人工濕地污水處理技術(shù)分析

譚銘

（鶴山北控村鎮(zhèn)污水處理有限公司，廣東 江門(mén) 529700）

0 引言

根據(jù)中商情報(bào)網(wǎng)的調(diào)查顯示，我國(guó)在2022 年污水排放量超過(guò)625 億m3，同比增長(zhǎng)接近6%，且水質(zhì)惡化、水源污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。過(guò)于龐大的污水量進(jìn)一步提高了污染整治難度，且許多污水處理廠(chǎng)的資金短缺，工藝技術(shù)較為落后，難以有效滿(mǎn)足污水排放標(biāo)準(zhǔn)。為解決此類(lèi)問(wèn)題，筆者將以人工濕地污水處理技術(shù)作為研究對(duì)象，進(jìn)一步保障水資源安全。

1 人工濕地污水處理技術(shù)的凈化機(jī)制

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

人工濕地是指由人工打造、管理的與沼澤地相似的地面，通過(guò)控制污水污泥，沿既定方向流動(dòng)，發(fā)揮土壤、植物、微生物的協(xié)同作用，清除污水中包含的有機(jī)物、氮磷元素，達(dá)到水體凈化的目的。其主要特點(diǎn)在于緩沖容量大，運(yùn)行費(fèi)用低、操作簡(jiǎn)易、處理效果好，適合小城鎮(zhèn)、農(nóng)村地區(qū)的污水處理，能夠有效降低對(duì)水力、污染負(fù)荷的沖擊，充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力，避免環(huán)境二次污染。

1.2 有機(jī)物去除

人工濕地對(duì)于有機(jī)物的凈化效果十分顯著，可以憑借土壤較大的比表面積，形成生物膜，在污水流經(jīng)土壤表面時(shí)，大量固體懸浮物便會(huì)被填料截留，至于不溶性有機(jī)物則會(huì)在基質(zhì)的沉淀、吸附作用下，被阻擋在外，之后憑借微生物進(jìn)行分解。至于可溶性有機(jī)物，則會(huì)被植物根系的生物膜吸收，借助微生物本身具備的代謝功能，進(jìn)一步去除。最終在土壤好氧區(qū)分解成CO2與水，而在厭氧區(qū)，有機(jī)物則會(huì)在細(xì)菌的發(fā)酵作用下，生成CO2與CH4。

1.3 氮的去除

對(duì)于污水中氮元素的去除，主要是憑借人工濕地微生物的硝化作用、反硝化作用（圖1），前者是指反硝化細(xì)菌，在缺氧條件下，實(shí)現(xiàn)硝酸鹽的還原，釋放分子態(tài)氮或N2O。而后者是指在厭氧條件下，微生物將硝酸鹽、亞硝酸鹽還原為氣態(tài)氮化物與N2。同時(shí)，人工濕地還可利用植物吸收、基質(zhì)吸附，提高氮元素的脫除效率。通常來(lái)說(shuō)，污水中的無(wú)機(jī)氮會(huì)被植物吸收，并進(jìn)一步合成植物蛋白質(zhì)，最終通過(guò)收割植物，去除污染物。而對(duì)于污水中的有機(jī)氮，則會(huì)受微生物影響，轉(zhuǎn)變?yōu)榘钡镔|(zhì)，此類(lèi)物質(zhì)容易造成地表水體富營(yíng)養(yǎng)化。為此，需要確保在污水流入人工濕地時(shí)，進(jìn)行氨化處理，使其轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)氮，從而在硝化與反硝化作用下，徹底去除。但要注意，相較于其他污水處理手段來(lái)說(shuō)，人工濕度對(duì)于氮的去除效率尚未達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，去除率只能維持在50%。為此，許多學(xué)者認(rèn)為，可適當(dāng)增加濕地中的生化需氧量，添加一定量的甲醇，增加硝酸鹽氮的占比，促進(jìn)反硝化作用的增強(qiáng)。

圖1 硝化作用、反硝化作用

1.4 磷的去除

人工濕地對(duì)于磷的脫除，則是憑借植物與微生物的共同作用，通過(guò)植物同化污水中的無(wú)機(jī)磷，合成三磷酸腺苷、核糖核酸等有機(jī)組分，之后在植物的收割作用下，徹底脫除。而微生物本身的代謝功能，則可將溶解性交叉的磷，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為溶解性無(wú)機(jī)磷，從而促進(jìn)植物吸收。而人工濕地的土壤、填料，也能利用離子交換的形式，去除磷，通過(guò)調(diào)節(jié)鐵、鋁化合物含量，控制介質(zhì)的吸附容量，從而滿(mǎn)足污水凈化需求。此外，人工濕地中的聚磷菌也對(duì)去除磷存在顯著效果。其主要原理表現(xiàn)為，聚磷菌在好氧條件下，會(huì)吸附大量磷，而在厭氧條件下，又會(huì)將其釋放出來(lái)，這樣其中一部分便會(huì)在水流內(nèi)擴(kuò)散，其余部分則會(huì)被介質(zhì)吸收。根據(jù)實(shí)際調(diào)查顯示，人工濕地在磷的去除方面，更依賴(lài)于介質(zhì)本身的吸附機(jī)制，而植物的吸收作用則不會(huì)對(duì)有機(jī)磷產(chǎn)生較大影響，但對(duì)無(wú)機(jī)磷的去除效果較為顯著，究其原因在于大型植物在生長(zhǎng)過(guò)程中，對(duì)無(wú)機(jī)磷的需求較高。

1.5 重金屬去除

人工濕地在實(shí)施重金屬去除的過(guò)程中，更多的依靠化學(xué)沉淀與離子交換。若污水在表面流濕地中的滯留時(shí)長(zhǎng)超過(guò)20h，則鋅、鎂等元素的去除率可達(dá)到最大值。同時(shí)，在重金屬去除方面，也可發(fā)揮濕地的植物吸收功能。例如，種植香蒲（圖2），該物質(zhì)可以有效凈化含鉛廢水，對(duì)于固體懸浮物、銅等物質(zhì)的脫除率也能達(dá)到99%、97%。并且，植物本身具備的泵氧作用，也能促使根部的含氧量大幅度提升，從而推動(dòng)污水內(nèi)的重金屬沉降[1]。

圖2 香蒲

2 人工濕地污水處理技術(shù)的影響因素

2.1 植物種類(lèi)

在人工濕地中，水生植物的占比較高，是污水處理系統(tǒng)的重要組成部分，因此植物類(lèi)型的選取效果，將直接決定人工濕地的應(yīng)用質(zhì)量。筆者將以常見(jiàn)的幾種水生植物作為研究對(duì)象：黑三棱，適用于徑流油類(lèi)、有機(jī)物的攝取同化；水麥冬，具有極為發(fā)達(dá)的根系，對(duì)磷的脫除率極高；水燭，能夠有效吸收污水中的氮[2]。

2.2 基質(zhì)類(lèi)型

基質(zhì)是指植物生長(zhǎng)載體，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，是濕地生物與非生物的儲(chǔ)存區(qū)域，能夠?qū)⑽鬯幚憝h(huán)節(jié)有機(jī)整合成一個(gè)整體，具有極強(qiáng)的過(guò)濾、沉淀作用。不同類(lèi)型的基質(zhì)同樣會(huì)對(duì)人工濕地的應(yīng)用質(zhì)量產(chǎn)生差異性影響。根據(jù)研究人員發(fā)現(xiàn)，混合粗石子與細(xì)石子的潛流式人工濕地，會(huì)產(chǎn)生一定程度的基質(zhì)抱團(tuán)問(wèn)題，無(wú)法有效去除滲濾液。而采用2～4cm 粗石子，或者0.5cm 細(xì)石子的基質(zhì)，則能保持極佳的水力傳導(dǎo)率，其中后者的濕地流動(dòng)狀態(tài)更加突出，能夠保持最高的污染處理效果。同時(shí)，根據(jù)污水磷凈化研究可以發(fā)現(xiàn)，礦渣、蛙石都會(huì)對(duì)磷素產(chǎn)生極強(qiáng)的凈化作用，而砂子對(duì)磷素的凈化效果則相對(duì)較差。若采用石英砂為基質(zhì)，打造人工濕地，實(shí)現(xiàn)污水的處理，則能保證生化需氧量、化學(xué)需氧量去除率均接近90%。而采用高爐渣作為基質(zhì)的人工濕地，則具有最高的除磷效率。

2.3 水流方式

人工濕地根據(jù)水流布設(shè)的差異性，可進(jìn)一步分為以下幾種類(lèi)型：地表人工濕地，在濕地系統(tǒng)周邊筑有圍墻，水層厚度在10～30cm，濕地中主要采用蘆葦?shù)韧λ椭参铩Ｋ髟跐竦爻释屏魇角斑M(jìn)，在流動(dòng)時(shí)會(huì)與植物、土壤接觸，在物理、生物反應(yīng)下，實(shí)現(xiàn)污水凈化；潛流式人工濕地（圖3），通常采用兩級(jí)濕地串聯(lián)的形式，而在處理單元方面，則通過(guò)并聯(lián)組成。濕地能夠依照污染物的類(lèi)型，進(jìn)行不同介質(zhì)的使用，搭配多樣化的凈化植物。水經(jīng)過(guò)基質(zhì)與微生物的作用，對(duì)石油類(lèi)、藻類(lèi)物質(zhì)具有極佳的凈化效果。同時(shí)，該類(lèi)型的濕地?zé)o論是在流態(tài)方面，還是在結(jié)構(gòu)方面，都能產(chǎn)生良好的硝化與反硝化功能；垂直潛流式人工濕地，污水自表面縱向流入床底，依次經(jīng)過(guò)不同介質(zhì)層，實(shí)現(xiàn)凈化目標(biāo)。該類(lèi)型濕地的布水系統(tǒng)極為完備，優(yōu)勢(shì)在于占地面積較小，地上部分可作為配合景觀使用，且污水的處理效率較高；水平流潛流式人工濕地，污水從進(jìn)水口依次經(jīng)過(guò)砂石、植物根系，最終從出水口流出，其主要結(jié)構(gòu)包括收集系統(tǒng)以及植物系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)雨水的收集、處理，憑借吸附、生化作用，進(jìn)行污水凈化，更適用于小流域的水質(zhì)治理[3]。

圖3 潛流式人工濕地

2.4 環(huán)境因素

對(duì)于人工濕地來(lái)說(shuō)，溫度、水力負(fù)荷等環(huán)境因素，都能直接決定污水的凈化效果。若水溫維持在20～25℃，則生物去污率達(dá)到最大值，若水溫低于10°C，則污水處理效率會(huì)大幅度衰減。由此可見(jiàn)，夏天高溫環(huán)境更適合進(jìn)行污水治理，但如果水溫超過(guò)30°C，則又會(huì)在一定程度上抑制硝化、反硝化作用，因此仍需要技術(shù)人員進(jìn)行合理把控。至于人工濕地的停留時(shí)間，也要作為重點(diǎn)控制對(duì)象，若污水停留時(shí)間較短，不利于生化反應(yīng)的充分實(shí)施，若停留時(shí)間較長(zhǎng)，則可能造成厭氧區(qū)擴(kuò)大，破壞處理效果。為此，筆者在查閱大量數(shù)據(jù)后，以北京昌平人工濕地作為研究對(duì)象，最終發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水力停留時(shí)間達(dá)到36h，則可滿(mǎn)足城鎮(zhèn)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，若停留時(shí)間達(dá)到4～6d，則污染物處理效果最佳。此外，在水力負(fù)荷率方面，當(dāng)數(shù)值處于0.2～0.5m/d 時(shí)，化學(xué)需氧量與NH3-N的去除率大約在15%、50%，當(dāng)適當(dāng)提高水力負(fù)荷率時(shí)，污染物的去除率則會(huì)隨之降低。為保證污水的高效治理，可適當(dāng)在水體加入明礬，其主要原理在于鋁離子與磷酸離子，能夠進(jìn)一步生成磷酸沉淀物[4]。

3 人工濕地污水處理技術(shù)的不足與應(yīng)對(duì)方法

根據(jù)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，人工濕地的優(yōu)勢(shì)眾多，通過(guò)合理選取水流方式、植物類(lèi)型、基質(zhì)類(lèi)型，可以保證污水內(nèi)包含的雜質(zhì)得到有效清除。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，人工濕地系統(tǒng)也存在一定的不足之處，具體表現(xiàn)為：現(xiàn)階段研發(fā)人員對(duì)于人工濕地的研究更多的集中在植物方面，側(cè)重于探討植物對(duì)污染物的富集效果，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，存在二次污染，且收集的植物莖葉無(wú)法有效處理；人工濕地的工程建設(shè)需要占據(jù)較大空間，且污水處理效率仍未達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)；人工濕地污水處理技術(shù)的使用原理缺少深入挖掘，導(dǎo)致在植物的篩選上缺少合理性與針對(duì)性，且設(shè)計(jì)的運(yùn)行參數(shù)缺少可行性驗(yàn)證，工藝動(dòng)力學(xué)理論有待進(jìn)一步分析；人工濕地系統(tǒng)的影響因素較多，容易受氣候條件約束，許多水生植物本身不具有耐寒性能，在低溫條件下會(huì)失去吸附、過(guò)濾效果，也容易受到病蟲(chóng)害影響，最終產(chǎn)生淤積問(wèn)題。

為解決上述問(wèn)題，需要充分圍繞人工濕地系統(tǒng)、污水治理的主要特點(diǎn)與特征，進(jìn)一步明確未來(lái)的研究重點(diǎn)與方向，具體內(nèi)容：打造數(shù)據(jù)庫(kù)，技術(shù)人員可依托云計(jì)算、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、專(zhuān)家系統(tǒng)、數(shù)字化設(shè)備、人工智能，構(gòu)建人工濕地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，充分考慮氣候變化狀況，確定濕地規(guī)模，計(jì)算負(fù)荷率，了解植物種類(lèi)，并將相關(guān)信息錄入在數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中。通過(guò)系統(tǒng)程序的自動(dòng)整理，減少重復(fù)勞動(dòng)，自動(dòng)生成濕地設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案，避免產(chǎn)生低效建設(shè)，為后續(xù)的設(shè)施優(yōu)化、技術(shù)改進(jìn)提供參考數(shù)據(jù)；深入探究污水凈化機(jī)制，人工濕地的凈化作用相對(duì)復(fù)雜，無(wú)論是植物的吸附作用、微生物的代謝功能，還是物質(zhì)間的化學(xué)反應(yīng)，都能有效治理污染水體，因此系統(tǒng)涉及范圍相對(duì)寬泛。一旦凈化污水機(jī)制掌握不夠全面，很容易影響污水的治理效率，造成不必要的資源浪費(fèi)。為此，污水處理廠(chǎng)需要將研究重點(diǎn)放在如何增強(qiáng)硝化、反硝化能力上，將特征污染物作為工作落腳點(diǎn)，通過(guò)打造去除反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，模擬污水凈化流程，提高污染整治力度；水生植物的選擇，根據(jù)實(shí)際調(diào)查顯示，目前，全世界范圍發(fā)現(xiàn)的濕地高等植物類(lèi)型已經(jīng)超過(guò)6800 種，但應(yīng)用在濕地，能夠產(chǎn)生吸附、過(guò)濾效果的植物只有近百種。由此可見(jiàn)，人工濕地的水生植物種植潛力巨大，應(yīng)用價(jià)值有待進(jìn)一步挖掘；延伸人工濕地的應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)階段我國(guó)對(duì)于人工濕地技術(shù)的應(yīng)用更多的集中在生活污水方面。但許多發(fā)達(dá)國(guó)家，已經(jīng)將人工濕地投入在垃圾滲濾，城鎮(zhèn)污水治理等領(lǐng)域。為此，我國(guó)需要加快研究進(jìn)度，保證人工濕地應(yīng)用價(jià)值的充分發(fā)揮[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)人工濕地污水處理技術(shù)的凈化機(jī)制與影響因素的分析，闡述技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中存在的不足之處與解決措施，以此充分發(fā)揮人工濕地的應(yīng)用價(jià)值，提高污水整治效果，實(shí)現(xiàn)資源的節(jié)能化使用，改善生態(tài)環(huán)境，優(yōu)化居民生活質(zhì)量。