人工湿地在城市污水处理中的应用

人工湿地在城市污水处理中的应用

摘要：人工湿地是20世纪70~80年代发展起来的新型污水处理工艺，是由人工优化模拟湿地处理系统而建造的具有自然生态系统综合降解净化功能的处理系统，且可由人为监督控制的废水处理系统，是一种集物理、化学、生化反应为一体的废水处理技术；一般由人工基质和生长在其上的水生植物组成，是一个独特的土壤、植物、微生物综合生态系统。本文介绍了人工湿地的含义、净化污水的原理、人工湿地的工艺流程、处理污水的优缺点、在污水处理中的应用以及发展前景。

关键词：人工湿地 城市污水 污水治理

前言

城市污水是目前我国江河、湖泊水域污染的重要原因, 已越来越成为制约我国经济发展和社会可持续发展的因素, 各种水污染事件已严重影响到人们的生产、生活( 如太湖蓝藻事件等) , 加强城市污水处理已刻不容缓。目前, 我国正处于城市污水处理事业的大发展时期。随着国家西部大开发战略的实施, 中西部环境与生态保护已被提上首要议事日程。位于广西南宁市隆安县的“邕江水源地上游人工湿地处理污水示范工程”是南宁市创建国家级生态示范区的重点工程之一, 该项目是人工湿地处理污水技术在南宁市的首次应用。

一．人工湿地的含义

人工湿地是模拟天然湿地的物质循环和能量了流动，在一定长宽比及具有地面坡度的洼地中，有土壤和填料共同组成床体，废水在窗体的缝隙或表面流动，并在床体表面种植处理性能好、成活率高、美观且具有经济价值的水生植物，具有良好去污能力的生态系统，对废水经行处理。

二．人工湿地的净化机理

SS 的去除主要靠物理沉淀、过滤作用，BOD 的去除主要靠微生物吸附和代谢作用，代谢产物均为无害的稳定物质，因此可以使处理后水中残余的BOD 浓度很低。污水中COD 去除的原理与BOD 基本相同。

N 、P 去除人工湿地主要利用生物脱氮及植物吸收方法。

作用机理：对污染物的去除与影响物理沉淀可沉淀固体在湿地中重力沉降去除、过滤，通过颗粒间相互引力作用及植物根系的阻截作用使可沉降及可絮凝固体被阻截而去除；化学微生物代谢：利用悬浮的底泥和寄生于植物上的细菌的代谢作用将悬浮物、胶体、可溶性固体分解成无机物；通过生物硝化-反硝化作用去除氮；部分微量元素被微生物、植物利用氧化并经阻截或结合而被去除。自然死亡：细菌和病毒处于不适宜环境中会引起自然衰败及死亡，植物植物代谢利用植物对有机物的吸收而去除，植物根系分泌物对大肠杆菌和病原体有灭活作用植物吸收相当数量的氮和磷能被植物吸收而去除，多年生沼泽生植物，每年收割一次，可将氮、磷吸收、合成后分移出人工湿地系统。

1. 湿地基质的过滤吸附作用

污水进入湿地系统，污水中的固体颗粒与基质颗粒之间会发生作用，水流中的固体颗粒直接碰到基质颗粒表面被拦截。水中颗粒迁移到基质颗粒表面时，在范德华力和静电力作用下以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力作用下，被粘附与基质颗粒上，也可能因为存在絮凝颗粒的架桥作用而被吸附。

此外，由于湿地床体长时间处于浸水状态，床体很多区域内基质形成土壤胶体，土壤胶体本身具有极大的吸附性能，也能够截留和吸附进水中的悬浮颗粒。

物理过滤和吸附作用是湿地系统对污水中的污染物进行拦截从而达到净化污水的目的的重要途径之一。

2. 湿地植物的作用

植物是人工湿地的重要组成部分。人工湿地根据主要植物优势种的不同，被分为浮水植物人工湿地，浮叶植物人工湿地，挺水植物人工湿地，沉水植物人工湿地等不同类型。湿地中的植物对于湿地净化污水的作用能起到极重要的影响。 首先，湿地植物和所有进行光合自养的有机体一样，具有分解和转化有机物和其他物质的能力。植物通过吸收同化作用，能直接从污水中吸收可利用的营养物质，如水体中的氮和磷等。水中的铵盐、硝酸盐以及磷酸盐都能通过这种作用被植物体吸收，最后通过被收割而离开水体。

其次，植物的根系能吸附和富集重金属和有毒有害物质。植物的根茎叶都有吸收富集重金属的作用，其中根部的吸收能力最强。在不同的植物种类中，沉水植物的吸附能力较强。根系密集发达交织在一起的植物亦能对固体颗粒起到拦截吸附作用。

再次，植物为微生物的吸附生长提供了更大的表面积。植物的根系是微生物重要的栖息、附着和繁殖的场所。相关文献表明，植物根际的微生物数量比非根际微生物数量多得多，而微生物能起到重要的降解水中污染物的作用。 最后，植物还能够为水体输送氧气，增加水体的活性。

由此可见，湿地植物在控制水质污染，降解有害物质上也起到了重要的作用。

3. 微生物的消解作用

湿地系统中的微生物是降解水体中污染物的主力军。好氧微生物通过呼吸作用，将废水中的大部分有机物分解成为二氧化碳和水，厌氧细菌将有机物质分解成二氧化碳和甲烷，硝化细菌将铵盐硝化，反硝化细菌将硝态氮还原成氮气，等等。通过这一系列的作用，污水中的主要有机污染物都能得到降解同化，成为微生物细胞的一部分，其余的变成对环境无害的无机物质回归到自然界中。 此外，湿地生态系统中还存在某些原生动物及后生动物，甚至一些湿地昆虫和鸟类也能参与吞食湿地系统中沉积的有机颗粒，然后进行同化作用，将有机颗粒作为营养物质吸收，从而在某种程度上去除污水中的颗粒物。

三．人工湿地的工艺流程

1. 工艺选择

本项目采用人工湿地处理污水。近年来, 根据国内外专家的论证与实际工程的运行情况, 对比传统活性污泥法及目前中、小型城市污水处理厂较流行的氧化沟和SBR 工艺, 人工湿地处理污水的技术特点有:

( 1) 生态协同作用处理污水, 抗冲击负荷强, 出水水质非常好;

( 2) 使用设备少, 操作、管理简单, 无需大量专业人员用都较低, 无需人工充氧, 无需污泥处理, 节约能耗;

( 4) 配合选择植物品种, 可建成公园、景观绿地, 可美化城市环境;

( 5) 可通过植物利用, 形成循环产业链获取一定的经济效益;

( 6) 人工湿地系统主要缺点是布置不够紧凑, 占地面积大, 只适用于中、小型污水厂

2 植物的选择

植物在人工湿地中起着非常重要的作用, 人工湿地植物的选择直接关系到污水的处理效果。 （1）植物具有很强的生命力和旺盛的生长势；

① 抗冻、抗热能力

由于污水处理系统是全年连续运行的, 故要求水生植物即使在恶劣的环境下也能基本正常生长, 而那些对自然条件适应性较差或不能适应的植物都将直接影响净化效果。

② 抗病虫害能力

污水生态处理系统中的植物易滋生病虫害, 抗病虫害能力直接关系到植物自身的生长与生存, 也直接影响其在处理系统中的净化效果。

③ 对周围环境的适应能力

由于人工湿地中的植物根系要长期浸泡在水中和接触浓度较高且变化较大的污染物, 因此所选用的水生植物除了耐污能力要强外, 对当地的气候条件、土壤条件和周围的动植物环境都要有很好的适应能力。

（2）所引种的植物必须具有较强的耐污染能力；

水生植物对污水中的BOD5、COD 、TN 、TP 主要是靠附着生长在根区表面及附近的微生物去除的, 因此应选择根系比较发达，对污水承受能力强的水生植物。

（3）植物的年生长期长，最好是冬季半枯萎或常绿植物；

人工湿地处理系统中常会出现因冬季植物枯萎死亡或生长休眠而导致功能下降的现象，因此，应着重选用常绿冬季生长旺盛的水生植物类型。

（4）具有一定的经济效益、文化价值、景观效益和综合利用价值。

若所处理的污水不含有毒、有害成分, 其综合利用可从以下几个方面考虑:①作饲料, 一般选择粗蛋白的含量>20%(干重) 的水生植物；②作肥料, 应考虑植物体含肥料有效成分较高, 易分解；③生产沼气, 应考虑发酵、产气植物的碳氮比, 一般选用植物体的碳氮比为25～30.5/1；④工业或手工业原料，如芦苇可以用来造纸，水葱、灯心草、香蒲、莞草等都是编制草席的原料。 由于城镇污水的处理系统一般都靠近城郊, 同时面积较大, 故美化景观也是必须考虑的。

然而在实际工作中，很多人工湿地的工艺设计者和建设者考虑得最多的是植物的独有性和观赏价值等表在因素，没有考虑到栽种该植物后的植株生长效果、湿地的运行效果、生长表现以及对生态的安全性等，导致人工湿地在运行一段时间后功能骤降或运行费用剧增，最后导致系统瘫费或闲置

四．人工湿地系统的优缺点与应对

人工湿地污水处理系统是一个综合的生态系统，具有如下优点:

（1）建造和运行费用便宜

（2）易于维护, 技术含量低

（3）可进行有效可靠的废水处理

（4）可缓冲对水力和污染负荷的冲击

（5）可提供和间接提供效益, 如水产、畜产、造纸原料、建材、绿化、野生动物栖息、娱乐和教育。

人工湿地系统的主要缺点是占地面积大, 并由此存在着污水渗入地下水, 造成二次污染的隐患。针对上述情况, 本工程在设计中对湿地床采用了严格的防

渗漏措施:

( 1) 在整个湿地床底下铺设一定厚度的防水黏土层( 经实际检验其封水效果较明显) ;

( 2) 在各湿地处理池内壁设防水层, 其是主要的防渗措施, 必须保证施工质量。

人工湿地系统的实际运行中还存在着初期处理效果不佳、稳定周期长的特点( 一般在半年左右) 。出现这种情况的主要原因是湿地植物的适应期较长、初期死亡率较高。本设计的植物选种试验由广西大学的相关部门负责。在初次试验中不同植物都出现了较大面积的死亡, 后期相关人员在植物的培养过程中给予逐步的耐污性试验, 尤其在选种后成活率明显提高

五．展望

人工湿地污水处理系统是一个综合的生态系统, 经国外的研究证明, 湿地对BOD 、COD 的去除率可达80%～90%。虽然存在一些缺点, 但同时具有建造和运行费用便宜、技术要求不高、易于维护等多项优点。广西是欠发达地区, 大量中、小城镇在处理污水方面都受到经费、技术等方面的严重制约, 污水处理率极低, 人工湿地作为一种低能耗、高效益、低技术的污水处理新技术, 非常适用于在广西中、小城市的污水处理中推广应用。

参考文献

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