人工湿地净化污水机理研究进展

第 4 卷 　第 5 期 2006 年 10 月 南 水 北 调 与 水 利 科 技 Sout h2to2Nort h Water Transfers and Water Science & Technology Vol.4 No.5Oct 2006 环 境 水 利 收稿日期 :2006208221 　　修回日期 :2006209208 基金项目 :北京市教育委员会科技发展计划面上项目 ( KM200510028009)资助 作者简介 :耿琦鹏 (19772) ,男 ,首都师范大学硕士研究生 ,主要从事水环境污染控制与管理方面的研究。 人工湿地净化污水机理研究进展 耿琦鹏1 ,洪剑明2 (1. 首都师范大学资源环境与旅游学院 ,北京 100037 ;2. 首都师范大学生命科学学院 ,北京 100037) 摘要 :人工湿地是一种新型的污水处理技术 ,它具有处理效率高、效果好、投入少、维持费用低等特点。重点阐述人工 湿地净化污水的机理 ,提出了人工湿地技术未来的研究方向 ,并对其应用前景进行了展望。 关键词 :人工湿地 ;污水处理 ;净化机理 ;基质 中图分类号 :X501 　　文献标识码 :A 　　文章编号 :167221683 (2006) 0520043203 Application and Development of Waste water Treatment in Constructed Wetlands GEN G Qi2peng1 , HON G Jian2ming2 (1 . Capital N ormal Universit y of College of Resources , Envi ronment & Tourism , B ei j ing 100037 ; 2 . Capital N ormal Universit y of College of L i f e Science , Bei j ing 100037 , China) Abstact :Const ructed wetlands have been proved to be a promising t reat ment alternative characterized by low invest ment , operation and mainte2 nance cost s. The const ructed wetlands have been widely applied and have many advantages. In t his paper , t he purification mechanism ,perform2 ance , application and development of const ructed wetlands are discussed and t heir promising prospect is pointed out . Keywords :const ructed wetlands ;wastewater t reat ment ; purification mechanism ;stuffing 1 　引 　言 水体富营养化 ———因人类的生活和生产活动而导致水体 中营养的富集 ,由此而最终导致破坏了地球上的生态平衡 ,近 年来成为全球面临的主要的环境问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 之一。工农业和旅游业 的迅猛发展是导致内陆河流湖泊富营养化的主要原因。 在废水处理问题上 ,大多数西方工业国家都是经历了“先 污染后治理”这样一条痛苦的道路 ,中国应避免走这条老路 , 近年来中国国内的河流湖泊海洋等水体不同程度的遭受污 染 ,这让我们对废水的处理更加重视。世界各国各地掀起了 利用自然或人工湿地处理废水的热潮 ,多年的研究和实践证 明 ,湿地对控制废水污染是行之有效且经济实用的。 2 　人工湿地定义及其国内外发展现状 国际公认的湿地定义是《湿地公约》的定义 :不问其为天 然或人工 ,长久或暂时性的沼泽地、泥炭地或水域地带 ,静止 或流动 ,淡水、半咸水、咸水体 ,包括低潮时水深不超过 6 m 的 水域。人工湿地是人工建造和监督控制的与沼泽类似的地 面 ,人工湿地技术是仿真的湿地系统 ,对生活污水的处理综合 了自然湿地生态系统中的物理、化学、生物三种协调作用。人 工湿地系统是在一定的长宽比和地面有坡度的洼地中 ,有各 种基质 (如土壤、砾石等)混合组成的填料床 ,并在床体种植各 种纳污能力强、成活率高、美观及具有经济价值的耐水性草 本、木本植物 (如芦苇、香蒲等) 。在设计湿地处理系统时 ,应 尽可能增加水流在其中的曲折性 ,以增加该系统的稳定性和 处理能力。在实际设计中 ,往往将湿地多级串联或附加一些 预处理、后处理构筑物构成处理系统。 根据水流方式的不同 ,可将人工湿地分为以下 3 类 :表面 流湿地 ,潜流湿地 ,垂直流湿地 [1 ] 。也可将这三种最基本的方 式进行搭配 ,从而形成复合流人工湿地。 (1)表面流湿地 ( Surface Flow Wetlands ,缩写为 SFW) 。 废水在填料表面漫流 ,水深较浅 (一般在 0. 1～0. 6 m) ,它与 自然湿地最为接近 ,绝大部分有机物的去除由生长在植物水 下茎、杆上的膜来完成 ,这种水流方式的湿地不能充分利用填 料及丰富的植物根系 ,北方地区冬季表面会结冰 ,夏季会滋生 蚊蝇、散发臭味 ,所以一般不采用此种方式。 (2) 潜流湿地 ( Subsurface Flow Wetlands ,缩写为 SS2 FW) 。废水在填料表面下渗流 ,一方面 ,可充分利用填料表面 及植物根系上生物膜及其他各中作用处理废水 ;另一方面由 于水流在地表下流动 ,保温性好 ,处理效果受气候影响较小 , 而且卫生条件比较好 ,是目前国际上较多研究和应用的一种 湿地处理系统 ,但此系统的投资比 FWS 系统略高。 ·34· 环 境 水 利 (3)垂直流湿地 (Vertical Flow Wetlands ,缩写为 V FW) 。 水流综合了 SFW 和 SSFW 的特点 ,虽然投资较高 ,但因其表 面水力负荷大 ,能节约用地等优点越来越受到青睐。 在国外 ,运用人工湿地处理污水可追朔到 1903 年 ,建在 英国约克郡 Earby 的被认作世界上第一处用于处理污水的人 工湿地连续运行直到 1992 年 ,而人工湿地生态系统在世界各 地逐渐受到重视并被运用 ,还是在 20 世纪 70 年代德国学者 Kichuth 提出根区法 ( The Root2Zone2Method) 理论之后开始 的 [223 ] 。虽然人工湿地技术提出于 20 世纪 70 年代 ,但在 80 年代就得了到迅速发展。80 年代末 90 年代初 ,美国和英国 相继召开了人工湿地研讨会 ,提出了人工湿地的有关机理和 一些可供参考的设计 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 和数据 ,标志着人工湿地系统作为 一种独特的污水处理技术正式进入环境科学技术领域。在国 内 ,对人工湿地研究开始较晚 ,目前处于起步阶段 ,1987 年 , 天津市环保所建成我国第一个芦苇湿地工程 ;国家环保总局 华南环保所于 1990 年在深圳白泥坑建成处理 7 000 人的乡 镇小区综合污水的人工湿地 ,其出水达到了二级处理水平。 由于我国人工湿地模型化尚属应用研究 ,90 年代以来 ,我国 研究者开始引进国外成熟的人工湿地模型用于水污染治理工 作。 3 　人工湿地处理生活污水净化的机理 人工基质、水生植物和微生物是人工湿地的主要组成部 分。多年的研究表明 ,人工湿地能够利用基质 —微生物 —植 物这个复合生态系统的物理、化学和生物三重协调作用 ,通过 过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对 废水的高效净化 ,同时通过营养物质和水分的生物地球化学 循环 ,促进绿色植物生长并使其增产 ,实现废水的资源化与无 害化。 目前我国城市污水的处理排放量仅为排放总量的 10 % 左右 [4 ] ,在污水的有机物去除、脱氮、除磷以及微污染水源水 的预处理过程中有着较好的应用前景。 3 . 1 　人工基质 人工湿地中的基质又称填料、滤料 ,一般由土壤细沙、粗 沙、砾石、碎瓦片或灰渣等构成。基质是湿地植物和微生物赖 以生存的基础。国内外都选择透水性较好的基质 ,这些机制 一方面为微生物的生长提供稳定的依附表面 ,同时也为水生 植物提供了载体和营养物质 ,是提供湿地化学反应的主要界 面之一。当污水流经人工湿地时 ,基质通过一些物理的和化 学的途径 (主要由吸收、吸附、离子交换、络合反应等) 来净化 除去污水中不溶性的颗粒物 ,还能与其他湿地成分共同去除 污水中的氮、磷等营养物质 ,p H 值在其中也起到十分重要的 作用。 土壤是湿地的基质和载体 ,它为了人工湿地提供了良好 的微生物生存场所 ,同时对氮磷的去除也起到了很大作用。 其去污过程来自离子交换、专性与非专性吸附、螯合作用、沉 降反应等。基质对氮的去除 ,在湿地开始运行初期 ,有一定的 吸附能力 ,基质主要是对还原态的铵态氮而言的 ,还原态铵态 氮十分稳定 ,能被床体基质所吸附 ,但基质不是湿地脱氮的主 要途径。而对磷的去除 ,有研究表明 ,加入系统中的磷主要存 留在土壤中 ,土壤颗粒对磷酸盐的吸收是一个重要的转换过 程 ,对磷的去除途径研究发现 [5 ] ,基质吸附与沉淀作用去除的 总磷量高达系统投配总磷量的 80 %以上 ,是除磷的主要途 径 ,而通过植物吸收去除的磷总量仅占投配总磷量的 10 %以 下。人工基质的作用在某种程度上是在作为一个“磷缓冲器” 来调节水中磷的浓度 ,那些吸附磷最少的土壤最容易释放磷。 此外 ,土壤 ( Eh)还会通过影响植物或微生物生长和代谢来间 接影响湿地的去污效果 [627 ] 。 3 . 2 　微生物处理机理 大多数的污水处理过程不是好氧的就是厌氧的。但在湿 地处理系统中这两种处理过程是并存而且紧密相邻。污水好 氧所需的氧气 ,主要是通过植物的光合作用、植物根系对氧的 传递和释放、进水中挟带的氧及水面的更新作用而获得 ,并在 植物根系周围形成一个环状的好氧区域。在这一区域的化学 和生物变化都是好氧反应。离根部较远处 ,由于生化好氧反 应使该区域的氧气浓度减少以至为零。于是这一根部外围区 域的化学和生物变化就变为厌氧反应 ,这些耗氧和厌氧区域 彼此间隔。富氧区的半径由氧气的需求量 (BOD)决定。当含 BOD 高的污水流经时 ,富氧区半径减小以满足需氧量 ,相反 , 当含 BOD 低的污水流经时 ,富氧区半径增大。 好氧和厌氧微生物的比例随着污水质量、承载率、植被床 和根部的高度变化而变化。好养和厌氧微生物可以将污水中 的污染物甚至有机物质完全矿化。植物根区微生物是湿地降 解有机污染物的主要生力军 ,人工湿地中微生物的活动是废 水中有机物降解的主要机制。水生植物通过通气组织的运 输 ,将氧气输送到根区 ,从而形成了根表面及附近区域的氧化 状态。在这区域废水中的大部分有机物质被好氧微生物分解 成为二氧化碳和水 ,有机氮化物等则被硝化细菌硝化。而在 湿地的还原状态区域 ,则是有机物被厌氧细菌分解发酵。至 于金属元素 ,植物根区好氧微生物的活动有利于硝化作用 ,可 以加强湿地对重金属的吸附和富集作用 [8 ] 。 如果装置高 BOD 的污水 ,根部区域就会变成完全厌氧 , 引起植物根部问题。如果植物根部的氧气吸收不够 ,整个植 物性能会改变 ,引起一系列问题 ,如害虫大量繁殖 ,茎和叶子 枯黄 ,内部组织死亡最终引起植物死亡。根部区域是一个复 杂多变的微生态系统 ,那里的无机化学反应 ,根系呼吸 ,有机 微生物转化都与污水处理的最终出水质量相关。当系统平衡 时 ,出水质量就会比较好。 运作的核心是对好氧区域的尺寸和数量的管理。当植物 密、根系深时 ,氧化作用最大。如果污水量少 ,好氧处理过程占 主导地位。这种情况的影响是脱氮作用、某些金属如铅的活跃 程度的减弱 ,和有机物质 (如 ,石油、杀虫剂和其他有机环状分 子)处理作用的减小。如果植物稀疏、根系浅 ,厌氧反应占主导 地位。被还原的金属在这种条件下就活跃起来 , BOD 在出水 中的含量也升高。通过回收处理后的出水 (如稀释进水) 、选择 不同的植物或充分利用植被床 ,处理过程中的好氧或厌氧反应 会得到合理利用。多个植被床的同时承载和系列承载 ,植被床 的饱和程度的有效利用都可以提高处理效率[6 ,8 ] 。 ·44· 第 4 卷 总第 26 期 ·南水北调与水利科技 ·2006 年第 5 期 　 环 境 水 利 3 . 3 　植物去污机理 植物是人工湿地中最重要的组成部分 ,因此 ,要选择适应 在经常处于水饱和状态的基质中生长的且生长快、生物量大、 吸收能力强的耐水性草本、木本植物 ,如香蒲、芦苇、灯心草 等 ,可增加湿地基质的透水性。人工湿地中水生植物自身具 有较强的营养物质吸附富集功能 ,大多数植物吸收的物质都 能渗透到根细胞膜和壁 ,这些物质包括重金属、有机物和氮、 磷营养成分等等。有些情况下 ,如营养成分和重金属物质会 发生转移 ,转存到植物的根、茎或叶子中 ,其他的如含三氯乙 烯的植物 ,其有机物质被氧化为二氧化碳和水 ,在被大量吸收 后通过排出通道释放到大气中。另外 ,这些水生植物还与其 周围环境的各种原生动物、微生物形成各种小环境 ,如其将氧 气传送至植物根区 ,并在根系形成一个网络样的结构 ,为微生 物的吸附和代谢提供了良好的生化环境 ,形成特殊的根际微 生态环境 ,这一微生态小环境具有典型的活性生物膜的功能 , 具备很强的净化废水的能力 ,对多种污染物具有很强的吸收、 分解、富集能力。当废水流经湿地体系时 ,固态悬浮物被根系 及填料阻拦截流 ,有机物通过根际微生态环境吸附 ,经异化及 同化作用而得以去除 ,同时 ,植物根系对氧的传递释放 ,使污 染物不仅能被植物、微生物吸收 ,还可以通过硝化、反硝化、积 累、降解、络合、吸附等作用而显著增加去除率 [9 ] 。除了根系 供氧 ,植物本身还通过根系吸收污水中的氮、磷 [10 ] 等污染物 质。这是水生植物在人工湿地中发挥的主要作用。 就净化作用而言 ,湿地处理系统中的微生物分解作用占 主导地位 ,其次为基质的吸附和过滤作用 ,而湿地植物本身对 污染物的吸收净化作用仅排第三。因此 ,即使在秋冬季 ,湿地 植物处于枯萎状态 ,但呼吸作用依然存在 ,根系对微生物强大 的供氧作用仍然发挥 ,整个湿地处理系统的净化功能总体上 还能正常运行。 实际上 ,湿地之所以能够净化污水 ,除了湿地中的植物、 基质、和微生物等成分的分别作用外 ,更多的时候还是这些成 分及众多环境因子综合作用的结果 ,这些组分之间以及组分 与因子间相互影响 ,相互促进 ,也相互制约 ,组成了湿地的强 大净化功能 [7 ,11 ] 。 4 　人工湿地的发展方向及应用前景 作为一种低能耗、高效且与自然界相和谐的污水处理工 艺 ,人工湿地目前在各国都受到极大关注。然而 ,这一工艺在 许多方面仍有待改进和提高 ,例如人工湿地运行方式的布置、 进出水设备的改进、寻找性能更好的填料及植物等 ,这些在很 大程度上决定着人工湿地今后的研究发展方向。 目前 ,国内绝大部分的城市污水处理厂均采用传统的二 级活性污泥法工艺 ,这种工艺存在着工程投资高、能耗高、运 转管理要求高以及处理效果受进水水质及水量波动影响大的 不足。而人工湿地系统是仿真的湿地生态系统 ,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 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。人工湿地系统是一新兴 的废水处理技术 ,其中有许多不足或需改进之处 ,但是随着时 间的推移 ,在广大科研工作者和一切社会力量的共同努力下 , 这项技术将会日趋成熟 ,造福于人类。 参考文献 : [1 ] 　王　薇. 人工湿地污水处理工艺与设计[J ] . 城市环境与城市生 态 ,2001 , (1) . 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