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人工濕地
人工濕地

一、人工濕地污水處理技術原理

       人工濕地的工藝原理是利用自然生態系統中物理、化學和生物的三重共同作用來實現對污水的凈化。這種濕地系統是在一定長寬比及底面有坡度的洼地中,由土壤和填料(如卵石等)混合組成填料床,污染水可以在床體的填料縫隙中曲折流動,或在床體表面流動。在不同材質、不同粒徑配比的基質填料上種植特定的處理性能好、成活率高的凈水植物,形成一個獨特的動植物生態環境,對污染水進行處理,從而成為人工建造的、可控制的、工程化的濕地生態系統。當污水通過濕地系統時,其中的污染物質通過沉積、過濾、吸附和分解等作用得到凈化。同時,人工濕地中的植物除了增加濕地基質的透水性,還能與周圍環境的原生動物、微生物等形成各種小環境,通過氧的傳遞,形成特殊的根際微生態環境,這一微生態環境具有很強的凈化廢水的能力。研究表明,城市污水在3~5 h 內流過200 hm2 以上的沼澤濕地后,硝酸鹽即可減少63%,磷減少57%。人工濕地對磷的去除是通過植物的吸收、微生物的積累和填料床的物理化學等幾方面的共同協調作用完成的。由于該系統出水質量好,適合于處理飲用水源,或結合景觀設計,種植觀賞植物改善風景區的水質狀況。

二、人工濕地對污水的凈化機理

懸浮物的去除

      廢水中的懸浮物是依靠人工濕地的攔截、吸附、絮凝和膠體顆粒的沉淀作用去除的。大量植物根系和飽和狀態的基質, 使固體懸浮物被根系和基質阻攔、截留。因此, 濕地系統像一個過濾器, 使懸浮物通過在基質和根區表面的重力沉淀、滲透和吸附作用而被分離去除。

溶解物質的去除

       污水中的溶解有機污染物, 通過植物根系的吸收和吸附, 以及植物根際周圍和土壤基質中微生物的分解代謝作用, 最終被降解為甲烷、二氧化碳和水得以去除。其中, 根際微生物和根際分泌物起到了重要的作用。根際微生物不僅能自己降解吸收有機污染物, 而且其分泌物的酶類也能降解有機污染物。而根際分泌物不僅能為微生物提供能源, 提高微生物對有機污染物的降解效率(根際微生物的數量很大程度取決于植物根際分泌物中所含氨基酸、有機酸、糖類等物質的種類和數量) , 而且其分泌的酶類對有機污染物也有直接的降解作用。

氮的去除

       污水中的氮一般以兩種形式存在: 無機氮(NO3- N) 和有機氮(NH4 - N) 。水中氮的去除轉化包括很多過程, 其中一部分氮可以被濕地中的植物吸收, 合成植物體內物質, 最終通過植物的收割得以去除。另外, 基質也可通過一些物理和化學的途徑, 包括吸收、吸附、過濾等去除污水中的一部分氮。但是氮主要還是在微生物的作用下通過硝化、反硝化反應來去除的。濕地中的大型植物根系上附著生物膜, 有著好氧、厭氧和缺氧區域。原因是處于飽和狀態的基質中生長的水生植物, 可以增加濕地基質的透氣性, 同時濕地植物能將空氣傳輸到其根部, 由于擴散作用, 這些空氣在植物的每一須根周圍形成一層薄薄的好氧區, 在這一微小的好氧區中會發生硝化反應。而對于氧擴散不到的區域, 形成厭氧區發生反硝化反應。濕地中存在著無數的好氧、厭氧區, 這就相當于多個A- O 反應器組合, 保證了較好的脫氮效果。

磷的去除

       人工濕地對磷的去除, 是通過植物的吸收、微生物的積累和土壤顆粒吸附等共同作用完成的。廢水中的無機磷部分在植物的吸收和同化作用下, 被合成A TP 等有機成分, 最后通過植物的收割而被去除。微生物對磷的去除, 包括對磷的正常吸收和過量累積。由于人工濕地特殊的好氧、厭氧狀態, 磷細菌能將有機磷轉化成簡單的磷化合物, 供植物和微生物吸收, 并在厭氧條件下提供短鏈脂肪酸。
       此外, 濕地中土壤顆粒對磷的吸收也是非常重要的去磷過程, 吸附容量和土壤中所含鐵、鋁、鈣化合物的含量有關。在好氧條件下的中性至酸性環境中, Fe3+ 可以與磷結合生成穩定的化合物。若土壤環境變為厭氧, 則Fe3+ 會被還原成Fe2+ , 這就會導致吸附能力降低和對磷的釋放。鈣對磷的吸收只發生在中性環境中。此外, 每一個土壤顆粒都有一定的吸附容量, 當土壤顆粒的吸附空間被占滿之后, 吸附作用將不再發生。

重金屬的去除

       濕地中金屬的去除機制包括離子交換、與濕地中的基質螯合, 或轉化為不可溶的硫酸鹽、碳酸鹽、氫氧化物等沉淀。主要過程是不可溶重金屬隨懸浮顆粒沉淀得以去除, 溶解性重金屬通過與基質和沉淀物的離子交換和絡合作用, 以難溶性化合物的形式沉淀或者被植物所吸收。重金屬會對植物產生毒害作用, 但是有些植物在吸收重金屬后會分泌一些物質和重金屬絡合, 從而消除了金屬的毒性。不可溶金屬的去除類似于TSS 的機制。另外, 通過PH 和氧化還原電位的調節, 使這些不可溶金屬轉化為可溶性金屬, 被植物和細菌等所吸收。

三、人工濕地的優缺點

      人工濕地污水處理系統是一個綜合的生態系統,具有如下優點:
       ①建造和運行費用便宜;
       ②易于維護,技術含量低;
       ③可進行有效可靠的廢水處理;
       ④可緩沖對水力和污染負荷的沖擊;
       ⑤可提供和間接提供效益,如水產、畜產、造紙原料、建材、綠化、野生動物棲息、娛樂和教育。
       不足:
       ①占地面積大;
       ②易受病蟲害影響;
       ③生物和水力復雜性加大了對其處理機制、工藝動力學和影響因素的認識理解,設計運行參數不精確,因此常由于設計不當使出水達不到設計要求或不能達標排放,有的人工濕地反而成了污染源。

四、人工濕地類型和特點

       目前在國內外主要研究的人工濕地有:自由表面流人工濕地、水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地三種。選用人工濕地類型時,應根據污水的水質和各個地方的實際情況來定。下面分別介紹三種濕地的處理原理及各自的特點。

1、自由表面流人工濕地

       自由表面流人工濕地,廢水在濕地表面漫流,系統中氧的來源主要靠水體表面擴散、植物根系的傳輸和植物的光合作用,絕大部分有機物是由生長在植物水下莖、桿上的生物膜去除的。這種類型的人工濕地具有投資少、操作簡單、運行費用低等優點,但占地面積較大,水力負荷率較小,不能充分利用填料及豐富的植物根系,去污能力有限,且運行受氣候影響較大,夏季易孳生蚊蠅。張榮社等利用自由表面流人工濕地處理農業面源污水,研究結果表明水力停留時間(HRT) 2天以上,系統即可高效穩定運行,當水力停留時間為2和3天時,系統總氮去除率達到84.9%和85.6%。

2、水平潛流人工濕地

       水平潛流人工濕地,由一個或多個填料床組成,床體填充基質,床底設有防滲層,廢水從一端水平流過填料床。這種類型的人工濕地的水力負荷比自由表面流人工濕地大,對BOD、COD、SS等污染指標的去除效果好,而且很少有惡臭和孳生蚊蠅現象,但容易發生堵塞現象,控制相對復雜。

3、垂直潛流人工濕地

垂直潛流人工濕地,污水從濕地表面縱向流向填料床的底部,系統中氧的來源主要是通過大氣擴散和植物傳輸。垂直流人工濕地系統的水流狀態是維持系統正常運行、使系統充分發揮凈化效果的重要因素,水流狀態對凈化效率影響較大。這種類型的人工濕地的硝化能力高于水平潛流人工濕地,可用于處理氨氮含量較高的污水,但對有機物的處理能力不如水平潛流人工濕地系統,且落干/淹水時間較長,控制相對復雜,夏季易生蚊蠅。
 

五、人工濕地污水處理系統植物的選擇

1、選用原則

      a  植物在具有良好的生態適應能力和生態營建功能;
      篩選凈化能力強、抗逆性相仿,而生長量較小的植物,減少管理上尤其是對植物體后處理上的許多困難。一般應選用當地或本地區天然濕地中存在的植物。
      b  植物具有很強的生命力和旺盛的生長勢;
      ① 抗凍、抗熱能力
      ②抗病蟲害能力
      ③對周圍環境的適應能力
      c  所引種的植物必須具有較強的耐污染能力;
      水生植物對污水中的BOD5?COD?TN?TP主要是靠附著生長在根區表面及附近的微生物去除的,因此應選擇根系比較發達,對污水承受能力強的水生植物。
      d  植物的年生長期長

      人工濕地處理系統中?;岢魷忠蚨局參錕菸勞齷蟶ば菝叨賈鹿δ芟陸檔南窒?,因此,應著重選用常綠冬季生長旺盛的水生植物類型。
      e  所選擇的植物將不對當地的生態環境構成威脅,具有生態安全性;
      f植物的年生長期長,最好是冬季半枯萎或常綠植物
      g  具有一定的經濟效益、文化價值、景觀效益和綜合利用價值。
      由于所處理的污水不含有毒、有害成分,可以考慮其綜合利用。

2、植物類型分析

      a  漂浮植物
     漂浮植物中常用作人工濕地系統處理的有水葫蘆、大薸、水芹菜、李氏禾、浮萍、水蕹菜、豆瓣菜等。
     b  根莖、球莖及種子植物
     這類植物主要包括睡蓮、荷花、馬蹄蓮、慈姑、荸薺、芋、澤瀉、菱角等。
     c  挺水草本植物類型
     這類植物包括蘆葦、茭草、香蒲、旱傘竹、皇竹草、藨草、水蔥、水莎草、紙莎草等,為人工濕地系統主要的植物選配品種。根據這類植物的生長特性,它們即可以搭配種植于潛流式人工濕地,也可以種植于表流式人工濕地系統中。
      d  沉水植物類型
      沉水植物一般原生于水質清潔的環境,其生長對水質要求比較高,因此沉水植物只能用作人工濕地系統中最后的強化穩定植物加以應用,以提高出水水質。

六、人工濕地的生態效益

      ①維持生物多樣性
      ②調節流量,控制洪澇
      ③補充地下水
      ④降解污染物
 

七、人工濕地的發展方向

      人工濕地系統是一項低投資、低能耗、低運行費用、氮、磷去除率高的治理工程技術,在污水的修復方面表現了極大的發展潛力,從而得到公眾的普遍接受益。因此,人工濕地今后的研究將集中在這樣幾個方面:(1)深入研究人工濕地污水處理的機理,建立合理的動力模型,進行模擬實驗和實地試驗;(2)提高人工濕地的污水凈化效果,包括對植物類型、基質類型的優勢組合,基因工程菌的構建等;(3)加強人工濕地對工業廢水處理的研究,擴大人工濕地的應用范圍;(4)加強對人工濕地處理效果的實例分析,對其應用成果進行推廣和學習。
人工濕地系統是仿真獨特的土壤-水生植物-微生物和基質組成的生態系統,在我國是一項正在被研究、應用和發展的處理污水的新技術,由于它具有高效率、低投資、低運轉費、低維持技術、處理量靈活、低能耗、處理效果好等優點,非常適合我國的國情,尤其是廣大農村地區、中小城鎮地區的污水處理方法。
人工濕地系統是一個完整的生態系統,可以在其內部形成良好的循環,隨著時間的推移,及對該技術研究的不斷深入和應用實踐經驗的不斷取得,該技術將會日趨成熟,在水污染控制領域中發揮更加顯著的作用。

八、人工濕地污水處理技術研究展望

       1)進一步加強人工濕地處理污水機理的研究。人工濕地處理污水的機理非常復雜,設計的范圍也很廣。目前,雖然有些機理研究已經得到初步的認可,但仍然存在很多問題需要進一步研究,如污水中的有機污染物、無機污染物、金屬污染物的去除過程與機理;根際微生態系統的綜合作用;有機物、無機化合物和金屬離子在濕地系統內的相互作用及其對植物、微生物和土壤的影響等[9]。
       2)人工濕地處理農村污水示范研究。人工濕地在解決我國農業面源污染和農村生活污水方面具有獨特的優勢,應加大人工濕地處理農村污水示范研究,探討適合我國國情的農村污水處理方式,并通過集成示范,查找技術中存在的問題,為進一步大范圍推廣打下良好的基礎,
       3)濕地系統優化運用研究。①加強濕地植物的篩選工作,選擇一些耐污能力強,去污效果好的濕地植物,同時加強多種植物的合理搭配的研究。
②重點研究在提高人工濕地氧化硝化能力的同時如何提高其反硝化能力,解決硝態氮的高效去除問題。③填料的類型直接影響濕地系統的凈化能力,尤其是對磷的去除。加強填料的篩選和如何防止填料堵塞,是今后應該優先考慮的工作。

(責任編輯:碧藍環保)
數據提供:天助網    
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