人工湿地系统污水处理研究进展

人工湿地污水处理系统的研究

摘要

人工湿地作为一种新型的污水处理系统，具有众多的优点。分析了人工湿地的特点及运行机理，总结了人工湿地系统在污水处理中应用的发展历史，结合有关工程实例对该工艺的经济实用性作了分析，对人工湿地污水处理系统在我国的应用及前景做了展望。

关键词：人工湿地 污水处理系统

1、 人工湿地污水处理系统概述

1.1 定义

人工湿地是为了人类的利用和利益，通过模拟自然湿地，人为设计与建造的由基质、植物、微生物和水体组成的复合体，利用生态系统中基质-水生植物-微生物的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化。 1.2人工湿地系统的组成

人工湿地主要由三部分组成植物、微生物、填料。 1.2.1植物

如芦苇，风车草等。水生植物可以直接吸收污水中的有机物作为其生长的营养物质，也可以吸附、富集一些有毒的重金属。植物可以将空气中的氧气输送到根区，造成厌氧环境中根区微环境局部有氧的状态，为床体中好氧和厌氧微生物提供良好的环境。根系在基质中的生长可以起到维持水力传输的作用。植物的叶茎根系扩大了微生物的附着场所，促进了生物膜的发展。 1.2.2微生物种群

微生物在湿地对污水中污染物的生物降解过程中起到了重要的作用。废水流入湿地后，固体悬浮物和颗粒有机物被湿地基质及植物根系阻拦截留，有机物被生物膜吸附后通过微生物的呼吸作用去除。 1.2.3基质填料

如土壤、砂子、砾石。湿地床中的基质是微生物生长的空间和场所，是湿地水生植物的载体，根据湿地设计结构类型的不同，污水在床体的基质缝隙潜流型或在床体表面表面流型流动，污水中不溶性有机物通过沉淀、基质过滤等物理作用，可以很快地被截留进而被微生物降解可溶性有机物则可通过植物根系和基质上生物膜的吸附、吸收及微生物呼吸代谢被除去。

1.3人工湿地系统的分类

1.3.1表层流人工湿地(SurfaceFlowConstructedWetland）

表层流人工湿地在外貌和功能上都与自然湿地最为相似，一般有一个或几个填料床组成，床底填有基质并有防漏层阻止废水渗入地下而污染地下水；废水在土壤的上层水平流动，废水经常同表层水混合在湿地内流动，持续时间一般为10天；固态悬浮物被填料及根系阻挡截留通过湿地而沉淀，同时微生物也附着在填料或植物的根茎叶上发挥生物降解作用。

图1表层流人工湿地示意图

1.3.2潜流人工湿地（SubsurfaceFlowConstructedWetland）

废水从湿地表面纵向流入填料床的底部，床体处于不饱和状态，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统，但生物作用主要是厌氧反应，所以垂直潜流人工湿地的硝化能力要高于平流潜流人工湿地。表层流人工湿地投资小、但占地面积较大，臭味明显；潜流人工湿地占地面积小，臭味不明显，但造价较大。二者相比优点缺点明显互补，具有不同的作用， 可以根据不同的需要和条件进行选择。

图2潜流人工湿地示意图

1.3.3立式流湿地(VerticalFlowConstructedWetland))

水流动情况综合了表层流式和潜流式的特点，但其建造要求高，易滋长蚊蝇，尚不多见。

图3立式流湿地示意图

1.4 人工湿地污水处理系统的特点

人工湿地污水处理系统作为20世纪70年代兴起的一项新工艺，在治理污染，保护生态环境方面具有以下特点：(1)费用低。据欧洲和美国已投入运行的湿地系统分析，尽管各个具体的系统因地而异，差异较大，但平均地看，湿地系统的投资和运行费用仅为传统的二级污水厂的1/10～1/2。(2)效果好。在欧洲和美国，凡是投入运行并达到成熟阶段的人工湿地，处理一般市政污水出水时，指标可达到BOD5<10、SS<20ppm。这基本上都能达到规定的污水排放标准。(3)适用广。据现有资料分析，湿地处理系统不仅可处理以耗氧有机物和氮、磷等营养物质为主的生活污水，尤其是对重金属和酸性的有机及无机矿物质污染有良好的去除效果。(4)对负荷变化的适应能力强。据现有研究，人工湿地系统无论对于有机污染物负

荷还是水力负荷在一定范围内的波动都有很好的适应性。而且，其本身具有很好的可扩充性，因此容易适应未来不确定的负荷增长。(5)能全年运转，管理维护方便，但北方地区冬季易结冰。表1列出了人工湿地系统与其它小型污水处理系统的比较。

表1 人工湿地污水处理系统优缺点比较

项目 处理可靠性 对负荷变化的适应性

操作 维护 能源需求

2、 人工湿地系统污水处理机理及其影响因素

人工湿地一般由透水性的基质、水生植物、微生物及水体等部分组成，各部分相互作用，构成一个复杂的物理、化学、生态系统，通过过滤、吸附、沉淀、植物吸收、微生物降解等途径来实现污染物质的高效分解与净化。人工湿地对废水的处理综合了物理、化学和生物三种作用。它成熟以后，填料表面和植物根系中生长了大量的微生物形成生物膜，废水流经时，SS被填料及根系阻挡截留，有机质通过生物膜的吸附及同化、异化作用而得以去除。湿地床层中因植物根系对氧的传递释放，使其周围的微环境中依次呈现出好氧、缺氧和厌氧的状态，保证了废水中氮、磷不仅能被植物及微生物作为营养成分直接吸收，还可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量累积作用从废水中去除，最后通过湿地基质的定期更换或收割使污染物质最终从系统中去除。

人造湿地

好 好 简便 很容易 低

稳定塘

好 好 简便 容易 低

氧化沟

好 好 稍复杂 容易 中等

接触稳定塘

一般 一般 复杂 一般 中等

图4人工湿地系统净化污水的概念图 图5湿地中氧的分布及植物输氧过程 2.1氧变化情况

如图4所示所示，氧来源于根毛的释放、来水及水面更新溶氧。湿地植物光合作用产生的氧气，一部分通过运输组织和根毛输送释放到湿地环境中。输送过程及氧在湿地中分布状态如图5所示（以芦苇床为例）。这种输氧作用使根毛周围形成了一个好氧区域，其中好氧生物膜的利用使离根毛较远的区域呈现缺氧状态，更远的区域则完全厌氧，分别有利于大分子有机物及氮磷的去除。湿地中的氧气可作为好氧微生物氧化分解有机物的电子受体，最终以CO2的形式释放到系统外的环境中；它们的存在也是硝化作用和对磷的过量积累所不可缺少的。在硝化菌的作用下，它将以NO2或NO3化合态形式存在。人工湿地中各种物质传递和转化因含氧差异而所不同，如图6所示。

图6人工湿地中各种物质的迁移和转化过程

2.2湿地对污染物的处理机理 2.2.1湿地对有机物去除机理

人工湿地显著特点之一是对有机物有较强的处理能力。不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤可以很快从废水中截留下来。被微小生物加以利用；可溶性有机物则可通过生物膜的吸附及微生物的代谢过程被去除。研究表明，在进水浓度较低的情况下，人工湿地对BOD5的去除率可达85%～95%。COD去除率可大于80%。城市污水通过污水处理后，出水BOD5在

10mg/L左右。北京市环境保护科学研究院的试验还表明，不溶性BOD5（约占总BOD5的50%左右）和COD在进水5m的距离内可迅速的被去除，约占90%的SS在进水10m内得以迅速去除。

利用植物去除有机污染物的范围较广，除了以上较为常见污染物外，国内外还有许多学者用植物来去除难降解有机物。包括残留农药，多环芳香烃等，其主要是利用水生植物具有大面积的富脂性表皮，吸收亲脂性的有机农药是可行的。

废水中有机物的最终归宿是被异养微生物转化为生物体及CO2和H2O，这些新生的有机体可以通过填料定期更换最终从系统去除。 2.2.2湿地对氮的去除机理

氮在湿地系统中呈现出一个复杂的生物地球化学循环（图7），包括了七种价态的多种转换，氮的转化是受土壤氧化还原特性的影响的、微生物分解的复杂过程。湿地系统中氮的去除主要是通过湿地中的微生物的硝化—反硝化作用去除的。人工湿地中的植物通过光合作用经过根茎将氧从上部传输至根部，从而在植物根区附近形成一个好氧环境，而随着离根系距离逐渐增大，湿地中依次出现好氧、厌氧环境，这样的条件有利于硝化细菌、反硝化细菌的生长，为硝化作用和反硝化作用的发生提供了条件。这种连续出现的好氧、缺氧和厌氧状态，相当于许多串联或并联的A/O处理单元，使硝化作用和反硝化作用可以在湿地系统中同时进行。硝化作用只改变氮的形式（将NH4+—N转化为NO2-—N和NO3-—N），反硝化作用才可是氮以N2的形式从系统中根本去除。所以人工湿地比传统活性污泥处理系统（一般无法完成反硝化作用）具有更强的氮处理能力，比人工的A/A/O系统则节省得多。资料表明：人工湿地总氮去除率可大于60%。

此外，污水中的氨氮和硝氮，它们均可被湿地中的植物吸收，合成植物自身的蛋白质，最终通过植物收割从湿地中得到去除，通过植物吸收的氮占总氮的10%。北京莫愁湖种植莲藕，每年生产莲藕是2.5×104t，其中就从水中带出了60t的氮和1t的磷。

图7氮转化机理示意图

2.2.3湿地对磷的去除机理

人工湿地对磷去除是植物吸收、微生物去除及物理化学作用3方面作用的结果。如同无机氮一样，无机磷也是植物必需的养分。废水中无机磷在植物吸收及同化作用下可变成植物的ATP，DNA及RNA等有机成分，通过植物的收割而去除。

物理化学作用包括填料对磷的吸附及填料与磷酸根离子的化学反应，这种作用对无机磷的去除会因填料的不同而有差别。由于石灰石及含铁质填料中Ca和Fe与PO43-反应而沉淀去除PO43-，因而它们是除磷效果较好的填料。含钙质或铁质的地下水渗入人工湿地也有利于

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