人工湿地系统影响因素分析
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摘要：指出了人工湿地系统对处理分散生活污水具有广阔的应用前景,其核心技术主要在于对植物种植、床体深度和填料的设计，归纳了湿地类型、植物种植、床体深度和填料对净化效果影响的研究概况,对目前取得较好净化效果的工程实例与试验研究进行了分析,以期为人工湿地系统的工程设计、技术研究及运行管理提供参考。
关键词：人工湿地； 床体深度； 填料
收稿日期：2011-05-06
作者简介：陈文婷（1980―），女,黑龙江讷河人，工程师,主要从事环境保护研究工作。
中图分类号：F590
文献标识码：A
文章编号：1674-9944（2011）06-0027-03
1 引言
人工湿地污水处理系统是在自然或半自然净化系统的基础上发展起来的污水处理技术,具有投资省、运行费用低和效果良好等优点,对生活污水表现出良好的净化效果［1～3］。人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面,将污水、污泥有控制地投配到经人工建造的湿地上,污水与污泥在沿一定方向流动的过程中,主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用,对污水、污泥进行处理的一种技术。设计人工湿地系统,需根据当地条件及污水情况确定湿地类型、场址和场地面积,床体深度、填料和运行方式是设计过程中需要考虑和确定的重要内容。
2 湿地类型对净化效果的影响分析
人工湿地可分为表面流湿地、潜流湿地、立式流湿地。表面流湿地与自然湿地相似,污水在填料表面漫流,绝大部分有机物的降解由位于植物水下茎秆上的生物膜来完成,这种类型未能充分发挥填料和丰富的植物根系的作用,且卫生条件不好；潜流湿地是水在填料表面下潜流,充分利用整个系统的协同作用,卫生条件较好,占地小,处理效果较好；立式流湿地水流情况综合了表面流湿地和潜流湿地的特点,但其建造要求高［4］。
刘超翔等人采用表面流和潜流式两种人工复合生态床对滇池地区低浓度农村污水进行了处理,研究结果表明：在高水力负荷（ 30cm/d ）条件下,潜流式床体对COD、TN、NH4+-N和TP的去除率分别为70.6%、60.6%、80.9%和66.0%,表面流床体则分别为63.1%、61.2%、90.2%和60.2%；表面流床体中芦苇、茭白等植物对氮、磷的吸收量要大于潜流式床体［5］。王晓娟等人对表面流和潜流人工湿地中不同填料层的微生物硝化和反硝化强度进行了对比研究,结果表明：人工湿地系统可以同时进行硝化和反硝化作用，表面流湿地硝化强度高于潜流湿地,潜流湿地上层土壤填料的反硝化强度最高,砾石填料反硝化强度最低,表面流湿地反硝化强度居中［6］。陈秀荣等人研究表明：人工湿地进水氮的主要形态为氨氮时,表面流人工湿地脱氮效能高于潜流人工湿地［7］。分析上面学者的研究结果得出,可根据污水性质和排放要求科学选择湿地类型,或湿地组合运行以提高污染物的去除效果。
3 植物对净化效果的影响分析
有植物系统净化污水的能力明显优于无植物系统。何蓉等人对表面流人工湿地处理生活污水进行了探讨,研究表明：有植物系统对有机物的去除没有明显的效果,而对氮和磷均有较好的去除效果,去除率均可达到70%以上［8］。张甲耀等在研究潜流式人工湿地系统中的植物净化能力时发现,有植物系统对总氮的净化能力高于无植物系统,且芦苇湿地系统最高,茭白湿地系统次之,穿心莲子草湿地系统最差［9］。袁东海等人进行了几种湿地植物净化生活污水COD、总氮的效果比较研究,结果表明：低COD、总氮浓度条件下,无植被的人工湿地和有植被的人工湿地对污水中COD、总氮均有很好的去除效果,随着污水中COD和总氮浓度的增加,无植被人工湿地和有植被人工湿地去除COD和总氮的效果均有不同程度下降,两者差异明显,有植被的人工湿地能维持较高的COD、总氮的去除效果,无植被的人工湿地COD和总氮去除效果下降很快,植被在人工湿地系统去除污水COD和总氮过程中起着重要的作用；同无植被人工湿地COD和总氮净化效果相比,石菖蒲植被人工湿地净化效果最好,其次为灯心草植被人工湿地,再次为蝴蝶花植被人工湿地［10］。常用于人工湿地的植物种类有芦苇、香蒲、美人蕉、茭草、茭白、灯心草、菖蒲、苔草、草等,其中芦苇和香蒲应用最多。
植物的种植方式是人工湿地系统设计需要考虑的重要问题,多种植物混合种植表现出良好的净化效果。蒋玲燕等人对潜流人工湿地微生物多样性进行了研究,结果表明多种植物系统与多种填料系统在有机物与营养元素去除方面均比单一植物单一填料系统有优势［11］。刘超翔等人采用前1/3段为芦苇,后2/3段为茭白,芦苇种植密度为16株/m 茭白种植密度为12株/m 对COD、TN、氨氮和TP的平均去除率分别为70.6%、60.6%、80.9%、66%,取得了良好的净化效果,明显优于无植物和单一植物系统,并充分利用了芦苇较强的根系泌氧能力和茭白较弱的根系泌氧性能［12］。植物种植密度对净化效果有一定影响。黄娟等人探讨了植物生理生态特性对人工湿地净化效果的影响,结果表明：适当增加植物种植密度,有利于提高湿地脱氮效果,但种植过密反而不利于提高溶解氧水平和TN去除率［13］。吴振斌等人研究表明：在负荷高的情况下,湿地植物的根系过度生长,使得湿地内部孔隙度下降,沙粒板结而水流不畅导致出水速率变慢,影响处理效果［14］。
4 床体深度对净化效果的影响分析
床体深度对植物根系的扩展、微生物和酶的垂直方向分布影响较大,从而对人工湿地系统净化生活污水效果有较大影响。刘超翔等人在滇池地区对人工湿地处理农村生活污水的建造深度进行了探讨,研究结果表明：在30cm/d高水力负荷的条件下,对COD、总氮、氨氮和总磷的去除率,深度为60cm的床体分别为66.4%、57.7%、78.7%和63.2%,40cm深的床体分别为63.8%、59.1%、82.1%和61.3%,深度为60cm床体对COD和总磷的去除率高于深度为40cm的床体,但后者对氮的去除效果略优于前者［15］。成水平等人调查了人工湿地水生植物根区理化特性、根系扩展的深度和位置、微生物和酶的分布状况；比较了不同深度人工温地污水净化效果；探讨了人工湿地污水处理系统最佳净化空间位点,通过对香蒲、灯心草人工湿地的研究,发现植物的根系主要分布在基质上层25cm 区域内,在5到10cm区域内,微生物数量最多,25cm区域次之,35cm以下较少,系统表层磷酸酶、葡聚糖脱水酶和蛋白酶的活性较20cm区域内各酶活性强。对于废水的净化而言,系统20cm和60cm处的净化效果差别很小。结果表明,人工湿地废水处理系统上部区域为较佳净化空间［16］。何起利等人研究了复合垂直流人工湿地中试系统不同功能层面的氧化还原特征、好氧微生物数量、基质的耗氧速率及氧化还原酶类活性的分布特点,床体深度50cm,结果表明：各功能层面的氧化还原电位、好氧微生物数量、耗氧速率表层最高,并且随着基质深度的增加逐渐降低；除过氧化物酶外,氧化酶活性表现为表层高于中下层,而硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶等活性变化趋势则相反,同时,氧化还原电位与基质中细菌、真菌、放线菌的数量、耗氧速率等存在显著正相关关系；氧化还原电位与多酚氧化酶、过氧化氢酶、脱氢酶等氧化酶活性也存在显著正相关,而与下行流池的硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶等还原酶类存在显著负相关关系［17］。
分析以上学者的研究结果可以得出,床体深度为40～60cm时,人工湿地表现出较好的污染物去除特性和去除效果,若含氮较高,可采取较大的床体深度,床底易形成还原环境,有利于氮的去除。
5 填料（基质）对净化效果的影响分析
填料是人工湿地的重要组成部分,选择合适的基质填料对提高湿地的污染物处理效果有较大影响。李旭东等人对沸石潜流湿地、砾石潜流湿地和自由表面流人工湿地脱氮除磷性能进行了中试对比试验研究,结果表明：在相同进水水质和水力停留时间为1d的运行条件下,沸石潜流湿地脱氮效果最佳,总氮去除率接近60%；砾石潜流湿地除磷效果最佳,总磷去除率可达70%；自由表面流人工湿地脱氮除磷效果介于沸石和砾石潜流湿地之间,自由表面流人工湿地投资费用最少,但水力负荷有限［18］。张翔凌等人选取砾石、沸石、无烟煤、页岩、蛭石、陶瓷滤料、高炉钢渣、圆陶粒8种填料,在较高水力负荷（1 000～2 500mm/d）的条件下,进行了垂直流人工湿地模拟柱净化污水实验,结果表明：无烟煤、圆陶粒、砾石具有较好去除有机物的能力,对COD的去除率达到50%以上；钢渣和无烟煤对BOD的去除率达到70%以上；沸石和陶瓷滤料对总氮和氨氮的去除率达到70%以上,其他几种填料对总氮和氨氮的去除率仅为20%左右；高炉钢渣和无烟煤具有较好去除磷的能力,高炉钢渣对总磷和总溶解性磷的去除率达到90%以上,无烟煤对总磷和总溶解性磷的去除率达到60%～70%；孔隙率的变化对垂直流人工湿地的净化能力有显著影响；在垂直流人工湿地处理系统中,通过选择合适的填料,如无烟煤、圆陶粒、沸石,在较高的水力负荷条件下可获得较好的处理效果［19］。徐丽花等人研究了沸石、沸石-石灰石、石灰石3种填料的人工湿地的净化能力,结果表明：沸石和石灰石混合使用,不会降低沸石吸附氨氮的能力；沸石可促使难溶性P的释放,使得石灰石吸附P被植物和微生物吸收利用；沸石和石灰石发生了协同作用,对TN、TP的去除效果均好于其单独使用［20］。赵桂瑜等人从吸附动力学角度出发,研究了干渣、沸石、页岩陶粒和白云石四种基质对水体中磷素的吸附作用,结果表明：干渣对磷素的吸附量最大,其次是沸石和页岩陶粒,白云石对磷素的吸附量最小；作用48h后,干渣对磷素的吸附量分别是沸石、页岩陶粒和白云石的3.9倍、6.7倍和11倍；四种基质对磷素的吸附速率依次为：干渣>页岩陶粒>沸石>白云石［21］。
人工湿地系统中选用的填料需要有良好的通透性、大比表面积和较强的吸附能力,以创造良好的水力条件,为微生物提供良好的栖居环境,增强湿地系统的截污能力,从而提高有机污染物、氮和磷的去除效果。从上面各学者研究成果可以得出,干渣、无烟煤、圆陶粒、沸石等作为人工湿地填料均可取得较好的污染物去除效果,可为工程实践提供参考。
人工湿地系统在处理污水方面还存在一些问题,无机磷在填料吸附饱和之后,去除率明显下降。有文献报道,人工湿地中磷素的去除或固定机制有：基质吸附、化学沉淀、微生物活动、植物和藻的吸收以及合成有机物质,其中,基质吸附和沉淀可能发挥着最重要的作用,同时也最具有发展潜力,然而,基质对废水中磷的吸附和沉淀去除作用不是无限制的过程,到一定程度会达到饱和［22］。所以依靠填料吸附去除磷非长久之际,磷亦未真正的去除,还会返溶于水体中,而磷在微生物的转化分解作用下,最后被植物吸收可能是去除磷的较好途径。
6 结语
总结国内学者的研究结果可以得出：可根据污水性质和排放要求科学选择湿地类型,或湿地组合运行以提高污染物的去除效果。
有植物系统净化污水的能力明显优于无植物系统。植物的种植方式是人工湿地系统设计需要考虑的重要问题,多种植物混合种植表现出良好的净化效果。植物种植密度对净化效果有一定影响。适当增加植物种植密度,有利于提高湿地脱氮效果,但种植过密反而不利于提高溶解氧水平和TN去除率,使得湿地内部孔隙度下降,沙粒板结而水流不畅导致出水速率变慢,影响处理效果。
床体深度为40～60cm时,人工湿地表现出较好的污染物去除特性和去除效果,若含氮较高,可采取较大的床体深度,床底易形成还原环境,有利于氮的去除。
人工湿地系统中选用的填料需要有良好的通透性、大比表面积和较强的吸附能力,以创造良好的水力条件,为微生物提供良好的栖居环境,增强湿地系统的截污能力,从而提高有机污染物、氮和磷的去除效果。干渣、无烟煤、圆陶粒、沸石等作为人工湿地填料均可取得较好的污染物去除效果,填料对磷有一定的吸附作用,但依靠填料吸附去除磷非长久之际,磷亦未真正的去除,还会返溶于水体中,磷在微生物的转化分解作用下,最后被植物吸收可能是去除磷的较好途径。
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