人工湿地及其在生活污水氮磷去除方面的应用分析

2019-12-11丘好华广东诚实建设工程设计有限公司

节能与环保 2019年6期

文_丘好华广东诚实建设工程设计有限公司

1 人工湿地及其应用

1.1 人工湿地组成及类型

人工湿地是以基质、植物和微生物为载体通过物理、化学和生物的协同作用来对污水进行处理而达到净化目的的一种技术，亦是基于模拟自然湿地而人为设计和建造的自然生态系统，具备可监控性和工程化特点。湿地基质、植物和微生物作为组成人工湿地的三大基本要素，对污染物的转化和去除具有重要作用。

1.1.1 人工湿地组成

（1）湿地基质。根据材料特性基质可分为三大类，一类属于天然材料，包括矿物、岩石、海洋沉积物和土壤，如石灰石、硅酸钙盐矿、白云石和沸石、页岩等，这类材料可直接使用，也可经碾磨、热处理等前处理来提高其吸附能力；一类为工业副产品，如高炉矿渣、电弧炉钢渣和炉渣等来自钢铁、采矿和发电行业的废物；还有一类为人造产品，主要指轻质聚合体。基质是人工湿地区别于自然湿地的重要特征，其在人工湿地结构中体积占比最大。污水中磷的去除主要靠基质的沉淀和吸附作用，而氨氮则既可通过吸附直接去除也可通过改变湿地植物的根基环境来影响氮素的转化和去除。不同基质对污染物的去除效果也不同，如沸石去除氨氮效果较好而砾石煤渣等对磷的去除效果明显，因此在实际应用中往往多种基质混合使用。

（2）湿地植物。湿地植物是人工湿地的重要组成部分，不同植物的生长速度、对污染物的吸收转化能力和泌氧能力各不相同，因此筛选适宜的植物对提高人工湿地的稳定和净化能力具有重要意义。人工湿地水生植物的选择一般依据以下原则：适宜本土生长，耐污抗寒能力强；根系发达、生长旺盛、抗虫病能力强；有一定经济价值等。人工湿地中植物的去污作用体现在：对污水中对态营养物质的直接吸收、利用；吸附和富集重金属等有毒有害物质；为水中微生物输送氧气至根区，提供多样的生存环境，利于根区细菌群落对多种污染物的降解等。目前国内外常用的植物有芦苇、香蒲、灯芯草、凤眼莲、黑三棱和水葱等。

（3）湿地微生物。由于大多数生物化学反应是在酶与微生物的相互作用下进行的，因此作为人工湿地的三大要素之一，微生物在人工湿地水处理系统中起着至关重要的作用。研究表明，人工湿地中存在大量细菌、放线菌、真菌、氨氧化细菌和亚硝化菌等，且沿着水流方向数量逐渐减少。

1.1.2 人工湿地类型

人工湿地按系统布水方式的不同或者水流方式差异可分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地三种。

（1）表面流人工湿地，无论从生态结构、内部构造还是外观上来看都与天然湿地比较相似。污水以表面推流的形式流经湿地，从溢流口流出。表面流人工湿地具有运行费用低、操作简单的优势，但同样存在易受自然气候条件影响，水利负荷低，去污能力有限的劣势。

（2）水平潜流人工湿地，污水进入湿地后，在基质表面以下流动，具有保温效果好，重金属、BOD和COD去除率高的优势。

（3）垂直潜流人工湿地，与水平潜流人工湿地一样，污水在基质表面以下流动，但流过填料的方向为垂直向上或向下。因湿地内部水力条件的差异，垂直潜流人工湿地总氮和总磷的去除效果优于水平潜流人工湿地。

1.2 人工湿地在污水磷氮去除中的应用

1.2.1 氮磷去除机理

（1）氮的去除

人工湿地脱氮有多种机制，包括微生物作用、植物吸收等生物作用，沉积、挥发等物理作用，以及化学吸附作用。研究发现，植物对氮的吸收贡献很小，约为总氮的8%～16%，而有氧区的硝化细菌和厌氧区的反硝化细菌作用贡献率高达80%。湿地中挺水植物对氧具有输送、释放和扩散的作用，氧气被输送至根部后经扩散，在植物根部周围依次形成好氧区、兼氧区和厌氧区。氨氮在好氧区经氧化反应被氧化成硝酸盐，而硝酸盐则在厌氧区或兼氧区经反硝化反应被还原成气态氨，并最终从水中逸出。另外，不同类型湿地脱氮机理也有所不同，如沸石潜流湿地主要通过沸石对氨氮的吸附作用脱氮等。

（2）磷的去除

人工湿地磷的去除主要通过湿地基质的物理沉积，化学沉淀与吸附，植物的吸收转化和微生物的吸收与积累等作用，以及三者的联合作用实现磷的去除。研究表明，基质的化学吸附和沉淀作用对污水中总磷的去除贡献率约为50%～65%，即基质填料对磷的吸附是湿地除磷的有效机制，人工湿地对磷的去除效果主要依赖于此。

1.2.2 应用

胡世琴研究了潜流人工湿地中鸢尾、香蒲、茭白和芦苇等4种不同植被对生活污水中总氮、总磷、氨氮、生物耗氧量和化学耗氧量的去除能力及对氮磷的积累效应。结果表明：不同植被对生活污水的净化效果存在差异，综合比较而言，茭白和鸢尾的去除效果较好；4种植被对总磷的去除率最高，且对氨氮和化学耗氧量的去除率差异不显著，P＞0.05；不同植被氮、磷积累量分别与生物量、植被氮含量和磷含量呈显著的线性关系，P＜0.01，且与生物量相关性高于氮含量和磷含量，因此可通过生物量来评价植被对氮磷的去除效果。

张智超等通过构建表面流人工湿系统，研究湿地地对滏阳河水种中主要污染物总氮和氨氮的去除效果，开展了为期4个月的去污效果跟踪，运行条件为水力负荷430mm/d、水力停留时间0.5d，结果表明，表面流系统对总氮和氨氮的平均去除率分别为51.89%和47.00%，具有良好的净化效果；进一步分析得出，溶解氧是影响对总氮和氨氮去除效果的关键因素，且对氨氮的去除影响更明显。

2 人工湿地在污水处理中存在的不足及对策

人工湿地因其在处理污水的同时也美化了环境，是一种生态处理工程技术，自发展以来，应用广泛。但是在实际应用中也暴露出许多问题，诸如易受气候条件影响，基质易饱和、堵塞，易受植物种类影响，占地面积较大及管理不完善等，下面就存在的问题作详细介绍并提出相应解决措施。

2.1 受气候和温度影响明显

人工湿地对污染物的去除能力受气候温度条件影响较大，主要是因为湿地系统中的植物和微生物对温度比较敏感。研究表明，当水温低于10℃时，湿地系统的去污效果会显著下降，且有学者认为，温度低于4℃时，湿地的硝化作用几乎停止。另外，温度和氧含量降低会导致微生物的活性下降，使得对有机物的分解能力下降。

加强湿地的保温可以有效解决上述问题，如通过设计覆盖层来提高湿地的温度。根据覆盖材料的不同，可分为植物覆盖和地膜覆盖等。

2.2 占地面积大

从国内外人工湿地占地情况来看，人工湿地占地面积均较大，一般认为是传统污水处理工艺的2～3倍。人工湿地占地面积大是由其去污机制的本质决定的，例如对于水力负荷低的水平潜流人工湿地而言占地面积更大。此外，由于湿地基质易饱和及填料和植物的纳污能力有限，为了保证湿地的处理效果，需要平行湿地交替运行，这就使得实际使用时占地面积更大。

为减少占地面积，可改变湿地类型，采取组合工艺，如将占地面积大的水平流与垂直流相结合，既减少了占用面积还提高了去污效果。

2.3 基质易堵塞

随着污水处理过程的不断进行，湿地中微生物繁殖增多，加之植物的腐败和基质吸附能力的下降（趋于饱和），若湿地运行维护不当，特别容易出现基质阻塞和淤积现象。当出现堵塞时，湿地系统水力负荷下降，稳定性和寿命都会降低，甚至丧失功能。

随着研究的深入，目前常用的有效治堵措施有：选择合适的基质粒径和级配，对进水预处理，选择适宜的污染负荷和植物，合理的运行方式等。

2.4 易受各组成部分及水利负荷和运行方式的影响

湿地系统主要由植物、基质和微生物组成，也通过它们各自或相互之间的协同作用发挥净化功能。但是植物和基质的种类较多，应合理选择和搭配。如果植物数量、种类等选择不当会造成对光、水和营养的竞争，从而影响植物自身或其周围植物的生长，降低净化效果。不同基质具有不同的处理机制和处理效果，为植物和微生物提供的环境也不同，如果选择不当，对污水处理效果影响也十分明显。此外，水力负荷过大和污染负荷过重会缩短水力停留时间，减弱净化效果，甚至会造成堵塞。