在城市污水处理中人工湿地的应用

2012-06-01张琪

资源节约与环保 2012年6期

张琪

（华东师范大学资源与环境科学学院环境科学系上海市 200241）

1 湿地

湿地系统指天然或人工、长期或暂时之沼泽地、泥炭地，带有静止或流动的淡水、半咸水或咸水的水域地带,包括低潮水位不超过6m的滨海海域。湿地是一类既不同于水体，又不同于陆地的特殊过渡类型生态系统，为水生、陆生生态系统界面相互延伸扩展的重叠空间区域。

湿地不仅可以提供水源、补充地下水、防止自然灾害，清除并转化毒物和杂质，保留营养物质，还可以固定二氧化碳，调节城市气候从而保护城市生物和遗传多样性。而作为湿地的一种更为直接和有效的类型，人工湿地技术，其由于低廉的投资，良好的出水水质，简单的操作，强大的抗冲击负荷的能力，维护方便，较高的氨氮去除率，同时可使污水处理与环境生态建设有机结合，在处理污水的同时创造城市生态景观等特点逐步被越来越多的国家接受，并广泛应用。

2 人工湿地处理污水的基本原理

在一定的填料上种植等特选的植物，将污水投放到人工建造的类似于沼泽的湿地上。当以富营养化为主的污水流过一定长宽比及底面有坡度的人工湿地时，经沙石、土壤或一些其他构筑物混合组成的填料床过滤，污染水可以在床体的填料缝隙中曲折流动，或在床体表面流动。而填料上植物根际的多种微生物活动，增加了湿地基质的透水性，与周围环境的原生动物、微生物等形成各种小环境，通过氧的传递，更加增强了净化废水的能力。人工湿地的显著特点之一是其对有机污染物有较强的降解能力，因此更适用于处理生活污水以及城市污水一类。人工湿地可分别处理废水中的不溶性有机物与可溶性物质。不溶性有机物通过湿地构造中的填料层被沉淀、过滤、截留，进而被微生物利用；而可溶性有机物则可直接通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解、去除。

3 人工湿地在不同环境下的应用及效果

3.1 植物的布局

3.1.1 沉水植物

以芦苇、香蒲为主，由于其具有发达的根系、营养物质吸收能力强、可向水体输氧等特点，其在特定的人工湿地中长势良好。其可郁闭整个水面，可有效吸附、拦截悬浮物[1]。这些沉水植物对污水通过土壤截留-发生物理化学吸收-化学分解-沉淀-微生物的氧化降解等过程，对污水进行高效、廉价的降解和有害物质的吸收。而芦苇湿地系统针对于油田污水尤其有较高的去除效果。生活与含油污水，经芦苇湿地处理系统处理后，BOD5去除率为85%，SS去除率为87%，T-P去除率为85%，氨氮去除率为54%，污水中的无机污染物（重金属）和有机物也很大限度的被湿地芦苇吸收，出水水质可达到《综合污水排放标准》要求[2]。

3.1.2 浮水植物

以凤眼莲、大薸、水鳖为主以及少量细绿萍。藻类在冰封条件下也能较好地生长，对湿地系统冬季运行起着良好的作用。浮水植物以凤眼莲、大薸生长旺盛，凤眼莲水下根系根据水质状况可长达30～70 cm，长势良好，可郁闭整个水面。但凤眼莲、大薸生长季短，一般适应期为4月中下旬至10月中旬，冬季需打捞。

3.1.3 复合性布局

通过筛选和对比，在选择人工湿地植物布局时应着重考虑当地的气候、温度、植物适应性等条件，根据不同的废水种类和要求进行选择。而每种植物均应从耐污力、植物生长量、根系、经济性、管理难易性(包括病虫害少、抗倒伏和易繁殖)等方面进行详细的考察，通过对其氮磷积累量、TP、TN净化率进行分析确定详细的植物布局。

3.2 处理效果

由于大部分类型的人工湿地都对氮磷有着非常明显的去除效果，以下将由复合垂直湿地为例从其他三方面进行阐述。

3.2.1 构造示意图

图1 构造示意图

构造示意图如图1 ，试验床体表面为缘园皂皂厚的掺有石灰石的本地土壤袁下部为远耀员园皂皂的砾石层遥两组湿地床种植植物分别为美人蕉和风车草袁种植密度为5株每平方米。

3.2.2 处理造纸废水的应用

一些无机物以及难降解有机物会积累在湿地中而堵塞填料间的空隙,延长系统的实际水力停留时间。天宝造纸厂的人工湿地建成投入使用一年来,运转良好,尚未出现堵塞状况。但在上行池表面,已出现一层黑色毯状的致密污泥层,距离布水口10～30 cm处尤其显著。但是此现象可以通过暂时性停床休息解决。这样不仅可以使填料部分恢复渗透性,也可以让收割后的植株体得到更好的恢复。

3.2.3 对重金属元素的去除

武汉三角湖位于武汉市传统工业区，故其水体中含有较多种类的重金属元素。这些重金属元素过量时往往具有高毒性，在环境中富集到一定程度后可能会导致公害问题出现。中国科学院水生生物研究所的检测结果表明三角湖人工湿地进水浓度较低，其去除率依次为：Cd＞As＞Mn＞Pb＞Zn＞Cr＞Cu＞Ba＞Li＞Ni。但依旧可以看出人工湿地对各重金属元素仍具明显的去除效果。

4 人工湿地的运行管理与维护

4.1 水位

对于一个设计、运行良好的人工湿地来说，影响其处理性能的主要因素还是水位控制和流量调整。水位的改变不仅会影响人工湿地处理系统的水力停留时间，还会对大气中的氧向水相扩散造成影响。水位控制的不好极有可能使人工湿地产生不可设想的衰退甚至废弃。当水位发生重大变化时，要立即对人工湿地处理系统进行详细的检查，首先考虑的应是是否发生渗漏、出水管是否堵塞等机械问题。

4.2 病虫害状况

人工湿地植物病虫害发生状况人工湿地作为一个人工生态系统，如同农田生态系统，有时则会在芦苇上发现芦苇、蒲草上发现蚜虫等一些病虫害。如果不及时处理很有可能导致植物枯黄矮小，甚至死亡。在观测中发现病虫害多发生于夏秋，此时正是植物生长迅速时期，一旦发生病虫害、对人工湿地的运行效果特别是对植物的产量将会造成较大影响。

4.3 蚊蝇

湿地系统中高大的挺水植物成熟后容易发生弯曲或伏倒在水面上,这种生境非常有利于蚊蝇的孳生。因此可以通过加强湿地植物的管理来控制蚊蝇,在水边不种植水生植物,或种植低矮的植株并每年进行收割。必要时可以在蚊蝇产卵的季节使用杆菌杀死蚊卵,或使用能够导致蚊子幼虫发育衰减的激素来控制蚊蝇。

4.4 气味的控制

表面流型人工湿地如果进水负荷过高,会形成厌氧的水域，释放出难闻的气体。这种情况主要是由于进水的有机负荷过高或氨氮负荷过高造成的,因此降低有机物和氮的负荷可以控制湿地系统散发出难闻的气味。由于植物能够将氧气传输到系统中,因此在布局上可以将那些开阔的水域分散在种植较多植物的水域中。

4.5 湿地堵塞

在所有人工湿地中,悬浮物的积累是一些系统正常运行的主要威胁之一。虽然通过过滤和渗流可以吸附截留一大部分悬浮物可被微生物吸收消耗，但一些无机、大范围的悬浮物处理厂和预处理程度不够容易导致大型植物床的堵塞。在水平潜流湿地中,床中水流大部分以潜流方式通过由活的、死的根和根茎造成的沟以及土壤孔隙。根和根茎的生长会扰动和弄松土壤。采用阶段式进水可有效防止堵塞。