人工濕地在城市污水處理中的應(yīng)用和管理方法淺析
摘要：近年來，隨著濕地破壞與退化帶來的環(huán)境功能喪失和生態(tài)問題的爆發(fā)，一方面反映了濕地系統(tǒng)在環(huán)境中的重要地位，也在客觀上為濕地科學(xué)發(fā)展提供了機(jī)遇和動(dòng)力。通過近些年在人工濕地上的研究和實(shí)踐，其在污水處理中顯露的良好發(fā)展?jié)摿σ矊⒊蔀榻窈笏幚硌芯亢蜕鷳B(tài)修復(fù)的一項(xiàng)重要組成。本文旨在論述濕地及引伸出的人工濕地在城市污水處理中的效果、相應(yīng)的管理方法以及對人工濕地發(fā)展前景的預(yù)測。
關(guān)鍵詞：人工濕地，污水處理，管理方法
1.濕地
1.1濕地的定義
濕地系指天然或人工、長期或暫時(shí)之沼澤地、泥炭地,帶有靜止或流動(dòng)的淡水、半咸水或咸水的水域地帶,包括低潮水位不超過6m的濱海海域。濕地是一類既不同于水體，又不同于陸地的特殊過渡類型生態(tài)系統(tǒng)，為水生、陸生生態(tài)系統(tǒng)界面相互延伸擴(kuò)展的重疊空間區(qū)域。
1.2濕地的類型
濕地主要分為兩大類：天然濕地和人工濕地。
1.2.1天然濕地
天然濕地包括海洋、以永久性淺海水域、河口水域、礁涂、巖石性海岸、沙灘等類型為主的海岸濕地以及由主要由永久性三角洲和湖泊組成的內(nèi)陸濕地。
1.2.2人工濕地
水產(chǎn)池塘、灌溉地、鹽田、蓄水區(qū)、采掘區(qū)、廢水處理場所、運(yùn)河甚至排水渠、地下輸水系統(tǒng)等都屬于人工濕地。隨著天然濕地的老化以及功能的衰退，人工濕地即將承擔(dān)越來越多的水凈化和處理的期望和責(zé)任。
1.3濕地的作用
濕地不僅可以提供水源、補(bǔ)充地下水、防止自然災(zāi)害，清除和轉(zhuǎn)化毒物和雜質(zhì)保留營養(yǎng)物質(zhì)，還可以固定二氧化碳調(diào)節(jié)城市氣候從而保護(hù)城市生物和遺傳多樣性。而作為濕地的一種更為直接和有效的類型，人工濕地技術(shù)，其由于低廉的投資，良好的出水水質(zhì)，簡單的操作，強(qiáng)大的抗沖擊負(fù)荷的能力，維護(hù)方便，較高的氨氮去除率，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，在處理污水的同時(shí)創(chuàng)造城市生態(tài)景觀等特點(diǎn)逐步被越來越多的國家接受，并廣泛應(yīng)用。
2.人工濕地處理污水的基本原理
在一定的填料上種植等特選的植物，將污水投放到人工建造的類似于沼澤的濕地上。當(dāng)以富營養(yǎng)化為主的污水流過一定長寬比及底面有坡度的人工濕地時(shí)，經(jīng)沙石、土壤或一些其他構(gòu)筑物混合組成的填料床過濾，污染水可以在床體的填料縫隙中曲折流動(dòng)，或在床體表面流動(dòng)。而填料上植物根際的多種微生物活動(dòng)，增加了濕地基質(zhì)的透水性，與周圍環(huán)境的原生動(dòng)物、微生物等形成各種小環(huán)境，通過氧的傳遞，更加增強(qiáng)了凈化廢水的能力。人工濕地的顯著特點(diǎn)之一是其對有機(jī)污染物有較強(qiáng)的降解能力，因此更適用于處理生活污水以及城市污水一類。人工濕地可分別處理廢水中的不溶性有機(jī)物與可溶性物質(zhì)。不溶性有機(jī)物通過濕地構(gòu)造中的填料層被沉淀、過濾、截留，進(jìn)而被微生物利用，而可溶性有機(jī)物則可直接通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解過程而被分解、去除。
3.人工濕地在不同環(huán)境下的應(yīng)用及效果
3.1植物的布局
3.1.1沉水植物
以蘆葦、香蒲為主，由于其具有發(fā)達(dá)的根系、營養(yǎng)物質(zhì)吸收能力強(qiáng)、可向水體輸氧等特點(diǎn)其在特定的人工濕地中長勢良好。其可郁閉整個(gè)水面，可有效吸附、攔截懸浮物[1]。這些沉水植物對污水通過土壤截留-發(fā)生物理化學(xué)吸收-化學(xué)分解-沉淀-微生物的氧化降解等過程對污水進(jìn)行高效、廉價(jià)的降解和有害物質(zhì)的吸收。而蘆葦濕地系統(tǒng)針對于油田污水尤其有較高的去除效果。生活與含油污水，經(jīng)蘆葦濕地處理系統(tǒng)處理后，BOD5去除率為85％，SS去除率為87％，T-P去除率為85％，氨氮去除率為54％，污水中的無機(jī)污染物（重金屬）和有機(jī)物也很大限度的被濕地蘆葦吸收，出水水質(zhì)可達(dá)到《綜合污水排放標(biāo)準(zhǔn)》要求[2]。
3.1.2浮水植物
以鳳眼蓮、大薸、水鱉為主以及少量細(xì)綠萍。藻類在冰封條件下也能較好地生長，對濕地系統(tǒng)冬季運(yùn)行起著良好的作用。浮水植物以鳳眼蓮、大薸生長旺盛，鳳眼蓮水下根系根據(jù)水質(zhì)狀況可長達(dá)30～70cm，長勢良好，可郁閉整個(gè)水面。但鳳眼蓮、大薸生長季短，一般適應(yīng)期為4月中下旬至10月中旬，冬季需打撈[1]。
3.1.3復(fù)合性布局
通過篩選和對比，在選擇人工濕地植物布局時(shí)應(yīng)著重考慮當(dāng)?shù)氐臍夂颉囟、植物適應(yīng)性等條件，根據(jù)不同的廢水種類和要求進(jìn)行選擇。而每種植物均應(yīng)從耐污力、植物生長量、根系、經(jīng)濟(jì)性、管理難易性(包括病蟲害少、抗倒伏和易繁殖)等方面進(jìn)行詳細(xì)的考察，通過對其氮磷積累量、TP、TN凈化率進(jìn)行分析確定詳細(xì)的植物布局。
3.2處理效果
由于大部分類型的人工濕地都對氮磷有著非常明顯的去除效果，以下將由復(fù)合垂直濕地為例從其他三方面進(jìn)行闡述。
3.2.1構(gòu)造示意圖
試驗(yàn)床體表面為緣園皂皂厚的摻有石灰石的本地土壤袁下部為遠(yuǎn)耀員園皂皂的礫石層遙兩組濕地床種植植物分別為美人蕉和風(fēng)車草袁種植密度為5株每平方米。
3.2.2處理造紙廢水的應(yīng)用
一些無機(jī)物以及難降解有機(jī)物會(huì)積累在濕地中而堵塞填料間的空隙,延長系統(tǒng)的實(shí)際水力停留時(shí)間。據(jù)悉，天寶造紙廠的人工濕地建成投入使用一年來,運(yùn)轉(zhuǎn)良好,尚未出現(xiàn)堵塞狀況。但在上行池表面,已出現(xiàn)一層黑色毯狀的致密污泥層,距離布水口10~30cm處尤其顯著[4]。但是此現(xiàn)象可以通過暫時(shí)性停床休息解決。這樣不僅可以使填料部分恢復(fù)滲透性,也可以讓收割后的植株體得到更好的恢復(fù)。
3.2.3對重金屬元素的去除
武漢三角湖位于武漢市傳統(tǒng)工業(yè)區(qū)，故其水體中含有較多種類的重金屬元素。這些重金屬元素過量時(shí)往往具有高毒性，在環(huán)境中富集到一定程度后可能會(huì)導(dǎo)致公害問題出現(xiàn)。中國科學(xué)院水生生物研究所的檢測結(jié)果表明三角湖人工濕地進(jìn)水濃度較低，其去除率依次為：Cd＞As＞Mn＞Pb＞Zn＞Cr＞Cu＞Ba＞Li＞Ni[5]。但依舊可以看出人工濕地對各重金屬元素仍具明顯的去除效果。
3.2.4對污染的城市河水凈化
研究表明[6]復(fù)合垂直流濕也對城市污染河水具有良好的去除效果,其對河水中TN、TP、COD和SS的平均去除率可達(dá)50%、85%、85%和80%以上。垂直下行流與水平流復(fù)合人工濕地系統(tǒng)對TN、TP、COD和SS的平均去除率分別為43%、83%、85%和76%。
4.人工濕地的運(yùn)行管理與維護(hù)
4.1水位
對于一個(gè)設(shè)計(jì)、運(yùn)行良好的人工濕地來說，影響其處理性能的主要因素還是水位控制和流量調(diào)整。水位的改變不僅會(huì)影響人工濕地處理系統(tǒng)的水力停留時(shí)間，還會(huì)對大氣中的氧向水相擴(kuò)散造成影響。水位控制的不好極有可能使人工濕地產(chǎn)生不可設(shè)想的衰退甚至廢棄。當(dāng)水位發(fā)生重大變化時(shí)，要立即對人工濕地處理系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的檢查，首先考慮的應(yīng)是是否發(fā)生滲漏、出水管是否堵塞等機(jī)械問題。對于最常用的表面流型人工濕地,水位的調(diào)整與植物的生長也有密切聯(lián)系。啟動(dòng)階段水位應(yīng)該逐步提高,以免植物幼苗被淹死或脫離土壤隨水漂走。在該系統(tǒng)運(yùn)行期間,管理者可以考慮在每年春天降低水位以促進(jìn)新芽的生長。這樣做可以使陽光更容易穿透水體照射到喜光的植物上[7]。
4.2病蟲害狀況
人工濕地植物病蟲害發(fā)生狀況人工濕地作為一個(gè)人工生態(tài)系統(tǒng)，如同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，有時(shí)則會(huì)在蘆葦上發(fā)現(xiàn)蘆葦、蒲草上發(fā)現(xiàn)蚜蟲等一些病蟲害。如果不及時(shí)處理很有可能導(dǎo)致植物枯黃矮小，甚至死亡。在觀測中發(fā)現(xiàn)病蟲害多發(fā)生于夏秋，此時(shí)正是植物生長迅速時(shí)期，一旦發(fā)生病蟲害、對人工濕地的運(yùn)行效果特別是對植物的產(chǎn)量將會(huì)造成較大影響[7]。
4.3蚊蠅
濕地系統(tǒng)中高大的挺水植物成熟后容易發(fā)生彎曲或伏倒在水面上,這種生境非常有利于蚊蠅的孳生。因此可以通過加強(qiáng)濕地植物的管理來控制蚊蠅,在水邊不種植水生植物,或種植低矮的植株并每年進(jìn)行收割[8]。必要時(shí)可以在蚊蠅產(chǎn)卵的季節(jié)使用桿菌殺死蚊卵,或使用能夠?qū)е挛米佑紫x發(fā)育衰減的激素來控制蚊蠅[9]。
4.4氣味的控制
表面流型人工濕地如果進(jìn)水負(fù)荷過高,會(huì)形成厭氧的水域,釋放出難聞的氣體。這種情況主要是由于進(jìn)水的有機(jī)負(fù)荷過高或氨氮負(fù)荷過高造成的,因此降低有機(jī)物和氮的負(fù)荷可以控制濕地系統(tǒng)散發(fā)出難聞的氣味[9]。由于植物能夠?qū)⒀鯕鈧鬏數(shù)较到y(tǒng)中,因此在布局上可以將那些開闊的水域分散在種植較多植物的水域中[10]。
4.5濕地堵塞
在所有人工濕地中,懸浮物的積累是一些系統(tǒng)正常運(yùn)行的主要威脅之一。雖然通過過濾和滲流可以吸附截留一大部分懸浮物可被微生物吸收消耗，但一些無機(jī)、大范圍的懸浮物處理廠和預(yù)處理程度不夠容易導(dǎo)致大型植物床的堵塞[11]。在水平潛流濕地中,床中水流大部分以潛流方式通過由活的、死的根和根莖造成的溝以及土壤孔隙。根和根莖的生長會(huì)擾動(dòng)和弄松土壤。采用階段式進(jìn)水可有效防止堵塞[11]。
4.6護(hù)堤的維護(hù)
要經(jīng)常對護(hù)堤進(jìn)行檢查，防止水面以下護(hù)堤的外部斜坡面出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，過多的或顏色異常暗綠的植被生長都是出現(xiàn)滲漏的癥狀。定期清除護(hù)堤和堤面上的雜草，以免雜草蔓延到人工濕地處理系統(tǒng)中與濕地植物形成強(qiáng)有力的競爭[12]。對于較淺的潛流型人工濕地處理系統(tǒng)，定期去除濕地床中的樹苗也是非常必要的。因?yàn)殡S著樹木的生長，其根系可能會(huì)穿透防滲膜墊層，同時(shí)成熟的樹木會(huì)遮擋陽光，抑制濕地水生植物的生長[13]。
5.人工濕地的前景展望
5.1凈化城市污水廢水
通過在條件相應(yīng)的污水處理廠布置一定面積的人工濕地可以高效率底能效的解決一部分污水的排放和凈化問題，但應(yīng)注意在管道選擇時(shí)應(yīng)選擇耐壓力較大的管材，以免無法達(dá)到國家地表水質(zhì)四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的污水滲漏影響深層地下水而帶來不可估計(jì)的損失。
5.2對生態(tài)損壞區(qū)進(jìn)行修復(fù)
以人工濕地為載體，引進(jìn)一些先鋒植物進(jìn)行種植和栽培，不僅可以達(dá)到景觀的美化同時(shí)也為后續(xù)修復(fù)工作帶來巨大便利。但應(yīng)注意的是，在引進(jìn)植物的時(shí)候應(yīng)避免由于先鋒生物生命力過強(qiáng)、繁殖速度過快而產(chǎn)生生物入侵。例如全國范圍內(nèi)的水葫蘆入侵事件，在種植這類植物的時(shí)候應(yīng)圈養(yǎng)并長期打撈，防止其過度繁殖和散逸。
5.3城市濕地公園的建設(shè)
在城市中建設(shè)濕地公園不僅可以擴(kuò)大城市綠化面積、改善生態(tài)狀況，為人們提供更加多樣化的休息娛樂場所，還能夠在涵養(yǎng)城市水源保護(hù)生物多樣性等方面發(fā)揮巨大的作用。而城市濕地公園的景致應(yīng)保持或貼近自然狀況，保留現(xiàn)狀植物和水域，主要在濕地外圍設(shè)置游覽線供人們行走和休息，在濕地內(nèi)圍可以展現(xiàn)各種適合的水生植物、鳥類觀賞區(qū)等。
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