人工濕地凈化污水的機理與其發(fā)展方向
摘要：人工濕地法處理廢水技術是利用生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)的原理，使用生物方法去除污染物質(zhì)。本文對人工濕地處理污水的機理研究現(xiàn)狀進行了總結，并討論了人工濕地處理污水應用的發(fā)展方向。
關鍵詞：人工濕地；污水處理；凈化機理；發(fā)展方向
人工濕地污水處理技術是20世紀七八十年代發(fā)展起來的一種污水生態(tài)處理技術，它能有效地處理多種多樣的廢水，如生活污水、工業(yè)廢水、垃圾滲濾液、地面徑流雨水、合流制下水道暴雨溢流水等。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，在歐洲與北美已有上萬座處理城市污水和多種工業(yè)廢水的濕地系統(tǒng)在穩(wěn)定運行，污水處理人工濕地在世界其它地區(qū)應用的數(shù)目也在迅速增加。
人工濕地是人對自然濕地系統(tǒng)的模擬，利用生態(tài)的方法來去除污染物，以達到凈化污水的目的。人工濕地根據(jù)自然濕地生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學、生物的三重共同作用來實現(xiàn)對污水的凈化作用，實現(xiàn)對污水的生態(tài)化處理。人工濕地與傳統(tǒng)的污水處理方法(活性污泥法等)相比，具有處理效果好、氮磷去除能力強、運轉維護管理方便、工程基建和運轉費用低，以及對負荷變化適應能力強、能耗少、無須化學藥劑等優(yōu)點，同時它可以促進農(nóng)業(yè)、漁業(yè)的發(fā)展，又可供公共娛樂、野生動植物保護和科學研究使用。
1人工濕地凈化污水機理
1.1人工濕地分類
國內(nèi)外學者從工程設計的角度出發(fā)，按照系統(tǒng)布水方式的不同或水在系統(tǒng)中流動方式不同劃分為表面流人工濕地(自由表流濕地和構筑表流)、潛流人工濕地(水平潛流人工濕地、垂直潛流人工濕地和復合式潛流濕地)。
1.2人工濕地構成及凈化機理
人工濕地由填料、植物、微生物、藻類等幾種基本成分構成。
人工濕地具有獨特而復雜的凈化機理，利用基質(zhì)——微生物——植物復合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學和生物的三重協(xié)調(diào)作用，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現(xiàn)對廢水的高效凈化。同時，通過營養(yǎng)物質(zhì)和水分的生物地球化學循環(huán)，促進綠色植物生長并使其增產(chǎn)，實現(xiàn)廢水的資源化和無害化。
人工濕地系統(tǒng)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，污水可以在床體的填料縫隙中曲折地流動，或在床體表面流動。在床體的表面種植具有處理性能好、成活率高的水生植物(如蘆葦、鳳眼蓮等)，形成一個獨特的動植物生態(tài)環(huán)境，來對污水進行處理。人工濕地可以促進污水的循環(huán)和再生，使污水中所含污染物質(zhì)以作物生產(chǎn)的形式再利用或直接去除。污水中大部分有機物作為異養(yǎng)微生物的有機養(yǎng)分，最終被轉化為微生物體及CO2、H2O。污水中的不溶性有機物通過濕地的沉淀、過濾作用，可以很快地被截留進而被微生物利用；污水中可溶性有機物則可通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解過程而被分解去除。隨著處理過程的不斷進行，濕地床中的微生物也繁殖生長，通過對濕地床填料的定期更換及對濕地植物的收割而將新生的有機體從系統(tǒng)中去除。
1.2.1懸浮固體物質(zhì)的分離與轉化
懸浮固體物質(zhì)在濕地中去除的基本機理即為絮凝和膠體顆粒的沉淀，在潛流濕地中相對低速的水流和大的接觸表面使得系統(tǒng)中的懸浮物去除率相對較高，大量植物根系和飽和狀態(tài)的基質(zhì)，使固態(tài)懸浮物被根系以及填料阻擋截留。潛流濕地系統(tǒng)像一個水平或垂直的重力過濾器，因此，使懸浮物通過在礫石和根區(qū)面的生物膜上的重力沉淀(自由沉淀和絮凝)，滲透，吸附作用而被分離。
1.2.2有機物的去除與轉化
濕地對有機物的去除主要是靠微生物的作用。土壤具有巨大的比表面積，在土壤顆粒表面形成一層生物膜，污水流經(jīng)顆粒表面時，不溶性的有機物通過沉淀過濾吸附作用很快被截留，然后被微小生物利用；可溶性有機物通過生物膜的吸附和微生物的代謝被去除。植物向土壤中傳輸氧氣，使得人工濕地中的溶解氧呈區(qū)域性變化，連續(xù)呈現(xiàn)好氧、缺氧及厭氧區(qū)域。因而土壤中存活著好氧菌、厭氧菌和兼性菌。好氧菌通過代謝將有機物分解為二氧化碳和水；厭氧菌發(fā)酵將有機物分解為二氧化碳和甲烷。污水中的大部分有機物最終被異養(yǎng)微生物轉化為微生物體、二氧化碳、甲烷和水、無機氮、無機磷。
1.2.3氮的去除與轉化
氮的去除通過好氧和厭氧反應完成。濕地中大型植物根系上附著生物膜。有著好氧、厭氧、缺氧降解區(qū)。處于飽和狀態(tài)的基質(zhì)中生長的水生植物，可以增加濕地基質(zhì)的透氣性，濕地植物能將空氣傳輸?shù)狡涓，使其自身能在厭氧條件下生長，由于擴散(或泄露)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(qū)，在這一微小的好氧區(qū)中會發(fā)生氧化反應。硝化反應則是在好氧環(huán)境下完成的，它主要是將NH3-N氧化成NO3-N，反硝化反應則是在缺氧環(huán)境下完成的，主要將NO3-N還原成N2。由于氮的去除依賴于植物的吸收，所以在植物的枯萎和死亡期去除效率較低，每年濕地對氮的吸收大約在12~120gN/m3•a。在脫氮過程中，碳源是影響其效果的重要因素。在潛流濕地中，植物供給脫氮的有機碳要根據(jù)污水中COD與N的比和系統(tǒng)進水中N的形態(tài)而定。從處理硝化的二次出水的研究中發(fā)現(xiàn)，覆蓋野草、濕地植物等增加生物量時，氮的去除率從30％提高到了80％。
1.2.4磷的去除與轉化
潛流濕地中對磷的去除主要是從腐爛植物、聚磷菌中攝取磷。另外，一些腐爛的植物組織，表面附帶介質(zhì)的金屬也會通過沉淀、交換等機理短期的去除磷，但是時間不會太長，不超過1年，而且要依賴于粒狀物質(zhì)。磷的吸收與大多營養(yǎng)物質(zhì)的吸收一樣，主要在植物的生長期，夏天和春天。濕地中每年對磷的去除量約為1.8~18gP/m2。
1.2.5病原菌的去除與轉化
病原菌是由固態(tài)懸浮物水中的懸浮物帶入濕地的中。它的去除與固態(tài)懸浮物的去除和水力停留時間有關。由固態(tài)懸浮物帶人的病原菌與固態(tài)懸浮物的去除機理一樣，通過沉淀、攔截等達到去除目的。病原菌被分離后分布在濕地的不同地點，但都必須與它們周圍有機群體競爭存活。一般它們的存活率很低。如果接近水面，很容易被大氣降水或UV射線所消殺。
1.2.6金屬的去除和轉化
濕地對重金屬的去除主要是土壤或填料對重金屬的吸附和反應，吸附有離子交換吸附和專性吸附。污水中重金屬離子濃度一般很低，不能與土壤中無機陰離子形成金屬沉淀，它可以與土壤中的有機質(zhì)絡合，增強重金屬對土壤的親和性。土壤中微生物對重金屬的去除也有相當?shù)淖饔，它們可通過胞外絡合作用、胞外沉淀作用固定重金屬，還可把重金屬轉化為低毒狀態(tài)，也有的轉化為毒性更強的物質(zhì)。另外還有植物對重金屬的積累，重金屬以各種形態(tài)存在，其中溶解性的可被植物吸收在植物中積累，莖以上部分可隨植物的收割最終從濕地中去除，不溶性的可被介質(zhì)的過濾作用截留。還有大片密集的植株以及它們發(fā)達的地下部分形成的高活性根區(qū)網(wǎng)絡系統(tǒng)和浸水凋落物，使進入濕地的污水流速減慢，這樣有利于污水中懸浮顆粒的沉降，及吸附于水中重金屬的去除。
1.2.7硫化物的去除
人工濕地對硫的去除主要是微生物的分解及植物的吸收。有機硫化物經(jīng)礦質(zhì)化被分解成硫化氫，部分硫化氫揮發(fā)逸出濕地，部分則通過硫磺細菌和硫化細菌的硫化作用形成硫磺、硫酸，它們與土壤中的各種離子結合形成無機硫化物。無機硫化物部分會被植物吸收利用，也有一部分會在反硫化細菌的作用下經(jīng)反硫化作用形成硫化氫，硫化氫再逸出濕地或又參與硫化作用。
2人工濕地的發(fā)展方向
人工濕地系統(tǒng)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(xiàn)了極大的發(fā)展?jié)摿Γ瑥亩玫焦姷钠毡榻邮芤。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(zhì)類型的優(yōu)勢組合，基因工程菌的構建等；(3)加強人工濕地對工業(yè)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(tǒng)是仿真獨特的土壤-水生植物-微生物和基質(zhì)組成的生態(tài)系統(tǒng)，在我國是一項正在被研究、應用和發(fā)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(yōu)點，非常適合我國的國情，尤其是廣大農(nóng)村地區(qū)、中小城鎮(zhèn)地區(qū)的污水處理方法。
人工濕地系統(tǒng)是一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，可以在其內(nèi)部形成良好的循環(huán)，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(jīng)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(fā)揮更加顯著的作用。
參考文獻:
[1]王薇.人工濕地污水處理工藝與設計[J].城市環(huán)境與城市生態(tài),2001,(1).
[2]孫廣智,A.J.Biddlestone,K.R.Gray,等.人工蘆葦床污水處理技術[J].污染防治技術,1999,12(1):1-4.
[3]中國科學院南京土壤研究所微生物室.土壤微生物研究方法[M].北京:科學出版社,1985.
[4]許光輝,鄭洪遠.土壤微生物分析方法手冊[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社,1986.
[5]戴樹桂.土壤環(huán)境化學[M].北京:高等教育論文出版社.
[6]安樹青.濕地生態(tài)工程[M].北京:化學工業(yè)出版社,2002.
[7]楊敦.人工濕地脫氮的機理及應用[J].中國給水排水,2003.
[8]孔繁翔.環(huán)境微生物學[M].北京:高等教育出版社,2000.
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