蔣小梅

(湖南先導(dǎo)洋湖再生水有限公司,湖南 長沙 410208)

全球范圍內(nèi),水資源短缺和環(huán)境污染問題已成為當(dāng)前的重大社會挑戰(zhàn)之一。在此背景下,城市污水處理技術(shù)得以快速發(fā)展,其中人工濕地系統(tǒng)作為一種新型的污水處理技術(shù),受到普遍關(guān)注和研究。人工濕地可以模擬天然濕地生態(tài)系統(tǒng),從而實現(xiàn)類似于生態(tài)修復(fù)的效果,去除有機(jī)物質(zhì)和重金屬等污染物[1]。相對于傳統(tǒng)的污水處理方法,人工濕地具有操作簡單、能耗低和處理效果穩(wěn)定等優(yōu)點,同時還能提升景觀效益和生態(tài)效益[2]。推廣和應(yīng)用人工濕地技術(shù),不僅可以解決污水處理問題,還能夠提升城市和鄉(xiāng)村的環(huán)境質(zhì)量。盡管人工濕地系統(tǒng)在污水處理方面已經(jīng)取得了長足的發(fā)展,但目前仍存在一些問題和不足,如處理效率較低、容易堵塞、占地面積大、處置過剩污泥等方面尚需進(jìn)一步完善和優(yōu)化。本文主要介紹了人工濕地技術(shù)的原理、分類、應(yīng)用、研究進(jìn)展和展望。最后指出,未來需要在人工濕地的設(shè)計、建設(shè)、管理、經(jīng)濟(jì)效益評估、可持續(xù)發(fā)展等方面不斷創(chuàng)新和完善,以更好地發(fā)揮人工濕地技術(shù)的優(yōu)勢,應(yīng)對當(dāng)前全球水資源短缺和環(huán)境污染問題,實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用,并提出今后的發(fā)展方向和建議,為相關(guān)領(lǐng)域從業(yè)人員提供參考依據(jù)。

1 人工濕地系統(tǒng)的種類及機(jī)理

1.1 人工濕地的種類

人工濕地系統(tǒng)類型主要包括表面流人工濕地、潛流人工濕地、垂直流人工濕地及水平潛流人工濕地[3]。不同類型的人工濕地系統(tǒng)在處理效果和適用場景方面有所差異。

表面流人工濕地通過建造水面瀉湖或者人工河道,讓廢水在水面上流動,借助濕地植物的吸收、降解和物理化學(xué)作用,達(dá)到處理水質(zhì)的目的。它的處理效果較好,適用于處理一些污水流量比較小,處理效果要求較高的場所,如城市景觀水體、污染水體的二次治理等。

潛流人工濕地是通過地下的礫石、沙子和根系為基質(zhì),以及水平分布的入水口和出水口構(gòu)成的,又稱為水平滲流濕地。它是一種將廢水流轉(zhuǎn)于濕地底層的人工濕地系統(tǒng)。它的處理效果穩(wěn)定,適用于污水處理量較大、處理壓力較大的場所,如城市污水處理廠。

垂直流人工濕地是一種廢水通過一系列濕地植物和介質(zhì)的物理、化學(xué)、生物反應(yīng)后,經(jīng)過一定的深度過濾后,最終從人工濕地出口排放的人工濕地種類。其運行過程中廢水以垂直方向流動,進(jìn)入濕地后經(jīng)過濾材、濕地植物根系、微生物群落等多重凈化過程,最終得到凈化的水體。垂直流人工濕地的處理效果較好,適用于水量較小、需求較高的場所,如小區(qū)和廠區(qū)等。

水平潛流人工濕地是一種基于垂直流人工濕地而發(fā)展的人工濕地系統(tǒng)。其流動方式和潛流人工濕地類似,但將設(shè)計垂直流人工濕地時的增殖階段替換為反應(yīng)器階段和沉淀階段,從而減少了所占用的土地面積,同時也不降低處理效果。它適用于水量較大、處理壓力較小的場合,如工業(yè)廠區(qū)和農(nóng)村污水處理等。綜上所述,人工濕地在污水處理廠中具有多種類型和應(yīng)用場景,其應(yīng)用對于改善環(huán)境生態(tài),提高城市水質(zhì)具有重要意義。

1.2 應(yīng)用機(jī)理

人工濕地在污水處理廠中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用并且顯示出良好的凈化效果。其應(yīng)用機(jī)理包括生化作用、吸附作用和微生態(tài)調(diào)節(jié)作用等多個方面[4-6]。以下將從不同角度詳細(xì)闡述人工濕地系統(tǒng)在污水處理中的應(yīng)用機(jī)理。

1.2.1 生化作用

生化反應(yīng)是人工濕地系統(tǒng)中最主要的應(yīng)用機(jī)理之一。濕地環(huán)境中有機(jī)物在人工濕地系統(tǒng)中通過微生物和植物的作用被迅速分解、氧化和吸收,降解成碳酸鹽和水等無害物質(zhì)。微生物群落領(lǐng)域的相互影響以及環(huán)境因素的作用對該過程的實現(xiàn)起到關(guān)鍵作用[7]。

1.2.2 吸附作用

一些植物能夠通過根系吸附鐵、鋅、錳等重金屬離子和色素物質(zhì),使得這些有害物質(zhì)被固定在植物根系周圍的土壤和沉積物中,不再進(jìn)入水體。此外,基質(zhì)材料以及附著的微生物也能夠吸附一些有害物質(zhì),從而提高人工濕地系統(tǒng)的處理效率。這種吸附作用可以有效地去除污水中的有色成分和有害金屬離子,提高了人工濕地的水質(zhì)凈化效果。

1.2.3 微生態(tài)調(diào)節(jié)作用

微生態(tài)調(diào)節(jié)作用也是人工濕地系統(tǒng)的一個重要應(yīng)用,它指的是通過建立適宜微生物生存繁殖的環(huán)境,利用微生物對有機(jī)污染物和營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行凈化降解,從而改善水體水質(zhì)的一種方法。在人工濕地系統(tǒng)中,植物根系提供底物和氧氣,為微生物生長提供條件,同時微生物也能為植物提供養(yǎng)分和促進(jìn)其生長。

2 人工濕地系統(tǒng)在污水處理中的應(yīng)用效果

人工濕地系統(tǒng)在本質(zhì)上是一種通過生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建實驗,模仿了經(jīng)常發(fā)生于天然濕地的物理,化學(xué)和生物過程[8-9]。因此,它不僅具有成本低、能耗低及自凈能力外,還具有其他優(yōu)點。

2.1 可降解多種污染物

人工濕地處理系統(tǒng)不僅能夠去除污水中的氮、磷等有機(jī)物質(zhì),還能去除一些重金屬和持久性有機(jī)污染物。這是因為人工濕地系統(tǒng)內(nèi)的微生物和植物可以吸收、降解廢水中的有害物質(zhì),使其轉(zhuǎn)化為低毒或無毒形式并最終達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。研究表明,在人工濕地系統(tǒng)中,植物可以對銅、鎘、鋅等重金屬離子和某些雜質(zhì)物質(zhì)進(jìn)行吸附。同時,微生物對于廢水中的有機(jī)物去除效果也很好。

2.2 減少過剩污泥產(chǎn)生

相比傳統(tǒng)的污水處理方法,人工濕地系統(tǒng)因使用天然微生物群落進(jìn)行廢水降解,其產(chǎn)生的污泥產(chǎn)量要比傳統(tǒng)污水處理設(shè)備少得多。這不僅降低了后期處置成本,也符合當(dāng)今提倡的可持續(xù)發(fā)展理念。

2.3 能耗低且具有資源回收價值

人工濕地系統(tǒng)具備一定的資源回收能力,如通過利用植物的生長來收集和利用廢水中的營養(yǎng)物質(zhì),進(jìn)而用于農(nóng)業(yè)灌溉或制造肥料等方面。同時,人工濕地處理技術(shù)較為簡單,對能源和水資源的消耗也比傳統(tǒng)的污水處理方法要少,可以降低排放成本。

2.4 生態(tài)環(huán)境的改善

人工濕地的生態(tài)系統(tǒng)具有較高的適應(yīng)性和復(fù)原能力,將污水處理與環(huán)境修復(fù)相結(jié)合,有利于生態(tài)環(huán)境的改善,并能保持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性,提高地區(qū)生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量。

3 實踐案例分析

湖南某污水處理廠采用了三級人工濕地工藝進(jìn)行污水的處理,這種處理方式充分利用了植物和微生物的生長代謝作用,能夠高效、低成本地對污水進(jìn)行有效凈化。該廠首先將進(jìn)口污水排入一級植物塘,經(jīng)過植物和微生物進(jìn)行初步的改善與凈化,出水經(jīng)過中間配水河道排入二級植物塘,通過水生植物吸收和吸附降解污染物,在二級濕地中可以去除更多的懸浮物、有機(jī)物和氮磷等雜質(zhì)。二級濕地出水通過集水渠排至含快速過濾區(qū)的三級人工濕地,進(jìn)一步凈化污水。在三級人工濕地中,結(jié)合了表面流和水平潛流人工濕地的組合方式,以最大化凈化水體。最后,經(jīng)處理的污水進(jìn)入植物塘,進(jìn)一步提升水質(zhì)。整個處理過程幾乎沒有化學(xué)物質(zhì)的使用,主要采用植物與微生物協(xié)同作用,使水體得到高效、低成本的處理。通過這種處理方式,不僅能夠有效凈化污水,還能提供一定量的水資源,很大程度上減少了水污染源對環(huán)境的影響[10-12]。該項目采用三級人工濕地工藝進(jìn)行污水處理,不僅能夠有效解決城市污水排放問題,還具有環(huán)保、低成本、高附加值等優(yōu)點,為城市發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)做出了重要貢獻(xiàn)。

南京某大型污水處理廠建有生化池、二沉池等處理設(shè)施。由于城市化進(jìn)程加速,污水處理廠的處理對象量逐年增加,處理工藝也逐漸升級。為了進(jìn)一步提高廢水處理的效率,該廠于2014年開始引進(jìn)人工濕地技術(shù)。該人工濕地是一種基于河流生態(tài)學(xué)原理設(shè)計的人工濕地,其主要由水生植被、浮萍、沉積物等組成。其中,水生植物是人工濕地的重要組成部分,它可以吸收大量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì),從而達(dá)到去除廢水中營養(yǎng)物質(zhì)的目的。同時,在濕地中還生長著一些浮萍,它們可以通過吸附的方式,去除水體中的COD和BOD。經(jīng)過長時間運行實踐,該人工濕地技術(shù)出水水質(zhì)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)。同時,該技術(shù)對于降低處理成本、提高效率、增強(qiáng)環(huán)境保護(hù)也有顯著的作用。

美國明尼蘇達(dá)州格蘭德馬拉斯市也采用人工濕地來處理污水并改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境。該市的污水處理廠于1988年投入運行,采用人工濕地作為主要的處理工藝。在處理過程中,污水首先通過格柵和沉淀池等設(shè)施進(jìn)行初步處理,然后流入人工濕地系統(tǒng)[13]。在人工濕地系統(tǒng)中,植物通過吸收和代謝廢水中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì),同時將其釋放到空氣中,起到凈化空氣的作用。微生物則通過生物降解的方式將有機(jī)物質(zhì)分解為較簡單的化合物,從而減少廢水中的COD和BOD等有機(jī)污染物質(zhì)。此外,在人工濕地的沉積層中,還可以發(fā)現(xiàn)大量的微生物,它們可以吸附和去除水中的重金屬和其他有害物質(zhì)。經(jīng)過人工濕地系統(tǒng)的處理,廢水的質(zhì)量得到了明顯的改善,并達(dá)到了國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。此外,人工濕地系統(tǒng)對于鳥類、爬行動物和昆蟲等野生動物的生存和繁殖也提供了良好的生境。通過這種方式,項目不僅可以有效去除污染物質(zhì),還能夠保護(hù)自然環(huán)境,實現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會的協(xié)同發(fā)展。這個項目得到了當(dāng)?shù)卣褪忻竦膹V泛認(rèn)可和支持,成為公共環(huán)保事業(yè)的重要組成部分。

人工濕地技術(shù)是一種有效的廢水處理方法,具有環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、低能耗、易操作等優(yōu)點。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)村污水、城市污水、工業(yè)廢水等領(lǐng)域[14-15]。在實際應(yīng)用中,要注意人工濕地不同于傳統(tǒng)的化學(xué)和生物處理工藝,其處理效率以及穩(wěn)定性受到多種因素影響。因此,在設(shè)計和運營人工濕地污水處理系統(tǒng)時,要充分考慮環(huán)境因素,如氣候、地形和植被等,同時關(guān)注植物的物種適應(yīng)性和生長能力。此外,在運營過程中,需要實時監(jiān)控廢水的處理效果和植物生長情況,及時調(diào)整運營方式,確保最佳的技術(shù)效果。同時,為保護(hù)人工濕地的生態(tài)系統(tǒng),需要注意避免污水中含有有害物質(zhì)等對生態(tài)系統(tǒng)造成的破壞。

4 結(jié)論

人工濕地技術(shù)作為一種環(huán)保、低能耗、高效益的廢水治理技術(shù),已被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。該技術(shù)通過模擬天然濕地的生態(tài)系統(tǒng)功能和特性,利用植物、土壤和微生物等生物體系,以及多種物理、化學(xué)和生物過程將廢水中的污染物去除或降解,在達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的同時減少資源浪費。在國內(nèi)外廣泛實踐與研究的基礎(chǔ)上,人工濕地技術(shù)已經(jīng)具有成熟可行的特點,但是對于不同類型的污染物、不同尺度的設(shè)計、建設(shè)和管理等方面仍需要不斷優(yōu)化和創(chuàng)新。因此,在今后的實踐中,應(yīng)重點關(guān)注如何進(jìn)一步提高處理效率、探索可持續(xù)發(fā)展路徑、積累優(yōu)秀的案例經(jīng)驗并加強(qiáng)示范推廣等方面。

5 展望

人工濕地技術(shù)在污水處理領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛認(rèn)可和應(yīng)用,但是仍需要在以下方面進(jìn)行研究和完善:

(1)優(yōu)化設(shè)計和構(gòu)建:在人工濕地的建設(shè)過程中, 應(yīng)針對不同來源、不同性質(zhì)的污水,在設(shè)計、施工和運維過程中考慮和掌握對應(yīng)的物理化學(xué)參數(shù),并根據(jù)實際需求構(gòu)建適合不同污水類型的人工濕地。另外,如何更好地選擇植物物種和監(jiān)測設(shè)備等因素,以實現(xiàn)最佳的廢水凈化方式,仍需進(jìn)一步研究。

(2)提高人工濕地處理效率:目前人工濕地處理系統(tǒng)的去除效率仍然存在提升空間,特別是在對難以降解有機(jī)污染物和重金屬等污染物的去除方面,需要進(jìn)行深入的研究和技術(shù)應(yīng)用。

(3)植物選擇與養(yǎng)護(hù)研究:針對人工濕地中常見的水生植物,在其適應(yīng)性、吸附性、易壞性等方面進(jìn)行研究和應(yīng)用,以進(jìn)一步加強(qiáng)人工濕地的穩(wěn)定性和治理效果。

(4)應(yīng)對氣候變化:隨著氣候變化的影響越來越明顯,人工濕地設(shè)計和運營需要考慮氣候極端事件的影響,并采取相應(yīng)的措施來確保水資源的可持續(xù)性和安全。

(5)系統(tǒng)運營管理和監(jiān)測優(yōu)化: 提高現(xiàn)代化程度,將先進(jìn)的監(jiān)測和控制儀器和方法引入人工濕地治理系統(tǒng)中,并采用先進(jìn)的科學(xué)管理方法,提高人工濕地運行效率和監(jiān)測信息的準(zhǔn)確。

(6)經(jīng)濟(jì)效益評估:人工濕地技術(shù)在實踐中顯示出一定的經(jīng)濟(jì)效益,但仍然需要更深入的評估,以便更好地指導(dǎo)決策和投資。

(7)可持續(xù)發(fā)展:在人工濕地技術(shù)的應(yīng)用中,需要考慮社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)性的問題,以確保長期可持續(xù)利用。

(8)加強(qiáng)示范推廣:需要加強(qiáng)對人工濕地技術(shù)的示范推廣,向更多的城市和地區(qū)推廣應(yīng)用,同時加強(qiáng)對人工濕地技術(shù)的宣傳和普及。

(9)加強(qiáng)國際合作:需要加強(qiáng)與國際相關(guān)領(lǐng)域的交流和合作,借鑒國際先進(jìn)經(jīng)驗,推動中國人工濕地技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。