人工湿地技术的应用与发展

人工湿地技术的应用与发展

1 、前言

随着工业的发展，水污染的加剧，同时淡水资源短缺与人民生活水平提高之间的矛盾日益加剧，水环境保护的任务也越来越艰巨。近年来，环境科学研究在迅速发展，正在积极探索水环境污染全球效应问题，各种水处理污染的方法层出不穷，其中生态处理技术——人工湿地技术由于其低投资，出水水质好，抗冲击力强，操作简单，建造和运行费用低(仅为传统二级污水处理厂的1/10----1/2),维护方便，氨氮去除率高，同时可使污水处理与环境生态建设有机结合，在处理污水同时创造城市生态景观等特点逐步被越来越多的国家接受，并广泛应用。

2、人工湿地的定义及分类

2.1 人工湿地的定义

用人工湿地(Constructed wetland)来处理城市污水是发达国家近十年来才兴起的生态处理法,它是为处理污水而人为地在有一定长宽比和底面坡度的洼地上用土壤和填料(如砾石等)混合组成填料床，使污水在床体的填料缝隙中流动或在床体表面流动，并在床体表面种植具有性能好，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(如芦苇，蒲草等)形成一个独特的动植物生态体系。(1)

人工湿地去除的污染物范围广泛，包括N , P , SS , 有机物，微量元素，病原体等。有关研究结果表明，在进水浓度较低的条件下，人工湿地对BOD5的去除率可达85％――95％，COD去除率可达80％以上，处理出水中BOD5的浓度在10mg/l左右，SS小于20mg/l。(2)废水中大部分有机物作为异样微生物的有机养分，最终被转化为微生物体及CO2 , H2O。

人工湿地面积可视情况而言，可在市郊结合部，也可在污水处理厂出水的附近建造。一些人工湿地属预处理型，在那些目前还不具备建造污水处理厂的城乡结合部建造人工湿地，将生活污水排入，利用所种植物对其进行处理，然后再排入自然水系，保护水体；还有些湿地属于加强型，在污水处理厂附近建造人工湿地，将污水处理厂处理过的水引入，再经过人工湿地的加强处理，提高其水质，然后排入自然水系，作为其补充水源。

2.2 人工湿地的分类

根据湿地中主要植物形式人工湿地可分为：1、浮游植物系统; 2、挺水植物系统；3、沉水植物系统。其中沉水植物系统还处于实验室研究阶段，其主要应用领域在于初级处理和二级处理后的精处理。浮游植物主要用于N , P去除和提高传统稳定塘效率。目前一般所指人工湿地系统都是指挺水植物系统。挺水植物系统根据废水流经的方式，可分为表面流湿地(SFW)、潜流湿地(SSFW)、立式流湿地(VFW)。(3)表面流湿地和立式流湿地因环境条件差(易孳生蚊虫)，处理效果受气温

影响较大以及对基建要求较高，现多不再采用。故人工湿地大部分采用潜流式湿地系统。

3、人工湿地在国外研究应用发展

自西德1974年首次建造人工湿地以来，各种不同的湿地在世界各地已被用来处理大量不同的废水。1996年9月在奥地利维也纳召开的第四次国际研讨会，标志着人工湿地作为一种独具特色的新型废水处理技术已经正式进入水污染控制领域。

自由表面流湿地在欧洲发展缓慢。瑞典1994年在Wittgren建一座处理6500PE，占地22公顷的自由表面流湿地。在北美约200座湿地处理系统有2/3是自由表面流湿地，其中一半又是自然湿地。自然湿地的大小从1―1000公顷，其中一半在10－100公顷。人工自然表面流湿地通常较小，60％小于10公顷。自然湿地水力负荷小于人工湿地。系统水深范围5－90cm，30－40cm较普及。最常用的预处理是兼性或好氧塘，表明许多湿地系统用于现行塘系统的精处理。(4)地下潜流系统在欧洲应用较多，有几百座。在丹麦，德国，英国等国家都至少有200个系统在运行。此技术还在快速发展，特别是在一些东欧国家。绝大多数系统种植有芦苇，也有种植其它湿地植物的。在德国大多数系统介质是土壤，人们认为根的生长和芦苇根区会增加和稳定导水性，但几乎所有土壤系统都遇到表面断流问题。为保证潜流，英国和北美绝大多数采用砾石床。虽有些砾石床也堵塞，但主要是由于预处理不足。在欧洲此类系统趋向对近1000PE的乡村级社区进行二级处

理；北美则趋向更多人口的高级处理。在澳大利亚和南非则用于处理各类废水。

美国EPA目前正在开发北美人工湿地数据库，地方数据库在其它国家已存在，为减少重复劳动和改良经验湿地设计方法，所有这些湿地都应通过公共数据库使世界各地的工程师和科技人员能够获得。这样的数据库可减少建设低效湿地的风险。两种湿地的设计指南现已出版，但改良工作仍然需要，有必要更细致的研究不同地区特征和运行数据以便在将来的建设中提供更合理的参数。竖流湿地在欧洲许多地方投入运行已有几十年。竖流系统至今未广泛使用是因为其需要更细致的建设和介质选择。最近国际会议上有几篇文章对竖流系统评价很高，目前世界上科技工作者正投入大量精力以改良人工湿地技术。潜流系统的处理效率可通过选择竖流系统，采用间歇负荷和合理选择介质而获得提高，还可引入一些传统处理技术的理论，如回流。此外，不仅对竖流系统，对所有人工湿地系统都需深入研究以改良优化工程设计参数，还需对系统的长期运行能力和管理问题进行研究。人工湿地不仅可用于城市和各种工业废水的二级处理，还可用于高级处理中的精处理和对农田径流的处理。在有些情况下，人工湿地可能是唯一使用的技术。(3)

4、人工湿地在我国的应用与发展

4.1 深圳白泥坑人工湿地处理系统

我国自“七五”开始对人工湿地的研究，已建成一些示范工程，并于1990年7月在深圳建起我国第一个人工湿地污水处理工程――白泥坑人工湿地处理系统。

白泥坑人工湿地污水处理系统位于深圳市宝安县百泥坑村南500m 处。水系沿山角流向海湾属海洋性气候。占地面积189亩，日处理量3100m3/d废水。其处理流程见图1:(2)

图1 深圳百泥坑人工湿地处

人工湿地及氧化塘系统各单元的设计参数见表1：(2)

表1 深圳百泥坑人工湿地系统各单元的设计参数

经过近两年的试验运转,出水效果较好。除氨氮指标效果不明显外;

其余指标均能达到国家规定的二级处理排放标准。该工程无动力消耗,管理较方便,除每月作一次水质监测外,平时无需其它管理。从外观看,进水水质略显浑浊,但无色无臭,是一个村镇排出的生活污水及少量

村办企业的废水汇合而成。

其运行费用为0.02元/m3仅为传统活性污泥法的10％。深圳百泥坑人工湿地处理系统与其它污水处理厂的比较见表2：(2)

表2 深圳人工湿地系统与其它污水处理厂的经济比较

从表2可以看出，人工湿地的工程总投资，处理单位污水的投资额，年运行费用及单位污水的处理费用均比其它传统方法的费用低得多。

4.2 山东胶南市污水处理厂

胶南市位于山东半岛西南部，其市区三面环山，一面临海。其排水系统多采用雨污分流制，工业废水与生活污水量之比为1：4，工业废水主要来源于造纸，化工，印染，纺织，食品加工，酿造，橡胶，热电等企业。

以处理污水量61x104m3/d计，在建造污水处理厂前对各种处理流程进行了经济技术比较，见表3(5)

表3 5种污水处理工艺技术经济比较

由表3可以看出,芦苇湿地处理工艺具有投资省、运行费用低和便于管理等特点,而胶南市风河下游北岸的大片盐碱荒滩恰好可满足该工艺占地面积大这一要求,因此芦苇湿地处理工艺成为最终选择。

建成的胶南污水处理厂设计处理规模为6×104ｍ3/,总投资为3000

万元,占地面积为76.7ｈｍ2,全部为盐碱荒滩。工艺流程见图2(5)

图2 污水处理厂工艺流程

所采用的人工湿地为地表流芦苇湿地，该湿地系统的湿地有效占地为44.33hm2，水力负荷为13.5cm/d，由99小块芦苇湿地田组成，每小块长为140m，宽为32m，并联运行。

人工湿地的运行效果，该厂污水处理量为(0.7～1.4)×10ｍ/ｄ,进水中的ＣＯＤ为1000～2000ｍｇ/Ｌ、ＢＯＤ5为450～700ｍｇ/Ｌ、ＳＳ为700～1500ｍｇ/Ｌ。污水经过预处理后ＳＳ去除率达70%以上,ＣＯＤ去除率达25%以上,ＢＯＤ5去除率达20%以上,这大大减小了湿地田的负荷。湿地田进、出水指标见表4(5)

表4 预处理后芦苇湿地田进、出水指标ｍｇ/Ｌ

表4表明,该厂的运行情况良好,各项指标均达到或优于国家标准。此外,湿地内鸥鹭、燕鹊栖息苇田,行人游客驻足观光,其生态效益可见一斑。

4.3 内蒙赤峰市宁城污水处理厂

宁城污水处理厂是赤峰市建委及宁城县建设局承担的国家建设部下达的“八五”科技研究重点课题“人工湿地污水处理技术在我国北方地区的研究和应用”的项目,该项目曾于1997年6月通过国家建设部科技司主持的技术鉴定,并于1998年6月将该项成果予以推广。

其工艺流程为原污水通过格栅,通过集水井、沉淀池,进入一级碎石床后,再进入二级碎石床,从二级碎石床流出处理水,排入天然河道。在一级碎石床栽植芦苇，在二级碎石床栽植香蒲。

采用此工艺处理每吨污水需土建费用427.00元,维护费用0.06元,占地面积3.6m2。

人工湿地污水处理技术的应用,有效地改善了东小河的生态环境,东小河下游的居民从此远离了恶臭和蚊蝇。改变了东小河的环境,提高了居民的生活质量。

5、结束语

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。但也有不足:①占地面积大;②易受病虫害影响；③生物和水力复杂性加大了对其处理机制、工艺动力学和影响因素的认识理解，设计运行参数不精确，因此常由于设计不当使出水达不到设计要求或不

能达标排放，有的人工湿地反而成了污染源。另外，据已有数据,当上下表面植物密度增大时, 人工湿地系统处理效率提高,在达到其最优效率时,需２～３个生长周期，所以需建成几年后才达到完全稳定的运行。因此，目前人工湿地技术最大问题在于缺乏长期运行系统的详细资料。

总得来说, 人工湿地污水处理系统是一种较好的废水处理方式，特别是它充分发挥资源的生产潜力,防止环境的再污染,获得污水处理与资源化的最佳效益，因此具有较高的环境效益、经济效益及社会效益,比较适合于处理水量不大、水质变化不很大、管理水平不很高的城镇污水,如我国农村中、小城镇的污水处理。人工湿地作为一种处理污水的新技术有待于进一步改良，有必要更细致地研究不同地区特征和运行数据以便在将来的建设中提供更合理的参数。

日处理1200立方米印染废水工程实例

保定某毛毯纺织有限责任公司主要产品为日用毛毯，产品出口南非、东南亚等国。其生产废水主要来自印刷版冲洗、及毛毯漂洗等工序。处理后出水水质达到《纺织染整工业水污染物排放标准》(GB4287-92)3中Ⅰ级标准。现将设介绍如下：

1、工程设计

1.1 设计水量

处理水量：1200m3/d。

处理能力：50m3/h(以24h计)。

1.2 处理水质

进水水质：pH=5~6.5，ρ(COD cr)= 600~800mg／L，ρ

(BOD5)=100~400 mg／L，ρ(SS)＝100~200 mg／L，色度100~400倍。

出水水质：执行《纺织染整工业水污染物排放标准》(GB4287-92)3中Ⅰ级标准：ρ(CODcr) 100 mg／L，ρ(BOD5) 25 mg／L，ρ(SS) 70 mg／L，色度40倍。

1.3 工艺流程

废水处理工艺流程见图1。

图1 印染废水处理工艺流程

1.4 主要构筑物设计说明

1.4.1格栅

项目废水中含有大量的棉线纤维及颗粒漂浮物等杂物，设计粗细两级格栅，可过滤并清除大部分的杂物，保护后面的机泵正常运行。

1.4.2废水调节池

项目废水来水呈峰、谷不均匀状态，污水pH偏酸性。因此设计两个均质调节池，在调节水量变化的同时也可以通过加碱调节水的pH值，保证后续处理工艺的顺利进行。调节池内安装两台高速潜水推流器。

停留时间：6h。

1.4.3一沉池

项目染料为阳离子染料，设计废水脱色放在生化处理的前面，采取加药絮凝沉淀的方式脱色、絮凝反应同时完成，同时可去除水中部分的色度、COD和SS等污染物。

一沉池入口处投加硫酸亚铁作为脱色反应的絮凝剂。脱色效果在pH 在8.5~9之间时最为明显。

一沉池安装行车式挂泥机一台。

停留时间：2.8h。

1.4.4水解酸化池

印染废水中含有高分子有机物较难直接被好氧微生物降解，水解酸化池在工程实践中已被证明可以降解高分子污染物质，在提高废水的可生化性上具有很好的效果。在水解酸化阶段，通过缺氧降解，使水中大分子有机物分解为易生化的小分子有机物，从而提高废水的可生化性，保证后续生化处理效果。水解池中安装高速潜水推流器，保证厌氧微生物和废水能充分接触，均匀水质。

厌氧池DO浓度控制在0.5 mg/l以下。

设计停留时间：11.96h。

1.4.5 活性污泥池

采用微孔曝气头曝气，使好氧菌能够得到足够的氧气利用废水中的有机物进行新陈代谢，去除水中的污染物质。同时曝气可以使池内水和微生物充分接触，保证污染物去除率，好氧池内DO浓度控制在2mg/l左右。

好氧池内安装微孔曝气头，设计风机风量为：11kw，11.15m3/min(一备一用)

好氧池停留时间：20.31h。

1.4.6 二沉池

二沉池同一沉池一样设计为平流式，安装行车式吸泥机一台。好氧池内出水自流入二沉池，*重力沉降作用实现泥水分离，上清液通过溢流堰进入中间水池。沉淀出的污泥在吸泥机作用下流入污泥池，然后由污泥泵回流入好氧池，以维持好氧池中的污泥浓度。

二沉池停留时间：3.2h。

1.4.7 氧化塘

氧化塘是一种利用水体自净能力的生物处理构筑物。主要利用菌藻共生的作用处理水中的有机污染物。塘中的异氧型细菌将水中的有机物降解成二氧化碳和水，同时消耗水中的溶解氧；塘中的藻类则利用太阳能进行光合作用，以二氧化碳中的碳为原料，合成自身的有机体并释放出氧气。废水经过氧化塘的稳定处理，可确保达标排放。塘内安装增氧机以提高氧化塘的处理效果。

设计停留时间为：57.70h。

1.5主要设备

主要构筑物和设备见表1、表2。

表1 主要构筑物

表2 主要设备

2.工程调试及运行

2.1 絮凝脱色实验控制

车间内废水出水pH在6.5左右，通过实验硫酸亚铁在pH为8.5~10.0之间时对这种阳离子染料的脱色效果最为明显。

调节pH加碱量在0.1g/ m3左右，絮凝脱色加药量为0.2g/m3。

2.2 活性污泥培养

活性污泥的培养采用接种驯化法，接种污泥取自城市污水处理厂的脱水污泥，厌氧水解酸化池和好氧活性污泥池中所接种污泥量共50000kg，含水率76％。由于活性污泥池进水所含氨氮及磷的量较低，因此在投加干污泥数日后，即按m(BOD5)：m(N)：m(P)=100：5：1的比例投加尿素和过磷酸钙以补充氮源和磷源。

驯化开始时，在3个活性污泥氧化池中分别注人2／3池清水，其余为生产废水，进行连续鼓风闷曝。当3个反应池内均出现少量活性污泥絮绒体时，即进人下一个周期运行。

投人废水占总进水量比例由30％逐渐提高至100％，使微生物缓慢适应处理的水质。厌氧水解酸化池培菌与生物接触氧化池类似，区别在于厌氧水解酸化池要求厌氧条件，微生物和污水能充分接

触。大约经历1.5个月的时间，培菌结束，经生物镜检，好氧池中可以明显观察到存在大量的固着型纤毛类原生动物，如钟虫、盖纤虫和菌胶团，污泥沉降比达到35％左右。

2.3运行效果

废水经过2个多月的调试，各项出水指标均达到《纺织染整工业水污染物排放标准》(GB4287-92)3中Ⅰ级标准要求。并于2005年 6月通过当地环保部门验收。

各处理构筑物处理情况见表3。

表3 各处理构筑物处理情况一览表(mg/l)

2.4主要经济技术指标

(1)顿水投资

本工程建设投资总额为 118.7万元，吨水投资906元。详见表4，其他诸如污水处理站引水管路、管理费、税费不包括在总投资内。