人工濕地技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

時(shí)間：2006-11-23 來(lái)源： 作者：

    隨著工業(yè)的發(fā)展，水污染的加劇，同時(shí)淡水資源短缺與人民生活水平提高之間的矛盾日益加劇，水環(huán)境保護(hù)的任務(wù)也越來(lái)越艱巨。近年來(lái)，環(huán)境科學(xué)研究在迅速發(fā)展，正在積極探索水環(huán)境污染全球效應(yīng)問(wèn)題，各種水處理污染的方法層出不窮，其中生態(tài)處理技術(shù)———人工濕地技術(shù)由于其低投資，出水水質(zhì)好，抗沖擊力強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，建造和運(yùn)行費(fèi)用低（僅為傳統(tǒng)二級(jí)污水處理廠的1/10～1/2），維護(hù)方便，氨氮去除率高，同時(shí)可使污水處理與環(huán)境生態(tài)建設(shè)有機(jī)結(jié)合，在處理污水同時(shí)創(chuàng)造城市生態(tài)景觀等特點(diǎn)逐步被越來(lái)越多的國(guó)家接受，并廣泛應(yīng)用。
一、人工濕地的定義及分類
（一）人工濕地的定義
    用人工濕地（Constructed wetland）來(lái)處理城市污水是發(fā)達(dá)國(guó)家近十年來(lái)才興起的生態(tài)處理法,它是為處理污水而人為地在有一定長(zhǎng)寬比和底面坡度的洼地上用土壤和填料（如礫石等）混合組成填料床，使污水在床體的填料縫隙中流動(dòng)或在床體表面流動(dòng)，并在床體表面種植具有性能好，成活率高，抗水性強(qiáng)，生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，美觀及具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水生植物（如蘆葦，蒲草等）形成一個(gè)獨(dú)特的動(dòng)植物生態(tài)體系。

人工濕地去除的污染物范圍廣泛，包括N、P、SS、有機(jī)物、微量元素、病原體等。有關(guān)研究結(jié)果表明，在進(jìn)水濃度較低的條件下，人工濕地對(duì)BOD5的去除率可達(dá)85％～95％，COD去除率可達(dá)80％以上，處理出水中BOD5的濃度在10mg/l左右，SS小于20mg/l。廢水中大部分有機(jī)物作為異樣微生物的有機(jī)養(yǎng)分，最終被轉(zhuǎn)化為微生物體及CO2、H2O。

人工濕地面積可視情況而言，可在市郊結(jié)合部，也可在污水處理廠出水的附近建造。一些人工濕地屬預(yù)處理型，在那些目前還不具備建造污水處理廠的城鄉(xiāng)結(jié)合部建造人工濕地，將生活污水排入，利用所種植物對(duì)其進(jìn)行處理，然后再排入自然水系，保護(hù)水體；還有些濕地屬于加強(qiáng)型，在污水處理廠附近建造人工濕地，將污水處理廠處理過(guò)的水引入，再經(jīng)過(guò)人工濕地的加強(qiáng)處理，提高其水質(zhì)，然后排入自然水系，作為其補(bǔ)充水源。
（二）人工濕地的分類
    根據(jù)濕地中主要植物形式人工濕地可分為：1．浮游植物系統(tǒng)；2．挺水植物系統(tǒng)；3．沉水植物系統(tǒng)。其中沉水植物系統(tǒng)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，其主要應(yīng)用領(lǐng)域在于初級(jí)處理和二級(jí)處理后的精處理。浮游植物主要用于N,P去除和提高傳統(tǒng)穩(wěn)定塘效率。目前一般所指人工濕地系統(tǒng)都是指挺水植物系統(tǒng)。挺水植物系統(tǒng)根據(jù)廢水流經(jīng)的方式，可分為表面流濕地（SFW）、潛流濕地（SSFW）、立式流濕地（VFW）。表面流濕地和立式流濕地因環(huán)境條件差（易孳生蚊蟲），處理效果受氣溫影響較大以及對(duì)基建要求較高，現(xiàn)多不再采用。故人工濕地大部分采用潛流式濕地系統(tǒng)。
二、人工濕地在國(guó)外研究應(yīng)用發(fā)展
    自西德1974年首次建造人工濕地以來(lái)，各種不同的濕地在世界各地已被用來(lái)處理大量不同的廢水。1996年9月在奧地利維也納召開的第四次國(guó)際研討會(huì)，標(biāo)志著人工濕地作為一種獨(dú)具特色的新型廢水處理技術(shù)已經(jīng)正式進(jìn)入水污染控制領(lǐng)域。

自由表面流濕地在歐洲發(fā)展緩慢。瑞典1994年在Wittgren建一座處理6500PE，占地22公頃的自由表面流濕地。在北美約200座濕地處理系統(tǒng)有2/3是自由表面流濕地，其中一半又是自然濕地。自然濕地的大小從1～1000公頃，其中一半在10～100公頃。人工自然表面流濕地通常較小，60％小于10公頃。自然濕地水力負(fù)荷小于人工濕地。系統(tǒng)水深范圍5~90cm，30～40cm較普及。最常用的預(yù)處理是兼性或好氧塘，表明許多濕地系統(tǒng)用于現(xiàn)行塘系統(tǒng)的精處理。地下潛流系統(tǒng)在歐洲應(yīng)用較多，有幾百座。在丹麥，德國(guó)，英國(guó)等國(guó)家都至少有200個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行。此技術(shù)還在快速發(fā)展，特別是在一些東歐國(guó)家。絕大多數(shù)系統(tǒng)種植有蘆葦，也有種植其它濕地植物的。在德國(guó)大多數(shù)系統(tǒng)介質(zhì)是土壤，人們認(rèn)為根的生長(zhǎng)和蘆葦根區(qū)會(huì)增加和穩(wěn)定導(dǎo)水性，但幾乎所有土壤系統(tǒng)都遇到表面斷流問(wèn)題。為保證潛流，英國(guó)和北美絕大多數(shù)采用礫石床。雖有些礫石床也堵塞，但主要是由于預(yù)處理不足。在歐洲此類系統(tǒng)趨向?qū)��?000PE的鄉(xiāng)村級(jí)社區(qū)進(jìn)行二級(jí)處理；北美則趨向更多人口的高級(jí)處理。在澳大利亞和南非則用于處理各類廢水。

美國(guó)EPA目前正在開發(fā)北美人工濕地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，地方數(shù)據(jù)庫(kù)在其它國(guó)家已存在，為減少重復(fù)勞動(dòng)和改良經(jīng)驗(yàn)濕地設(shè)計(jì)方法，所有這些濕地都應(yīng)通過(guò)公共數(shù)據(jù)庫(kù)使世界各地的工程師和科技人員能夠獲得。這樣的數(shù)據(jù)庫(kù)可減少建設(shè)低效濕地的風(fēng)險(xiǎn)。兩種濕地的設(shè)計(jì)指南現(xiàn)已出版，但改良工作仍然需要，有必要更細(xì)致的研究不同地區(qū)特征和運(yùn)行數(shù)據(jù)以便在將來(lái)的建設(shè)中提供更合理的參數(shù)。豎流濕地在歐洲許多地方投入運(yùn)行已有幾十年。豎流系統(tǒng)至今未廣泛使用是因?yàn)槠湫枰�更�?xì)致的建設(shè)和介質(zhì)選擇。最近國(guó)際會(huì)議上有幾篇文章對(duì)豎流系統(tǒng)評(píng)價(jià)很高，目前世界上科技工作者正投入大量精力以改良人工濕地技術(shù)。潛流系統(tǒng)的處理效率可通過(guò)選擇豎流系統(tǒng)，采用間歇負(fù)荷和合理選擇介質(zhì)而獲得提高，還可引入一些傳統(tǒng)處理技術(shù)的理論，如回流。此外，不僅對(duì)豎流系統(tǒng)，對(duì)所有人工濕地系統(tǒng)都需深入研究以改良優(yōu)化工程設(shè)計(jì)參數(shù)，還需對(duì)系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行能力和管理問(wèn)題進(jìn)行研究。人工濕地不僅可用于城市和各種工業(yè)廢水的二級(jí)處理，還可用于高級(jí)處理中的精處理和對(duì)農(nóng)田徑流的處理。在有些情況下，人工濕地可能是唯一使用的技術(shù)。
三、人工濕地在我國(guó)的應(yīng)用與發(fā)展
（一）深圳白泥坑人工濕地處理系統(tǒng)
    我國(guó)自“七五”開始對(duì)人工濕地的研究，已建成一些示范工程，并于1990年7月在深圳建起我國(guó)第一個(gè)人工濕地污水處理工程――白泥坑人工濕地處理系統(tǒng)。

白泥坑人工濕地污水處理系統(tǒng)位于深圳市寶安縣百泥坑村南500m處。水系沿山角流向海灣屬海洋性氣候。占地面積189畝，日處理量3100m3/d廢水。其處理流程見圖1:

人工濕地及氧化塘系統(tǒng)各單元的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1：

經(jīng)過(guò)近兩年的試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)，出水效果較好。除氨氮指標(biāo)效果不明顯外；其余指標(biāo)均能達(dá)到國(guó)家規(guī)定的二級(jí)處理排放標(biāo)準(zhǔn)。該工程無(wú)動(dòng)力消耗，管理較方便，除每月作一次水質(zhì)監(jiān)測(cè)外，平時(shí)無(wú)需其它管理。從外觀看，進(jìn)水水質(zhì)略顯渾濁，但無(wú)色無(wú)臭，是一個(gè)村鎮(zhèn)排出的生活污水及少量村辦企業(yè)的廢水匯合而成。
其運(yùn)行費(fèi)用為0.02元/m3僅為傳統(tǒng)活性污泥法的10％。深圳百泥坑人工濕地處理系統(tǒng)與其它污水處理廠的比較見表2:

從表2可以看出，人工濕地的工程總投資，處理單位污水的投資額，年運(yùn)行費(fèi)用及單位污水的處理費(fèi)用均比其它傳統(tǒng)方法的費(fèi)用低得多。
（二）山東膠南市污水處理廠
    膠南市位于山東半島西南部，其市區(qū)三面環(huán)山，一面臨海。其排水系統(tǒng)多采用雨污分流制，工業(yè)廢水與生活污水量之比為1：4，工業(yè)廢水主要來(lái)源于造紙、化工、印染、紡織、食品加工、釀造、橡膠、熱電等企業(yè)。

以處理污水量61x104m3/d計(jì)，在建造污水處理廠前對(duì)各種處理流程進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，見表3(5)

由表3可以看出，蘆葦濕地處理工藝具有投資省、運(yùn)行費(fèi)用低和便于管理等特點(diǎn),而膠南市風(fēng)河下游北岸的大片鹽堿荒灘恰好可滿足該工藝占地面積大這一要求,因此蘆葦濕地處理工藝成為最終選擇。

建成的膠南污水處理廠設(shè)計(jì)處理規(guī)模為6×104 m3，總投資為3000萬(wàn)元，占地面積為76.7 hm2，全部為鹽堿荒灘。工藝流程見圖2：

所采用的人工濕地為地表流蘆葦濕地，該濕地系統(tǒng)的濕地有效占地為44.33hm2，水力負(fù)荷為13.5cm/d，由99小塊蘆葦濕地田組成，每小塊長(zhǎng)為140m，寬為32m，并聯(lián)運(yùn)行。

人工濕地的運(yùn)行效果，該廠污水處理量為(0.7～1.4)×10ｍ/ｄ,進(jìn)水中的ＣＯＤ為1000～2000ｍｇ/Ｌ、ＢＯＤ5為450～700ｍｇ/Ｌ、ＳＳ為700～1500ｍｇ/Ｌ。污水經(jīng)過(guò)預(yù)處理后ＳＳ去除率達(dá)70%以上,ＣＯＤ去除率達(dá)25%以上,ＢＯＤ5去除率達(dá)20%以上,這大大減小了濕地田的負(fù)荷。濕地田進(jìn)、出水指標(biāo)見表4

表4表明,該廠的運(yùn)行情況良好，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。此外,濕地內(nèi)鷗鷺、燕鵲棲息葦田，行人游客駐足觀光,其生態(tài)效益可見一斑。
（三）內(nèi)蒙赤峰市寧城污水處理廠
    寧城污水處理廠是赤峰市建委及寧城縣建設(shè)局承擔(dān)的國(guó)家建設(shè)部下達(dá)的“八五”科技究重點(diǎn)課題“人工濕地污水處理技術(shù)在我國(guó)北方地區(qū)的研究和應(yīng)用”的項(xiàng)目,該項(xiàng)目曾于1997年6月通過(guò)國(guó)家建設(shè)部科技司主持的技術(shù)鑒定,并于1998年6月將該項(xiàng)成果予以推廣。

其工藝流程為原污水通過(guò)格柵,通過(guò)集水井、沉淀池,進(jìn)入一級(jí)碎石床后,再進(jìn)入二級(jí)碎石床,從二級(jí)碎石床流出處理水,排入天然河道。在一級(jí)碎石床栽植蘆葦，在二級(jí)碎石床栽植香蒲。

采用此工藝處理每噸污水需土建費(fèi)用427.00元,維護(hù)費(fèi)用0.06元,占地面積3.6m2。

人工濕地污水處理技術(shù)的應(yīng)用,有效地改善了東小河的生態(tài)環(huán)境,東小河下游的居民從此遠(yuǎn)離了惡臭和蚊蠅。改變了東小河的環(huán)境,提高了居民的生活質(zhì)量。
四、結(jié)語(yǔ)
    人工濕地污水處理系統(tǒng)是一個(gè)綜合的生態(tài)系統(tǒng)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）建造和運(yùn)行費(fèi)用便宜；（2）易于維護(hù)，技術(shù)含量低；（3）可進(jìn)行有效可靠的廢水處理；（4）可緩沖對(duì)水力和污染負(fù)荷的沖擊；（5）可提供和間接提供效益,如水產(chǎn)、畜產(chǎn)、造紙?jiān)�料、建材、綠化、野生動(dòng)物棲息、娛樂(lè)和教育。但也有不足：（1）占地面積大；（2）易受病蟲害影響；（3）生物和水力復(fù)雜性加大了對(duì)其處理機(jī)制、工藝動(dòng)力學(xué)和影響因素的認(rèn)識(shí)理解，設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)不精確，因此常由于設(shè)計(jì)不當(dāng)使出水達(dá)不到設(shè)計(jì)要求或不能達(dá)標(biāo)排放，有的人工濕地反而成了污染源。另外，據(jù)已有數(shù)據(jù)，當(dāng)上下表面植物密度增大時(shí)，人工濕地系統(tǒng)處理效率提高，在達(dá)到其最優(yōu)效率時(shí)，需2～3個(gè)生長(zhǎng)周期，所以需建成幾年后才達(dá)到完全穩(wěn)定的運(yùn)行。因此，目前人工濕地技術(shù)最大問(wèn)題在于缺乏長(zhǎng)期運(yùn)行系統(tǒng)的詳細(xì)資料。

總的來(lái)說(shuō)，人工濕地污水處理系統(tǒng)是一種較好的廢水處理方式，特別是它充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力，防止環(huán)境的再污染，獲得污水處理與資源化的最佳效益，因此具有較高的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益，比較適合于處理水量不大、水質(zhì)變化不很大、管理水平不很高的城鎮(zhèn)污水，如我國(guó)農(nóng)村中、小城鎮(zhèn)的污水處理。人工濕地作為一種處理污水的新技術(shù)有待于進(jìn)一步改良，有必要更細(xì)致地研究不同地區(qū)特征和運(yùn)行數(shù)據(jù)以便在將來(lái)的建設(shè)中提供更合理的參數(shù)。