1、人工濕地
人工濕地(Constructed wetland)是為處理污水而人為設(shè)計(jì)建造的,是本世紀(jì)七八十年代發(fā)展起來(lái)的新型廢水處理工藝。它根據(jù)自然濕地生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)、生化反應(yīng)的協(xié)同作用來(lái)處理廢水,一般由人工基質(zhì)(一般為碎石)和生長(zhǎng)在其上的水生植物(如蘆葦、茳芏等)組成,是一個(gè)獨(dú)特的土壤-植物-微生物生態(tài)系統(tǒng)。人工濕地可以促進(jìn)廢水中植物營(yíng)養(yǎng)素的循環(huán),使廢水中所含的有用物質(zhì)以作物生產(chǎn)形式再利用,能綠化土地,改善區(qū)域氣候,促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。簡(jiǎn)而言之,具有“一高三低一不”的特點(diǎn),即高效率、低投資、低運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用、低維持技術(shù),用地少和基本不耗電。
根據(jù)廢水流徑的方式,人工濕地可分為表面流濕地(SFW)、潛流濕地(SSFW)、立式流濕地(VFW)。表面流濕地與自然濕地最為接近,廢水在填料表面漫流,絕大部分有機(jī)物的降解由位于植物水下莖稈上的生物膜來(lái)完成,但這種類型未能充分發(fā)揮填料和豐富的植物根系的作用,衛(wèi)生條件也不好;潛流濕地是水在填料表面下潛流,充分利用整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同作用,且衛(wèi)生條件較好,占地小,處理效果較好;立式流濕地水流情況綜合了表面流濕地和潛流濕地的特點(diǎn),但其建造要求高,又易孳生蚊蟲(chóng)。故人工濕地大部分采用潛流式濕地系統(tǒng)。
2、凈化機(jī)理及應(yīng)用
2.1凈化機(jī)制
人工濕地對(duì)廢水的處理有十分復(fù)雜的凈化機(jī)理,現(xiàn)在仍未完全弄清楚。一般認(rèn)為人工濕地成熟以后,填料表面吸附了許多微生物形成的大量生物膜,植物根系分布于池中,于自然生態(tài)系統(tǒng)中通過(guò)物理、化學(xué)及生化反應(yīng)三重協(xié)同作用凈化污水。
物理作用,主要是過(guò)濾、沉積作用。土壤-植物是一個(gè)活的過(guò)濾器,污水進(jìn)入濕地,經(jīng)過(guò)基質(zhì)層及密集的植物莖葉和根系,可以過(guò)濾、截留污水中的懸浮物,并沉積在基質(zhì)中。
化學(xué)反應(yīng),由于植物、土壤-無(wú)機(jī)膠體復(fù)合體、土壤微生物區(qū)系及酶的多樣性,人工濕地中可以發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)過(guò)程如化學(xué)沉淀、吸附、離子交換、拮抗、氧化還原反應(yīng)等,這些化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生主要取決于所選擇的基質(zhì)類型。一般而言,含有機(jī)質(zhì)豐富的基質(zhì)有助于吸附各種污染物;含CaCO3較多的石灰石有助于磷的去除。
生化反應(yīng),對(duì)于去除有機(jī)污染物主要依賴于系統(tǒng)中的生物。首先,所有人工濕地都類似于附著生物膜的反應(yīng)器,有機(jī)物質(zhì)被填料吸附后,可以通過(guò)生物的同化吸收和異化分解去除。其次,根據(jù)德國(guó)學(xué)者Kickuth R.1977年提出的根區(qū)法理論,由于生長(zhǎng)在濕地中的挺水植物對(duì)氧的運(yùn)輸、釋放、擴(kuò)散作用,將空氣中的氧轉(zhuǎn)運(yùn)到根部,再經(jīng)過(guò)植物根部的擴(kuò)散,在植物根須周圍微環(huán)境中依次出現(xiàn)好氧區(qū)、兼氧區(qū)和厭氧區(qū),有利于硝化、反硝化反應(yīng)和微生物對(duì)磷的過(guò)量積累作用,達(dá)到除氮、磷效果,另一方面通過(guò)在厭氧條件下有機(jī)物的降解、或開(kāi)環(huán)、或斷鍵成簡(jiǎn)單分子、小分子,提高對(duì)生物難降解有機(jī)物的去除效果。因而生化反應(yīng)對(duì)凈化污水起重要作用。
2.2人工濕地的應(yīng)用
人工濕地處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)為確保人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,增加濕地處理壽命及處理能力,一般都要增加預(yù)處理及后處理設(shè)施。預(yù)處理可以防止污水在貯存、輸送過(guò)程中發(fā)生臭氣,防止未經(jīng)處理的污水污染土壤及地下水或污染植物。這些處理設(shè)施與人工濕地可以有不同的組合以達(dá)到不同的去除目的。預(yù)處理部分包括格柵、沉砂池、沉淀池、穩(wěn)定塘等。人工濕地系統(tǒng)一般工藝流程如下:
植物是人工濕地的重要組成部分,人工濕地系統(tǒng)中植物代替曝氣機(jī)輸氧,同時(shí)也為碎石等基質(zhì)內(nèi)微生物群落創(chuàng)造了有利的活動(dòng)場(chǎng)所。張甲耀等人的試驗(yàn)表明,有植物系統(tǒng)的人工濕地總氮(TN)的去除率明顯高于無(wú)植物系統(tǒng)的。設(shè)計(jì)中多選擇高等水生維管植物作人工濕地的植物,一般要求耐污能力強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)、莖葉茂密、抗病蟲(chóng)害能力強(qiáng)且有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值的植物。我國(guó)第一個(gè)人工濕地污水處理工程——深圳白泥坑人工濕地污水處理工程栽種的是蘆葦、茳芏、燈心草、蒲草、水蔥等。
人工濕地基質(zhì)中土壤的選擇也十分重要,研究表明,土壤在處理營(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)污染物過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。TN、TOC、TP排除植物因子的作用,去除率可達(dá)70%以上。
3 、污染物的去除
人工濕地去除污染物的范圍廣泛,包括N、P、SS、有機(jī)物、微量元素、病原體等。
3.1氮的去除
人工濕地處理系統(tǒng)對(duì)氮的去除作用包括基質(zhì)的吸附、過(guò)濾、沉淀以及氨的揮發(fā)、植物的吸收和微生物硝化和反硝化作用。氮是植物生長(zhǎng)的必需元素,廢水中的無(wú)機(jī)氮包括NH3-N和NO3-N,均可以被人工濕地中的植物吸收,合成植物蛋白質(zhì),最后通過(guò)植物的收割形式從人工濕地的廢水中去除。一部分NH3-N可轉(zhuǎn)化成NH3后,以氣態(tài)的形式揮發(fā)到大氣中。
微生物的硝化、反硝化作用對(duì)氮的去除起重要作用。根據(jù)根區(qū)法理論,人工濕地植物中根毛的輸氧,根區(qū)附近濕地土壤中連續(xù)出現(xiàn)好氧、缺氧、厭氧狀態(tài),為自養(yǎng)型好氧微生物亞硝酸菌、硝酸菌和異養(yǎng)型微生物反硝化細(xì)菌大量的存在提供了條件,使要求好氧條件的硝化反應(yīng)和要求厭氧的反硝化反應(yīng)可以同時(shí)完成。另外,對(duì)硝化反應(yīng)有抑制作用的是NH3-N、重金屬、氰化物及有機(jī)物,人工濕地對(duì)這些物質(zhì)也有一定的去除作用。因此人工濕地比一般污水處理系統(tǒng)具有較強(qiáng)的氮處理效率。根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果,人工濕地中氨化細(xì)菌、亞硝化菌、硝化菌、反硝化菌數(shù)量都處于較高水平,因此人工濕地具硝化、反硝化、脫氮的良好基礎(chǔ)和潛力。
3.2磷的去除
磷和氮一樣是生物的必需元素,但水體中磷又是富營(yíng)養(yǎng)化的限制性元素,含量過(guò)高時(shí)又可造成藻類過(guò)度繁殖而成富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。廢水中磷的存在形態(tài)取決于廢水中磷的類型,最常見(jiàn)的是磷酸鹽(包括H2PO4-、HPO42-、PO43-)、聚磷酸鹽和有機(jī)磷酸鹽。人工濕地對(duì)磷的去除作用包括基質(zhì)的吸收和過(guò)濾、植物吸收、微生物去除及物理化學(xué)作用。基質(zhì)中的吸收和過(guò)濾對(duì)無(wú)機(jī)磷的去除作用,因填料不同而存在差異,若土壤中含有較多的鐵、鋁氧化物,有利于生成溶解度很低的磷酸鐵或磷酸鋁,使土壤固磷能力大大增加;若以礫石為填料的濕地,礫石中的鈣可以生成不溶性磷酸鈣而從廢水中沉淀。植物吸收無(wú)機(jī)磷和吸收無(wú)機(jī)氮一樣,都是在吸收同化作用下,將無(wú)機(jī)磷變成植物體的組成部分,最后通過(guò)植物收割去除。
微生物對(duì)磷去除包括對(duì)磷的正常吸收和對(duì)磷的過(guò)量積累,由于人工濕地根區(qū)附近土壤中不同的含氧狀態(tài)而相當(dāng)于許多A-A-O處理單元,使某些細(xì)菌種類在厭氧條件下吸收低分子的有機(jī)物(如脂肪酸),同時(shí)將細(xì)胞原生質(zhì)中聚合磷酸鹽異染粒的磷釋放出來(lái),提供必需的能量,又在好氧條件下,氧化所吸收的有機(jī)物,并提供能量,同時(shí)從廢水中吸收超過(guò)其生長(zhǎng)所需的磷,并以聚磷酸鹽的形式成為微生物細(xì)胞的內(nèi)含物而被貯存起來(lái),因此人工濕地有較高的除磷效果。
3.3有機(jī)物的去除
人工濕地對(duì)有機(jī)物有較強(qiáng)的降解能力,廢水中的不溶性有機(jī)物通過(guò)濕地沉淀、過(guò)濾作用,從廢水中截留下來(lái)而被微生物利用;可溶性有機(jī)物則通過(guò)植物根系生物膜的吸附、吸收和生物代謝降解過(guò)程被去除。有關(guān)研究結(jié)果表明,在進(jìn)水濃度較低的條件下,人工濕地對(duì)BOD5的去除率可達(dá)85%～95%,COD去除率達(dá)80%以上,處理出水中BOD5的濃度在10mg/L左右,SS小于20mg/L。廢水中大部分有機(jī)物作為異養(yǎng)微生物的有機(jī)養(yǎng)分,最終被轉(zhuǎn)化為微生物體及CO2、H2O。
4、結(jié)束語(yǔ)
人工濕地是一個(gè)綜合的生態(tài)系統(tǒng),具有緩沖容量大、處理效果好、工藝簡(jiǎn)單、投資省、耗電低、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn),它應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)中物種共生、物質(zhì)循環(huán)再生原理,結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)原則,在促進(jìn)廢水中污染物質(zhì)良性循環(huán)的前提下,充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力,防止環(huán)境的再污染,獲得污水處理與資源化的最佳效益。它具有環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益,是一種較好的廢水處理方式,比較適合于處理水量不大、水質(zhì)變化不很大,管理水平不很高的城鎮(zhèn)污水,如我國(guó)農(nóng)村中、小城鎮(zhèn)的污水處理。人工濕地作為一種處理污水的新技術(shù)有待于廣大環(huán)境工作者結(jié)合各個(gè)地區(qū)的實(shí)際情況,積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),制定出一定的設(shè)計(jì)規(guī)范,以促進(jìn)它的推廣和應(yīng)用。
原標(biāo)題:【環(huán)保技術(shù)】人工濕地在處理污水中的應(yīng)用
GUIDANCE MANUAL FOR THE DESIGN,
CONSTRUCTION AND OPERATIONS OF
CONSTRUCTED WETLANDS FOR RURAL
APPLICATIONS IN ONTARIO
Funded by the Canadapt Program
of the
Agricultural Adaptation Council, Ontario
http://agrienvarchive.ca/bioenergy/download/wetlands_manual.pdf
