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人工湿地
人工湿地

一、人工湿地污水处理技术原理

       人工湿地的工艺原理是利用自然生态系统中物理、化学和生物的三重共同作用来实现对污水的净化。这种湿地系统是在一定长宽比及底面有坡度的洼地中,由土壤和填料(如卵石等)混合组成填料床,污染水可以在床体的填料缝隙中曲折流动,或在床体表面流动。在不同材质、不同粒径配比的基质填料上种植特定的处理性能好、成活率高的净水植物,形成一个独特的动植物生态环境,对污染水进行处理,从而成为人工建造的、可控制的、工程化的湿地生态系统。当污水通过湿地系统时,其中的污染物质通过沉积、过滤、吸附和分解等作用得到净化。同时,人工湿地中的植物除了增加湿地基质的透水性,还能与周围环境的原生动物、微生物等形成各种小环境,通过氧的传递,形成特殊的根际微生态环境,这一微生态环境具有很强的净化废水的能力。研究表明,城市污水在3~5 h 内流过200 hm2 以上的沼泽湿地后,硝酸盐即可减少63%,磷减少57%。人工湿地对磷的去除是通过植物的吸收、微生物的积累和填料床的物理化学等几方面的共同协调作用完成的。由于该系统出水质量好,适合于处理饮用水源,或结合景观设计,种植观赏植物改善风景区的水质状况。

二、人工湿地对污水的净化机理

悬浮物的去除

      废水中的悬浮物是依靠人工湿地的拦截、吸附、絮凝和胶体颗粒的沉淀作用去除的。大量植物根系和饱和状态的基质, 使固体悬浮物被根系和基质阻拦、截留。因此, 湿地系统像一个过滤器, 使悬浮物通过在基质和根区表面的重力沉淀、渗透和吸附作用而被分离去除。

溶解物质的去除

       污水中的溶解有机污染物, 通过植物根系的吸收和吸附, 以及植物根际周围和土壤基质中微生物的分解代谢作用, 最终被降解为甲烷、二氧化碳和水得以去除。其中, 根际微生物和根际分泌物起到了重要的作用。根际微生物不仅能自己降解吸收有机污染物, 而且其分泌物的酶类也能降解有机污染物。而根际分泌物不仅能为微生物提供能源, 提高微生物对有机污染物的降解效率(根际微生物的数量很大程度取决于植物根际分泌物中所含氨基酸、有机酸、糖类等物质的种类和数量) , 而且其分泌的酶类对有机污染物也有直接的降解作用。

氮的去除

       污水中的氮一般以两种形式存在: 无机氮(NO3- N) 和有机氮(NH4 - N) 。水中氮的去除转化包括很多过程, 其中一部分氮可以被湿地中的植物吸收, 合成植物体内物质, 最终通过植物的收割得以去除。另外, 基质也可通过一些物理和化学的途径, 包括吸收、吸附、过滤等去除污水中的一部分氮。但是氮主要还是在微生物的作用下通过硝化、反硝化反应来去除的。湿地中的大型植物根系上附着生物膜, 有着好氧、厌氧和缺氧区域。原因是处于饱和状态的基质中生长的水生植物, 可以增加湿地基质的透气性, 同时湿地植物能将空气传输到其根部, 由于扩散作用, 这些空气在植物的每一须根周围形成一层薄薄的好氧区, 在这一微小的好氧区中会发生硝化反应。而对于氧扩散不到的区域, 形成厌氧区发生反硝化反应。湿地中存在着无数的好氧、厌氧区, 这就相当于多个A- O 反应器组合, 保证了较好的脱氮效果。

磷的去除

       人工湿地对磷的去除, 是通过植物的吸收、微生物的积累和土壤颗粒吸附等共同作用完成的。废水中的无机磷部分在植物的吸收和同化作用下, 被合成A TP 等有机成分, 最后通过植物的收割而被去除。微生物对磷的去除, 包括对磷的正常吸收和过量累积。由于人工湿地特殊的好氧、厌氧状态, 磷细菌能将有机磷转化成简单的磷化合物, 供植物和微生物吸收, 并在厌氧条件下提供短链脂肪酸。
       此外, 湿地中土壤颗粒对磷的吸收也是非常重要的去磷过程, 吸附容量和土壤中所含铁、铝、钙化合物的含量有关。在好氧条件下的中性至酸性环境中, Fe3+ 可以与磷结合生成稳定的化合物。若土壤环境变为厌氧, 则Fe3+ 会被还原成Fe2+ , 这就会导致吸附能力降低和对磷的释放。钙对磷的吸收只发生在中性环境中。此外, 每一个土壤颗粒都有一定的吸附容量, 当土壤颗粒的吸附空间被占满之后, 吸附作用将不再发生。

重金属的去除

       湿地中金属的去除机制包括离子交换、与湿地中的基质螯合, 或转化为不可溶的硫酸盐、碳酸盐、氢氧化物等沉淀。主要过程是不可溶重金属随悬浮颗粒沉淀得以去除, 溶解性重金属通过与基质和沉淀物的离子交换和络合作用, 以难溶性化合物的形式沉淀或者被植物所吸收。重金属会对植物产生毒害作用, 但是有些植物在吸收重金属后会分泌一些物质和重金属络合, 从而消除了金属的毒性。不可溶金属的去除类似于TSS 的机制。另外, 通过PH 和氧化还原电位的调节, 使这些不可溶金属转化为可溶性金属, 被植物和细菌等所吸收。

三、人工湿地的优缺点

      人工湿地污水处理系统是一个综合的生态系统,具有如下优点:
       ①建造和运行费用便宜;
       ②易于维护,技术含量低;
       ③可进行有效可靠的废水处理;
       ④可缓冲对水力和污染负荷的冲击;
       ⑤可提供和间接提供效益,如水产、畜产、造纸原料、建材、绿化、野生动物栖息、娱乐和教育。
       不足:
       ①占地面积大;
       ②易受病虫害影响;
       ③生物和水力复杂性加大了对其处理机制、工艺动力学和影响因素的认识理解,设计运行参数不精确,因此常由于设计不当使出水达不到设计要求或不能达标排放,有的人工湿地反而成了污染源。

四、人工湿地类型和特点

       目前在国内外主要研究的人工湿地有:自由表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地三种。选用人工湿地类型时,应根据污水的水质和各个地方的实际情况来定。下面分别介绍三种湿地的处理原理及各自的特点。

1、自由表面流人工湿地

       自由表面流人工湿地,废水在湿地表面漫流,系统中氧的来源主要靠水体表面扩散、植物根系的传输和植物的光合作用,绝大部分有机物是由生长在植物水下茎、杆上的生物膜去除的。这种类型的人工湿地具有投资少、操作简单、运行费用低等优点,但占地面积较大,水力负荷率较小,不能充分利用填料及丰富的植物根系,去污能力有限,且运行受气候影响较大,夏季易孳生蚊蝇。张荣社等利用自由表面流人工湿地处理农业面源污水,研究结果表明水力停留时间(HRT) 2天以上,系统即可高效稳定运行,当水力停留时间为2和3天时,系统总氮去除率达到84.9%和85.6%。

2、水平潜流人工湿地

       水平潜流人工湿地,由一个或多个填料床组成,床体填充基质,床底设有防渗层,废水从一端水平流过填料床。这种类型的人工湿地的水力负荷比自由表面流人工湿地大,对BOD、COD、SS等污染指标的去除效果好,而且很少有恶臭和孳生蚊蝇现象,但容易发生堵塞现象,控制相对复杂。

3、垂直潜流人工湿地

垂直潜流人工湿地,污水从湿地表面纵向流向填料床的底部,系统中氧的来源主要是通过大气扩散和植物传输。垂直流人工湿地系统的水流状态是维持系统正常运行、使系统充分发挥净化效果的重要因素,水流状态对净化效率影响较大。这种类型的人工湿地的硝化能力高于水平潜流人工湿地,可用于处理氨氮含量较高的污水,但对有机物的处理能力不如水平潜流人工湿地系统,且落干/淹水时间较长,控制相对复杂,夏季易生蚊蝇。
 

五、人工湿地污水处理系统植物的选择

1、选用原则

      a  植物在具有良好的生态适应能力和生态营建功能;
      筛选净化能力强、抗逆性相仿,而生长量较小的植物,减少管理上尤其是对植物体后处理上的许多困难。一般应选用当地或本地区天然湿地中存在的植物。
      b  植物具有很强的生命力和旺盛的生长势;
      ① 抗冻、抗热能力
      ②抗病虫害能力
      ③对周围环境的适应能力
      c  所引种的植物必须具有较强的耐污染能力;
      水生植物对污水中的BOD5、COD、TN、TP主要是靠附着生长在根区表面及附近的微生物去除的,因此应选择根系比较发达,对污水承受能力强的水生植物。
      d  植物的年生长期长

      人工湿地处理系统中常会出现因冬季植物枯萎死亡或生长休眠而导致功能下降的现象,因此,应着重选用常绿冬季生长旺盛的水生植物类型。
      e  所选择的植物将不对当地的生态环境构成威胁,具有生态安全性;
      f植物的年生长期长,最好是冬季半枯萎或常绿植物
      g  具有一定的经济效益、文化价值、景观效益和综合利用价值。
      由于所处理的污水不含有毒、有害成分,可以考虑其综合利用。

2、植物类型分析

      a  漂浮植物
     漂浮植物中常用作人工湿地系统处理的有水葫芦、大薸、水芹菜、李氏禾、浮萍、水蕹菜、豆瓣菜等。
     b  根茎、球茎及种子植物
     这类植物主要包括睡莲、荷花、马蹄莲、慈姑、荸荠、芋、泽泻、菱角等。
     c  挺水草本植物类型
     这类植物包括芦苇、茭草、香蒲、旱伞竹、皇竹草、藨草、水葱、水莎草、纸莎草等,为人工湿地系统主要的植物选配品种。根据这类植物的生长特性,它们即可以搭配种植于潜流式人工湿地,也可以种植于表流式人工湿地系统中。
      d  沉水植物类型
      沉水植物一般原生于水质清洁的环境,其生长对水质要求比较高,因此沉水植物只能用作人工湿地系统中最后的强化稳定植物加以应用,以提高出水水质。

六、人工湿地的生态效益

      ①维持生物多样性
      ②调节流量,控制洪涝
      ③补充地下水
      ④降解污染物
 

七、人工湿地的发展方向

      人工湿地系统是一项低投资、低能耗、低运行费用、氮、磷去除率高的治理工程技术,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益。因此,人工湿地今后的研究将集中在这样几个方面:(1)深入研究人工湿地污水处理的机理,建立合理的动力模型,进行模拟实验和实地试验;(2)提高人工湿地的污水净化效果,包括对植物类型、基质类型的优势组合,基因工程菌的构建等;(3)加强人工湿地对工业废水处理的研究,扩大人工湿地的应用范围;(4)加强对人工湿地处理效果的实例分析,对其应用成果进行推广和学习。
人工湿地系统是仿真独特的土壤-水生植物-微生物和基质组成的生态系统,在我国是一项正在被研究、应用和发展的处理污水的新技术,由于它具有高效率、低投资、低运转费、低维持技术、处理量灵活、低能耗、处理效果好等优点,非常适合我国的国情,尤其是广大农村地区、中小城镇地区的污水处理方法。
人工湿地系统是一个完整的生态系统,可以在其内部形成良好的循环,随着时间的推移,及对该技术研究的不断深入和应用实践经验的不断取得,该技术将会日趋成熟,在水污染控制领域中发挥更加显著的作用。

八、人工湿地污水处理技术研究展望

       1)进一步加强人工湿地处理污水机理的研究。人工湿地处理污水的机理非常复杂,设计的范围也很广。目前,虽然有些机理研究已经得到初步的认可,但仍然存在很多问题需要进一步研究,如污水中的有机污染物、无机污染物、金属污染物的去除过程与机理;根际微生态系统的综合作用;有机物、无机化合物和金属离子在湿地系统内的相互作用及其对植物、微生物和土壤的影响等[9]。
       2)人工湿地处理农村污水示范研究。人工湿地在解决我国农业面源污染和农村生活污水方面具有独特的优势,应加大人工湿地处理农村污水示范研究,探讨适合我国国情的农村污水处理方式,并通过集成示范,查找技术中存在的问题,为进一步大范围推广打下良好的基础,
       3)湿地系统优化运用研究。①加强湿地植物的筛选工作,选择一些耐污能力强,去污效果好的湿地植物,同时加强多种植物的合理搭配的研究。
②重点研究在提高人工湿地氧化硝化能力的同时如何提高其反硝化能力,解决硝态氮的高效去除问题。③填料的类型直接影响湿地系统的净化能力,尤其是对磷的去除。加强填料的筛选和如何防止填料堵塞,是今后应该优先考虑的工作。

(责任编辑:碧蓝环保)
数据提供:天助网    
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