人工湿地污水处理系统研究及性能改进分析

甘恒

摘要：本文主要从人工湿地概述、人工湿地污水处理系统的工作原理、人工湿地微生物处理污水技术、加强人工湿地污水处理的措施等方面进行了全面的探讨。

关键词：人工湿地；污水处理；改进

中图分类号：U664文献标识码： A

一、前言

可持续发展是我国发展的基本战略，环境保护越来越受到重视，本文就人工湿地污水处理方面内容进行了全面的分析。

二、人工湿地处理系统

1.人工湿地污水处理系统概述

人工湿地污水处理技术是人为设计的污水处理湿地系统，将污水有控制地分配到种有水生植物的土地上，按不同方式控制其有效停留时间，并使其沿着一定的方向流动，在物理、化学、生物共同作用下，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解等作用实现水质净化的生物处理技术。

2.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。所以人工湿地一般由以下五种结构单元构成：底部的防渗层；由填料、土壤和植物根系组成的基质层；湿地植物的落叶及微生物尸体等组成的腐质层；水体层和湿地植物。

3. 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(surface flow wetland，简称FWS)和潜流型人工湿地(subsurface flow wetland，简称SFS)。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及复合流人工湿地。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。SFS系统中污水在湿地床的内部流动，运行过程中，污水缓慢地在土地表面流动并向土壤中渗滤，一部分被植物吸收、一部分渗入土壤，被填料截留，使污水得到净化。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0.6-0.7 m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提供所需的氧。经过净化的出水又由湿地末端集水区中铺设的集水管收集后排出处理系统。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，对BOD5、COD和重金属等污染指标的去除效果好。

建造人工湿地的成本不高，在运行的工程中所消耗的能源也很少，加上在管理运作的工作上非常的便利，又可以带来连续的经济和社会效益，现在我国已经大范围的建设了人工湿地，而且取得了非常好的效果。

三、人工湿地污水处理系统的工作原理

1.人工湿地的工艺形式。

人工湿地的工艺形式一般有两种类型，其中一种类型是地表流工艺，污水在湿地的表面部位进行流动的工作，一般的水位是20厘米--60厘米之间，这种工艺的优点是成本低、负荷小，但是也存在着一些缺点，比如在冬天的时候，一些气温较低的地区污水很可能会冻结，而到了夏天的时候，又会成为苍蝇、蚊子的繁衍地，甚至会发出阵阵的臭味，十分恶心；还有一种类型就是地下潜流工艺，这种工艺的形成不太受气候的影响，但是成本相对于地表流工艺要高的多，负荷也很大。通过比较不同湿地系统对污水净化后的水质和污水在湿地当中停留的时间、污水进水水质的不同，选择污水处理系统有着很大的差别，可以针对进水水质及对出水水质的具体要求来选择合适的处理工艺，将净化的时间控制在合适的时间之内，然后对湿地的面积大小进行计算和设计。

2.人工湿地的净化机理。

人工湿地净化污水是结合了介质、植物和微生物的共同作用进行的，主要的工作就是脱氮去磷。脱氮指的是通过处理介质、植物、微生物等对污水中氨氮及其他含氮化合物进行去除的过程。存在于污水当中氮一般是分成了两种，分别是无机氮和有机氮，有机氮是被微生物的硝化和反硝化作用消除掉的，而无机氮的消除则是通过介质的吸附和过滤与植物的吸收和吸附的作用进行作用。除磷的指的是人工湿地通过化学沉淀、藻类物质的吸收以及磷细菌的分解作用达到消除废水当中含磷化合物的目的。废水在流过人工湿地的时候，包含在水里的有机磷会被磷细菌分解转化掉，而藻类物质则会把无机磷吸收掉，更多的去磷工作则是被介质进行消除的，介质当中铁（Fe）、铝（Al）、钙（Ca）会和磷发生氧化反应，形成磷酸铁、磷酸铝和磷酸钙这样的一些难溶于水的物质而析出，而这些难溶于水的物质最后会通过人工湿地的过滤功能而被去除。

四、人工湿地微生物处理污水技术

通常所说的湿地微生物主要是指细菌、放线菌和真菌。有研究表明，在人工湿地系统中，以细菌数量为最多，其次为放线菌，最少的为真菌。目前，研究人工湿地微生物的学者众多，主要针对各种人工湿地基质中微生物的种类、群落结构、活性和植物根系以及对病原微生物的去除和微生物空间分布特点以及影响其分布因素的探讨、人工湿地酶活性等的研究。

其研究方法包括传统的和现代的两种。研究湿地微生物多样性的传统方法主要是培养皿计数法，但这种方法只能培养环境中总微生物的1%～10%，其所获得的微生物丰富度远低于环境中微生物的丰富度。随着分子生物学技术在微生物方面应用的发展，各种新颖的分子生物学方法已成为研究人工湿地中各种微生物多样性的有效工具，当前用于分析湿地微生物群落结构特征的分子生物技术主要有荧光染色法、Biolog微平板分析、变性梯度凝胶电泳（DG-GE）、磷脂脂肪酸（PLFA）谱图、荧光原位杂交（FISH）技术等。

在人工湿地系统中，微生物除上述研究的各种细菌、放线菌、真菌，还包括在显微镜下才能观察到的各种浮游生物。湿地基质和植物根系的菌类微生物研究已比较多，然而对于湿地中浮游生物研究却相对较少，因目前浮游生物的研究主要是针对湖泊，河流等地表水体，对水平潜流人工湿地中浮游生物也有一定研究，而对垂直流人工湿地中浮游生物的研究目前几乎没有。

五、人工湿地污水处理系统性能改进分析

对湿地内部的深入了解,将有助于人工湿地系统的工艺设计,促进该技术在污水处理中不断向前发展。运用化学工程中的反应器理论分析可知,决定人工湿地处理效率的主要因素是系统内污染物降解的反应动力学和湿地内部的水流动力学特征。此外,低温限制和氧含量状况也是影响该技术处理效率及推广的重要因素。①反应动力学。人工湿地的工艺设计参数应根据要处理污水的各特征污染物的降解反应动力学规律进行设计,给出整体系统的组合性能。以COD为例,研究表明,COD的净化负荷与污水中COD的有机负荷呈正线性相关,出水中的COD与水力停留时间存在指数递减关系,即随着水力停留时间的延长,被降解的COD量逐渐下降。根据所得数据可计算出COD去除的一级反应速率方程:

d[COD]/dt=k[COD](1)

式中,k为反应速率常数,从而建立污染物处理的工艺设计模型,进而优化处理系统设计,助于控制与管理系统运行。同时通过一级反应方程可得出反应速率常数,通过该常数确定人工湿地降解一定污染物所需的水力停留时间。一级反应方程虽不能完全反映污染物的复杂降解转化过程,但却指导产生了许多运行功效良好的人工湿地,加之其形式简单明了,被美国国家环保局(USEPA)采纳而广泛应用于各类人工湿地的设计中。②水流动力学。人工湿地系统中的水流将直接影响污染物的迁移,因此对湿地系统中水流动力学特征的研究有助于其净化效果的提高与推广应用。有研究表明,出水速率与出水量大的系统净化效果好,而随水力负荷增大,出水速率呈变小的趋势。这是因为出水速率大的系统往往有发达的植物根系,而根系有疏导水流与传递氧气的功能。③低温的影响。由于湿地系统中植物与微生物的生长及生理与生化活性不可避免地受到温度季节性变化影响,使得一些寒冷地区的人工湿地冬季运行受到限制,因此对温度如何影响湿地及怎样克服温度的影响这两个问题的研究将大大地扩大该技术的应用范围。

六、结束语

加强对人工湿地污水处理系统研究，可以更好的对该部分系统进行应用与改进，是非常具有现实意义的研究。

参考文献：

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[2] 盛文仲. 人工湿地技术在污水处理中的应用[J]. 城市建设理论研究.2012（3）:16-18.

[3] 王文鹏. 人工湿地技术在污水处理中的应用[J]. 环球人文地理·评论版.2013（6）:66-69.