人工湿地技术在污水处理中的应用 11页

人工湿地技术在污水处理中的应用收稿日期：2008-04-22修回日期：2008-07-03作者简介：王福田（1961-），男，河北临西人，高级工程师，主要从事节水灌溉技术及节水型社会等方面的研究。摘要：人工湿地技术是建立在生态学原理基础上的一项新型污水处理技术，因其具有净化效果好、工艺设备简单、运行费用低、美观等特点，从而受到人们的广泛关注。现主要从人工湿地的基本构型、人工湿地分类和国内外应用现状3个方面进行了阐述，并提出了人工湿地在实际应用中的问题和未来发展方向。关键词：人工湿地;分类;污水处理;应用中图分类号：X505文献标识码：B文章编号：1672-1683（2008）04-0068-03TheApplicationofConstructedWetlandTechniqueforWastewaterTreatmentWANGFu-tian??1,GUBao-qun??1,DONGRui-hai??2（1.HebeiProvinceAcademyofWaterRsource,Shijiazhuang050051，China;\n2.HebeiPovinceInstituteofEnvironmentalGeologicalProspecting，Shijiazhuang050018，China)Abstract:Constructedwetland(CW)isanewwastewatertreatmenttechniquewhichisbasedonthetheoryofbionomicsandhastheadvantagesofgoodpurifyingeffect,simpleequipment,lowcostandaestheticvalue.SoCWhasattractedwidespreadattention.Thisreviewbrieflydescribedbasicstructure&classificationofCWandthepresentsituationofapplicationathomeandabroad.Andalso,itputsforwardtheproblemsanddevelopmentdirectionofCWapplication.Keywords:Constructedwetland;classification;wastewatertreatment;application随着工农业和城市化的发展，我国污水排放量也急剧增加，据统计,全国每年污水排放量有数百亿吨，但只有24%的工业废水和4%的生活污水经处理排放，有80%的饮用水源遭到了污染[1]。虽然很多地区也自建了污水处理系统，但是由于缺少运行资金，污水处理厂的运行很难步入正轨，特别是在没有能力建造基建、运行费用昂贵，维护技术难度大的传统污水处理厂的中小城镇及乡村尤其严重[2]。与传统的污水二级生化处理工艺相比，人工湿地具有净化效果好、工艺设备简单、运行费用低、和具有美学价值等优点，从而越\n来越多地受到人们的关注。人工湿地能够利用基质、微生物、植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对废水的高效净化和水环境的修复，同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环,促进绿色植物生长并使其增产，实现废水的资源化与无害化。目前，人工湿地技术被广泛用于处理多种类型的废水,如生活污水、酸性矿山排水、农业废水、城市暴雨、城乡景观水、石油产业废水和富营养化水体等[3-5]。1人工湿地概述1.1人工湿地的基本构型人工湿地是为处理污水而人为设计建造的工程化湿地系统，在一定长、宽比及地面坡度的洼地中，由土壤和基质填料（如砾石等）混合组成填料床，污水在填料的缝隙或床体的表面流动，在床的表面种植具有处理性能好，成长周期长、美观等特点的水生植物（如芦苇、香蒲等），形成一个具有污水处理能力的独特的生态系统。故人工湿地也称为构筑湿地。实际应用中往往是将湿地进行组合或附加必要的预处理、后处理设施。1.2人工湿地的分类及特点人工湿地按污水在其中的流动方式可分为两种类型：表面流人工湿地（surfaceflowwetland，简称FWS）和潜流型人工湿地\n（subsurfaceflowwetland，简称SFS）见图1、图2,其中潜流型人工湿地又包括水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地。FWS系统和自然湿地类似，污水流经湿地表面，污染物的去除依靠植物根茎的拦截作用以及根茎上生成的生物膜的降解作用。这种类型的人工湿地具有投资少、操作简单、运行费用低等优点，但占地面积较大，水力负荷率较小，且北方地区冬季表面会结冰，夏季滋生蚊蝇、散发臭味，目前已较少采用。SFS系统中污水在湿地床的内部流动，运行过程中，污水在配水系统（一般由卵石构成）在湿地的一段均匀的进入填料床植物的根区。填料由3层组成，表层土壤、中层砾石和底层小豆石。在表层土壤种植耐水性植物，如芦苇、美人蕉、大米草等。这些植物有非常发达的根系，可深入表土以下0.6~0.7m的砾石层中，并交织成网，与砾石一起构成一个透水性良好的系统，同时这些植物根系有较强的输氧能力，可使根系周围的水环境中保持较高浓度的溶解氧，给生长在砾石等填料表面的好氧微生物的生长、繁殖及对有机污染物的降解所需。经过净化的出水又是地末端的集水区中铺设的集水管收集后派出处理系统。潜流型人工湿地有以下几个特点：①水流在地表下流动，充分利用了填料表面生长的生物膜和丰富的植物根系；同时保温性能好，不易滋生蚊虫；②表层土和填料截留的作用，可以延长水流的停留时间，提高了处理效果和能力；③水力负荷和污染负荷大，\n对BOD5、COD和重金属等污染指标的去除效果好。另外，将水平潜流人工湿地和垂直流人工湿地进行对比，前者的脱氮除磷效果不及后者，垂直流人工湿地处理含氨氮浓度高的污水更具优势见图2。目前，潜流人工湿地已被美国、日本、澳大利亚、德国、瑞典、英国、荷兰和挪威等国家广泛应用[6]。1人工湿地在国外的应用自德国1974年建成第一座人工湿地以来，人工湿地得到了迅速的发展。最初人工湿地主要用于生活污水和矿山酸性废水的处理，现在也用于城市污水和各种工业废水的二级处理等。研究表明人工湿地能够高效净化污水，如Tanner[7]曾用SFS湿地系统处理农场废水，处理后的出水水质达到世界卫生组织灌溉用水标准。Vrhovsek[8]教授曾将人工湿地用于食品加工废水的处理，污水中COD、NH+4-N、NO3-N去除率分别达到92%、86%、65%，并且细菌的去除率也达到99%。另外还有将人工湿地用于纺织工业、造纸工业和石油化工工业等废水处理的报道。由于对污水净化效果好，运行费用低，目前世界上许多国家建立了人工湿地污水处理系统。统计表明，在美国已有600多处人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水[9]。丹麦、德国、英国至少有200处人工湿地系统在运行[10]。新西兰也有80多处人工湿地系统投入使用[11]。在欧洲应用较多的则是地下潜流系统，特别是在一些东欧国家应用广泛。\n1人工湿地在我国的应用在湿地处理污水的应用方面，我国在“七五”期间才开始起步。首例采用人工湿地处理污水的工程是1987年由天津市环保研究所建成的占地6hm2、处理规模1400m3/d的芦苇人工湿地，开始对人工湿地处理污水的规律进行比较系统的研究。1989年建成了北京昌平处理规模为500m3/d的自由水面人工湿地,处理生活污水和工业废水，效果良好，优于传统的二级处理工艺。20世纪90年代在深圳建成了白泥坑人工湿地示范工程[12]，经过近两年的运转，出水效果较好，除氨氮指标处理效果不明显外，其余指标均能达到国家规定的二级处理排放标准，并且通过对该工程的分析，得到一些人工湿地污水处理系统的设计参数，表明系统越是复杂运行就越稳定，在规模效应不大的情况下是解决中、小城镇污水处理的切实可行的途径。可见，早期的人工湿地主要处理生活污水，其投资和日常费用仅为常规二级污水处理的1/10~1/2和1/5~1/3，但出水水质却可达到或超过二级污水处理水平，由于适用面广，这一技术很快被推广到各种污水的处理。经过多年的摸索，近年来人工湿地作为改善水环境的一种有效方法，应用于水库、湖泊周边面源污染的拦截和地面微污染水体的净化等。2003年7月建成的石岩人工湿地工程[13]采用“高效复合垂直流人工湿地水质净化工艺”保护石岩水库饮用水源，处理规模为1.5万m3,整个系统分为前处\n理和湿地处理系统两部分。前处理系统（粗格栅、细格栅和强化型酸化水解池）增强了湿地生态系统的稳定性，增加了湿地处理寿命，同时提高了整个系统的处理效率。对出水水质的监测结果显示，系统出水水质好，CODCr、BOD5的去除率分别达到81.5%~91.3%和88.7%~98.8%，对总磷的去除率高达97%左右。北京市官厅水库黑土洼人工湿地[14]充分利用水库滩地和库区水湾，建设形成有稳定塘、人工湿地、退水塘等构成的复合湿地系统，在北方低温地区人工湿地设计、植物选育、运行管理及冬季运行等方面取得了重大突破。运行三年来，湿地的净化效果显著，削减入库污染物总量达33%〜35%，为官厅水库饮用水水源的恢复、保障首都供水安全做出了积极贡献此外,人工湿地技术处理特种工业废水方面，国内已有将人工湿地应用于煤炭业矿井水、含藻毒素的富营养化水体、石油工业超稠油废水及造纸废水等方面的报道。中科院植物研究所唐述虞[15]采用人工湿地系统处理酸性铁矿废水，结果表明，系统对各种金属离子的去除率较高，运行费用低廉。河南新密市长胜纸业有限公司采用YSH―人工湿地污水处理技术，对造纸废水进行深度治理，处理后的出水在生产中全部回用实现了零排放[16]。1问题及展望\n应用人工湿地技术进行污水处理具有广泛的前景。在人工湿地技术的应用中，重要的是要针对具体的水质特点、污水处理的具体要求选择适合的湿地类型，将各种人工湿地进行组合是崭新的人工湿地技术构想，有利于发挥不同技术的优势或互为补充，提高处理效率，扩大适用范围。然而，也应看到人工湿地技术还不尽完美，尚有一些问题亟待解决。（1）需要长期运行系统的详细资料。人工湿地系统在达到其最优效率时，需2〜3个生长周期，所以湿地建成几年后才能达到完全稳定的运行。目前，人工湿地技术最大问题在于缺乏长期运行系统的详细资料。因此，除了对现有人工湿地系统进行研究、优化设计参数之外，还应注重对系统的长期运行能力和管理问题的研究。（2）需要建立人工湿地处理系统数据库。人工湿地应随气候条件、湿地的规模、污水负荷、几何布置、植物种类构成及废水的类型等条件的变化而变化。目前，尚未制定出设计标准，因此迫切需要建立人工湿地数据库，以减少重复劳动和改良湿地设计方法，减少建设低效湿地的风险。（3）需要深入研究机理。目前，人工湿地技术尚属新领域，设计参数主要靠经验参数或者经验公式，人们对其净化和运行机理还不是十分清楚，需要利用先进的计算机工具和数学模型，对不同构造的湿地中流体力学特征进行研究，探讨水力负荷、污水停留时间、出水速率、湿地容水体积（空隙率）和出水量等与污水净化效果的偶合关系，以揭示水力学特征对净化效果的影响规律。\n利用人工湿地技术进行污水处理，符合人类与水生生物谐调发展的客观要求,有利于促进良性生态环境的建设,有显著的社会、环境和经济效益。这种方式尤其适合在中小城市和乡村缺少具有一定操作管理和技术水平的人员的条件下使用,具有极其广阔的应用前景。参考文献：[1]李丽，王全金.人工湿地在污水处理中的研究进展]J].华东交通大学学报，2007,24(1):11-14.[2]梁继东,周启星,孙铁珩.人工湿地污水处理系统研究及性能改进分析[J].生态学杂志,2003,22(2):49-55.[3]KivaisiKA.Thepotentialforconstructedwetlandsforwastewatertreatmentandreuseindevelopingcountries:areview[J].EcologicalEngineering,2001,(16):545-560.[4]李旭东,李广贺,张旭,等.沸石床处理农田暴雨径流氮磷中试研究[J].环境污染治理技术与设备,2003，(4):22-26.[5]HuddlestonGM,GillfspieWB,RodgersjH.Usingconstructedwetlandstotreatbiochemicaloxygendemandandammoniaassociatedwitharefineryeffluent[J].EcotoxicologyandEnvironmentalSafety,2000,(45):188-193.[6]籍国东,孙铁珩,李顺.人工湿地及其在工业废水处理中的应用[J].应用生态学报,2002,13(2):224-228.\n[7]ChrisCTanner.Organicmatteraccumulationduringmaturationofgravel-bedconstructedwetlandtreatingfarmdairywastewater[J].WaterResource,1998,32(10):3046-3054.[8]DnaiVrhovsek.Constructedwetland(CW)forindustrialwastewatertreatment[J],WaterResource,1996,30(10):2286-2292.[9]USEPA.Guidingprinciplesforconstructedtreatmentwetlands:providingforwaterqualityandwildlifehabit[M]WashingtonDC:USEPA,OfficeofWetlands,OceansandWatershed,2000.[10]白晓慧,王宝贞,余敏,等.人工湿地污水处理技术及其发展应用[J].哈尔滨工业大学学报,1999,32(6):88-92.[11]吴亚英.人工湿地在新西兰的应用[J].江苏环境科技,2000,13(3),32-33.[12]朱彤,许振成,胡康萍,等.人工湿地污水处理系统应用研究[J].环境科学研究,1991,4(5):17-22.[13]刘家宝,莫凤鸾,雷志洪,等.垂直流人工湿地系统保护水源的应用实例[J].给水排水,2005,34(4):10-13.[13]黄炳彬.黑土洼湿地系统示范工程[N].中国水利报,2007-8-16(10).\n[13]唐述虞.铁矿酸性排水的人工湿地处理[J].环境工程,1996,14(4):3-7.[14]李海华,刘玉忠,申灿杰.YSH-人工湿地系统在造纸废水处理中的工程应用分析[J].河南农业大学学报,2007,41(2):157-159.