人工濕地污水凈化技術(shù)的探討

□李彥博 □董永立（鄭州市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院）

1.引言

目前國際公認(rèn)的濕地定義是國際濕地公約采用的廣義濕地定義：不問其為天然或人工、常久或暫時(shí)性的沼澤地、濕原、泥炭地或水域地帶，帶有或靜止或流動(dòng)、或?yàn)榈胂趟蛳趟w，包括低潮時(shí)水深不超過6m的水域。人工濕地(Constructedwetland)是由人工建造和控制運(yùn)行的與沼澤地類似的地面。人工濕地主要利用土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用，對(duì)污水、污泥進(jìn)行處理。其作用機(jī)理包括吸附、滯留、過濾、氧化還原、沉淀、微生物分解、轉(zhuǎn)化、植物遮蔽、殘留物積累、蒸騰水分和養(yǎng)分吸收及各類動(dòng)物的作用。

人工濕地與其它傳統(tǒng)的污水處理方法相比，具有凈化效率高、運(yùn)行維護(hù)方便、建造費(fèi)用低，以及環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。目前，國外已經(jīng)將其廣泛應(yīng)用于河流、湖泊治理、城市雨水凈化、工業(yè)廢水處理、農(nóng)業(yè)面源污染控制等諸多領(lǐng)域。近年來，我國掀起了研究利用人工濕地凈化污水的浪潮，研究和實(shí)踐證明，人工濕地凈化污水是經(jīng)濟(jì)實(shí)用的有效途徑。

2.人工濕地的組成及其分類

2.1 人工濕地的組成

人工濕地生態(tài)系統(tǒng)主要由濕地土壤、人工基質(zhì)、水體、濕地植物、動(dòng)物和微生物構(gòu)成。

2.1.1.濕地土壤

濕地土壤是濕地的直接載體，濕地土壤的類型、結(jié)構(gòu)直接決定著濕地植物的類型、數(shù)量和質(zhì)量，并通過食物鏈影響濕地動(dòng)物，從而影響整個(gè)濕地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)生產(chǎn)。同時(shí)，濕地土壤也直接決定著濕地微生物的類群和數(shù)量，是微生物良好的生存場(chǎng)所。

2.1.2.人工基質(zhì)

人工基質(zhì)指為更好地提高濕地凈化污水的性能而人工添加的基質(zhì)，國內(nèi)主要采用細(xì)沙、粗砂、碎石、瓦礫和灰渣等。人工基質(zhì)可以過濾、吸附污水中的部分顆粒物，而且與部分顆粒物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而進(jìn)一步提高濕地土壤的過濾、凈化性能。

2.1.3.水體

水體既是濕地的組成部分，也是濕地的凈化對(duì)象。國外已經(jīng)將人工濕地的凈化對(duì)象水體擴(kuò)展到生活污水、工業(yè)廢水、雨水等，隨著研究的深入，凈化對(duì)象水體將得到進(jìn)一步的擴(kuò)展。

2.1.4 濕地植物

濕地植物是人工濕地的重要組成部分，它既維持著濕地的生態(tài)平衡，同時(shí)也起著重要的凈化污水功能。蘆葦、水葫蘆是目前認(rèn)為較適宜種植的濕地植物，但由于季節(jié)、水體等因素，應(yīng)當(dāng)輔以種植多種植物。

2.1.5 濕地動(dòng)物

濕地具有復(fù)雜多樣的植物群落，為一些鳥類和兩棲類動(dòng)物提供了良好的棲息場(chǎng)所。它們既維護(hù)了濕地的生態(tài)平衡，同時(shí)也起到提高濕地景觀效果的作用。

2.1.6 濕地微生物

濕地微生物主要指一些真菌和細(xì)菌，如放線菌、硝化細(xì)菌等。有研究表明，濕地微生物在污水凈化中起到非常重要的作用。

2.2 人工濕地的分類

人工濕地處理系統(tǒng)按照水體在濕地中的流動(dòng)方式不同可分為以下幾種：自由水面人工濕地處理系統(tǒng)；水平濕流濕地人工處理系統(tǒng)；垂直潛流型人工濕地處理系統(tǒng)。

2.2.1 自由水面人工濕地處理系統(tǒng)與自然濕地十分相似，其土床被水體所包裹，水深通常不超過4m，該類濕地全年或一年中的大多數(shù)時(shí)間都存在表面水。污水中的大部分有機(jī)物由濕地植物和土壤中的微生物分解，污水中大部分顆粒物被濕地植物攔截沉淀。這種人工濕地建造簡(jiǎn)單，運(yùn)行管理方便，造價(jià)低廉，但容易受到季節(jié)的影響，夏季滋生蚊蠅，冬季結(jié)冰影響凈化效果。

2.2.2.水平潛流濕地處理系統(tǒng)的水面維持在基質(zhì)床的表面下，此類濕地的基質(zhì)一般都由礦石和粗砂等組成，存在較多的孔隙，以使污水能迅速滲漏到整個(gè)基質(zhì)床。污水中的污染物主要由土壤和人工介質(zhì)中的顆粒以及植物的根系和微生物過濾、吸附、分解，凈化效果較好，且受季節(jié)影響小，衛(wèi)生條件好，但運(yùn)行管理較難。

2.2.3.垂直潛流型人工濕地處理系統(tǒng)中，污水從濕地表面縱向流經(jīng)濕地填料床的下部，當(dāng)床體為不飽和狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)充分利用填料截留、根系吸收及填料表面生長(zhǎng)的生物膜對(duì)其進(jìn)行降解消化，氧可通過大氣擴(kuò)散和植物根系傳輸?shù)韧緩竭M(jìn)入該濕地系統(tǒng)，此類濕地的硝化能力一般高于水平潛流濕地，所以常用于處理氨氮含量比較高的污水。但建造難度高，控制管理相對(duì)復(fù)雜，且處理污水中有機(jī)物的效果不好。

3.人工濕地凈化污水的機(jī)理

人工是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，它主要通過物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用凈化污水。

3.1 土壤和人工基質(zhì)的凈化機(jī)理

土壤和人工基質(zhì)主要起過濾作用，它能夠過濾掉污水中大部分的顆粒物。另外濕地土壤的有機(jī)質(zhì)含量比較高，有較高的離子交換能力，因此，土壤可通過離子交換轉(zhuǎn)化一部分污染物，而且可通過提供能源和適宜的厭氧條件等促進(jìn)氮的轉(zhuǎn)化。對(duì)磷而言，土壤顆粒對(duì)磷酸鹽的吸收是一個(gè)重要的轉(zhuǎn)化過程，吸收能力取決于黏土礦物中鐵、鋁、鈣等元素的反映或?qū)ν寥烙袡C(jī)質(zhì)的約束能力。除吸收過程外，磷酸鹽也可以同鐵、鋁和土壤成分等一起沉淀。上述過程包括磷酸鹽在黏土礦物中的固定以及磷酸鹽同金屬的組合。

3.2 濕地植物的凈化機(jī)理

濕地植物在人工濕地凈化污水中起著重要的作用，可分為直接作用和間接作用。直接作用是植物自身吸附、分解、吸收污水中的污染物，從而達(dá)到凈化污水的作用；間接作用是指植物為微生物等其它起凈水作用的成分提供凈化場(chǎng)所，從而起到間接的凈化作用。目前，普遍認(rèn)為濕地植物能通過吸收、吸附和富集等作用而去除污水中的污染物，包括對(duì)氮、磷的吸收利用和重金屬的吸附和富集。另外濕地植物能夠輸送氧氣，為根區(qū)提供好氧環(huán)境，從而促進(jìn)有機(jī)物的分解和硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，從而起到去除污水中氮及其它污染物的目的。

3.3 濕地微生物的凈化機(jī)理

濕地微生物是人工濕地的重要組成部分，它既維持著濕地的生態(tài)平衡，同時(shí)它在污水凈化過程中起著主導(dǎo)作用。污水中含有大量的有機(jī)物，其中大部分的分解和轉(zhuǎn)化都是通過濕地微生物完成的。經(jīng)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，濕地植物根區(qū)的細(xì)菌總數(shù)與BOD5去除率之間存在顯著相關(guān)性；氨氮的去除率與根際硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量的相關(guān)性極其顯著。濕地微生物具有吸附作用，在微生物生長(zhǎng)過程中，常常要吸收一些營(yíng)養(yǎng)元索和重金屬元索以保證微生物的生長(zhǎng)和代謝，它們能分泌高分子聚合物，對(duì)重金屬有較強(qiáng)的絡(luò)合力。

此外，有研究發(fā)現(xiàn)濕地酶在濕地凈化污水的過程中也起到了重要的作用。需要指出的是，以上人工濕地各組成部分在污水凈化過程中起到的作用是相輔相成的，缺少任何部分都不能維持整個(gè)人工濕地的生態(tài)平衡，進(jìn)而也不能保障污水凈化效果。

4.結(jié)語與展望

通過研究表明，人工濕地凈化污水與傳統(tǒng)的污水凈化方法相比，性能優(yōu)越。然而人工濕地也存在一些問題，如易受季節(jié)影響、濕地植物的選擇、微生物的篩選和馴化等將是今后需要繼續(xù)研究的問題。但作為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的污水處理方法，人工濕地凈化污水生態(tài)系統(tǒng)受到各國的關(guān)注，也越來越多地被應(yīng)用到各種領(lǐng)域。由于它造價(jià)低廉、適應(yīng)性強(qiáng)、凈化效果好、運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)，非常適合我國在農(nóng)村以及城市近郊應(yīng)用，因此，人工濕地污水凈化技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景。

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