[科普中国]-湿地处理

简介

人工湿地(constructed wetlmid，简称CW)污水处理技术是20世纪70年代末发展起来的一种污水处理和水环境修复技术，其是从生态学原理出发，模仿自然生态系统，人为将土壤、沙、石等材料按一定比例组成基质，并栽种经过选择的耐污植物，培育多种微生物，组成类似于自然湿地的新型污水净化系统。美国著名的湿地研究、设计与管理专家Hammer博士等将人工湿地定义为“一个为了人类利用和利益，通过模拟自然湿地，人为设计与建造的由饱和基质、挺水与沉水植被、动物和水体组成的复合体。"夏汉平对其定义进行了修改：人工湿地是通过模拟自然湿地的结构和功能，选择一定的地理位置与地形，根据人们的需要人为设计与建造的湿地。1974年联邦德国建造世界首个人工湿地处理系统，随后该工艺在欧洲、美国和加拿大等国得到了推广和应用，我国也于20世纪90年代开始人工湿地的研究和应用。

人工湿地在对废水的处理过程中综合了生物、物理、化学三方面的作用，通过基质过滤、吸附、沉淀、离子交换、络合反应、硝化和反硝化作用、植物对营养元素的摄取和微生物分解等来实现对污水的高效净化：湿地填料表面和植物根系中存在大量的微生物，形成生物膜，废水流经湿地时，悬浮物被填料及根系阻挡截留，有机质通过生物膜的吸附及同化、异化作用得以去除。湿地系统中因植物根系对氧的传递释放，使其周围的微环境中依次呈现出好氧、缺氧和厌氧状态，保证了废水中的氮、磷不仅能被植物及微生物作为营养成分直接吸收，还可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的积累作用从废水中去除，最后通过湿地基质的定期更换或植物收割使污染物质最终从系统中去除。2

技术参数水力负荷：湿地的水力负荷与建造地点的水文因素以及处理水的有机负荷密切相关。水文因素包括当地的气候、土壤条件(特别是渗透性)和植物种类。水力负荷一般为150-500 m3/(ha·d)。

水位：湿地进水的水位是不变的，为使污水在床体内以推流式流动，需对床层的水位加以控制。如潜流式湿地床的水位控制：当接纳最大设计流量时，进水端不能出现雍水现象；当接纳最小流量时，出水端不能出现填料床面的淹没现象。应有利于植物生长，床中水面浸没植物根系的深度应尽可能均匀。

水力停留时间：为了达到一定的处理效果，必须有一定的水力停留时间。水力停留时间受湿地长度、宽度、植物、基底材料空隙率、水深、床体坡度等因素的影响。处理初级和二级出水时，6～7 d的停留时间较好。停留时间太短，会使污染物降解不够充分，同时造成流速太大破坏植物的生长；停留时间过长，造成水流停滞和大面积厌氧区，影响湿地处理效果。同时应当考虑气候及天气因素的影响。

几何尺寸：湿地床长度通常应为20一50 m。过长，易造成湿地床中的死区，且使水位难以调节，不利于植物的栽培。此外，湿地的长宽比也不应过大，建议控制在3：1以下。长宽比不满足条件时，可用分置单元的措施处理。床深一般须根据湿地床水位确定，以保证湿地床中植物的生长及必要的好氧条件。对于芦苇湿地系统，处理城市或生活污水时，床深一般取0．6～0．7 m。

床横截面面积：与温度、有机负荷无关，只受填料的水力学特性影响。在借鉴有关经验的基础上人们建议，通过填料横截面的平均流速为Q/A。以不超过8．6 m/d为宜，以避免对填料根茎结构的破坏。湿地床底坡一般去1%～8%，须根据填料性质及湿地尺寸加以确定，对以砾石为填料的湿地床一般可取2%。

影响因子温度

湿地系统对污染物的去除主要依靠湿地植物的吸收、 填料的过滤及吸附、微生物的分解与转化等作用来完成, 而植物与微生物的生长与繁殖能力受温度的变化影响较大, 造成湿地系统在不同的季节有不同的生长量, 研究表明:人工湿地对污染物和氮磷的去除作用夏季明显强于冬季。

pH值

大量研究表明, 微生物受pH值的影响较大, 如在低pH值条件下, 湿地中真菌类微生物的活性较强, 而高pH值条件下会影响湿地系统对氮磷的去除;湿地植物在不同的pH值条件下其活性有所不同, 如凤眼莲在不同pH值条件下其活性有所不同;pH值的变化还会影响土壤中离子的电离, 从而影响土壤对污水中有机物的吸附去除作用。

溶解氧与CO2浓度

湿地系统中的氧气和CO2浓度的变化会影响植物的光合作用的速率, 从而影响植物对有机污染物的去除;植物根系的维管束可输送氧气到达湿地深层, 在湿地系统中形成好氧、缺氧和厌氧微处理 区, 溶解氧和CO2的变化必然破坏湿地系统中的微环境, 从而会最终导致系统处理污染物的功能。3

类型人工湿地系以人工建造和监督控制的、与沼泽地相类似的地面。通过自然生态系统中的物理化学和生物三者协同作用以达到对污水的净化。此种湿地系统是存一定长宽比及底面坡度的洼地中，由土壤和填料混合组成填料床。废水在床体的填料缝隙或在床体表面流动，并往床体表面种植具有处理性能好、成活率高、抗水性强、生长周期长、美观及具有经济价值的水生植物，形成一个独特的动、植物生态系统，对废水进行处理。实际设计中．往往是将湿地进行多级串联或附加必要的预处理、后处理设施构成。

人工湿地按污水在其巾的流动方式可分为两种类型：①水面式人工湿地(简称FWS)；②潜流型人工湿地(简称SFS)。FWS系统中，废水在湿地的土壤表层流动，水深较浅(一般在0.1～0.6m)。与SFS系统相比，其优点是投资省，缺点是负荷低。北方地区冬季表面会结冰，夏季会滋生蚊蝇、散发臭味，目前已较少采用。而SFS系统中，污水在湿地床的表面下流动，一方面可以充分利用填料表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和填料截留等作用，提高处理效果和处理能力；另一方面由于水流在地表下流动，保温性好，处理效果受气候影响较小，且卫生条件较好，是目前国际上较多研究和应用的种湿地处理系统，但此系统的投资比FWS系统略高。

工艺流程人工湿地的工艺流程有多种，目前采用的主要有：推流式、阶梯进水式、旧流式和综合式4种，如图所示。阶梯进水可避免处理床前部堵塞，使植物长势均匀，有利于后部的硝化脱氮作用；回流式可对进水进行一定的稀释，增加水中的溶解氧并减少出水中可能出现的臭味。出水回流还可促进填料床中的硝化和反硝化作用，采用低扬程水泵，通过水力喷射或跌水等方式进行充氧。综合式则一方面设置出水回流，另一方面还将进水分布至填料床的中部，以减轻填料床前端的负荷。

人工湿地的运行可根据处理规模的大小进行多种方式的组合，一般有单一式、并联式、串联式和综合式等。在日常使用中，人工湿地还常与氧化塘等进行串联组合。4

应用生活污水近年来随着我国城市化进程的加快，城市生活污水排放量明显增加，全国年排污水量达数百亿吨，但处理率极低。传统的生化处理技术对氮、磷等营养物质去除效果不佳，且基建投资大，运行费用高（张自杰，1996），而人工湿地技术具有投资少、效果好、运行维护方便、氮磷去除率高的特点，为综合解决上述问题提供了一条新途径。

何蓉等（2004）通过小试装置研究了表面流人工湿地对人工模拟生活污水的处理效果，结果表明，表面流人工湿地系统对污水中的COD、TN、TP均有较好的综合净化能力，去除率分别达到75%、75%、 73%，其中COD、TN达到一级排放标准分别需3、4 d 的表观停留时间，TP达到二级排放标准则需6 d的 表观停留时间。此外，湿地植物对TN、TP的去除有比较明显的促进作用。

宋铁红等（2003）通过试验分析了间歇流人工湿地去除生活污水中污染物的效能，结果表明，在进水指标COD 300～500 mg/L、氨氮40～60 mg/L、总磷 9～16 mg/L，水力停留时间4 d，各项指标去除率分别 为83%、75%、40%。由此推断间歇流可以有效利用大气复氧，缓解植物根系放氧不足的矛盾，有助于污染物的去除。

项学敏等（2009）采用改进的三级串联垂直流人工湿地对大连市2个典型城市污水处理厂的二级出水进行深度净化处理，并对该人工湿地在夏季、冬季和初春气候条件下的运行效果进行对比，重点考察了其对COD、TN、NH4+- N和TP的去除效果。结果发现，该人工湿地对大连城市生活污水深度净化效果显著，其中COD和TP去除效果稳定，出水水质好于 《地表水环境质量标准》(GB 3838- 2002)Ⅲ类质量标准；而出水中 TN 和NH4+- N分别达到《城镇污水处理 厂污染物排放标准》(GB 18918- 2002)一级 A 和一级 B 标准；不同季节人工湿地对各种污染物的去除率及脱除负荷差异不显著。

造纸废水人工湿地对造纸废水具有独特而复杂的净化机理，它能利用基质微生物植物这个复合生态系统的物理、化学和生物三重协调作用，通过共沉、过滤、 吸附、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对造纸废水的高效净化，同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物生长并使其增产，实现废水的资源化和无害化（金建华等，2005）。

李亚治（2000）对水葫芦—水草人工湿地处理再生浆造纸废水的研究表明，在进水 pH 7.12～7.49，BOD5、 COD、SS 浓度分别为 440.5、354.2、290.7 mg/L，水力负 荷 0.05 m/d 的条件下，BOD5、COD、SS 的去除率分别为 98%、 93%和 89%，该系统性能稳定，出水水质达到排放标准且可用于农灌。

韩勤有等（2003）针对亚铵法制浆造纸废水，利用物理化学法作为前处理使部分废水资源化，剩余废水再经过生物塘—人工湿地处理，结果证明调节初沉—混凝、沉淀—过滤后COD去除率达到40%以上，生物塘COD去除率达到90%以上，人工湿地COD去除率达到45%以上。该工程投资少、运行费用低， 经过人工湿地长期运行处理后的废水将以更低的污染物浓度排放，取得良好的社会、经济、环境效益。

橡胶废水橡胶生产废水含浮胶颗粒、橡胶乳清、植物蛋白、糖类、脂肪等大分子有机污染物，同时因生产过程有氨水、甲酸参与，废水中污染物含量很高，有一定治理难度（农业部工人技术培训教材编审委员会，1997）。

杨馗等（2003）利用导流明沟构建湿地系统处理橡胶废水，出水COD 50～140 mg/L、BOD5 15～30 mg/L、 NH3- N 5～30 mg/L、pH 6.90～7.15、SS 50～120 mg/L， 水质达到《污水综合排放标准》（GB8978- 1996）二级标准，污染物去除率为 COD 97.4%～98.8%、BOD5 97.5%～ 98.8%、NH3- N 63.9%～88.8%，去除效果稳定显著。

汪秀华（2004）利用潜流式人工湿地处理橡胶废水，结果主要污染物 COD、BOD5、NH3- N去除率较高， 当 洗涤水的水力负荷为0.017m3/（m2·d ）、停留时间为3d 时， COD、BOD5、NH3- N 的去除率分别为 92.24%、95.49%、 68.67%；当综合废水的水力负荷为 0.016 m3/(m2·d)、水力停留时间为 3 d 时，COD、BOD5、NH3- N 的去除率分别为 91.07%、93.07%、75.55%。该系统耐冲击负荷强，出水水质稳定。

养殖废水养殖废水主要是牲畜的排泄物和冲洗水的混合物。污水中富含氮磷、有机物、高悬浮物，臭味大， 是一种高浓度有机废水，其变化范围较大，容易对废水处理系统带来负荷冲击（廖新俤等，1995）。

廖新俤等（2002）分别以香根草和风车草按1.0 m×0.5 m×0.8 m建立人工湿地，通过四季测试研究其对猪场废水N、P的净化功能及其随季节、进水浓度及水力停留时间变化的规律。结果表明，两湿地对 NH3- N和S- PO43-去除率受污水停留时间和污水浓度影响较大，香根草或风车草人工湿地在春季对 NH3- N和S- PO43-有明显的去除效果，在秋季则对TN 有去除效果，而且香根草湿地对TP的去除效果优于风车草湿地；秋春季人工湿地随水力停留时间（ t ）延长，TP 或S- PO43- (Y)的去除遵从指数方程Yt=Y0· e-kt规律； 冬季和夏季进水浓度对湿地去除P影响较大，在相同停留时间内，冬夏季人工湿地随进水浓度变化，进 出水S- PO43-遵从直线方程y=a+bx规律。

何连生等（2004）对含高浓度有机物和氮磷的养殖场污水采用复合垂直流人工湿地进行处理，并考察了回流出水的循环强化处理效果。结果表明，循环出水能显著提高对BOD5、COD、SS和NH4+- N的 去除率，且对BOD5的去除满足Monod方程；大部分 NH4+- N被硝化，对NH4+- N的去除率与其表面负荷率呈线性关系；随着硝化反应的进行，碱度减少，pH 值不断降低；循环出水可引入部分氧气，延长了污染物和附着于植物根系微生物的接触时间，提高了对污染物的去除率。

岳春雷等（2004）采用复合垂直流人工湿地循环净化杭州植物园内低浓度养鱼废水，结果湿地出水的硝态氮、总磷、化学需氧量等绝大多数指标均达到国家地面水一类标准；湿地运行后，在不换水的条件下，养鱼池内水质能保持较好的状态，节约了地下水和电能，产生了显著的经济效益和生态效益。

油田废水籍国东等（2001）采用自由表面流芦苇湿地处理超稠油废水，结果当芦苇床的水力负荷为3.33 cm/d 时，对于年平均进水COD 459.16 mg/L、石油类 27.65 mg/L、BOD5 33.25 mg/L、TN 13.74 mg/L 的超稠油废水，该系统的出水指标为COD 77.21 mg/L、石油类 1.42 mg/L、BOD5 3.90 mg/L、TN 1.60 mg/L，去除率分别 为 COD 83.18%、石油类 94.86%、BOD5 88.37%、TN 88.36%，pH 值由 7.87 降至 7.77，处理后的超稠油废水对土壤污染不明显，对芦苇生长和材质指标几乎无影响。

夏汉平等（2003）利用香根草、芦苇、宽叶香蒲和蒲草测试建植人工湿地及其处理炼油废水的效果。在为期 2 个月的处理过程中，人工湿地在前期对炼油废水的净化效率很高，其对第一批高浓度废水中氨氮、 COD、BOD 和油类的去除率分别为 97.7%、78.2%、 91.4%和 95.3%，对第一批低浓度污水上述指标的去除率分别为 97.1%、71.5%、73.7%和 89.8%。但随着时间的推移，湿地净化效果有一定程度的下降，然后逐渐趋于稳定。湿地对氨氮、COD、BOD 和油类的去除效率始终表现为氨氮 > 油类 >BOD>COD， 但植物对其净去除量却是COD>BOD>氨氮和油类。

2003年，吉林油田新大采油厂采用工厂式生物处理 + 人工湿地相结合的处理工艺来解决采油污水处理问题，在进水水质 COD