人工濕地污水處理系統(tǒng)應(yīng)用研究

代永鋒

山東浩宇檢測認(rèn)證有限公司

濕地是由各種不同類型的生物組成的，是一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)。濕地是一種以生物為主體的生態(tài)系統(tǒng)，對其物質(zhì)、能量和物種遷移起著重要作用。濕地是一種重要的天然生產(chǎn)力。人們長期對濕地進(jìn)行的探索與構(gòu)建工作中，對潮灘、沼澤地等濕地進(jìn)行了大量的研究，積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。

一、人工濕地的意義和作用

濕地系統(tǒng)是生態(tài)環(huán)境實(shí)現(xiàn)自身物質(zhì)循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)，構(gòu)建一個(gè)功能完備的人工濕地系統(tǒng)，可以為生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供幫助。人工濕地系統(tǒng)由土壤、動植物、人工干預(yù)、微生物等構(gòu)成，利用物理、化學(xué)、生物三種學(xué)科的綜合作用，對污水和污泥展開高效處理的一種人工建立系統(tǒng)。人工濕地系統(tǒng)是一個(gè)綜合性較強(qiáng)的系統(tǒng)，它的工作原理是以生態(tài)系統(tǒng)中的濕地系統(tǒng)工作原理為基礎(chǔ)，利用物種之間的共生關(guān)系，提高物質(zhì)循環(huán)再生效率。人工濕地系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和功能相互協(xié)調(diào)，促進(jìn)污水處理工作的物質(zhì)良性循環(huán)，提高資源利用率，降低環(huán)境污染。人工濕地的構(gòu)建和使用具有緩沖容量大，工藝簡單，投資較低等特點(diǎn)，因此，它適用于小城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)。該技術(shù)拓展了人工濕地技術(shù)在城市生活用水中的應(yīng)用，為構(gòu)建具有中國特點(diǎn)的城市生活用水體系提供了一種新的思路。

（一）濕地基質(zhì)的過濾吸附作用

在污水進(jìn)入人工濕地污水處理系統(tǒng)時(shí)，污水中的固態(tài)污染物與基質(zhì)顆粒會發(fā)生相互作用，這些固態(tài)污染物被人工濕地污水處理系統(tǒng)中的基質(zhì)顆粒所攔截，從而實(shí)現(xiàn)固態(tài)污染物的處理。長期處于水侵的濕地，其土壤中會逐漸形成一種對污染物吸附和對懸浮粒子的截留的土壤膠體。濕地基質(zhì)的過濾吸附作用，利用的是濕地物理過濾和水質(zhì)吸附功能，對流入系統(tǒng)中的污染物進(jìn)行吸附攔截，防止其流入別處。污染物質(zhì)在池子里緩慢沉淀，最后變成污泥。人工濕地污水處理系統(tǒng)的管理者要對污泥進(jìn)行定期的清理，以保證濕地基質(zhì)對污泥的過濾吸附，保證污水處理的有效性。

（二）濕地植物的作用

在人工濕地的污水處理系統(tǒng)中，濕地植物實(shí)現(xiàn)污水處理的方法如下：首先，全部的植物都會進(jìn)行光合作用，產(chǎn)生有機(jī)物，然后將周圍的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有機(jī)物。植物通過光合作用，也就是吸收。在進(jìn)行同化過程中，植物的根部會從土壤中吸收一些微量的元素，而這些微量元素就是被污染的水中的氮磷。同時(shí)，同化作用也可以將重金屬元素吸附到植物體內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)除污。植物的根系和葉莖具有較強(qiáng)的吸附能力，尤其是根系的吸附能力是最強(qiáng)的。由于植物類型的差異，其根系發(fā)育的差異，使得其對污染物的截留作用也存在差異。人工濕地污水處理系統(tǒng)的植物根系在水中密布，相互交織，可以起到攔截固體污染物的作用，而沉水類植物的作用是最強(qiáng)的。另外，植被具有較大的比表面積，有利于微生物在其表面吸附和生長。根系是植物生長、繁殖的重要場所。研究發(fā)現(xiàn)，在植被根系中，土壤中的微生物遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于非根際，且對水體中的污染物具有顯著的降解功能。同時(shí)，植被也可以向水中運(yùn)輸氧，提高水中的生物活性。因此，濕地植被對水體的污染和對水中有害物質(zhì)的分解也具有一定的促進(jìn)作用。因?yàn)椴煌貐^(qū)的植物種植生長情況有差異，所以在人工濕地污水處理系統(tǒng)中，對于植物的污水處理作用，還需要提高植物的成活率，隨著植物種類的不斷豐富，可以在很大程度上提高人工濕地污水處理系統(tǒng)的污水處理效率。加強(qiáng)對濕地植物的管理，并對其在不同環(huán)境中的生長狀況進(jìn)行調(diào)查，從而提高濕地植物污水處理工作的質(zhì)量。

（三）微生物的消解作用

在人工濕地中，只有一小部分的微生物對水環(huán)境產(chǎn)生了影響，而大多數(shù)的微生物則是對水環(huán)境中的污染物起到了主要的作用。好氧微生物利用自己的呼吸，將污水中的大部分有機(jī)物分解為二氧化碳和水，厭氧菌將有機(jī)物分解為二氧化碳和甲烷，硝化菌硝化銨鹽，反硝化菌將硝酸鹽氮還原為氮等一系列功能，在此過程中，污水中的主要有機(jī)污染物能夠被降解并被吸收，從而變成微生物細(xì)胞的一部分，剩下的則變成對環(huán)境無害的無機(jī)物質(zhì)，最終回到自然之中。同時(shí)，也有部分原生生物與后生生物共存。部分沼澤中的生物還能通過攝取沉降到沼澤中的有機(jī)顆粒物，并將其轉(zhuǎn)化為養(yǎng)分，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對沼澤中顆粒物的清除[3]。人工濕地在污水處理系統(tǒng)中對微生物的消解作用的應(yīng)用技術(shù)包括了微生物分子生態(tài)學(xué)技術(shù)，該技術(shù)的研究領(lǐng)域也是非常廣泛的。利用生物技術(shù)對人工濕地中的污水治理體系進(jìn)行了開發(fā)，其應(yīng)用前景也是非常廣闊的。

（四）河道走廊濕地

河道走廊濕地是通過工程技術(shù)手段在河道內(nèi)修筑適宜水生植物生長的水下地形，并在河道內(nèi)設(shè)置滯留塘、人工水草、人工物質(zhì)遷移系統(tǒng)及生態(tài)凈化床等，達(dá)到水質(zhì)凈化及生態(tài)修復(fù)的目的。滯留塘中密植的沉水植物、人工水草、人工物質(zhì)遷移系統(tǒng)及生態(tài)凈化床可為水中微生物的生長、繁殖提供巨大的空間，使微生物群落的生物量和生物多樣性最大化發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)對污染物的高效凈化。

二、人工濕地污水處理系統(tǒng)的工作原理

（一）濕地生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)成要素

在人工濕地系統(tǒng)中，通過各種物理化學(xué)手段，如吸附，過濾，離子交換等，去除污水中的有害物質(zhì)。在人工濕地中，植物占據(jù)著很大的比重，是對污水進(jìn)行處理的重要環(huán)節(jié)。第一，植物能直接從水體中吸取養(yǎng)分，并能吸附某些重金屬等有害物質(zhì)。其次，它們能為根中的有氧菌供給氧；三是增強(qiáng)了介質(zhì)的透水性。濕地中的微生物主要負(fù)責(zé)對水中的有毒物質(zhì)進(jìn)行降解，而根區(qū)中的微生物主要有好氧、兼氧和厭氧三種，其中放線菌、硫酸菌、硝化菌等是最具代表性的微生物，對有機(jī)質(zhì)的分解和去除起到了重要的作用。

（二）采用人工濕地技術(shù)

人工濕地的工藝形式主要可以劃分成兩種：一種是地表流工藝，即污水在濕地的表層流動，水位通常在20 cm 到60 cm之間，這種工藝形式的投資比較低，負(fù)載也比較小，但它也存在著諸多的缺點(diǎn)，比如冬天在寒冷的地方，污水會結(jié)冰，夏天會繁殖蚊子、蒼蠅等，還會產(chǎn)生一股惡臭。另一種是地下潛流工藝，即污水在濕地的地表下流經(jīng)，該工藝形式受氣候的影響不大，但其投資比較高，負(fù)載也比較大。經(jīng)過濕地凈化后的水質(zhì)，因?yàn)槲鬯乃|(zhì)以及污水在濕地中的滯留時(shí)間的不同，而存在著一定的差別。因此，系統(tǒng)可以根據(jù)出水水質(zhì)的需要，對處理工藝進(jìn)行選擇，對凈化時(shí)間進(jìn)行控制，并對濕地面積進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（三）研究了人工濕地對水體水質(zhì)的影響

人工濕地是以基質(zhì)、植物和微生物為主體的一種生態(tài)系統(tǒng)，對污水進(jìn)行深度處理的一種方法。氮素去除：氮素去除過程中，基質(zhì)、植物、微生物起著重要作用。污水中的氮可以分成兩類，一類是有機(jī)氮，另一類是無機(jī)氮，微生物可以利用硝化和反硝化將有機(jī)氮除去，另一類是介質(zhì)的吸附、過濾以及植物的吸收、吸附，也可以將水體中的無機(jī)氮除去。除磷：在人工濕地中，通過化學(xué)沉淀、藻類物質(zhì)的吸收，以及磷細(xì)菌的分解，可將污水中的磷清除掉。當(dāng)污水流經(jīng)人工濕地的時(shí)候，水中的有機(jī)磷會被磷細(xì)菌對其進(jìn)行分解轉(zhuǎn)化，而無機(jī)磷會被藻類物質(zhì)所吸收，更多的是會與介質(zhì)中的鐵、鋁、鈣的氧化物發(fā)生反應(yīng)，從而生成磷酸鐵、磷酸鋁、磷酸鈣這些難以溶解的物質(zhì)，最終通過沉淀將其去除。

三、提高人工濕地運(yùn)行效果的有效措施

圖1 河道走廊型濕地工藝原理圖

人工濕地?fù)碛卸喾N多樣的處理原理，其中包含了很多層次，比如微生物、植物、土壤等，它們都會被運(yùn)用到人工濕地污水處理技術(shù)的原理中。目前，對于人工濕地處理技術(shù)原理，人們大多已有了一定的認(rèn)識，但仍有一些問題，比如，金屬污染物的消除原理，希望可以得到更多的探討。因此，要想進(jìn)一步提高人工濕地的污水處理技術(shù)，就必須要改善人工濕地的運(yùn)行效率。

（一）提高凈化效果

人工濕地系統(tǒng)是基于天然濕地凈化原理而產(chǎn)生的，其凈化速度較低，水力停留時(shí)間較長，占用面積較大。因此，提高凈化效果，降低成本，減少耕地是當(dāng)前的主要研究方向。首先，對底泥的選擇進(jìn)行最優(yōu)。不同底泥的脫污性能有一定差別，底泥的組合對污水的脫污性能也有一定的影響。例如，以去除有機(jī)物為主要目標(biāo)的濕地系統(tǒng)，應(yīng)選擇一些比表面積大、表面粗糙、不易降解的基質(zhì)，如輕質(zhì)陶粒等，來增加系統(tǒng)中的異養(yǎng)型微生物的數(shù)量和濃度，從而對有機(jī)物的去除進(jìn)行強(qiáng)化；對于以除磷為主的濕地，應(yīng)選用具有良好吸磷性和易于再生的物質(zhì)，例如：硅藻土，加強(qiáng)對磷素的吸附；針對以脫氮為主的沼澤濕地，在構(gòu)建低氧微環(huán)境時(shí)，需充分利用土壤中的有機(jī)質(zhì)，如農(nóng)林廢棄物、礦物廢棄物等。其次，通過對植物群體內(nèi)部及群體之間的配置關(guān)系的分析，探討了人工濕地系統(tǒng)中各物種之間的配置關(guān)系，以達(dá)到改善人工濕地系統(tǒng)的水質(zhì)效果。

（二）基質(zhì)再生

通過對基體在達(dá)到飽和狀態(tài)后，對其進(jìn)行快速的再生，實(shí)現(xiàn)對其凈化效果的有效修復(fù)，達(dá)到提高系統(tǒng)壽命、降低運(yùn)行費(fèi)用的目的。在前期工作基礎(chǔ)上，對“落水-停水”的啟動時(shí)間及間隔進(jìn)行深入的分析，以揭示“落水-停水”模式對底泥生物脫磷效果的影響機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)底泥生物脫磷提供理論依據(jù)。該方法通過改變基質(zhì)類型、再生藥劑組成及濃度，以及環(huán)境條件（如溫度、pH 等）等因素，實(shí)現(xiàn)對基質(zhì)的化學(xué)再生。在此基礎(chǔ)上，探索出適合于不同類型基體的最優(yōu)組分及用量，以增強(qiáng)基體化學(xué)再生的可行性。當(dāng)?shù)孜镂竭_(dá)到一定程度后，可以添加蔗糖、厭氧塘水、釀酒污水等的再生劑，使底物達(dá)到一定程度后，即可實(shí)現(xiàn)對底物的重新利用，從而減少對底物的破壞，減少底物置換的費(fèi)用，并使脫附后的底物被回收利用。

生物修復(fù)本質(zhì)上是基質(zhì)-植物-微生物三者之間的協(xié)同作用，可利用功能微生物、曝氣、碳源等強(qiáng)化手段來增強(qiáng)其協(xié)同效果，進(jìn)而提升系統(tǒng)的凈化效能。通過對底泥中的離子交換與生物轉(zhuǎn)化的調(diào)控，對底泥中的離子濃度與交換速率、碳源與溶解氧、微生物群落組成等因素進(jìn)行調(diào)控，以提高底泥中的生物再生效率與效果。在各種處理方式中，添加硝化泥的生化處理方式對底泥的脫硝和再生作用最為顯著。

四、發(fā)展趨勢

在發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家，采用人工濕地技術(shù)對城市生活污水進(jìn)行治理已成為一項(xiàng)十分重要的技術(shù)。近幾年來，已有不少學(xué)者對利用人工濕地對工業(yè)和農(nóng)業(yè)污水進(jìn)行了處理。人工濕地對工業(yè)污水、難降解有機(jī)污水等具有獨(dú)特的凈化機(jī)制，其對工業(yè)污水、難降解有機(jī)污水等具有較好的處理效果，近年來，通過對人工濕地的改造或與其他技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對工業(yè)污水和農(nóng)業(yè)面源污染的有效控制，并取得了一定的效果，但目前對其非點(diǎn)源污染的研究較少。當(dāng)前，利用人工濕地治理工業(yè)污水的研究，多集中在對淀粉、制糖、乳制品、煉油、造紙和油田開采等工業(yè)污水和礦山酸性污水的處理上。重金屬離子、生化需氧量、化學(xué)需氧量以及致病菌和石油類污染物是其特征性污染物。針對污水處理開展如下工作：首先以污水中的典型污染物為指示因子，探索人工濕地的構(gòu)建方法和工程參數(shù)，推導(dǎo)出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)公式。然后考察低濃度、高鹽度、毒性和難降解有機(jī)物對人工濕地的氧氣分布和微生物棲息地的影響。此外根據(jù)各區(qū)域的水質(zhì)特點(diǎn)，選擇具有較強(qiáng)抗性和較好凈化能力的工程植物；最后構(gòu)建基于不同區(qū)域、不同氣候條件和不同特征的工業(yè)污水利用情況的數(shù)據(jù)庫，推動人工濕地技術(shù)在工業(yè)污水處理中的應(yīng)用。

結(jié)束語

綜上所述，從污水處理的角度來說，人工濕地不僅經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，處理成本低，處理效果好，而且在構(gòu)建生態(tài)城市方面也有很大的作用。但是，對于人工濕地處理污水的技術(shù)，我國的研究和應(yīng)用還不是很成熟。因此，要想將該技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用和推廣，就必須要將其與國內(nèi)各個(gè)區(qū)域的實(shí)際情況相結(jié)合，并且要做好調(diào)查工作，獲得各個(gè)區(qū)域的具體數(shù)據(jù)，然后選擇適當(dāng)?shù)姆椒▉磉M(jìn)行推廣和應(yīng)用，從而開拓出一條既經(jīng)濟(jì)又高效的污水處理途徑。