人工濕地在污水處理廠的應用研究

蔣小梅

(湖南先導洋湖再生水有限公司,湖南 長沙 410208)

全球范圍內,水資源短缺和環境污染問題已成為當前的重大社會挑戰之一。在此背景下,城市污水處理技術得以快速發展,其中人工濕地系統作為一種新型的污水處理技術,受到普遍關注和研究。人工濕地可以模擬天然濕地生態系統,從而實現類似于生態修復的效果,去除有機物質和重金屬等污染物[1]。相對于傳統的污水處理方法,人工濕地具有操作簡單、能耗低和處理效果穩定等優點,同時還能提升景觀效益和生態效益[2]。推廣和應用人工濕地技術,不僅可以解決污水處理問題,還能夠提升城市和鄉村的環境質量。盡管人工濕地系統在污水處理方面已經取得了長足的發展,但目前仍存在一些問題和不足,如處理效率較低、容易堵塞、占地面積大、處置過剩污泥等方面尚需進一步完善和優化。本文主要介紹了人工濕地技術的原理、分類、應用、研究進展和展望。最后指出,未來需要在人工濕地的設計、建設、管理、經濟效益評估、可持續發展等方面不斷創新和完善,以更好地發揮人工濕地技術的優勢,應對當前全球水資源短缺和環境污染問題,實現水資源的可持續利用,并提出今后的發展方向和建議,為相關領域從業人員提供參考依據。

1 人工濕地系統的種類及機理

1.1 人工濕地的種類

人工濕地系統類型主要包括表面流人工濕地、潛流人工濕地、垂直流人工濕地及水平潛流人工濕地[3]。不同類型的人工濕地系統在處理效果和適用場景方面有所差異。

表面流人工濕地通過建造水面瀉湖或者人工河道,讓廢水在水面上流動,借助濕地植物的吸收、降解和物理化學作用,達到處理水質的目的。它的處理效果較好,適用于處理一些污水流量比較小,處理效果要求較高的場所,如城市景觀水體、污染水體的二次治理等。

潛流人工濕地是通過地下的礫石、沙子和根系為基質,以及水平分布的入水口和出水口構成的,又稱為水平滲流濕地。它是一種將廢水流轉于濕地底層的人工濕地系統。它的處理效果穩定,適用于污水處理量較大、處理壓力較大的場所,如城市污水處理廠。

垂直流人工濕地是一種廢水通過一系列濕地植物和介質的物理、化學、生物反應后,經過一定的深度過濾后,最終從人工濕地出口排放的人工濕地種類。其運行過程中廢水以垂直方向流動,進入濕地后經過濾材、濕地植物根系、微生物群落等多重凈化過程,最終得到凈化的水體。垂直流人工濕地的處理效果較好,適用于水量較小、需求較高的場所,如小區和廠區等。

水平潛流人工濕地是一種基于垂直流人工濕地而發展的人工濕地系統。其流動方式和潛流人工濕地類似,但將設計垂直流人工濕地時的增殖階段替換為反應器階段和沉淀階段,從而減少了所占用的土地面積,同時也不降低處理效果。它適用于水量較大、處理壓力較小的場合,如工業廠區和農村污水處理等。綜上所述,人工濕地在污水處理廠中具有多種類型和應用場景,其應用對于改善環境生態,提高城市水質具有重要意義。

1.2 應用機理

人工濕地在污水處理廠中已經得到廣泛應用并且顯示出良好的凈化效果。其應用機理包括生化作用、吸附作用和微生態調節作用等多個方面[4-6]。以下將從不同角度詳細闡述人工濕地系統在污水處理中的應用機理。

1.2.1 生化作用

生化反應是人工濕地系統中最主要的應用機理之一。濕地環境中有機物在人工濕地系統中通過微生物和植物的作用被迅速分解、氧化和吸收,降解成碳酸鹽和水等無害物質。微生物群落領域的相互影響以及環境因素的作用對該過程的實現起到關鍵作用[7]。

1.2.2 吸附作用

一些植物能夠通過根系吸附鐵、鋅、錳等重金屬離子和色素物質,使得這些有害物質被固定在植物根系周圍的土壤和沉積物中,不再進入水體。此外,基質材料以及附著的微生物也能夠吸附一些有害物質,從而提高人工濕地系統的處理效率。這種吸附作用可以有效地去除污水中的有色成分和有害金屬離子,提高了人工濕地的水質凈化效果。

1.2.3 微生態調節作用

微生態調節作用也是人工濕地系統的一個重要應用,它指的是通過建立適宜微生物生存繁殖的環境,利用微生物對有機污染物和營養物質進行凈化降解,從而改善水體水質的一種方法。在人工濕地系統中,植物根系提供底物和氧氣,為微生物生長提供條件,同時微生物也能為植物提供養分和促進其生長。

2 人工濕地系統在污水處理中的應用效果

人工濕地系統在本質上是一種通過生態系統的構建實驗,模仿了經常發生于天然濕地的物理,化學和生物過程[8-9]。因此,它不僅具有成本低、能耗低及自凈能力外,還具有其他優點。

2.1 可降解多種污染物

人工濕地處理系統不僅能夠去除污水中的氮、磷等有機物質,還能去除一些重金屬和持久性有機污染物。這是因為人工濕地系統內的微生物和植物可以吸收、降解廢水中的有害物質,使其轉化為低毒或無毒形式并最終達到凈化水質的目的。研究表明,在人工濕地系統中,植物可以對銅、鎘、鋅等重金屬離子和某些雜質物質進行吸附。同時,微生物對于廢水中的有機物去除效果也很好。

2.2 減少過剩污泥產生

相比傳統的污水處理方法,人工濕地系統因使用天然微生物群落進行廢水降解,其產生的污泥產量要比傳統污水處理設備少得多。這不僅降低了后期處置成本,也符合當今提倡的可持續發展理念。

2.3 能耗低且具有資源回收價值

人工濕地系統具備一定的資源回收能力,如通過利用植物的生長來收集和利用廢水中的營養物質,進而用于農業灌溉或制造肥料等方面。同時,人工濕地處理技術較為簡單,對能源和水資源的消耗也比傳統的污水處理方法要少,可以降低排放成本。

2.4 生態環境的改善

人工濕地的生態系統具有較高的適應性和復原能力,將污水處理與環境修復相結合,有利于生態環境的改善,并能保持生態系統的穩定性和可持續性,提高地區生態環境的質量。

3 實踐案例分析

湖南某污水處理廠采用了三級人工濕地工藝進行污水的處理,這種處理方式充分利用了植物和微生物的生長代謝作用,能夠高效、低成本地對污水進行有效凈化。該廠首先將進口污水排入一級植物塘,經過植物和微生物進行初步的改善與凈化,出水經過中間配水河道排入二級植物塘,通過水生植物吸收和吸附降解污染物,在二級濕地中可以去除更多的懸浮物、有機物和氮磷等雜質。二級濕地出水通過集水渠排至含快速過濾區的三級人工濕地,進一步凈化污水。在三級人工濕地中,結合了表面流和水平潛流人工濕地的組合方式,以最大化凈化水體。最后,經處理的污水進入植物塘,進一步提升水質。整個處理過程幾乎沒有化學物質的使用,主要采用植物與微生物協同作用,使水體得到高效、低成本的處理。通過這種處理方式,不僅能夠有效凈化污水,還能提供一定量的水資源,很大程度上減少了水污染源對環境的影響[10-12]。該項目采用三級人工濕地工藝進行污水處理,不僅能夠有效解決城市污水排放問題,還具有環保、低成本、高附加值等優點,為城市發展和生態環境保護做出了重要貢獻。

南京某大型污水處理廠建有生化池、二沉池等處理設施。由于城市化進程加速,污水處理廠的處理對象量逐年增加,處理工藝也逐漸升級。為了進一步提高廢水處理的效率,該廠于2014年開始引進人工濕地技術。該人工濕地是一種基于河流生態學原理設計的人工濕地,其主要由水生植被、浮萍、沉積物等組成。其中,水生植物是人工濕地的重要組成部分,它可以吸收大量的氮、磷等營養物質,從而達到去除廢水中營養物質的目的。同時,在濕地中還生長著一些浮萍,它們可以通過吸附的方式,去除水體中的COD和BOD。經過長時間運行實踐,該人工濕地技術出水水質滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。同時,該技術對于降低處理成本、提高效率、增強環境保護也有顯著的作用。

美國明尼蘇達州格蘭德馬拉斯市也采用人工濕地來處理污水并改善當地環境。該市的污水處理廠于1988年投入運行,采用人工濕地作為主要的處理工藝。在處理過程中,污水首先通過格柵和沉淀池等設施進行初步處理,然后流入人工濕地系統[13]。在人工濕地系統中,植物通過吸收和代謝廢水中的氮、磷等營養物質,同時將其釋放到空氣中,起到凈化空氣的作用。微生物則通過生物降解的方式將有機物質分解為較簡單的化合物,從而減少廢水中的COD和BOD等有機污染物質。此外,在人工濕地的沉積層中,還可以發現大量的微生物,它們可以吸附和去除水中的重金屬和其他有害物質。經過人工濕地系統的處理,廢水的質量得到了明顯的改善,并達到了國家環保標準。此外,人工濕地系統對于鳥類、爬行動物和昆蟲等野生動物的生存和繁殖也提供了良好的生境。通過這種方式,項目不僅可以有效去除污染物質,還能夠保護自然環境,實現生態、經濟和社會的協同發展。這個項目得到了當地政府和市民的廣泛認可和支持,成為公共環保事業的重要組成部分。

人工濕地技術是一種有效的廢水處理方法,具有環保、經濟、低能耗、易操作等優點。該技術廣泛應用于農村污水、城市污水、工業廢水等領域[14-15]。在實際應用中,要注意人工濕地不同于傳統的化學和生物處理工藝,其處理效率以及穩定性受到多種因素影響。因此,在設計和運營人工濕地污水處理系統時,要充分考慮環境因素,如氣候、地形和植被等,同時關注植物的物種適應性和生長能力。此外,在運營過程中,需要實時監控廢水的處理效果和植物生長情況,及時調整運營方式,確保最佳的技術效果。同時,為保護人工濕地的生態系統,需要注意避免污水中含有有害物質等對生態系統造成的破壞。

4 結論

人工濕地技術作為一種環保、低能耗、高效益的廢水治理技術,已被廣泛應用于各個領域。該技術通過模擬天然濕地的生態系統功能和特性,利用植物、土壤和微生物等生物體系,以及多種物理、化學和生物過程將廢水中的污染物去除或降解,在達到環保標準的同時減少資源浪費。在國內外廣泛實踐與研究的基礎上,人工濕地技術已經具有成熟可行的特點,但是對于不同類型的污染物、不同尺度的設計、建設和管理等方面仍需要不斷優化和創新。因此,在今后的實踐中,應重點關注如何進一步提高處理效率、探索可持續發展路徑、積累優秀的案例經驗并加強示范推廣等方面。

5 展望

人工濕地技術在污水處理領域已經獲得了廣泛認可和應用,但是仍需要在以下方面進行研究和完善:

(1)優化設計和構建:在人工濕地的建設過程中, 應針對不同來源、不同性質的污水,在設計、施工和運維過程中考慮和掌握對應的物理化學參數,并根據實際需求構建適合不同污水類型的人工濕地。另外,如何更好地選擇植物物種和監測設備等因素,以實現最佳的廢水凈化方式,仍需進一步研究。

(2)提高人工濕地處理效率:目前人工濕地處理系統的去除效率仍然存在提升空間,特別是在對難以降解有機污染物和重金屬等污染物的去除方面,需要進行深入的研究和技術應用。

(3)植物選擇與養護研究:針對人工濕地中常見的水生植物,在其適應性、吸附性、易壞性等方面進行研究和應用,以進一步加強人工濕地的穩定性和治理效果。

(4)應對氣候變化:隨著氣候變化的影響越來越明顯,人工濕地設計和運營需要考慮氣候極端事件的影響,并采取相應的措施來確保水資源的可持續性和安全。

(5)系統運營管理和監測優化: 提高現代化程度,將先進的監測和控制儀器和方法引入人工濕地治理系統中,并采用先進的科學管理方法,提高人工濕地運行效率和監測信息的準確。

(6)經濟效益評估:人工濕地技術在實踐中顯示出一定的經濟效益,但仍然需要更深入的評估,以便更好地指導決策和投資。

(7)可持續發展:在人工濕地技術的應用中,需要考慮社會、經濟和環境可持續性的問題,以確保長期可持續利用。

(8)加強示范推廣:需要加強對人工濕地技術的示范推廣,向更多的城市和地區推廣應用,同時加強對人工濕地技術的宣傳和普及。

(9)加強國際合作:需要加強與國際相關領域的交流和合作,借鑒國際先進經驗,推動中國人工濕地技術的發展和進步。