宋志文1,郭本華1,韓瀟源1,曹軍2 (1.青島建筑工程學(xué)院,山東 青島266033;2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所,遼寧 沈陽(yáng) 110016) 摘要:潛流型人工濕地污水處理系統(tǒng)具有水力負(fù)荷和污染附和大,對(duì)BOD,COD,SS,重金屬等污染指標(biāo)去除效果好等優(yōu)點(diǎn),是目前國(guó)際上較多研究和應(yīng)用的一種人工濕地處理系統(tǒng)。介紹了潛流型人工濕地污水處理系統(tǒng)的特點(diǎn)、構(gòu)成、運(yùn)行效果和應(yīng)用,指出了潛流型人工濕地系統(tǒng)的應(yīng)用前景和研究方向。 關(guān)鍵詞:潛流型人工濕地;污水處理;人工濕地 中圖分類號(hào):X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1009—2455(2003)06—0005—04 采用人工濕地(Constructed Wetlands,CWs)系統(tǒng)處理污水是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種污水處理技術(shù)。由于具有凈化效果好、工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)管理方便、能耗低、對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng)、工程基建和運(yùn)行費(fèi)用低、可實(shí)現(xiàn)廢水的資源化等特點(diǎn),正越來(lái)越多地得到人們的關(guān)注[1-2]。 我國(guó)在“七五”期間開展人工濕地的研究,分別在北京昌平、深圳白泥坑、天津等地建成不同處理規(guī)模的人工濕地處理工程,這些處理系統(tǒng)大多為自由表面流人工濕地,對(duì)于潛流型人工濕地的研究相對(duì)較少,并且大多為理論探討或?qū)嶒?yàn)研究[3-6]。本文在論述潛流型人工濕地的類型、特點(diǎn)、構(gòu)成及應(yīng)用的基礎(chǔ)上.指出潛流型人工濕地系統(tǒng)的應(yīng)用前景和研究方向。 1 潛流型人工濕地處理系統(tǒng)類型及其特點(diǎn) 根據(jù)污水在人工濕地中的流動(dòng)方式可以把人工攫地劃分為自由表面流人工濕地和潛流型人工濕地。自由表面流人工濕地和自然濕地相類似,廢水從濕地表面流過(guò)。這種類型的人工濕地具有投資少、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是占地面積大,水力負(fù)荷低,去污能力有限,受氣候影響較大,夏季會(huì)孽生蚊蠅、散發(fā)臭味;潛流型濕地系統(tǒng)中,污水在濕地床的表面下流動(dòng),利用填料表面生長(zhǎng)的生物膜、植物根系及表層土和填料的截留作用凈化污水。國(guó)外所建成的人工濕地中,潛流型人工濕地占相當(dāng)大的比例。如在新西蘭使用的大約80個(gè)人工濕地系統(tǒng)中,裹面流濕地占45%,潛流型人工濕地占33%,混合型人工濕地占14%[7]。在美國(guó)、歐洲、澳大利亞和南非等地已建成的和正在建設(shè)的人工濕地處理系統(tǒng)中,大部分是潛流型濕地船[8-9]。 根據(jù)污水在濕地中流動(dòng)的方向不同可將潛流型濕地系統(tǒng)分為水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地2種類型。不同類型的濕地對(duì)污染物的去除效果不同,具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)[10]。 ①水平潛流濕地系統(tǒng)。水平潛流人工濕地因污水從一端水平流過(guò)填料床而得名。它由一個(gè)或幾個(gè)填料床組成,床體充填基質(zhì)。與自由表面流人工濕地相比,水平潛流人工濕地的水力負(fù)荷和污染負(fù)荷大,對(duì)BOD,COD,SS,重金屬等污染指標(biāo)的去除效果好,且很少有惡臭和孳生蚊蠅現(xiàn)象,是日前國(guó)際上較多研究和應(yīng)用的一種濕地處理系統(tǒng)。它的缺點(diǎn)是控制相對(duì)復(fù)雜,脫氮、除磷的效果不如垂直流人工濕地。 ②垂直潛流濕地系統(tǒng)。在垂直潛流人工濕地中污水從濕地表面縱向流向填料床的底部,床體處于不飽和狀態(tài),氧可通過(guò)大氣擴(kuò)散和植物傳輸進(jìn)人人工濕地系統(tǒng).該系統(tǒng)的硝化能力高于水平潛流濕地,可用于處理氨氮含量較高的污水。其缺點(diǎn)是對(duì)有機(jī)物的去除能力不如水平潛流人工濕地系統(tǒng).落干/淹水時(shí)間較長(zhǎng),控制相對(duì)復(fù)雜。 2 潛流型人工濕地的構(gòu)成 潛流型人工濕地主要由3部分組成:基質(zhì)、植物和布水系統(tǒng)。目前人工濕地系統(tǒng)可用的基質(zhì)主要有土壤、碎石、礫石、煤塊、細(xì)沙、粗砂、煤渣、多孔介質(zhì)(LECA)、硅灰石和工業(yè)廢棄物中的一種或幾種組合的混合物?;|(zhì)一方面為植物和微生物生長(zhǎng)提供介質(zhì),另一方面通過(guò)沉積、過(guò)濾和吸附等作用直接去除污染物。潛流型人工濕地中使用的植物主要有香蒲、蘆葦、燈心草等,這些植物可增加濕地基質(zhì)的遇水性,此外還能與周圍環(huán)境的原生動(dòng)物、微生物等形成各種小環(huán)境,將氧氣傳輸至根區(qū),形成特殊的根際微生態(tài)環(huán)境、這一微生態(tài)環(huán)境具有很強(qiáng)的凈化廢水的能力。在美國(guó),大約40%的潛流型濕地只種植香蒲一種植物,歐洲國(guó)家則多數(shù)種植蘆葦,也有一些系統(tǒng)種植了多種組合植物。布水系統(tǒng)主要是將進(jìn)水按一定方式均勻地分布在處理系統(tǒng)中,并且保證不發(fā)生短流和堵塞,在潛流型人工濕地處理系統(tǒng)中多采用穿孔管布水系統(tǒng)。 3 潛流型人工濕地的凈化效果 3.1 對(duì)有機(jī)物的去除 潛流型人工濕地的顯著特點(diǎn)之一就是其對(duì)有機(jī)污染物有較強(qiáng)的降解能力。污水中的不溶有機(jī)物通過(guò)濕地的沉積、過(guò)濾作用.可以很快地被截留而被微生物利用;污水中的可溶性有機(jī)物則可通過(guò)植物根系生物膜的吸附、咀收及生物代謝過(guò)程而樁分解去除。資料表明,潛流型人工濕地系統(tǒng)的出水水質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)的二級(jí)生物處理[1]。 3.2 對(duì)氰的去除 潛流型人工濕地對(duì)氮的去除作用包括吸附,過(guò)濾和沉積、氨揮發(fā)、植物吸收和微生物硝化和反硝化作用:微生物的硝化和反硝化作用在氮的去除過(guò)程中起著重要作用。在潛流型濕地系統(tǒng)中,氧的主要來(lái)源是植物根系.但這種能力是非常有限的,這就妨礙了任何流經(jīng)該水域水流十氨的硝化作用:為提高潛流型濕地的供氧量,町以采用周期性地改變水深促使根系向縱深生巴,增加暴露水面或地表漫流區(qū)以促進(jìn)表面復(fù)氧作用,或采用間歇布水的方式,以及采用頻繁注人和循環(huán)的多個(gè)平行床系統(tǒng)使大氣中的氧進(jìn)入到介質(zhì)中等方法。Platzer[11]指出,潛流型濕地系統(tǒng)高的凈化能力主要是依靠土壤有效的通氣性,BOD,COD,氨氮的去除能力很高,但總氮的去除能力卻有限。Green[12]研究了系統(tǒng)中氧的分布隨時(shí)間和空間的變化.并通過(guò)給濕地系統(tǒng)增設(shè)輸氣管,利用慢灌快排使系統(tǒng)充分進(jìn)氣.以增加內(nèi)部溶解氧的含量來(lái)提高系統(tǒng)的硝化反應(yīng)能力,結(jié)果大大提高了氨氮的去除串。 3.3 對(duì)磷的去除 潛流型人工濕地對(duì)磷的去除作用包括吸收、化學(xué)沉積、植物和藻類吸收、微生物作用等,其中基質(zhì)吸附起主要作用[13]?;|(zhì)的理化性質(zhì)對(duì)磷的去除串有很大影響。Zhu等[14]研究了鎂、鈣、鐵、鋁和磷的吸附關(guān)系,發(fā)現(xiàn)鈣與磷的吸附相關(guān)性量強(qiáng)。Geller[15]也認(rèn)為鈣與鐵、鋁相比對(duì)磷具有更強(qiáng)的結(jié)合能力,潛流型濕地系統(tǒng)對(duì)磷的去除能力決定于這些礦質(zhì)元素在基質(zhì)中的含量。A Drizo等[17]比較分析丁7種基質(zhì)對(duì)磷的去除能力,發(fā)現(xiàn)飛灰和頁(yè)巖具有最大的磷吸收.然后是鋁土礦、石灰石,綜合比較各種性能,A.Drizo認(rèn)為頁(yè)巖最適合作為潛流型濕地系統(tǒng)的基質(zhì)。H.Brizo等[17]分析了13種丹麥不同地區(qū)沙的理化性質(zhì)和除磷能力,這些沙對(duì)磷的去除能力差別極大,決定磷的去除能力呈沙中鈣的含量,作者同時(shí)也研究了一些人工合成基質(zhì)的除磷能力,他認(rèn)為將這些人工基質(zhì)中的一種或幾種和沙混合使用可以顯著提高潛流型濕地系統(tǒng)的除磷能力。 4 潛流型人工濕地的經(jīng)濟(jì)分析 工程造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用是人們?cè)谶x擇和設(shè)計(jì)污水處理工藝時(shí)必須考慮的問(wèn)題。美國(guó)分析了37個(gè)濕地污水處理系統(tǒng)的造價(jià),其中19個(gè)自由衷面流濕地的平均造價(jià)為55000美元/hm2,18個(gè)潛流型系統(tǒng)的平均造價(jià)為215000美元/hm2:,因?yàn)樾枰~外的巖石供應(yīng)和填筑費(fèi)用,所以潛流型系統(tǒng)的造價(jià)比自由表面流系繞高,但是就負(fù)荷計(jì)算,潛流型系統(tǒng)顯示出優(yōu)越性,潛流系統(tǒng)的造價(jià)為163美元/m3,自由表面流系統(tǒng)為206美元/m3[8]。國(guó)內(nèi)一些專家估算,潛流型人工濕地污水處理系統(tǒng)的占地面積大約是自由衷面流人工濕地系統(tǒng)的十分之一,建造費(fèi)用大約在130—150元/m2。 5 滑流型人工濕地的應(yīng)用 德國(guó)最早開展了潛流型人工濕地的研究[18]。早期的潛沉型濕地處理系統(tǒng)主要用于處理城市生活污水或二級(jí)污水處理廠出水。經(jīng)過(guò)近30年研究與發(fā)展,該技術(shù)已經(jīng)在英國(guó)、美國(guó)、新西蘭、法國(guó)、澳大利亞、巴西、荷蘭等許多國(guó)家得到應(yīng)用推廣,一些發(fā)展中國(guó)家也開始使用改技術(shù)解決國(guó)內(nèi)的污水處理問(wèn)題[19]。與此同時(shí)應(yīng)用范圍電不斷擴(kuò)大,除了用于處理城市污水外,還應(yīng)用于工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)面源污染、垃圾滲出液暴雨徑流等多種廢水的處理,表現(xiàn)出良好的凈化效果,見表1。 表1 潛流型人工濕地處理系統(tǒng)實(shí)例 廢水類型 | 時(shí)間 | 濕地類型 | 污染物去除效果/% | BOD5 | COD | NH3-N | TN | TP | 食品加工廢水[20] | 1992-1994 | 水平潛流 | 89 | 92 | 86 | | 96 | 釀酒廢水[21] | 1995-1997 | 水平潛流 | | 98 | | | 63.3 | 生活廢水[22] | 1997-1999 | 水平潛流 | 70-93 | | 38-66 | 38-66 | 42-70 | 污泥滲出液[23] | 1997-1999 | 垂直潛流 | | 96 | | 92 | | 苗圃灌溉徑流[24] | 1999-2001 | 水平潛流 | | | | >84 | > 65 | 河水[25] | 1999-2000 | 水平潛流 | 74-81 | | 58-82 | | | 油田采出水[6] | 1991-1993 | 垂直潛流 | 80.02-89.05 | 67.25-80.77 | | 75.3-81.0 | | 暴雨徑流[26] | 2000-2001 | 水平潛流 | 87.13 | | | 97.3 | 77.29 | 農(nóng)業(yè)廢水[27] | 2001 | 水平潛流 | | 59.6-70.6 | 70.8-83.0 | 50.4-60.6 | 55-66.0 | 6 結(jié)束語(yǔ) 眾多成功應(yīng)用的實(shí)踐證明,潛流型人工濕地是一項(xiàng)非常有效的污水處理技術(shù),和國(guó)外相比,國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)滯后,筆者認(rèn)為今后應(yīng)深入開展以下幾個(gè)方面的研究。①通過(guò)篩選耐污和凈化能力強(qiáng)的植物品種并進(jìn)行優(yōu)化組合,達(dá)到更好地調(diào)控潛流型人工濕地的凈化功能以及符合城市景觀建設(shè)的需要;同時(shí)建造適宜的濕地生態(tài)系統(tǒng),使植物良好生長(zhǎng),充分發(fā)揮其各種功能。②在系統(tǒng)地研究潛流型人工濕地中微生物種類分布規(guī)律和作用機(jī)制的基礎(chǔ)上,通過(guò)高效微生物的篩選,人為適當(dāng)?shù)馗脑鞚竦匚⑸锶郝浣Y(jié)構(gòu)并調(diào)控濕地系統(tǒng)的凈化過(guò)程,從而提高人工濕地系統(tǒng)的運(yùn)行效果。③通過(guò)對(duì)基質(zhì)進(jìn)行篩選或人工合成,提高人工濕地對(duì)磷的持續(xù)去除效果。④應(yīng)用生態(tài)工程的原理和方法對(duì)人工濕地系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建和調(diào)整,以利于濕地正常功能的運(yùn)作和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)性。通過(guò)上述幾個(gè)方面的研究,構(gòu)建適合我國(guó)國(guó)情和不同地域特點(diǎn)的高效潛流型人工濕地處理系統(tǒng),使其在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用和椎廣。 參考文獻(xiàn): [1] 沈耀良,王寶貞.廢水生物處理新技術(shù)——理論與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,1999. 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