摘要：系統(tǒng)介紹了人工濕地污水處理技術(shù)的概念、結(jié)構(gòu)、功能、分類、在國內(nèi)外的研究應用現(xiàn)狀。人工濕地污水處理系統(tǒng)是一個完整的生態(tài)系統(tǒng),正不斷得到研究應用和發(fā)展,具有投資低、出水水質(zhì)好、抗沖擊力強、增加綠地面積、改善和美化生態(tài)環(huán)境、操作簡單、維護和運行費用低廉等優(yōu)點。這項技術(shù)適合我國國情，尤其適合廣大農(nóng)村、中小城市的污水處理,具有極其廣闊的應用前景。
關(guān)鍵詞：人工濕地 污水處理 污染物去除 表面流濕地 潛流濕地 立式流濕地 生態(tài)系統(tǒng)
1 、前言
隨著工業(yè)的發(fā)展，水污染的加劇，同時淡水資源短缺與人民生活水平提高之間的矛盾日益加劇，水環(huán)境保護的任務也越來越艱巨。近年來，環(huán)境科學研究在迅速發(fā)展，正在積極探索水環(huán)境污染全球效應問題，各種水處理污染的方法層出不窮，其中生態(tài)處理技術(shù)——人工濕地技術(shù)由于其低投資，出水水質(zhì)好，抗沖擊力強，操作簡單，建造和運行費用低(僅為傳統(tǒng)二級污水處理廠的1/10----1/2),維護方便，氨氮去除率高，同時可使污水處理與環(huán)境生態(tài)建設(shè)有機結(jié)合，在處理污水同時創(chuàng)造城市生態(tài)景觀等特點逐步被越來越多的國家接受，并廣泛應用。
2、人工濕地的定義及分類
2.1 人工濕地的定義
用人工濕地(Constructed wetland)來處理城市污水是發(fā)達國家近十年來才興起的生態(tài)處理法,它是為處理污水而人為地在有一定長寬比和底面坡度的洼地上用土壤和填料(如礫石等)混合組成填料床，使污水在床體的填料縫隙中流動或在床體表面流動，并在床體表面種植具有性能好，成活率高，抗水性強，生長周期長，美觀及具有經(jīng)濟價值的水生植物(如蘆葦，蒲草等)形成一個獨特的動植物生態(tài)體系。(1)
人工濕地去除的污染物范圍廣泛，包括N , P , SS , 有機物，微量元素，病原體等。有關(guān)研究結(jié)果表明，在進水濃度較低的條件下，人工濕地對BOD5的去除率可達85％――95％，去除率可達80％以上，處理出水中BOD5的濃度在10mg/l左右，SS小于20mg/l。(2)廢水中大部分有機物作為異樣微生物的有機養(yǎng)分，最終被轉(zhuǎn)化為微生物體及CO2 , H2O。
人工濕地面積可視情況而言，可在市郊結(jié)合部，也可在污水處理廠出水的附近建造。一些人工濕地屬型，在那些目前還不具備建造污水處理廠的城鄉(xiāng)結(jié)合部建造人工濕地，將生活污水排入，利用所種植物對其進行處理，然后再排入自然水系，保護水體；還有些濕地屬于加強型，在污水處理廠附近建造人工濕地，將污水處理廠處理過的水引入，再經(jīng)過人工濕地的加強處理，提高其水質(zhì)，然后排入自然水系，作為其補充水源。
2.2 人工濕地的分類
根據(jù)濕地中主要植物形式人工濕地可分為：1、浮游植物系統(tǒng); 2、挺水植物系統(tǒng)；3、沉水植物系統(tǒng)。其中沉水植物系統(tǒng)還處于實驗室研究階段，其主要應用領(lǐng)域在于初級處理和二級處理后的精處理。浮游植物主要用于N , P去除和提高傳統(tǒng)穩(wěn)定塘效率。目前一般所指人工濕地系統(tǒng)都是指挺水植物系統(tǒng)。挺水植物系統(tǒng)根據(jù)廢水流經(jīng)的方式，可分為表面流濕地(SFW)、潛流濕地(SSFW)、立式流濕地(VFW)。(3)表面流濕地和立式流濕地因環(huán)境條件差(易孳生蚊蟲)，處理效果受氣溫影響較大以及對基建要求較高，現(xiàn)多不再采用。故人工濕地大部分采用潛流式濕地系統(tǒng)。
3、人工濕地在國外研究應用發(fā)展
自西德1974年首次建造人工濕地以來，各種不同的濕地在世界各地已被用來處理大量不同的廢水。1996年9月在奧地利維也納召開的第四次國際研討會，標志著人工濕地作為一種獨具特色的新型廢水處理技術(shù)已經(jīng)正式進入水污染控制領(lǐng)域。
自由表面流濕地在歐洲發(fā)展緩慢。瑞典1994年在Wittgren建一座處理6500PE，占地22公頃的自由表面流濕地。在北美約200座濕地處理系統(tǒng)有2/3是自由表面流濕地，其中一半又是自然濕地。自然濕地的大小從1―1000公頃，其中一半在10－100公頃。人工自然表面流濕地通常較小，60％小于10公頃。自然濕地水力負荷小于人工濕地。系統(tǒng)水深范圍5－90cm，30－40cm較普及。最常用的是兼性或好氧塘，表明許多濕地系統(tǒng)用于現(xiàn)行塘系統(tǒng)的精處理。(4)地下潛流系統(tǒng)在歐洲應用較多，有幾百座。在丹麥，德國，英國等國家都至少有200個系統(tǒng)在運行。此技術(shù)還在快速發(fā)展，特別是在一些東歐國家。絕大多數(shù)系統(tǒng)種植有蘆葦，也有種植其它濕地植物的。在德國大多數(shù)系統(tǒng)介質(zhì)是土壤，人們認為根的生長和蘆葦根區(qū)會增加和穩(wěn)定導水性，但幾乎所有土壤系統(tǒng)都遇到表面斷流問題。為保證潛流，英國和北美絕大多數(shù)采用礫石床。雖有些礫石床也堵塞，但主要是由于不足。在歐洲此類系統(tǒng)趨向?qū)?000PE的鄉(xiāng)村級社區(qū)進行二級處理；北美則趨向更多人口的高級處理。在澳大利亞和南非則用于處理各類廢水。
美國EPA目前正在開發(fā)北美人工濕地數(shù)據(jù)庫，地方數(shù)據(jù)庫在其它國家已存在，為減少重復勞動和改良經(jīng)驗濕地設(shè)計方法，所有這些濕地都應通過公共數(shù)據(jù)庫使世界各地的工程師和科技人員能夠獲得。這樣的數(shù)據(jù)庫可減少建設(shè)低效濕地的風險。兩種濕地的設(shè)計指南現(xiàn)已出版，但改良工作仍然需要，有必要更細致的研究不同地區(qū)特征和運行數(shù)據(jù)以便在將來的建設(shè)中提供更合理的參數(shù)。豎流濕地在歐洲許多地方投入運行已有幾十年。豎流系統(tǒng)至今未廣泛使用是因為其需要更細致的建設(shè)和介質(zhì)選擇。最近國際會議上有幾篇文章對豎流系統(tǒng)評價很高，目前世界上科技工作者正投入大量精力以改良人工濕地技術(shù)。潛流系統(tǒng)的處理效率可通過選擇豎流系統(tǒng)，采用間歇負荷和合理選擇介質(zhì)而獲得提高，還可引入一些傳統(tǒng)處理技術(shù)的理論，如回流。此外，不僅對豎流系統(tǒng)，對所有人工濕地系統(tǒng)都需深入研究以改良優(yōu)化工程設(shè)計參數(shù)，還需對系統(tǒng)的長期運行能力和管理問題進行研究。人工濕地不僅可用于城市和各種工業(yè)廢水的二級處理，還可用于高級處理中的精處理和對農(nóng)田徑流的處理。在有些情況下，人工濕地可能是唯一使用的技術(shù)。(3)
4、人工濕地在我國的應用與發(fā)展
4.1 深圳白泥坑人工濕地處理系統(tǒng)
我國自“七五”開始對人工濕地的研究，已建成一些示范工程，并于1990年7月在深圳建起我國第一個人工濕地污水處理工程――白泥坑人工濕地處理系統(tǒng)。
白泥坑人工濕地污水處理系統(tǒng)位于深圳市寶安縣百泥坑村南500m處。水系沿山角流向海灣屬海洋性氣候。占地面積189畝，日處理量3100m3/d廢水。其處理流程見圖1:(2)
圖1 深圳百泥坑人工濕地處
人工濕地及氧化塘系統(tǒng)各單元的設(shè)計參數(shù)見表1：(2)
表1 深圳百泥坑人工濕地系統(tǒng)各單元的設(shè)計參數(shù)
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項目
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單元數(shù)
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長(m)
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寬(m)
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碎石粒徑(mm)
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碎石層厚(cm)
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池底坡度 (%)
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水力負荷(m3/m2.d)
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第一級
第二級 第三級 第四級 |
3
2 3 3 |
42
47 30 31 |
11－12.5
18.5 19 19 |
10－50
10－30 5－10 |
40－100
50－120 150(水深) 60-100 |
1,1.5,2.0
2.0,3.0 0 0.5,1.0,1.0 |
95.4
95.4 (停留一天) 100.7 |
經(jīng)過近兩年的試驗運轉(zhuǎn),出水效果較好。除氨氮指標效果不明顯外;其余指標均能達到國家規(guī)定的二級處理排放標準。該工程無動力消耗,管理較方便,除每月作一次水質(zhì)監(jiān)測外,平時無需其它管理。從外觀看,進水水質(zhì)略顯渾濁,但無色無臭,是一個村鎮(zhèn)排出的生活污水及少量村辦企業(yè)的廢水匯合而成。
其運行費用為0.02元/m3僅為傳統(tǒng)活性污泥法的10％。深圳百泥坑人工濕地處理系統(tǒng)與其它污水處理廠的比較見表2：(2)
表2 深圳人工濕地系統(tǒng)與其它污水處理廠的經(jīng)濟比較
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工程名稱
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總投資
(萬元) |
單位污水
投資額(元/m3) |
年運行費用
(萬元) |
噸水處理成本
(元/m3) |
單位污水用地
(m2/m3) |
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深圳某廠
蛇口某廠 珠海某廠 海南某廠 白泥坑 |
3300
1500 547 42.9 |
660
833 574 138 |
>100
>100 >100 36.5 約2.0 |
>0.20
>0.20 >0.20 0.20 0.02 |
2.67
1.20 1.20 2.79 |
從表2可以看出，人工濕地的工程總投資，處理單位污水的投資額，年運行費用及單位污水的處理費用均比其它傳統(tǒng)方法的費用低得多。
4.2 山東膠南市污水處理廠
膠南市位于山東半島西南部，其市區(qū)三面環(huán)山，一面臨海。其排水系統(tǒng)多采用雨污分流制，工業(yè)廢水與生活污水量之比為1：4，工業(yè)廢水主要來源于造紙，化工，印染，紡織，食品加工，釀造，橡膠，熱電等企業(yè)。
以處理污水量61x104m3/d計，在建造污水處理廠前對各種處理流程進行了經(jīng)濟技術(shù)比較，見表3(5)
表3 5種污水處理工藝技術(shù)經(jīng)濟比較
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工程名稱
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特點
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工程投資(億元)
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運行費用(萬元/a)
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處理成本(元/m3)
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耗電量(kw.h)/m3
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占地面積(hm2)
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AB法
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可有效去除有機物，對N,P去除率高
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0.73
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876
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0.4
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0.36
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14
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氧化溝
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可有效去除有機物，對N,P去除率高
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0.58
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700
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0.32
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0.33
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22
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傳統(tǒng)活性污泥法
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可有效去除有機物，對N,P去除率低
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0.66
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788
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0.36
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0.40
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14
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一級處理排海法
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0.82
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296
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0.14
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0.25
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8
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蘆葦濕地法
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可有效去除有機物，對N,P去除效果較好，占地面積大
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0.21
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164
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0.08
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0.15
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80
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由表3可以看出,蘆葦濕地處理工藝具有投資省、運行費用低和便于管理等特點,而膠南市風河下游北岸的大片鹽堿荒灘恰好可滿足該工藝占地面積大這一要求,因此蘆葦濕地處理工藝成為最終選擇。
建成的膠南污水處理廠設(shè)計處理規(guī)模為6×104ｍ3/,總投資為3000萬元,占地面積為76.7ｈｍ2,全部為鹽堿荒灘。工藝流程見圖2(5)
圖2 污水處理廠工藝流程
所采用的人工濕地為地表流蘆葦濕地，該濕地系統(tǒng)的濕地有效占地為44.33hm2，水力負荷為13.5cm/d，由99小塊蘆葦濕地田組成，每小塊長為140m，寬為32m，并聯(lián)運行。
人工濕地的運行效果，該廠污水處理量為(0.7～1.4)×10ｍ/ｄ,進水中的ＣＯＤ為1000～2000ｍｇ/Ｌ、ＢＯＤ5為450～700ｍｇ/Ｌ、ＳＳ為700～1500ｍｇ/Ｌ。污水經(jīng)過后ＳＳ去除率達70%以上,ＣＯＤ去除率達25%以上,ＢＯＤ5去除率達20%以上,這大大減小了濕地田的負荷。濕地田進、出水指標見表4(5)
表4 后蘆葦濕地田進、出水指標 ｍｇ/Ｌ
表4表明,該廠的運行情況良好,各項指標均達到或優(yōu)于國家標準。此外,濕地內(nèi)鷗鷺、燕鵲棲息葦田,行人游客駐足觀光,其生態(tài)效益可見一斑。
4.3 內(nèi)蒙赤峰市寧城污水處理廠
寧城污水處理廠是赤峰市建委及寧城縣建設(shè)局承擔的國家建設(shè)部下達的“八五”科技研究重點課題“人工濕地污水處理技術(shù)在我國北方地區(qū)的研究和應用”的項目,該項目曾于1997年6月通過國家建設(shè)部科技司主持的技術(shù)鑒定,并于1998年6月將該項成果予以推廣。
其工藝流程為原污水通過格柵,通過集水井、,進入一級碎石床后,再進入二級碎石床,從二級碎石床流出處理水,排入天然河道。在一級碎石床栽植蘆葦，在二級碎石床栽植香蒲。
采用此工藝處理每噸污水需土建費用427.00元,維護費用0.06元,占地面積3.6m2。
人工濕地污水處理技術(shù)的應用,有效地改善了東小河的生態(tài)環(huán)境,東小河下游的居民從此遠離了惡臭和蚊蠅。改變了東小河的環(huán)境,提高了居民的生活質(zhì)量。
