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人工濕地法污水處理技術經(jīng)驗交流
一、人工濕地技術簡介
1、人工濕地的概念
2、人工濕地的類型
3、人工濕地的構造
二、人工濕地去除污染物機理8
1、有機物的去除8
2、氮的去除9
3、磷的去除9
4、懸浮物的去除10
三、人工濕地處理技術的優(yōu)缺點10
一、人工濕地技術簡介
1、人工濕地的概念
人工濕地污水處理技術是（cw—constructed wetland）一種人工將污水有控制地投配到種有水生植物的土地上，按不同方式控制有效停留時間并使其沿著一定的方向流動，在物理、化學、生物共同作用下，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解等來實現(xiàn)水質凈化的生物處理技術。
采用人工濕地技術凈化污水始于1953年德國的max planck研究所，該研究所的seidel博士在研究中發(fā)現(xiàn)蘆葦能去除大量有機物和無機物。到20世紀70年代末期逐漸發(fā)展成為一種獨具特色的新型污水處理技術。人工濕地污水處理技術具有處理效果好、出水水質穩(wěn)定、氮、磷去除能力強、運轉維護管理方便、工程基建和運轉費用低、對負荷變化適應能力強、適于處理間歇排放的污水等主要特點。同時，人工濕地對保護野生動物和提高局部地區(qū)景觀的美學價值也有益處。因此，大力開發(fā)人工濕地污水處理技術，對我國水環(huán)境污染的治理具有重大的意義，在我國具有廣泛的發(fā)展前景。
2、人工濕地的類型
人工濕地的基本類型
自由表面流人工濕地（fws）：和自然濕地相類似，水面位于濕地基質層以上，其水深一般為0.3—0.5m，采用最多的水流形式為地表徑流，這種類型的人工濕地中，污水從進口以一定深度緩慢流過濕地表面，部分污水蒸發(fā)或滲入濕地，出水經(jīng)溢流堰流出。這種類型的人工濕地具有投資少、操作簡單、運行費用低等優(yōu)點。
潛流型人工濕地系統(tǒng)（sfs）：污水在濕地床的表面下流動，利用填料表面生長的生物膜、植物根系及表層土和填料的截留作用凈化污水。主要形式為采用各種填料的蘆葦床系統(tǒng)。蘆葦床由上下兩層組成，上層為土壤，下層是由易使水流通過的介質組成的根系層，如粒徑較大的礫石、爐渣或砂層等，在上層土壤層中種植蘆葦?shù)饶退参�。潛流式濕地能充分利用了濕地的空間，發(fā)揮植物、微生物和基質之間的協(xié)同作用，因此在相同面積情況下其處理能力得到大幅提高。污水基本上在地面下流動，保溫效果好，衛(wèi)生條件也較好。
根據(jù)污水在濕地中流動的方向不同可將潛流型濕地系統(tǒng)分為水平潛流人工濕地、垂直潛流人工濕地和復合流人工濕地3種類型。不同類型的濕地對污染物的去除效果不盡相同，各有優(yōu)勢。
水平流潛流式濕地：其水流從進口起在根系層中沿水平方向緩慢流動，出口處設水位調(diào)節(jié)裝置，以保持污水盡量和根系接觸。
垂直流潛流式濕地：其水流方向和根系層呈垂直狀態(tài)，其出水裝置一般設在濕地底部。和水平流潛流式濕地相比，這種床體形式的主要作用在于提高氧向污水及基質中的轉移效率。其表層為滲透性良好的砂層，間歇式進水，提高氧轉移效率，以此來提高bod去除和氨氮硝化的效果。
復合流潛流式濕地：其中的水流既有水平流也有豎向流。在蘆葦床基質層中污水同時以水平流和垂直流的流態(tài)流出底部的滲水管中。也可以用兩級復合流潛流式濕地進行串聯(lián)的復合流潛流濕地系統(tǒng)，第一級濕地中污水以水平流和下向垂直流的組合流態(tài)進入第二級濕地，第二級濕地中，污水以水平流和上向垂直流的組合流態(tài)流出濕地。
人工濕地的水流類型不同，其對不同污染物的去除效率也有差異。水平潛流濕地對bod、cod等有機物和重金屬的去除效果較好，垂直流濕地對氮、磷的去除效果較好，表面流型濕地的處理效果一般。但如果將表面流型與潛流型、表面流型與垂直流型結合起來，去污效率會進一步提高。根據(jù)對104座潛流型濕地系統(tǒng)和70座表面流濕地系統(tǒng)的處理效果數(shù)據(jù)統(tǒng)計，有如下結果。
（1）ss表面流濕地系統(tǒng)用于三級處理時出水ss< 20mg/l；用于二級處理時稍高，但通常也低于20mg/l。水平潛流濕地系統(tǒng)進水ss平均為140 mg/l，出水平均為12、4 mg/l。
�。�2）bod5一般來說，當潛流濕地系統(tǒng)進水bod5平均為__ mg/l時，則出水平均為17 mg/l；表面流濕地系統(tǒng)進水bod5平均為41 mg/l時，出水平均為11 mg/l。
3、人工濕地的構造
人工濕地一般都由以下五種結構單元構成：底部的防滲層；由填料、土壤和植物根系組成的基質層；濕地植物的落葉及微生物尸體等組成的腐質層；水體層和濕地植物（主要是根生挺水植物）。
水生植物：首先，植物可以有效地消除短流現(xiàn)象；其次，植物的根系可以維持潛流型濕地中良好的水力輸導性，使?jié)竦氐倪\行壽命延長；第三，通過其中微生物的分解和合成代謝作用，能有效地去除污水中有機污染物和營養(yǎng)物質，第四，水生植物能夠將氧氣輸送到根系，使植物根系附近有氧氣存在，通過硝化、反硝化，積累、降解、絡合、吸附等作用而顯著增加去除率。第五，致密的植物可以在冬季寒冷季節(jié)起到保溫作用，減緩濕地處理效率的下降。
基質層：基質層是人工濕地的核心�；|顆粒的粒徑、礦質成分等直接影響著污水處理的效果。目前人工濕地系統(tǒng)可用的基質主要有土壤、碎石、礫石、煤塊、細沙、粗砂、煤渣、多孔介質（leca）、硅灰石和工業(yè)廢棄物中的一種或幾種組合的混合物�；|一方面為植物和微生物生長提供介質，另一方面通過沉積、過濾和吸附等作用直接去除污染物。
防滲層：防滲層是為了防止未經(jīng)處理的污水通過滲透作用污染地下含水層而鋪設的一層透水性差的物質。如果現(xiàn)場的土壤和黏土能夠提供充足的防滲能力，那么壓實這些土壤作濕地的襯里已經(jīng)足夠。
腐質層：腐質層中主要物質就是濕地植物的落葉、枯枝、微生物及其他小動物的尸體。成熟的人工濕地可以形成致密的腐質層。
水體層：水體在表面流動的過程就是污染物進行生物降解的過程，水體層的存在提供了魚、蝦、蟹等水生動物和水禽等的棲息場所。
二、人工濕地去除污染物機理
1、有機物的去除
人工濕地對有機物有較強的凈化能力，污水中的不溶有機物通過濕地的沉淀、過濾作用，可以很快被截留下來而被微生物利用；污水中的可溶性有機物則可通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝過程而被分解去除。國內(nèi)有關學者對人工濕地凈化城市污水的研究表明，在進水濃度較低的情況下，人工濕地對bod5的去除率可達85%～95%，對cod的去除率可達80%，處理出水bod5的濃度在10mg/l左右，ss小于20mg/l。隨著處理過程的不斷進行，濕地床中的微生物相應地繁殖生長，通過對濕地床填料的定期更換及對濕地植物的收割而將新生的有機體從系統(tǒng)中去除。
2、氮的去除
濕地進水中的氮主要以有機氮和氨氮的形式存在，氨氮被濕地植物和微生物同化吸收，轉化為有機體的一部分，可以通過定期收割植物使氮得以部分去除，有機氮經(jīng)氨化作用礦化為氨氮，然后在有機碳源的條件下，經(jīng)反硝化作用被還原成氮氣，釋放到大氣中去，達到最終脫氮的目的。存在根系周圍的氧化區(qū)（好氧區(qū)），缺氧區(qū)和還原區(qū)（厭氧區(qū)），以及不同微生物種群的生物氧化還原作用，為氮的去除提供了良好的條件。微生物的硝化和反硝化作用在氮的去除中起著重要作用。
3、磷的去除
濕地對磷的去除是通過微生物的去除、植物的吸收和填料床的物理化學等幾方面的協(xié)調(diào)作用共同完成的。污水中的無機磷一方面在植物的吸收和同化作用下，被合成為atp、dna和rna等有機成分，通過對植物的收割而將磷從系統(tǒng)中去除；另一方面，通過微生物對磷的正常同化吸收。此外，濕地床中填料對磷的吸收及填料與磷酸根離子的化學反應，對磷的去除亦有一定的作用。含有鐵質和鈣質的填料可與水中的po43—反應而形成沉淀而去除，含有這些物質的地下水滲入床體內(nèi)也有利于磷的去除、磷的去除是通過植物吸收、微生物去除及物理化學作用而完成。
4、懸浮物的去除
進水的懸浮物的去除都在濕地進口處5—10m內(nèi)完成，這主要是基質層填料、植物的根系和莖、腐殖層的過濾和阻截作用，所以懸浮物的去除率高低決定于污水與植物及填料的接觸程度。平整的基質層底面及適宜的水力坡度能有效提高懸浮物的去除效率。
三、人工濕地處理技術的優(yōu)缺點
人工濕地是一種由人工建造和監(jiān)督控制的、與沼澤地類似的地面，它利用自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學和生物的三重協(xié)同作用來實現(xiàn)對污水的凈化。人工濕地在污水處理上具有高效率、低投資、低運轉費、低維持技術、處理量靈活、低能耗、處理效果好等優(yōu)點。
1、高效率
人工濕地的顯著特點之一是其對有機物有較強的降解能力。有關人工濕地對二級污水處理廠出水試驗的研究表明，以二級污水處理廠出水作為原水的條件下，人工濕地對bod5的去除率可達85%—95%，cod去除率可達80%以上，處理出水中bod5的濃度在5mg/l左右，ss小于8mg/l。
我國大多數(shù)的二級污水處理廠出水中n、p的含量較高，濕地對n、p有很高去除率，可分別達到80%、90%以上。而傳統(tǒng)的污水回用工藝對n、p的去除率僅能達到20%—40%。污水中的氮、磷可直接被濕地中的植物吸收，通過對植物的收割而從污水和濕地中去除，另外，氮還可通過濕地中微生物的硝化和反硝化作用去除，磷則通過微生物的積累和填料床的理化作用協(xié)同完成去除。此外，人工濕地對微量元素和病原體也有相當高的去除率。
2、低成本
據(jù)國外統(tǒng)計，一般濕地系統(tǒng)在污水處理方面的投資和運行費用僅為傳統(tǒng)的二級污水廠的1/10—1/2。在污水處理方面，由于人工濕地工藝無需曝氣、投加藥劑和回流污泥，也沒有剩余污泥產(chǎn)生，因而可大大節(jié)省運行費用，通常只消耗少量電能，用于提高進水水位（如果水位無需提升則無此項費用），處理費用一般僅為傳統(tǒng)工藝的1/5到1/6左右。
由于人工濕地基本上不需要機電設備，故維護上只是清理渠道及管理作物，一般農(nóng)民完全可以承擔，只需個別專業(yè)人員定期檢查。高昂的運行費用常常是我國開展污水回用的限制條件，而人工濕地則避免了這些缺點。
3、低能耗
水處理工藝的能耗不僅是經(jīng)濟問題，同時也是環(huán)境問題，因為耗能過程中產(chǎn)生的co2、so2等氣體，還會污染大氣環(huán)境。人工濕地基本上不耗能，運行成本低廉。
4、處理靈活
人工濕地可根據(jù)污水處理廠的規(guī)模，可大可小、就地利用；建設施工方便，需要的構筑物、處理設備少。
5、處理效果好
出水水質可以因植物池內(nèi)填料的不同達到《地面水環(huán)境質量標準》（gb3838—88）ⅱ類至ⅴ類標準，處理后的水可用作飲用水水源和景觀用水的湖泊、水庫或河流中，亦可用作沖廁、洗車、灌溉、綠化及工業(yè)回用等。
6、美化環(huán)境
由于植物池內(nèi)種植的是濕地植物，如果選擇合適的植物品種如水竹、睡蓮、美人蕉等，可以美化環(huán)境，改善地面景觀。
缺點：
�。�1）占用土地面積相對其它傳統(tǒng)工藝為大。
（2）由于生物和水力的復雜性加大了對其處理機制、工藝動力學和影響因素認識理解的難度，致使該工藝設計運行的參數(shù)不夠精確，若設計不當會導致出水不達標。正因為如此，選擇經(jīng)驗豐富的設計施工合作方顯得尤為重要。
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