人工湿地污水处理技术及其发展

摘 要：人工湿地作为一种新型的污水处理技术，正在不断地受到全球各地的重视。本文简要介绍了人工湿地的概念、分类及组成，详细阐述了人工湿地污水处理的机理，最后对人工湿地在我国的发展方向进行了预测，为人工湿地污水处理的应用研究提供了有益的参考. 
关键词：人工湿地；污水处理机理；环境效益；经济效益；发展趋势 
　　人工湿地是20世纪70年代发展起来的一种新兴污水处理技术，美国Hammer博士将人工湿地定义为”为了人类的利用和利益通过模拟自然湿地，人为设计与建造的由饱和基质、挺水植物与沉水植物、动物和水体组成的复合体”[1]。人工湿地将污水处理和园林绿化合二为一，具有很好的景观效果和应用价值。与传统污水处理技术相比，人工湿地具有运行费用低，设备工艺简单，具有净化效果好，去除N、P 能力强等优点，适用于适合于水量和水质不大且管理水平不很高的城镇的污水处理。近年来人工湿地在国内外得到了广泛的应用，具有非常好的应用前景。 
　　1 人工湿地概述 
　　1。1 人工湿地的分类 
　　根据污水在湿地床中流动的方式可将人工湿地分为3种类型： 表面流人工地、潜流式人工湿地、垂直流人工湿地[2]。表面流人工湿地污水从湿地表面流过，水深一般为0。1-0。6米，水流呈推流方式前进。近水面部分为好氧层，较深部分及底部通常为厌氧层。表面流人工湿地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。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，但其缺点是占地面积较大，水力负荷率较小，易受季节影响，去污能力有限。潜流式人工湿地污水在填料表面下从一端水平流过。潜流式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，防止污染地下水。它的水力负荷大，对BDD5、CODCr、悬浮物、重金属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，但控制相对复杂，脱氮除磷效果欠佳。垂直流人工湿地污水从湿地表面纵向流向填料床的底部，其水流方向与根系层垂直，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统。垂直潜流人工湿地硝化能力强，可用于处理氨氮较高的污水，其缺点是对有机物的处理能力不如潜流式人工湿地系统，落干/ 淹水时间较长，控制相对复杂，夏季有孳生蚊蝇的现象。 
　　1。2 人工湿地的组成 
　　人工湿地污水处理系统由四部分组成：水体（在基质表面下或上流动的水）；具有各种透水性的基质，如土壤、砂砾；适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物，如芦苇；好氧或厌氧微生物种群[4]。 
　　水体是人工湿地处理的对象，为动植物，微生物提供营养物质，它在人工湿地系统中具有很重要的意义。 
　　基质是指人工湿地池床中填充的沙砾、碎石或土壤，是人工湿地净化污水处理系统的主要组成成分之一，具有支撑高等植物生长的作用。基质既可为微生物的生长提供稳定的依附表面，也可为水生植物提供支持载体和生长所需的营养物质。当污水流经人工湿地时，基质通过一些物理和化学途径，如吸附、过滤、络合反应等，来净化污水中的有机污染物。 
　　湿地植物指湿地中生长的植物，一般多采用挺水植物，具有吸收与富集碳、氮、磷等污染物元素的作用，植物通过根系，吸收富集污水中的自身生长所需要的污染物元素；湿地植物还具有增强和维持基质的水力传输的作用，植物根系对基质的穿透作用使在基质中形成微小气室或者间隙，增强了基质水力传输能力；湿地植物还可以为微生物提供栖息生长的附着面，吸附水中的部分悬浮物。 
　　微生物是系统中的主要分解者，承担着水中污染物特别是有机污染物的降解任务。人工湿地中的微生物主要包括细菌、真菌和放线菌等。其中，细菌作为湿地微生物中数量最多的一个类群，能使复杂的含氮有机物转化成利用的无机氮化合物。真菌能促进纤维素、木质素、果胶等的分解，并能将蛋白质最终分解释放出氨。放线菌能比真菌更强烈地分解氨基酸等蛋白物质，还能形成抗生物质维持湿地生物群落的动态平衡。原生动物摄食一些微生物和碎屑，起到调节微生物群落的动态平衡和清洁水体的作用。它们协作构成了互利共生的有机系统，来完成污水净化的任务[5]。 
　　2 人工湿地污水处理机理 
　　人工湿地污水处理是一个集化学、物理和生物处理协同作用的过程。通过化学处理中的氧化分解，物理处理中的沉积过滤，生物处理中的吸收分解，协同完成处理系统中的污染物的任务。人工湿地污水处理系统中的污染物主要为氮、磷、悬浮物、有机物和重金属。 
　　2.1 氮的去除机理 
　　湿地中的氮去除机理包括挥发、硝化反硝化、植物摄取等。在Santee[6]的报道中，硝化反硝化去氮量占氮去除总量的60 %～86 %。根据 R。Kickuth 的根区法理论，湿地中的植物将氧气从上部输送至主根部， 从而在植物根区附近形成一个好氧区域，离根区较远的地方形成缺氧区域， 更远的区域则形成厌氧区域，使硝化和反硝化作用可以同时进行。硝化作用在好氧环境下由自养型好氧微生物完成， 它包括由亚硝酸菌将NH4+-N 转化为NO2-和由硝酸菌将NO2-进一步氧化为NO3-两个步骤。反硝化作用在厌氧缺氧条件下进行， 反硝化菌氧化分解有机物， 将NO3-还原为N2、NO2，使氮以N2和NO2的形式从湿地系统中根本去除。 
　　2.2 磷的去除机理 
　　磷在污水中常以磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷形式存在。磷是植物生长所必需的，人工湿地中磷通过植物， 微生物和基质三个方面共同作用去除。其中， 基质是人工湿地除磷的主要途径。 王世和等[7]对潜流人工湿地除磷效果进行了研究， 得出三种植物除磷效率高低顺序为美人蕉富贵竹芦苇。但是， 植物对磷的吸收是有限的， 即植物对磷的吸收和储存只占磷去除的一小部分。熊国祥，罗建中等[8]的研究表明，用碎石和细砂作为填料除磷效果较果好，而且有相当一部分分磷是通过植物， 微生物和基质的协同作用去除的。 
　　2.3 悬浮物的去除机理 　　污水中悬浮物质包括如粘土、沙粒、植物颗粒以及微生物等一些非溶解性物质。悬浮物的去除主要通过过滤沉淀、水生植物和微生物等的协同作用来实现的。过滤就是指以石英砂等粒状滤料层截留水中悬浮杂质的过程；沉淀为水中悬浮颗粒物质依靠重力从水中分离出来的过程；吸附就是当两相组成一个体系时，处在两相界面处的成分产生浓缩的现象；水生植物能直接吸附富集一些有毒有害物质；微生物能从悬浮物中获取所需要的养分，从而把污水中颗粒物质和其他物质去除，使污水得到净化。 
　　2.4 有机物的去除机理 
　　湿地有机物的来源主要由进入水中的有机物、湿地植物的生物产物、水中大分子的碳水化合物白质等有机物的降解产物组成。按溶解性可分为不溶性有机物和可溶性有机物。其中，不溶性的有机物主要通过物理反应，如湿地的沉淀过滤作用而被截留；可溶性的有机物则通过系统填料及植物根系表层所衍生的生物膜的吸附及生物降解过程而被分解去除。 
　　2.5 重金属的去除机理 
　　人工湿地对重金属有着很好的去除效果。污水中的重金属离子主要通过物理作用（沉淀和过滤）化学作用（化学吸附）和生物作用（微生物的交互作用和植物的吸收）而被固定或转化，以达到净化污水的目的。其中，植物的吸收富集作用、填料的吸附沉淀作用和硫化物沉淀是人工湿地去除重金属的主要方式[9]。研究[10]表明风车草（ Cyperus alternifolius） 能吸收富集水体中30 %的铜和锰，对锌、镉、铅的富集也在5 % - 15 %。 
　　3 人工湿地发展的预测 
　　3.1 增加人工湿地的应用领域 
　　在处理的污水方面，可尝试处理农业污水。在外国已有采用人工湿地处理农业污水，如在美国，一个有500头猪的农场建立了一座带有芦苇床处理养猪污水的示范工程[11]。中国是一个农业大国，若人工湿地处理农业污水的技术发展完善，将会大大改善广大农村的水质状况从而提高农村的整体卫生水平。还可用于特殊工业废水的处理中，最近发达国家已将重点转移到应用人工湿地处理特殊工业废水。一些学者在淀粉工业、制糖工业、食品加工和奶制品加工废水的处理中，或者经过工艺改进或者与其他系统进行组合后用于农业面源污染、城市或公路径流等非点源污染的治理、垃圾场渗出液，均得到了很好的净化效果，为类似废水的处理提供了一条新途径[12]。 
　　3.2 扩大人工湿地的应用地域 
　　在改进人工湿地技术研究方面， 我国的研究重点主要局限于研究生物因子（植物、微生物），却很少将目光聚集在研究人工湿地的应用地域的问题上。目前，我国内人工湿地技术主要应用于南方，而人工湿地在北方寒冷地区的应用案例却非常少。人工湿地未来的发展方向应该是加强对中国北方湿地处理系统在冬季运行的可行性研究，改进湿地结构，加强湿地系统的防冻保温技术措施，保证冬季处理效果，提高小城镇低温污水的处理效率[13]。 
　　参考文献 
　　[1] Hammer，D。A。Constructed wetlands for wastewater treatment。Michigan：lewis publishers Inc，1989。5-20。 
　　[2] 杨峰。人工湿地污水处理技术[J]。科学论坛，2012：49 
　　[3] 孙桂琴，等。人工湿地污水处理技术及其在我国的应用[J]。环境科学与技术， 2006，29。 
　　[4]张奎，等。人工湿地污水处理技术的研究[J]。工业水处理， 2007，27（8）。 
　　[5]梁威，胡洪营人工湿地净化污水过程中的生物作用。中国给水排水， 2003，19（10）。 
　　[6] US EPA。 “Design manual of constructed wetlands and aquatic plant systems for municipal wastewater treatment”， 1988 ， EPA 625P1288P022 ：23～25。 
　　[7]王世和，等。潜流型人工湿地除磷效果研究[J]。安全与环境工程，2004，11（4）：21-25。 
　　[8]熊国祥，罗建中，冯爱坤。人工湿地中磷的行为及去除方法研究[J]。环境科学与管理， 2006，31（9）。 
　　[9]吴长淋。人工湿地处理含重金属废水的研究现状及展望[J]。 化学工程师，2009，162（3）。 
　　[10]Cheng S ， Grosse W， Karrenbrock F ， et al。 Efficiency of constructed wetlands in decontamination of water polluted by heavy metals。 Ecol Eng ， 2001 ， 18（3） ：317 - 325。 
　　[11]张健美。人工湿地污水处理技术[J]。污染防治技术，2010，23（5）。 
　　[12]黄朝君。 人工湿地技术在中国水处理领域的应用[J]。江西科学，2006，24（6）。 
　　[13]周国新。 人工湿地污水处理技术的探索[J]。科苑观察，2010（9）：58-59。