人工濕地運行的影響因素分析

摘 要：人工濕地處理污水技術(shù)已廣泛應(yīng)用，文章分析了人工濕地的構(gòu)成成分因素——包括基質(zhì)、濕地植物和濕地微生物，水力負(fù)荷因素——進(jìn)水水質(zhì)、水力負(fù)荷和水力停留時間，以及環(huán)境因素——溫度、pH值和光照，對人工濕地運行效果，包括污水凈化效果、污水處理量和濕地可持續(xù)運行的影響，指出應(yīng)因時因地制宜，合理選擇、搭配和設(shè)計濕地植物和基質(zhì)，以保障人工濕地持續(xù)高效運行。

關(guān)鍵詞：人工濕地；構(gòu)成成分；水力負(fù)荷；環(huán)境

中圖分類號：X524 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-060X（2013）04-0051-03

Abstract：The sewage treatment technology with artificial wetland has been applied widely. This article analyzed the influences of constitution factors of artificial wetland （medium， wetland plant and wetland microorganism）， hydraulic load factors （quality of influent water， hydraulic load and hydraulic detention time） and environmental factors （temperature， pH value and illumination） on wetland running effect （sewage purifying effect， sewage treating amount and sustainable running of artificial wetland）. The results indicated that to ensure the sustainable and efficient running of artificial wetland， it should rationally select， combine and design wetland plant and medium according to the time and local conditions.

Key words： artificial wetland； constitution； hydraulic load； environment

人工濕地污水處理可充分利用生態(tài)的自我恢復(fù)調(diào)節(jié)功能、水體自凈功能、植物對N、P等營養(yǎng)元素的代謝吸收功能，實現(xiàn)城市污水處理和集中性農(nóng)村污水的減量化、資源化、污染物總量控制[1-2]，具有節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效等特征，適用于大部分南方地區(qū)。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)的污水處理，但由于人們對該技術(shù)的了解不足，大部分農(nóng)村的濕地處理系統(tǒng)癱瘓，城市的濕地處理系統(tǒng)壽命縮短、維護(hù)困難等，最終無法正常運行，逐漸形成臭水塘，造成二次污染，并對環(huán)境產(chǎn)生更為惡劣的影響。主要分析了人工濕地構(gòu)成成分、水力負(fù)荷和環(huán)境因素對人工濕地運行的影響，以期為人工濕地高效運行提供參考。

1 構(gòu)成成分因素對人工濕地運行的影響

1.1 基 質(zhì)

基質(zhì)是由土壤、細(xì)沙、粗砂、礫石、鵝卵石等按照粒徑大小組成的一個整體。基質(zhì)給微生物、植物和動物提供生長依附的表面，同時也是水生植物的載體并為植物提供營養(yǎng)物質(zhì)，是發(fā)生理化反應(yīng)、生物代謝的主要區(qū)域[3]。濕地系統(tǒng)中懸浮固體顆粒（SS）的主要去除途徑是基質(zhì)的攔截過濾吸附作用，當(dāng)污水經(jīng)過基質(zhì)時，污水中的一部分懸浮固體顆粒與基質(zhì)接觸直接被攔截，另一部分懸浮顆粒則在范德華力和化學(xué)吸附作用下被基質(zhì)吸附粘結(jié)；基質(zhì)對磷的去除也有一定的效果，在基質(zhì)的吸附作用以及離子交換作用下，磷形成沉淀被去除[4]。徐麗花等[5]研究結(jié)果表明，基質(zhì)中加入不同的成分可定向去除污水中的污染物。比如在基質(zhì)中加入粉煤灰后對磷的去除率比傳統(tǒng)的基質(zhì)要高30%左右；加入鐵屑也可進(jìn)一步提高對磷的去除效果；在基質(zhì)中加入沸石對總氮和銨態(tài)氮的去除效率增加；加入CaCO2對于污水中重金屬有較高的去除率。因此，可根據(jù)不同出水的水質(zhì)，調(diào)整基質(zhì)的成分，進(jìn)行定向的處理。

1.2 植 物

濕地植物的敏感性使它可以作為水體所受污染程度的指示生物。植物吸收同化污水中的營養(yǎng)物質(zhì)并轉(zhuǎn)化為自身的生物量，植物根系通過質(zhì)外、跨膜和共質(zhì)途徑吸收基質(zhì)中的水分，再通過蒸騰和光合作用傳導(dǎo)運輸利用，將部分水分直接轉(zhuǎn)化為水蒸氣釋放到大氣中，使?jié)竦刂械奈鬯疁p少一部分。污水中的無機(jī)氮以銨鹽和硝酸鹽為主，可被植物直接吸收利用合成氨基酸；磷酸鹽被植物吸收，少數(shù)以離子態(tài)存在于植物體內(nèi)，大多數(shù)被植物轉(zhuǎn)化成有機(jī)物，如磷酸糖、磷脂和核苷酸等[6]。在植物的線粒體中，磷酸鹽通過氧化磷酸化使NADH氧化為ATP；磷酸鹽在葉綠體中，通過光合磷酸化的作用也形成ATP。

不同種植物在污水處理過程中所表現(xiàn)的生物量不同，植物根系的深度分布不同，氧氣釋放量也不相同，因此對污水中的營養(yǎng)物質(zhì)吸收能力不同，去污效果也不同。植物之間還存在生存競爭、協(xié)同共生等相互作用的關(guān)系，因此混合植物對人工濕地的凈化效果與單一品種試驗時的凈化效果有很大區(qū)別。若想保證人工濕地的出水水質(zhì)達(dá)到要求，那么在篩選人工濕地植物時，既要根系發(fā)達(dá)、耐污力強、凈化效果好、經(jīng)濟(jì)和觀賞價值高的植物，又要合理地搭配植物，以便形成健康穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)，提高濕地植物對污染物的凈化能力[7]。

1.3 微生物

基質(zhì)層中的微生物（包括細(xì)菌和真菌）對有機(jī)物的去除起主要的作用，根據(jù)微生物生活習(xí)性和對水質(zhì)要求的不同，微生物也用作水體自凈程度的指示生物。濕地中植物的根系將氧氣帶入周圍的基質(zhì)中，形成有氧環(huán)境的消化帶，好氧菌在有氧環(huán)境進(jìn)行有氧呼吸，把有機(jī)物分解為簡單的有機(jī)物和無機(jī)物，將污水中的有機(jī)物、N和P等營養(yǎng)物質(zhì)通過代謝作用轉(zhuǎn)化成自身的物質(zhì)，同時消耗大量氧氣，造成水體中的溶解氧含量下降、厭氧菌繁殖，以及厭氧菌對有機(jī)物進(jìn)行厭氧分解；有機(jī)物在微生物的作用下被分解為CO2、H2O、PO43-、NH3和H2S。NH3和H2S在硝化菌和硫化菌的作用下分解成NO3-和SO42-。

人工濕地有氧帶與厭氧帶的共存形成了處理環(huán)境的變化帶，增加了微生物的種類，加強了人工濕地去除復(fù)雜污染物的能力。大部分的有機(jī)污染物主要通過基質(zhì)微生物的作用得到去除。微生物種類的多少直接影響人工濕地去污的效率，微生物的生長情況主要受環(huán)境因素的影響。

2 水力負(fù)荷因素對人工濕地運行的影響

2.1 進(jìn)水水質(zhì)

進(jìn)水水質(zhì)既是營養(yǎng)物質(zhì)的載體，同時又是水生生物的生境。水中的溶解鹽種類及濃度、pH值、DO（溶解氧）、CO2的濃度、SS、有機(jī)負(fù)荷等，都直接關(guān)系到生物的生長繁殖、營養(yǎng)情況、代謝和滲透平衡，甚至枯萎或死亡。謝湉[8]研究結(jié)果證明，人工濕地進(jìn)水端的植物長勢沒有出水端的植物茂盛，因為進(jìn)水口附近污水濃度較大，對植物的生長抑制作用強，而污水在人工濕地內(nèi)經(jīng)過凈化處理后，出水口附近污染物濃度已降低到適合植物生長。這說明水質(zhì)因子對生物的生長有著較大的影響。

2.2 水力負(fù)荷

表面水力負(fù)荷指單位時間內(nèi)每平方米人工濕地所能接受的最大污水量。設(shè)計時，通常使用表面有機(jī)負(fù)荷為表征值（表面有機(jī)負(fù)荷：單位時間內(nèi)每平方米人工濕地去除有機(jī)物的BOD5）[9]。水力負(fù)荷是判定濕地污水凈化能力高低的重要水力學(xué)指標(biāo)之一。在水力負(fù)荷不同的條件下，濕地的處理效率不一樣：當(dāng)水力負(fù)荷高時，濕地處理污水的能力會相應(yīng)降低，沉積物的停留時間會變短；當(dāng)水力負(fù)荷低時，則濕地未能充分發(fā)揮處理系統(tǒng)的去污能力，植物、基質(zhì)、微生物利用率過低[10]。

2.3 水力停留時間

水力停留時間與濕地系統(tǒng)的處理效果密切相關(guān)，停留時間過短，生化反應(yīng)不充分，停留時間過長，導(dǎo)致污水滯留和厭氧區(qū)擴(kuò)大，處理效果也會受到影響[10-12]。水力停留時間不僅受濕地系統(tǒng)植物的種植密度及種類的影響，還受基質(zhì)的體積、內(nèi)部構(gòu)造、水力傳導(dǎo)系數(shù)、孔隙率、床體坡度等的影響。確定污水在濕地中的實際水力停留時間對濕地污水處理具有重要意義，因為水力停留時間是濕地流態(tài)模型、濕地生化動力學(xué)研究的基本參數(shù)，對濕地污染物的凈化效果產(chǎn)生直接的影響。

3 環(huán)境因素對人工濕地運行的影響

3.1 溫 度

溫度對濕地中的微生物生存影響非常大[6]，溫度過高或過低都會影響微生物代謝活動的快慢，32℃左右的溫度適合微生物生存，并使厭氧菌和好氧菌達(dá)到平衡，對污染物有更好的去除率；低溫會降低植物根系的吸水速率，使植物的呼吸作用減弱，根系生長緩慢，吸水表面積變小，降低植物對污水的凈化能力；溫度過高，會加速植物根系的老化，使吸水面積減少，吸收速率下降，同時使植物中的酶鈍化，減緩植物的生長呼吸代謝，進(jìn)一步影響植物根系附近的微生物的活動，降低人工濕地處理污水的能力。

3.2 pH值

在整個污水處理的過程中，pH值始終在變化。若pH值為7左右，既可保證微生物的生長，又可以保證植物不被酸性或堿性植物毒死，還可以使去除率收到滿意的效果；若pH值過低，嗜酸性的微生物生長旺盛，其他的微生物和植物難以在酸性的環(huán)境下生存，將導(dǎo)致出水效果不理想，反之亦然。所以，保證適宜的進(jìn)水pH值有利于人工濕地高效運行。

3.3 光 照

光照對于濕地中植物的影響較大，而對于微生物和動物的影響可以忽略。植物利用光可以進(jìn)行光合作用，將光能轉(zhuǎn)化成電能，再轉(zhuǎn)化成活躍的電子能，最終轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的化學(xué)能。光合作用中的光反應(yīng)必須在光照下才能進(jìn)行，當(dāng)波長范圍是400～700 nm的可見光照射到植物時，聚光色素系統(tǒng)的色素分子吸收光量子后，變成激發(fā)態(tài)傳遞能量。弱光和強光條件下植物的生長發(fā)育情況不及全光條件下植物[13]，全光照下濕地植物對光的利用效率會提高，凈化污水能力也加強。

4 小 結(jié)

人工濕地的運行受構(gòu)成成分、污水負(fù)荷和環(huán)境等因素的影響，其中構(gòu)成成分及設(shè)計是否合理直接影響人工濕地運行效率的高低。濕地面積大小、基質(zhì)的構(gòu)成和植物種類是決定濕地去污效率的主要因素。合理的植物搭配、定向的基質(zhì)構(gòu)成，可以充分發(fā)揮濕地固有的調(diào)節(jié)功能，兩者所構(gòu)成的地下微環(huán)境直接影響微生物的量和系統(tǒng)的豐富度。

水力負(fù)荷在很大程度上影響了植物的生長、微生物的繁殖以及出水水質(zhì)的高低。水力負(fù)荷過低不僅不能滿足污水處理量，還嚴(yán)重浪費資源；若是水力負(fù)荷過高則出水水質(zhì)不能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使地下部分的人工濕地基質(zhì)堵塞，無法正常出水，還可能使得整個人工濕地系統(tǒng)無法正常運行。所以，應(yīng)根據(jù)人工濕地的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，確定進(jìn)水水質(zhì)，選擇合適的植物和基質(zhì)，以保證出水水質(zhì)。

環(huán)境因素也至關(guān)重要，因為環(huán)境的可控制性可以盡量減少不利因素對濕地運行效果的影響。例如溫度因子，建議南方可以大面積使用人工濕地而北方不推薦使用，原因是北方夏冬溫差大，冬季大部分植物和微生物處于休眠狀態(tài)，代謝緩慢，污水處理達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。因此，要因地制宜地根據(jù)出水水質(zhì)的不同要求和不同傾向，選擇合適的人工濕地類型，包括植物的搭配和基質(zhì)的搭配，而環(huán)境因子作為可控制因素，應(yīng)盡量協(xié)調(diào)以滿足人工濕地運行的需要。

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（責(zé)任編輯：盧紅玲）