湿地处理技术

湿地处理概述

一、湿地处理之原理篇

运用人工湿地处理污水可追朔到1903年，建在英国约克郡Earby的被认作世界上第一处用于处理污水的人工湿地连续运行直到1992年。而人工湿地污水处理系统在世界各地逐渐受到重视并被运用，还是在70年代德国学者Kichuth提出根区法(The Root-Zone-Method)理论之后开始的。根区法理论强调高等植物在湿地污水处理系统中的作用，首先是它们能够为其根围的异养微生物供应氧气，从而在还原性基质中创造了一种富氧的微环境，微生物在水生植物的根系上生长，它们就与较高级的植物建立了共生合作关系，增加废水中污染物的降解速度。在远离根区的地方为兼氧和厌氧环境，有利于兼氧和厌氧净化作用。另一方面，水生植物的根的生长有利于提高床基质层的水力传导性能。人工湿地处理污水系统是由一些适合污染环境条件下生存的以大型水生植物为主的高、低等生物和处于水饱和状态的基质组成的人工复合体——污染生态系统。相对于天然湿地来说，其生态系统的群落结构和种群结构要简单要多，但其按照管理者愿意进行污水处理的功能却更强，可以说，这类人工湿地生态系统的生理功能，就在各种湿地生物的共同参与下，将进入湿地系统的污染物质——同时也是湿地生物的营养物质，经过系统内各环节的“新陈代谢”，进行分解、吸收、转化、利用，达到去除目的。

二、湿地处理之技术篇

（一）常规方式分类

●表面流人工湿地（FWS）

种植各种水生植物，增加停留时间，以蛇字型流向设置，以保证布水均匀和一定的推流效果。设计时应充分利用地形、地势，避免出现水流死区。通过植物来吸收大量的氨氮。此类型湿地对氨氮有良好的去处效果，去处率≥90％。

在该系统中，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。

●潜流式生态床（SFS）

填充炉渣等水力传导性能及吸附性能良好的填料，生态床上部种植常绿水生植物，通过介质吸附和微生物的作用来强化系统的除磷脱氮效果。

床体规格:长宽比影响ＢＯＤ,ＴＳＳ和氨的去除,较大的长宽比较好,一般为4∶1 在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一种湿地处理系统，但此系统的投资比ＦＷＳ系统略高。该系统去处氮、磷和SS效果较好。

●垂直流人工湿地系统

填充煤渣等吸附性强的填料，去除无机磷与总磷的效果较好

●综合生物塘

综合水生生物处理，对水体进行深度处理外，具有生态和景观效果。

●方法

（二）工艺流程分类

1、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、回流式和综合式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。

2、运行方式

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(如图所示)。在日常使用中，人工湿地还常与氧化塘等进行串联组合。

三、湿地处理之应用篇

滇池农村污水生态处理系统

经村里新建沟渠收集系统汇过来的污水将依靠重力流首先进入到表面流人工湿地内。根据现场试验结果，表面流人工湿地对氨氮有很好的去除效果(对氨氮去除率≥90%)。另外，污水处理系统位于低洼荒地处，在滇池高水位时期一部分土地将处于水淹状态，里面生长着许多天然水生植物，因此稍加人工修整即可构建成良好的表面流人工湿地。考虑到表面流人工湿地对磷的去除效果差、ＳＳ浓度高、出水浑浊，故在其后紧接着串联一级潜流式人工复合生态床。在床内填充水力传导性能好和具有多孔结构的介质，通过介质吸附和微生物的作用来强化系统的除磷脱氮效果。湿地系统

除具除污作用外，还应具有景观及生态效果，这对于滇池流域环境的恢复及保护具有特殊的意义，鉴于此在设计计算时作了适当的放大。整个系统工艺流程见图。

1、沟渠收集系统

设计中要求考虑与村庄未来规划相协调，能够达到90%以上的污水收集率，尽量利用原有沟渠以降低工程造价。首先，在村内主干道修建“三面光”的石砌结构干渠(铺设盖板)，以连接主要的居民住宅区域。然后再修建砖砌结构的支渠以汇集各部分住宅区的生活污水。最后修建支沟将各家的生活污水引入到沟渠系统里。值得指出的是，在村外部分或一些特殊地段修建了生态沟渠，依靠其内生长的水草等植物和水流作用自然净化污水。

2、布水沉淀池

村里的生活污水多数为明渠收集，容易混入垃圾，因此在进水渠中设置了格栅。格栅宽为0.60ｍ，长为1ｍ，栅条间距为30ｍｍ，采用人工清渣。布水沉淀池一方面起到初沉池的作用，使污水中粒径较小的无机和有机颗粒沉降下来，另一方面起到了调节水量和布水的作用。池体长×宽×深为20ｍ×2ｍ×0.8ｍ，有效容积为27ｍ3，停留时间为8ｈ。池内布水区采用矩形堰口，均匀布置，出水方向呈放射状，使污水能够更加均匀地流入湿地系统。

3、表面流人工湿地

表面流人工湿地面积为2000ｍ2，水力负荷为4cm/d（流速）。地面以上维持30ｃｍ的自由水位，滇池流域气候温暖（平均温度为14.7℃ａ）故不用考虑冬季冰冻情况。湿地内种植的水生植物主要为茭白，还有芦苇、慈菇和水花生等，基本上是利用场地内的原有植物，但对其进行了分栽和移栽以保证分布均匀。由于湿地边界不规则，平均长宽比较小，而且布水区较长(20ｍ)，故沿布水方向将湿地分为面积狭长的两个区，以保证布水均匀和一定的推流效果。设计时充分利用地形、地势，避免出现水流死区，尽量减少工程开挖量和对原水生植被的破坏。

4、潜流式人工复合生态床

潜流式人工复合生态床为地上式，床体从池底开始堆积，总面积为300ｍ2，设计水力负荷为30ｃｍ/ｄ。床体长×宽×深为50ｍ×6ｍ×0.8ｍ，里面填充了炉渣等水力传导性能良好的填料。生态床上部种植水芹等常绿水生植物。为了防止暴雨对生态床的冲击，在填料层里安装了直径为150ｍｍ的穿孔ＰＶＣ管，高于正常水位时水流会直接从溢流管内流走。地上式潜流人工复合生态床适用于地势低、地下水位浅的场地，这样既保护了地下水还可以大大降低工程量和工程费用。5、综合生态塘

综合生态塘与湿地组成了一个完整的植物塘、床系统。综合生态塘面积为1400ｍ2，平均水深为0.6ｍ，该区除可对水质进行深度处理外，还具有生态和景观作用。池塘区种植了莲及慈菇等水生植物，也为鱼、虾等提供了生存环境。

成都市活水公园人工湿地塘床处理系统

该系统位于府河畔，面积为0.24ha，水源为府河，其工艺流程见图。其中的生物群落主要有两类：一类是大型水生植物群落；另一类是围绕大型水生植物群落生成的其它水生生物群落。初期的大型水生植物群落是人工建成的，其物种组成包括挺水植物、浮水植物、沉水植物、浮叶植物，分为优势种和点缀种，共计约30种。活水公园人工湿地塘系统几种人工种植的挺水植物优势种中，当年生长旺盛的有香蒲、茭白和伞草，其次是芦苇，菖蒲次之，草芦和芭茅长势最差。次年及以后，草芦和芭茅逐渐被淘汰，其它均生长旺盛。草芦床逐渐变为香蒲床，芭茅床改为菖蒲床，百草床中伞草逐渐成为优势种。点缀种中，芦竹、甘蔗和马蹄莲长势较好，其余的较差，有的自然消亡或被人为淘汰(如慈菇、菱角、朱顶红、富贵竹等)。试栽的几种竹子均不能正常生长。植物塘内人工种植的植物中，除莲长势较弱外，其余长势均好。

采用塘－床－塘－床的模式，效果较好。

去处效果（％）见下表

另外

四、湿地处理之植物篇

植物在污水控制方面有以下优势：1)通过光合作用为净化作用提供能量来源；2)具有美观可欣赏性；能改善景观生态环境；3)可以收割回收资源；4)可作为介质所受污染程度的指示物；5)能固定土壤中的水分，圈定污染区，防止污染源的进一步扩散；6)植物庞大的根系为细菌提供了多样的生境，根区的细菌群落可降解许多种污染物；7)还能输送氧气至根区，有利于微生物的好氧呼吸。在人工湿地净化污水过程中，植物作用可以归纳为三个重要的方面：1)直接吸收利用污水中可利用态的营养物质、吸附和富集重金属和一些有毒有害物质；2)为根区好氧微生物输送氧气；3)增强和维持介质的水力传输。

在湿地处理系统中，植物的存在能提高P的去处率。常见的有芦苇、茭草、菖蒲、苔草、灯心草、水烛等，可根据不同地理条件选择运用；宽叶香蒲(Ｔｙｐｈａｌａｔｉｆｏｌｉａ)和黑三棱(Ｓｐａｒｇａｎｉｕｍｓｐ)是摄取同化、吸附富集高速公路径流油类、有机物、铅和锌的较适宜植物种类；池杉(Ｔａｘｏｄｉｕｍａｓｃｅｎｄｅｎｓ)人工湿地对污水中总氮和氨氮的净化效果明显地好于对照，对重金属亦具有良好的去除作用；垂直流人工湿地处理低浓度重金属污水的试验表明风车草(Ｃｙｐｅｒｕｓａｌｔｅｒｎｉｆｏｌｉｕｓ)能吸收富集水体中30%的铜和锰，对锌、镉、铅的富集也在5%－15%；Ｇｒｏｓｓ的研究报道了栽种有芋(Ｃｏｌｏｃａｓｉａｅｓｃｕｌｅｎｔａ)、美人蕉属一种(Ｃａｎｎａｇｌａｕｃａ)等植物的人工湿地对水体中外源生物活性物质、ＬＡＳ等具有很好的去除效果；Ａｄｃｏｃｋ等研究了人工湿地和天然湿地中三种植物的地上、地下和总的生物量、生长状况和组织中营养成份的含量，结果表明通过植物的吸收利用，水麦冬(Ｔｒｉｇｌｏｃｈｉｎｐｒｏｃｅｒｕｍ)对氮、磷的去除效果是Ｂａｕｍｅａａｒｔｉｃｕｌａｔａ和芦苇的5倍；藨草、芦苇对污水中氨氮的去除能力明显高于香蒲，藨草BOD(去除率96%)优于芦苇(81%)和宽叶香蒲(74%)；

白泥坑湿地介质为碎石，灯心草从介质中吸收营养盐能力下降，生长受阻，生物量下降，又反过来影响植物对营养盐的吸收，形成恶性循环，湿地介质为粘土与砂的混合物时，灯心草一直旺盛，吸收营养盐能力正常，净化效果较好；

人工土壤植物床采用的植物，一般为:灯心草(能处理氯化烃、氰化物、酚，去除病原体)；鸢尾(著名观赏花卉)；芦苇(每100ｇ鲜芦苇24ｈ可分解酚8ｍｇ)；香蒲(宽叶香蒲能去除污水中的有机、无机污染物，吸收铜、钴、镍、锰及氯化烃，根部能分泌天然抗生物质，降低污水中的细菌浓度，去除病原体)；捕蝇草(其叶边缘有消化腺，为食虫草本植物)；水葱(能在含酚量600ｍｇ/Ｌ的污水中迅速生长，每100ｇ水葱经100ｈ可净化酚200ｍｇ，两周内可使食品工业废水的ＢＯＤ降低60%～90%)；猪笼草(食虫草本植物)；大米草(可吸收污水中80%～90%的氮、磷)；芦苇和香蒲能絮凝胶体，消除病原体，其空心茎有利于将空气输送到根部，为微生物提供额外的氧

1、潜流式人工湿地

①COD降解主要发生再床体中床体前三分之一长度的范围内，所以这就需要在这一区域内种植根系泌氧能力强的水生植物。在常见的应用于人工湿地中的水生植物中，芦苇具有最强的根系泌氧能力。适于栽种在床体中床体前三分之一范围内；TN的降解主要发生在床体后段，茭草由于具有较好的氮磷吸附作用合较弱的根系泌氧性能，适于栽种在床体后三分之二段内。因此，前1/3为芦苇，后2/3为茭草的复合植物床式湿地优于单一植物床式人工湿地，效果较好。

五、湿地处理之其他篇

1、场地选择

与传统二级生物处理工艺相比，单位体积污水处理量所需人工湿地的面积约为传统二级生物处理地的2－3倍。采用人工湿地处理污水时，应尽量选择有一定自然坡度的洼地或经济价值不高的荒地，一方面可减少土方工程量，利于排水，降低投资；另一方面，可减少对周围环境的影响

2、进出水系统布置

湿地床进水系统的设计应尽量保证配水的均匀性，一般采用多孔管或三角堰等。多孔管可设于床面上或埋于床面以下，埋于床面下的缺点是配水调节较为困难。多孔管设于床面上方时，应比床面高出0.5ｍ左右，以防床面淤泥和杂草积累而影响配水。同时应定期清理沉淀物和杂草等，保证系统配水的均匀性。系统的进水流量可通过阀或闸板调节，过多的流量或紧急变化时应有溢流、分流措施。湿地出水系统的设计可采用沟排、管排、井排等方式，合理的设计应考虑受纳水体的特点、湿地系统的布置及场地的原有条件。为有效地控制湿地水位，一般在填料层底部设穿孔集水管，并设置旋转弯头和控制阀门。对严寒地区，进、出水管的设置须考虑防冻措施，并在系统的必要部位设置控制阀和放空阀。

3、填料选择

进水配水区和出水集水区的填料一般采用粒径为60－100ｍｍ的砾石，分布于整个床宽。处理区填料表层可优先选用钙含量为2－2.5ｋｇ/100ｋｇ的混合土，或者含有铁、铝的混和土，以利于提高脱磷效果。表层之下以5－10ｍｍ粒径石灰石掺和适量土壤，厚度为150－250ｍｍ，再往下，全部采用5－10ｍｍ粒径石灰石填料，或用不同级配砾石、花岗岩碎石铺设。由于表层土壤在浸水后会有一定的下沉，因此，建造时填料表层标高应高出设计值10%－15%。以Ｐ为特征的污水,最好选择飞灰、页岩、焦炭和泥炭为填料，其次是铝矾土、石灰石和膨润土等；泡沸石与油页岩对Ｐ的吸附能力较差，不宜选用。

4、水位控制选择

通常，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，须对床层的水位加以控制。通常，ＳＦＳ系统对水位的控制有几点要求：①在系统接纳最大设计流量时，湿地进水端不出现雍水，以防发生表面流；②在系统接纳最小设计流量时，出水端不出现填料床面的淹没，以防出现表面流；③为了利于植物的生长，床中水面浸没植物根系的深度应尽量均匀，并尽量使水面坡度与底坡基本一致。

5、防渗措施

为防止湿地系统因渗漏而造成地下水污染，要求在工程时尽量保持原土层，并在原土层上设置防渗层。防渗层的设置方法有多种，如采用厚度为0.5－1.0ｍｍ的高密度聚乙烯树脂，或油毛毡密封铺垫等，为防止床体填料尖角对薄膜的损坏，施工时可在塑料薄膜上预铺一层细砂。

六、另（未完待续，等有空了再整理）