人工濕地污水處理系統研究及性能改進分析

甘恒

摘要：本文主要從人工濕地概述、人工濕地污水處理系統的工作原理、人工濕地微生物處理污水技術、加強人工濕地污水處理的措施等方面進行了全面的探討。

關鍵詞：人工濕地；污水處理；改進

中圖分類號：U664文獻標識碼： A

一、前言

可持續發展是我國發展的基本戰略，環境保護越來越受到重視，本文就人工濕地污水處理方面內容進行了全面的分析。

二、人工濕地處理系統

1.人工濕地污水處理系統概述

人工濕地污水處理技術是人為設計的污水處理濕地系統，將污水有控制地分配到種有水生植物的土地上，按不同方式控制其有效停留時間，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作用實現水質凈化的生物處理技術。

2.人工濕地的基本構型

人工濕地是為處理污水而人為設計建造的工程化濕地系統，在一定長、寬比及地面坡度的洼地中，由土壤和基質填料（如礫石等）混合組成填料床，污水在填料的縫隙或床體的表面流動，在床的表面種植具有處理性能好、成長周期長、美觀等特點的水生植物（如蘆葦、香蒲等），形成一個具有污水處理能力的獨特的生態系統，故人工濕地也稱為構筑濕地。實際應用中往往是將濕地進行組合或附加必要的預處理、后處理設施。所以人工濕地一般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。

3. 人工濕地的分類及特點

人工濕地按污水在其中的流動方式可分為兩種類型：表面流人工濕地(surface flow wetland，簡稱FWS)和潛流型人工濕地(subsurface flow wetland，簡稱SFS)。其中潛流型人工濕地又包括水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地及復合流人工濕地。FWS系統和自然濕地類似，污水流經濕地表面，污染物的去除依靠植物根莖的攔截作用以及根莖上生成的生物膜的降解作用。這種類型的人工濕地具有投資少、操作簡單、運行費用低等優點，但占地面積較大，水力負荷率較小，且北方地區冬季表面會結冰，夏季滋生蚊蠅、散發臭味，目前已較少采用。

SFS系統中污水在濕地床的內部流動，運行過程中，污水在配水系統（一般由卵石構成）在濕地的一段均勻的進入填料床植物的根區。SFS系統中污水在濕地床的內部流動，運行過程中，污水緩慢地在土地表面流動并向土壤中滲濾，一部分被植物吸收、一部分滲入土壤，被填料截留，使污水得到凈化。填料由3層組成，表層土壤、中層礫石和底層小豆石。在表層土壤種植耐水性植物，如蘆葦、美人蕉、大米草等。這些植物有非常發達的根系，可深入表土以下0.6-0.7 m的礫石層中，并交織成網，與礫石一起構成一個透水性良好的系統，同時這些植物根系有較強的輸氧能力，可使根系周圍的水環境中保持較高濃度的溶解氧，給生長在礫石等填料表面的好氧微生物的生長、繁殖及對有機污染物的降解提供所需的氧。經過凈化的出水又由濕地末端集水區中鋪設的集水管收集后排出處理系統。潛流型人工濕地有以下幾個特點：①水流在地表下流動，充分利用了填料表面生長的生物膜和豐富的植物根系；同時保溫性能好，不易滋生蚊蟲；②表層土和填料截留的作用，可以延長水流的停留時間，提高了處理效果和能力；③水力負荷和污染負荷大，對BOD5、COD和重金屬等污染指標的去除效果好。

建造人工濕地的成本不高，在運行的工程中所消耗的能源也很少，加上在管理運作的工作上非常的便利，又可以帶來連續的經濟和社會效益，現在我國已經大范圍的建設了人工濕地，而且取得了非常好的效果。

三、人工濕地污水處理系統的工作原理

1.人工濕地的工藝形式。

人工濕地的工藝形式一般有兩種類型，其中一種類型是地表流工藝，污水在濕地的表面部位進行流動的工作，一般的水位是20厘米--60厘米之間，這種工藝的優點是成本低、負荷小，但是也存在著一些缺點，比如在冬天的時候，一些氣溫較低的地區污水很可能會凍結，而到了夏天的時候，又會成為蒼蠅、蚊子的繁衍地，甚至會發出陣陣的臭味，十分惡心；還有一種類型就是地下潛流工藝，這種工藝的形成不太受氣候的影響，但是成本相對于地表流工藝要高的多，負荷也很大。通過比較不同濕地系統對污水凈化后的水質和污水在濕地當中停留的時間、污水進水水質的不同，選擇污水處理系統有著很大的差別，可以針對進水水質及對出水水質的具體要求來選擇合適的處理工藝，將凈化的時間控制在合適的時間之內，然后對濕地的面積大小進行計算和設計。

2.人工濕地的凈化機理。

人工濕地凈化污水是結合了介質、植物和微生物的共同作用進行的，主要的工作就是脫氮去磷。脫氮指的是通過處理介質、植物、微生物等對污水中氨氮及其他含氮化合物進行去除的過程。存在于污水當中氮一般是分成了兩種，分別是無機氮和有機氮，有機氮是被微生物的硝化和反硝化作用消除掉的，而無機氮的消除則是通過介質的吸附和過濾與植物的吸收和吸附的作用進行作用。除磷的指的是人工濕地通過化學沉淀、藻類物質的吸收以及磷細菌的分解作用達到消除廢水當中含磷化合物的目的。廢水在流過人工濕地的時候，包含在水里的有機磷會被磷細菌分解轉化掉，而藻類物質則會把無機磷吸收掉，更多的去磷工作則是被介質進行消除的，介質當中鐵（Fe）、鋁（Al）、鈣（Ca）會和磷發生氧化反應，形成磷酸鐵、磷酸鋁和磷酸鈣這樣的一些難溶于水的物質而析出，而這些難溶于水的物質最后會通過人工濕地的過濾功能而被去除。

四、人工濕地微生物處理污水技術

通常所說的濕地微生物主要是指細菌、放線菌和真菌。有研究表明，在人工濕地系統中，以細菌數量為最多，其次為放線菌，最少的為真菌。目前，研究人工濕地微生物的學者眾多，主要針對各種人工濕地基質中微生物的種類、群落結構、活性和植物根系以及對病原微生物的去除和微生物空間分布特點以及影響其分布因素的探討、人工濕地酶活性等的研究。

其研究方法包括傳統的和現代的兩種。研究濕地微生物多樣性的傳統方法主要是培養皿計數法，但這種方法只能培養環境中總微生物的1%～10%，其所獲得的微生物豐富度遠低于環境中微生物的豐富度。隨著分子生物學技術在微生物方面應用的發展，各種新穎的分子生物學方法已成為研究人工濕地中各種微生物多樣性的有效工具，當前用于分析濕地微生物群落結構特征的分子生物技術主要有熒光染色法、Biolog微平板分析、變性梯度凝膠電泳（DG-GE）、磷脂脂肪酸（PLFA）譜圖、熒光原位雜交（FISH）技術等。

在人工濕地系統中，微生物除上述研究的各種細菌、放線菌、真菌，還包括在顯微鏡下才能觀察到的各種浮游生物。濕地基質和植物根系的菌類微生物研究已比較多，然而對于濕地中浮游生物研究卻相對較少，因目前浮游生物的研究主要是針對湖泊，河流等地表水體，對水平潛流人工濕地中浮游生物也有一定研究，而對垂直流人工濕地中浮游生物的研究目前幾乎沒有。

五、人工濕地污水處理系統性能改進分析

對濕地內部的深入了解,將有助于人工濕地系統的工藝設計,促進該技術在污水處理中不斷向前發展。運用化學工程中的反應器理論分析可知,決定人工濕地處理效率的主要因素是系統內污染物降解的反應動力學和濕地內部的水流動力學特征。此外,低溫限制和氧含量狀況也是影響該技術處理效率及推廣的重要因素。①反應動力學。人工濕地的工藝設計參數應根據要處理污水的各特征污染物的降解反應動力學規律進行設計,給出整體系統的組合性能。以COD為例,研究表明,COD的凈化負荷與污水中COD的有機負荷呈正線性相關,出水中的COD與水力停留時間存在指數遞減關系,即隨著水力停留時間的延長,被降解的COD量逐漸下降。根據所得數據可計算出COD去除的一級反應速率方程:

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

式中,k為反應速率常數,從而建立污染物處理的工藝設計模型,進而優化處理系統設計,助于控制與管理系統運行。同時通過一級反應方程可得出反應速率常數,通過該常數確定人工濕地降解一定污染物所需的水力停留時間。一級反應方程雖不能完全反映污染物的復雜降解轉化過程,但卻指導產生了許多運行功效良好的人工濕地,加之其形式簡單明了,被美國國家環保局(USEPA)采納而廣泛應用于各類人工濕地的設計中。②水流動力學。人工濕地系統中的水流將直接影響污染物的遷移,因此對濕地系統中水流動力學特征的研究有助于其凈化效果的提高與推廣應用。有研究表明,出水速率與出水量大的系統凈化效果好,而隨水力負荷增大,出水速率呈變小的趨勢。這是因為出水速率大的系統往往有發達的植物根系,而根系有疏導水流與傳遞氧氣的功能。③低溫的影響。由于濕地系統中植物與微生物的生長及生理與生化活性不可避免地受到溫度季節性變化影響,使得一些寒冷地區的人工濕地冬季運行受到限制,因此對溫度如何影響濕地及怎樣克服溫度的影響這兩個問題的研究將大大地擴大該技術的應用范圍。

六、結束語

加強對人工濕地污水處理系統研究，可以更好的對該部分系統進行應用與改進，是非常具有現實意義的研究。

參考文獻：

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