人工濕地的構(gòu)建以及污水污染物去除機理研究

單博

【摘要】人工濕地作為一種新興的污水處理應(yīng)用技術(shù)，具有處理效果好、氮磷去除能力強，運轉(zhuǎn)維護管理方便、工程基建和運轉(zhuǎn)費用低以及對負(fù)荷變化適應(yīng)能力強等顯著特點，在我國廣大農(nóng)村、中小城鎮(zhèn)的污水處理領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文探討了人工濕地的構(gòu)建組分，研究了人工濕地生態(tài)系統(tǒng)中各類污染物的去除機理，例舉了人工濕地在實際污水處理過程中的實際應(yīng)用，并對人工濕地的污水處理應(yīng)用前景進行了展望。

【關(guān)鍵詞】人工濕地；構(gòu)建原則；去除機理；應(yīng)用實例

1 引言

人工濕地（CW—Constructed Wetland）污水處理技術(shù)是20世紀(jì)70年代末發(fā)展起來的一種污水處理新技術(shù)，通常是指由人工建造和監(jiān)督控制、并由飽和基質(zhì)填料、挺水與沉水植物、水生動物和處理水體組成的復(fù)合體。人工濕地應(yīng)用于污水處理過程，其作用機理同生物-生態(tài)修復(fù)技術(shù)，綜合了生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用，可以通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現(xiàn)對污水的高效凈化。與常規(guī)的污水處理工藝相比，人工濕地具有處理效果好、氮磷去除能力強，運轉(zhuǎn)維護管理方便、工程基建和運轉(zhuǎn)費用低以及對負(fù)荷變化適應(yīng)能力強等顯著特點。鑒于此，人工濕地現(xiàn)已成功應(yīng)用于對居民生活污水、養(yǎng)殖廢水、暴雨徑流排水等進行處理，在我國廣大農(nóng)村、中小城鎮(zhèn)的污水處理領(lǐng)域，尤其具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建原則

2.1 濕地植物的選擇

濕地植物的存在不但在較大程度上穩(wěn)定了人工濕地填料床的結(jié)構(gòu)組成，為人工濕地對各種污染物的物理過濾提供了良好的條件，同時也為濕地生態(tài)系統(tǒng)中微生物的繁殖、生長提供了良好的空間環(huán)境[1]。人工濕地生態(tài)系統(tǒng)中，大量水生植物的存在，較大程度上降低了污水在濕地內(nèi)部的流動速度，增加了污水在人工濕地生態(tài)系統(tǒng)中的水力停留時間，有利于污水中懸浮顆粒污染物的物理沉降作用，同時也在一定程度上減少了污水對濕地系統(tǒng)地表的侵蝕以及沉淀懸浮物的沉淀后再懸浮。

不同水生植物對于污水的處理效果，存在著較大的差異，這主要是由于植物對濕地基質(zhì)的輸氧能力以及穿透基質(zhì)的作用，主要受植物根系發(fā)達(dá)程度的影響。通常情況下，大型種類濕地植物都有粗壯的根系，還有較為發(fā)達(dá)的不定根，因此其輸氧能力以及其穿透基質(zhì)的作用都顯著優(yōu)越于小型種類濕地植物。人工濕地系統(tǒng)對于水生植物的選擇，最基本的要求是所選水生植物對污水中的各類高濃度的污染物要有一定的承受能力；針對不同污染程度的污水，應(yīng)根據(jù)實際的處理需求，選擇種植適宜的水生植物，通常情況下，對于濕地植物的選擇，應(yīng)遵循一下原則[2]：

（1）應(yīng)選擇去污效果好的水生植物

在人工濕地選擇植物時，應(yīng)著重選擇對單位面積污染物具有較高去除率的水生植物。首先是選擇具有較高生物量的水生植物的；同時應(yīng)該選擇植物體內(nèi)具有較高污染物濃度的水生植物；此外，在去除具有較高重金屬含量的特殊污水時，應(yīng)重點選擇具有較強重金屬富集能力的濕地植物，具體可根據(jù)所處理污水的污染物種類進行選擇。

（2）應(yīng)選擇具有較強抗逆性的水生植物

選擇具有較強抗逆性的水生植物，有助于促進人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定發(fā)展。

（3）應(yīng)選擇根系較為發(fā)達(dá)的水生植物

選擇根系較為發(fā)達(dá)的水生植物是濕地植物選擇的重要原則，這首先是因為根系發(fā)達(dá)的水生植物能夠分泌更多的根系分泌物，能夠為濕地微生物創(chuàng)造良好的生長繁殖條件，有利于促進濕地植物根系對污水污染物的生物降解，提高人工濕地污水凈化能；其次，較為發(fā)達(dá)的植物根系在維護濕地填料床體表面穩(wěn)定、籠絡(luò)土壤和保持植物與微生物旺盛生命力等方面具有重要促進作用，對維持濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要意義。

2.2 濕地填料的選擇

濕地填料的選擇應(yīng)側(cè)重于選擇具有空隙率大、比較面積大的填料，以提高人工濕地的水力傳導(dǎo)性能，增加濕地微生物的附著面積，以提高濕地生態(tài)系統(tǒng)對污水匯中污染物質(zhì)的去除能力。目前應(yīng)用較廣的濕地填料主要包括土壤填料、卵石填料、塑料填料、爐渣填料、陶瓷填料、活性炭填料、自然巖石以及礦物材料等；各類填料的理化性質(zhì)差異較大，均有各自的優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)污水水質(zhì)、工程經(jīng)濟分析結(jié)論等進行合理選擇，以實現(xiàn)填料功能的最大化。

通常情況下，濕地填料的篩選，必須滿足以下五點要求[3]：

（1）所選濕地填料必須具備材料質(zhì)輕、松散容重小、機械強度強等特性；

（2）所選濕地填料必須是比表面積大、孔隙率高，屬于多孔惰性載體；

（3）所選濕地填料必須具有良好的化學(xué)性質(zhì)，不得含有妨礙、不利于進行工業(yè)生產(chǎn)的有毒有害物質(zhì)；

（4）所選濕地填料必須具備較低的水頭損失，且填料形狀系數(shù)好，吸附能力強；

（5）所選濕地填料過濾速度高，工作周期長，產(chǎn)水量大，出水水質(zhì)好。

2.3 濕地微生物的功能作用

自然界中碳、氮、磷等元素的循環(huán)離不開微生物的代謝作用，各類好氧、厭氧以及兼性微生物也是人工濕地生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，在污水中污染物質(zhì)的降解與轉(zhuǎn)化過程中，扮演著重要角色，與濕地植物以及濕地基質(zhì)在人工濕地生態(tài)中起著重要的核心作用。微生物是濕地生態(tài)系統(tǒng)重要的生產(chǎn)者，微生物種類、數(shù)量以及空間分布的變化對人工濕地污水凈化能力具有重要的影響[4]。

3 人工濕地生態(tài)系統(tǒng)污染物去除機理

人工濕地生態(tài)系統(tǒng)對污水的凈化處理過程，綜合了物理、化學(xué)和生物等三重協(xié)同作用，最終可以通過物理過濾與吸附、化學(xué)沉淀與離子交換、植物吸收與微生物分解等多種途徑來實現(xiàn)對污水中各類污染物的有效去除。

3.1 人工濕地對污水中懸浮物質(zhì)的去除

懸浮物SS是指在水體中處于懸浮狀態(tài)的固態(tài)物質(zhì)，主要成分為各種不溶于水的無機物、有機物、黏土、泥沙以及微生物等，是造成水體出現(xiàn)渾濁的主要原因。由于污水中懸浮顆粒在物理密度以及尺寸大小上具有較大的差異，造成了人工濕地對各類懸浮顆粒的去除機理與路徑存在著較大的差異，主要表現(xiàn)為物理沉淀、顆粒聚集以及表面粘附，通常情況下，人工濕地生態(tài)系統(tǒng)對于大顆粒懸浮物的去除主要依靠填料床的物理過濾作用；與大顆粒懸浮物相對應(yīng)的小顆粒懸浮物主要通過人工濕地生態(tài)系統(tǒng)中的倒淤層得以去除。

3.2 人工濕地對污水中有機污染物質(zhì)的去除

人工濕地生態(tài)系統(tǒng)對于污水中不溶性有機物的去除，主要表現(xiàn)為填料床的過濾作用而使其截留在濕地內(nèi)部得以去除；對于污水中的可溶性有機物，人工濕地生態(tài)系統(tǒng)主要由植物根區(qū)的生物膜通過吸附、吸收及生物降解等方式，分解成二氧化碳、水或者有機酸等小分子物質(zhì)而得以去除。通常情況下，由于人工濕地往往存在溶解氧含量不足的問題，使得污水中有機物質(zhì)的去除主要由兼性細(xì)菌、厭氧細(xì)菌的代謝作用得以去除。

3.3 人工濕地對污水中含氮污染物質(zhì)的去除

同情情況下，污水中含氮物質(zhì)的表現(xiàn)形式主要為氨氮和有機氮，人工濕地對污水中各類含氮物質(zhì)的去除途徑包括以下三種形式[5]：

（1）污水中的氨氮可通過濕地植物以及濕地微生物同化作用，轉(zhuǎn)化為生物機體的有機組成部分，最終通過對濕地植物定期收割的方式，實現(xiàn)對污水中氨氮的有效去除；（2）在污水的pH值較高（大于8.0）的情況下，污水中的氨氮可通過自由揮發(fā)的形式從污水中溢出，但通過自由揮發(fā)減少的氨氮，只占人工濕地氨氮去除總量的一小部分；（3）人工濕地對污水中含氮有機物質(zhì)的主要去除途徑為濕地微生物的硝化以及反硝化作用，在好氧條件下，污水中的氨氮經(jīng)過亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌的亞硝化以及硝化作用，先后轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽、硝酸鹽，隨后在缺氧以及有機碳存在的條件下，經(jīng)過反硝化細(xì)菌的反硝化作用而被還原為氮氣，從水中逸出、釋放到大氣中，最終實現(xiàn)人工濕地對污水中氨氮的有效去除。

3.4 人工濕地對污水中含磷污染物質(zhì)的去除

污水中含磷污染物質(zhì)的表現(xiàn)形式主要由顆粒磷、溶解性有機磷以及無機磷酸鹽等三類，人工濕地對污水中含磷污染物質(zhì)的去除可通過填料床的吸附、微生物以及濕地植物的同化吸收、有機物的吸附等多重作用得以去除：

（1）污水中的部分無機磷可通過濕地植物的吸收、同化作用，轉(zhuǎn)化成植物機體的組成成分（如ATP、DNA以及RNA等），最終通過對濕地植物的定期收割使其得以去除，但是通過濕地植物吸收去除的磷污染物只占人工濕地去除總量的一小部分；（2）污水中的含磷污染物的主要去除途徑依賴于濕地土壤的物理化學(xué)吸附作用，含磷污染物的去除能力取決于濕地土壤的環(huán)境容量，通常情況下，濕地填料的物理吸附以及化學(xué)沉淀作用對污水中TP的去除能力可達(dá)90%以上；（3）微生物對污水中含磷污染物的去除過程主要包括微生物對含磷物質(zhì)的同化作用以及對其的過量積累兩個過程，微生物對污水中含磷污染物的分解釋放，能夠有效促進有機磷酶的無機化，同時在含磷污染物的基質(zhì)吸附沉淀、植物吸收同化過程中，也能夠起到顯著的促進作用。

4 應(yīng)用實例

國內(nèi)有關(guān)人工濕地的相關(guān)構(gòu)建以及作用機理研究已經(jīng)取得了較為完善的進展，人工濕地在我國污水處理行業(yè)的實際應(yīng)用也已經(jīng)得到了大范圍的推廣：沈陽某污水處理廠采用人工濕地生態(tài)系統(tǒng)為主要處理工藝，對來自其上游的生活污水以及少量的工業(yè)廢水進行處理，日處理規(guī)模為2萬m3/d，出水水質(zhì)執(zhí)行《再生水回用于景觀水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJ/T 95-2000）。該污水處理廠建成于2003年，并于同年正式投產(chǎn)運行，多年的運行效果顯示：該污水處理廠的冬季CODCr去除率為70.5%，BOD5的去除率為81.9%，SS的去除率為85.8%；夏季CODCr去除率為72.8%，BOD5的去除率為81.3%，SS的去除率為86.2%，是一種行之有效的生活污水處理工藝；冬季為了保持人工濕地填料床一定的溫度，將夏季種植在濕地填料床上用于綠化和美化環(huán)境的蘆葦、美人蕉、燈心草等植物收割，平鋪在填料床上，其上再鋪一層塑料薄膜，可將填料床內(nèi)被處理的污水溫度維持在15～18℃，能夠有效保證人工濕地冬季正常運行。

人工濕地能夠利用土壤-濕生植物-微生物復(fù)合系統(tǒng)，經(jīng)過物理、化學(xué)、生物學(xué)過程，對水中的水肥資源加以回收利用，在實現(xiàn)水質(zhì)凈化的同時，還能夠營造良好的濕地環(huán)境，形成獨特的自然人工復(fù)合生態(tài)景觀：沈陽某河口水質(zhì)改善工程采用北方型人工濕地污水生態(tài)處理技術(shù)，對河水水質(zhì)進行處理，能夠有效削減河水的污染負(fù)荷，而且還可以形成河口濕地緩沖區(qū)，提高河流沿岸的生物多樣性，為水生動物提供棲息地，帶動河流生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)，營建該河流城市段生態(tài)景觀，能夠有效促進沈陽生態(tài)城市的相關(guān)建設(shè)。

【參考文獻】

[1] 張洪剛，洪劍明. 人工濕地中植物的作用[J]. 濕地科學(xué)，2006，4（2）：146-152.

[2] 李寒娥. 人工濕地系統(tǒng)在我國污水處理中的應(yīng)用[J]. 環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2004，5（7）：9-12.

[3] 曹笑笑，呂憲國，等. 人工濕地設(shè)計研究進展[J]. 濕地科學(xué)，2013，11（1）：121-128.

[4] 張巍，趙軍，等. 人工濕地系統(tǒng)微生物去除污染物的研究進展[J]. 環(huán)境工程學(xué)報，2010，4（4）：721-728.

[5] 盧少勇，金相燦，余剛. 人工濕地的氮去除機理[J]. 生態(tài)學(xué)報，2006，26（8）：2670-2677