水處理原理

人工濕地系統(tǒng)主要是人工投放鋪設(shè)的基質(zhì)、種植的植物、引進(jìn)微生物等形成一個(gè)微小局部的生態(tài)系統(tǒng)，形成了生態(tài)污水處理系統(tǒng)。下面我們將簡(jiǎn)要介紹人工濕地的集中污染物去除機(jī)理。

2.2.1 懸浮物去除。污水進(jìn)入濕地系統(tǒng)時(shí)，懸浮物去除主要由濕地中的重力沉降、生物群落的吸附、絮凝共同作用完成。如果懸浮物含量比較高，那么可以通過(guò)設(shè)置格柵、沉砂池、沉淀池、厭氧沉淀塘等預(yù)處理設(shè)施，去除污水中的懸浮物，同時(shí)濕地中的多種微生物也會(huì)發(fā)生降解分解、代謝吸收、沉降等多種作用而同化組成細(xì)胞的成分，從而達(dá)到去除懸浮固體的作用。

2.2.2 有機(jī)物去除。有機(jī)物的去除都可以通過(guò)微生物降解去除，其中有機(jī)物中的可溶性的有機(jī)物可以通過(guò)植物吸收、轉(zhuǎn)化，微生物降解等過(guò)程去除，不溶性的有機(jī)物主要通過(guò)填料的沉淀、過(guò)濾等物理作用去除。

2.2.3 磷的去除。人工濕地對(duì)磷的去除是通過(guò)微生物的氧化分解、植物分解、化學(xué)作用以及物理沉積等。其中物理作用主要是磷通過(guò)自身的重力作用以及濕地中的基質(zhì)及植物根系阻攔而慢慢沉淀；化學(xué)作用主要是由于人工濕地中的磷會(huì)和其他的鐵、鈣、鎂、鋁等陽(yáng)離子發(fā)生離子交換等化學(xué)沉淀作用。植物分解和同化作用主要是經(jīng)過(guò)植物攝取、轉(zhuǎn)化、植物吸收等，儲(chǔ)存在一些水生植物體內(nèi)的磷會(huì)隨著植物的枯萎死亡而重新釋放回水體中。如果以除磷為目的，可定期從濕地系統(tǒng)中收割植物。微生物作用主要是通過(guò)同化作用和超荷積累兩種方式實(shí)現(xiàn)的，同化作用是自氧微生物和異氧微生物吸收、轉(zhuǎn)換磷來(lái)實(shí)現(xiàn)。而超荷積累則是微生物在特定水體環(huán)境中，對(duì)磷的一種過(guò)度積累現(xiàn)象。

2.2.4 氮的去除。人工濕地氮的去除主要通過(guò)揮發(fā)、氨化、植物吸收、硝化和反硝化以及基質(zhì)吸附等途徑。同時(shí)由于氮也是植物、微生物細(xì)胞等所需的營(yíng)養(yǎng)元素，所以一部分氮被植物、微生物吸收同化。一般人工濕地在中性和弱堿性之間，可采用收割去除的方法，當(dāng)處理低濃度污水時(shí)，有很好的效果。

2.3 人工濕地污水處理系統(tǒng)

在人工濕地污水處理系統(tǒng)中，如圖1中系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于濕地的水流方式、污水的停留時(shí)間以及濕地有效面積等，其中濕地的水流方式常見(jiàn)的有推流式、階梯進(jìn)水式、回流式以及綜合式。污水的停留時(shí)間則可以定義為可用容積和平均水量的比值，即是：

式中：t代表污水的停留時(shí)間；V是濕地容積（m3）；ε是濕地孔隙率；Q是平均流量。

人工濕地的面積一般根據(jù)進(jìn)出水中BOD5的濃度來(lái)確定，針對(duì)不同類型的人工濕地系統(tǒng)有不同的計(jì)算方法。針對(duì)表面流人工濕地，為了計(jì)算方便，在確定了水力負(fù)荷的前提下，通?？梢圆捎萌缦鹿接?jì)算表面流濕地面積：

式中：S代表濕地表面積（m2）；Q代表流量（m3）；代表水力負(fù)荷（cm/d）。

對(duì)于垂直潛流人工濕地，可由下列公式計(jì)算：

式中：S是濕地面積；Ci是進(jìn)水BOD5值（mg/L）；Co是出水BOD5值；Vf是分批進(jìn)料中每次的進(jìn)水量；t是兩次進(jìn)水的間隔時(shí)間；h是濕地深度；k1是吸附參數(shù)；k2是反應(yīng)參數(shù)。對(duì)于水平流人工濕地，其設(shè)計(jì)比較成熟，一般采用Kickuth方程：

式中：S是濕地表面積；Q是污水日流量；Ci是進(jìn)水BOD5值（mg/L）；Co是出水BOD5值；k為常數(shù)。

3 人工濕地的應(yīng)用

人工濕地技術(shù)處理污水目前已經(jīng)從最初的處理生活污水拓展到各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，下面我們將具體介紹人工濕地技術(shù)處理生活污水、養(yǎng)殖廢水、橡膠廢水、油田廢水以及造紙廢水等的方法。

3.1 生活污水

近年來(lái)隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市生活污水排放量也隨之增加。傳統(tǒng)的生化處理技術(shù)對(duì)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除效果不佳，且基建投資大，運(yùn)行費(fèi)用高，而人工濕地技術(shù)具有投資少、效果好、運(yùn)行維護(hù)方便的特點(diǎn)，為綜合解決上述問(wèn)題提供了一條新途徑。目前利用人工濕地處理生活污水國(guó)內(nèi)已提出多種方法進(jìn)行了測(cè)試并逐步投入使用，例如通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析間歇流人工濕地對(duì)生活污水的處理性能，間歇流可以有效緩解植物根系氧氣釋放不足的缺點(diǎn)，從而達(dá)到污染物去除；另外采用實(shí)際實(shí)驗(yàn)證明，采用改進(jìn)的三級(jí)串聯(lián)垂直流人工濕地對(duì)城市污水處理廠的二級(jí)出水進(jìn)行深度凈化處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該人工濕地對(duì)城市生活污水深度凈化效果顯著，出水水質(zhì)也達(dá)到了很好的效果。

3.2 養(yǎng)殖廢水

養(yǎng)殖廢水主要是牲畜的排泄物和沖洗水的混合物，所以污水中氮磷、有機(jī)物、高懸浮物含量較高，臭味大，是一種高濃度有機(jī)廢水，通過(guò)對(duì)含高濃度有機(jī)物和氮磷的養(yǎng)殖場(chǎng)污水采用復(fù)合垂直流人工濕地進(jìn)行處理，結(jié)果表明，隨著硝化反應(yīng)的進(jìn)行，pH值降低；循環(huán)出水通過(guò)引入部分氧氣，延長(zhǎng)了污染物和附著于植物根系微生物的接觸時(shí)間，提高了對(duì)污染物的去除率。

3.3 人工濕地處理橡膠廢水

橡膠生產(chǎn)廢水主要是浮膠顆粒、植物蛋白、橡膠乳清、糖類、脂肪等大分子有機(jī)污染物，同時(shí)由于生產(chǎn)過(guò)程有氨水、甲酸，導(dǎo)致廢水中污染物含量很高，利用潛流式人工濕地處理橡膠廢水，結(jié)果主要污染物COD、BOD5等去除率較高，系統(tǒng)耐沖擊負(fù)荷強(qiáng)，出水水質(zhì)穩(wěn)定。

3.4 人工濕地處理油田廢水

目前現(xiàn)有三種方法處理油田廢水：第一，采用自由表面流的蘆葦濕地處理超稠油廢水，經(jīng)過(guò)處理后的水大大減小了對(duì)土壤的污染程度，同時(shí)對(duì)蘆葦自身的生長(zhǎng)并沒(méi)有產(chǎn)生損害；第二，采用香根草、蒲草以及蘆葦?shù)却罱ㄈ斯竦夭⑦M(jìn)行處理煉油廢水，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，搭建的人工濕地在前期對(duì)煉油廢水有很高的凈化效率，尤其是氨氮等，但隨著時(shí)間推移，其凈化效果也隨之出現(xiàn)一定程度的下降，然后逐步趨于穩(wěn)定；第三，采用工廠式生物處理和人工濕地相結(jié)合的方法處理采油污水，目前也已經(jīng)投入使用，達(dá)到了很好的效果，且系統(tǒng)運(yùn)行也相對(duì)比較穩(wěn)定。

3.5 造紙廢水

人工濕地對(duì)于造紙廢水的處理也有廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樗軌虺浞掷没|(zhì)微生物植物這個(gè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物三重協(xié)調(diào)作用，通過(guò)過(guò)濾、離子交換、植物吸收以及微生物分解等來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)造紙廢水的高效凈化，同時(shí)通過(guò)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的生物循環(huán)實(shí)現(xiàn)廢水的資源化和無(wú)害化。

4 結(jié)語(yǔ)

人工濕地作為一種可持續(xù)發(fā)展的污水處理技術(shù)手段，從最初的僅應(yīng)用在生活污水的處理中，目前已被投入到廣泛的應(yīng)用中，并取得了很好的效果和效益，雖然人工濕地在污水處理方面的應(yīng)用仍然存在一些問(wèn)題，但隨著人們環(huán)保意識(shí)的日益提高以及人工濕地技術(shù)的不斷提高和完善，人工濕地技術(shù)在污水處理的各個(gè)領(lǐng)域?qū)?huì)發(fā)揮更大的作用。

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