潛流人工濕地處理受污染河水研究綜述
隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，隨著化肥、洗滌劑、農(nóng)藥和其它化學(xué)物質(zhì)的普遍使用，城市污水中氮、磷的含量越來(lái)越多。目前，對(duì)城市污水主要采取二級(jí)處理，而活性污泥法以其工藝相對(duì)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定、處理效果好而成為污水二級(jí)處理的主流工藝。傳統(tǒng)的活性污泥法基建投資大、運(yùn)行費(fèi)用高，而且它主要以去除碳源污染物為目的，對(duì)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除則微乎其微，經(jīng)該法處理后的出水排入水體仍將造成富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題。對(duì)出水進(jìn)行三級(jí)處理雖然可以解決此為難題，但其投資和運(yùn)行費(fèi)用更高。我國(guó)作為一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，要應(yīng)用三級(jí)處理來(lái)解決污水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的問(wèn)題，還不太現(xiàn)實(shí)。20世紀(jì)70年代末興起的人工濕地污水處理法為處理水中的氮、磷提供了一種新的選擇。我國(guó)在“七五” 期間開展人工濕地的研究，分別在北京昌平、深圳白泥坑、天津等地建成不同處理規(guī)模的人工濕地處理工程。這些處理系統(tǒng)大多為自由表面流人工濕地，對(duì)于潛流型人工濕地的研究相對(duì)較少。
1.潛流型人工濕地處理系統(tǒng)的類型及其特點(diǎn)
1.1自由表面流人工濕地和潛流型人工濕地
根據(jù)污水在人工濕地中的流動(dòng)方式可以把人工濕地劃分為自由表面流人工濕地和潛流型人工濕地。自由表面流人工濕地和自然濕地相類似，廢水從濕地表面流過(guò)。這種類型的人工濕地具有投資少、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)是占地面積大，水力負(fù)荷低，去污能力有限，受氣候影響較大，夏季會(huì)孳生蚊蠅、散發(fā)臭味。潛流型濕地系統(tǒng)中，污水在濕地床的表面下流動(dòng)，利用填料表面生長(zhǎng)的生物膜、植物根系及表層土和填料的截留作用凈化污水。國(guó)外所建成的人工濕地中，潛流型人工濕地占相當(dāng)大的比例。如在新西蘭使用的大約 80個(gè)人工濕地系統(tǒng)中，表面流濕地占45%，潛流型人工濕地占33%，混合型人工濕地占14%。 在美國(guó)、歐洲、澳大利亞和南非等地已建成的和正在建設(shè)的人工濕地處理系統(tǒng)中大部分是潛流型濕地。
1.2水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地
根據(jù)污水在濕地中流動(dòng)的方向不同可將潛流型濕地系統(tǒng)分為水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地2種類型。不同類型的濕地對(duì)污染物的去除效果不同，具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
水平潛流濕地系統(tǒng)。水平潛流人工濕地因污水從一端水平流過(guò)填料床而得名。它由一個(gè)或幾個(gè)填料床組成，床體充填基質(zhì)。與自由表面流人工濕地相比，水平潛流人工濕地的水力負(fù)荷和污染負(fù)荷大，對(duì)BOD5，COD，SS，重金屬等污染指標(biāo)的去除效果好，且很少有惡臭和孳生蚊蠅現(xiàn)象，是目前國(guó)際上較多研究和應(yīng)用的一種濕地處理系統(tǒng)。它的缺點(diǎn)是控制相對(duì)復(fù)雜，脫氮、除磷的效果不如垂直流人工濕地。
垂直潛流濕地系統(tǒng)。在垂直潛流人工濕地中污水從濕地表面縱向流向填料床的底部，床體處于不飽和狀態(tài)，氧可通過(guò)大氣擴(kuò)散和植物傳輸進(jìn)入人工濕地系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硝化能力高于水平潛流濕地，可用于處理氨氮含量較高的污水。其缺點(diǎn)是對(duì)有機(jī)物的去除能力不如水平潛流人工濕地系統(tǒng)， 落干、淹水時(shí)間較長(zhǎng)，控制相對(duì)復(fù)雜。
2.潛流型人工濕地的構(gòu)成
潛流型人工濕地主要由3部分組成：基質(zhì)、植物和布水系統(tǒng)。目前人工濕地系統(tǒng)可用的基質(zhì)主要有土壤、碎石、礫石、煤塊、細(xì)沙、粗砂、煤渣、多孔介質(zhì)、硅灰石和工業(yè)廢棄物中的一種或幾種組合的混合物。基質(zhì)一方面為植物和微生物生長(zhǎng)提供介質(zhì)，另一方面通過(guò)沉積、過(guò)濾和吸附等作用直接去除污染物。潛流型人工濕地中使用的植物主要有香蒲、蘆葦、燈心草等。這些植物可增加濕地基質(zhì)的透水性。此外還能與周圍環(huán)境的原生動(dòng)物、微生物等形成各種小環(huán)境，將氧氣傳輸至根區(qū)，形成特殊的根際微生態(tài)環(huán)境。這一微生態(tài)環(huán)境具有很強(qiáng)的凈化廢水的能力。在美國(guó)，大約40%的潛流型濕地只種植香蒲一種植物。歐洲國(guó)家則多數(shù)種植蘆葦，也有一些系統(tǒng)種植了多種組合植物。布水系統(tǒng)主要是將進(jìn)水按一定方式均勻地分布在處理系統(tǒng)中，并且保證不發(fā)生短流和堵塞，在潛流型人工濕地處理系統(tǒng)中多采用穿孔管布水系統(tǒng)。
3.潛流人工濕地的工藝流程
人工濕地的工藝流程有多種，目前采用的主要有：推流式、階梯進(jìn)水式、回流式和綜合式4種。
階梯進(jìn)水可避免處理床前部堵塞，使植物長(zhǎng)勢(shì)均勻有利于后部的硝化脫氮作用；回流式可對(duì)進(jìn)水進(jìn)行一定的稀釋，增加水中的溶解氧并減少出水中可能出現(xiàn)的臭味。出水回流還可促進(jìn)填料床中的硝化和反硝化作用，采用低揚(yáng)程水泵，通過(guò)水力噴射或跌水等方式進(jìn)行充氧。綜合式則一方面設(shè)置出水回流，另一方面還將進(jìn)水分布至填料床的中部以減輕填料床前端的負(fù)荷。
人工濕地的運(yùn)行可根據(jù)處理規(guī)模的大小進(jìn)行多種方式的組合，一般有單一式、并聯(lián)式、串聯(lián)式和綜合式等，如下圖所示。在日常使用中，人工濕地還常與氧化塘等進(jìn)行串聯(lián)組合 。
4.潛流型人工濕地的凈化基本原理
4.1反應(yīng)凈化機(jī)理
針對(duì)人工濕地在去除污染物過(guò)程中所發(fā)生的反應(yīng)，其凈化機(jī)理，主要是通過(guò)物理作用、化學(xué)作用和生物作用來(lái)去除水中的污染物質(zhì)。物理作用，主要包括重力對(duì)可沉固體、BOD5、氮、磷、難溶有機(jī)物等的沉淀作用、填料和植物根苗對(duì)污染物的過(guò)濾和吸附作用等；瘜W(xué)作用則主要是指人工濕地系統(tǒng)中由于植物、填料、微生物及酶的多樣性而發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，包括化學(xué)沉淀、吸附、離子交換、氧化還原等。生物作用則是依*微生物的代謝（包括同化、異化作用）、細(xì)菌的硝化與反硝化、植物的代謝與吸收等作用，達(dá)到對(duì)污染物的去除。它也是人工濕地系統(tǒng)凈化污水最重要的一種作用。
4.2構(gòu)成凈化機(jī)理概述
從人工濕地的構(gòu)成來(lái)看，其凈化機(jī)理如下：基質(zhì)、水生植物和微生物是人工濕地的重要組成部分，基質(zhì)為微生物的生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的依附表面，為水生植物提供載體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并通過(guò)一些物理和化學(xué)途徑（如吸附、過(guò)濾等）凈化污水；水生植物除直接吸收利用污水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及吸附、富集一些有毒有害物質(zhì)外，還有輸送氧氣到根區(qū)和維持水力傳輸?shù)淖饔；微生物的代謝作用是污水中有機(jī)污染物降解的主要機(jī)制。
同時(shí)基質(zhì)、植物和微生物還相互聯(lián)系，互為因果，形成一個(gè)系統(tǒng)。廢水可以在人工基質(zhì)縫隙中流動(dòng)或在床體的表面流動(dòng)，并在床的表面種植具有污水處理機(jī)能好、成活率高、抗水性能強(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。當(dāng)廢水流經(jīng)時(shí)，固體物被人工基質(zhì)及植物根系阻攔截留，有機(jī)質(zhì)通過(guò)生物膜的吸附，同化及異化作用而得以去除。因濕地植物根系對(duì)氧的傳遞釋放以及根系上附著的微生物對(duì)氧的消耗，植物根系周圍的微環(huán)境中依次呈現(xiàn)出好氧、缺氧和厭氧狀態(tài)，有利于硝化、反硝化作用及微生物對(duì)磷的過(guò)量積累作用，達(dá)到除氮磷的效果，最后通過(guò)濕地基質(zhì)的定期更換或植物收割使污染物質(zhì)最終從系統(tǒng)中去除。一般地污水中不溶性有機(jī)物通過(guò)濕地的沉淀、過(guò)濾作用，可以很快地被截留而被微生物利用。污水中可溶性有機(jī)物則可通過(guò)植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解過(guò)程被分解去除。
5.潛流人工濕地對(duì)各種污染物的凈化
5.1人工濕地對(duì)SS的去除
污水中可沉降的SS主要依*濕地系統(tǒng)中的物理沉降作用去除。由于濕地中水的流動(dòng)其極緩慢，水淺，加上植物莖稈的阻擋作用，SS在進(jìn)水口幾米內(nèi)能有效地去除。實(shí)驗(yàn)表明，幾乎所有的固體物在系統(tǒng)最初的20%面積處得到去除[29]。膠體狀的SS主要依*微生物的作用、填料滲濾作用去除。
5.2對(duì)有機(jī)物的去除
潛流型人工濕地的顯著特點(diǎn)之一就是其對(duì)有機(jī)污染物有較強(qiáng)的降解能力。污水中的不溶有機(jī)物通過(guò)濕地的沉積、過(guò)濾作用，可以很快地被截留而被微生物利用。污水中的可溶性有機(jī)物則可通過(guò)植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝過(guò)程而被分解去除。資料表明，潛流型人工濕地系統(tǒng)的出水水質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)的二級(jí)生物處理。
5.3對(duì)氮的去除
潛流型人工濕地對(duì)氮的去除作用包括吸附、過(guò)濾和沉積、氨揮發(fā)、植物吸收和微生物硝化和反硝化作用。微生物的硝化和反硝化作用在氮的去除過(guò)程中起著重要作用。在潛流型濕地系統(tǒng)中，氧的主要來(lái)源是植物根系，但這種能力是非常有限的，這就妨礙了任何流經(jīng)該水域水流中氨的硝化作用。為提高潛流型濕地的供氧量，可以采用周期性地改變水深促使根系向縱深生長(zhǎng)，增加暴露水面或地表漫流區(qū)以促進(jìn)表面復(fù)氧作用，或采用間歇布水的方式，以及采用頻繁注入和循環(huán)的多個(gè)平行床系統(tǒng)使大氣中的氧進(jìn)入到介質(zhì)中等方法。Green研究了系統(tǒng)中氧的分布隨時(shí)間和空間的變化，并通過(guò)給濕地系統(tǒng)增設(shè)輸氣管，利用慢灌快排使系統(tǒng)充分進(jìn)氣，以增加內(nèi)部溶解氧的含量來(lái)提高系統(tǒng)的硝化反應(yīng)能力，結(jié)果大大提高了氨氮的去除率。
5.4對(duì)磷的去除
潛流型人工濕地對(duì)磷的去除作用包括吸收化學(xué)沉積、植物和藻類吸收、 微生物作用等。其中基質(zhì)吸附起主要作用；|(zhì)的理化性質(zhì)對(duì)磷的去除率有很大影響。Zhu等研究了鎂、鈣、鐵、鋁和磷的吸附關(guān)系，發(fā)現(xiàn)鈣與磷的吸附相關(guān)性最強(qiáng)。Celler也認(rèn)為鈣與鐵、鋁相比對(duì)磷具有更強(qiáng)的結(jié)合能力。潛流型濕地系統(tǒng)對(duì)磷的去除能力決定于這些礦質(zhì)元素在基質(zhì)中的含量。A.Drizo等比較分析了7種基質(zhì)對(duì)磷的去除能力，發(fā)現(xiàn)飛灰和頁(yè)巖具有最大的磷吸收，然后是鋁土礦、石灰石，綜合比較各種性能。A.Drizo認(rèn)為頁(yè)巖最適合作為潛流型濕地系統(tǒng)的基質(zhì)。H.Brix等分析了17種丹麥不同地區(qū)沙的理化性質(zhì)和除磷能力，這些沙對(duì)磷的去除能力差別極大，決定磷的去除能力是沙中鈣的含量。研究認(rèn)為將這些人工基質(zhì)中的一種或幾種和沙混合使用可以顯著提高潛流型濕地系統(tǒng)的除磷能力。
6.潛流人工濕地的發(fā)展與現(xiàn)狀
德國(guó)最早開展了潛流型人工濕地的研究。早期的潛流型濕地處理系統(tǒng)主要用于處理城市生活污水或二級(jí)污水處理廠出水。經(jīng)過(guò)近15年研究與發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)在英國(guó)、美國(guó)、新西蘭、法國(guó)、澳大利亞、巴西、荷蘭等許多國(guó)家得到應(yīng)用推廣。一些發(fā)展中國(guó)家也開始使用該技術(shù)解決國(guó)內(nèi)的污水處理問(wèn)題，與此同時(shí)應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。除了用于處理城市污水外， 還應(yīng)用于工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)面源污染、垃圾滲出液暴雨徑流等多種廢水的處理，表現(xiàn)出良好的凈化效果。
我國(guó)在“七五”期間開展人工濕地的研究，分別在北京昌平、深圳白泥坑、天津等地建成不同處理規(guī)模的人工濕地處理工程。這些處理系統(tǒng)大多為自由表面流人工濕地，對(duì)于潛流型人工濕地的研究相對(duì)較少。
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