人工湿地污水处理技术及其在我国的应用_孙桂琴
人工湿地污水处理技术及其在我国的应用
孙桂琴1,董瑞斌1*,潘乐英2,王见华3
(1.南昌大学环境科学与工程学院,南昌330029; 2.江西省乐安县建设环保局,乐安344300;
3.江西赣江职业技术学院,南昌330108)
摘要:人工湿地作为近20年来发展起来的一种廉价的替代传统污水处理技术的方案,越来越受到世界各国的普遍重视。与传统的污水处理法相比,人工湿地具有基建和运行费用低,操作与维护简单等优点。介绍了人工湿地污水处理技术的机理和优缺点,以及人工湿地在我国的研究和应用,并对其未来的发展趋势和可能改进的方向做了分析。
关键词:人工湿地;污水处理;应用
中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1003-6504(2006)增-0144-04
人工湿地(Constructed Wetland)是20世纪70~ 80年代发展起来的新型废水处理工艺,人工湿地是由一些浮水或潜水性植物以及处于水饱和状态的基质层和生物组成的复合体,通过一系列生物、物理、化学过程实现对污水的净化。人工湿地具有基建和运行费用低,出水水质好、对氮、磷等营养物质去除能力强、维护管理简便、耐冲击负荷强、能耗少、适于处理间歇排放的污水和具有美学价值等优点[1-2]。它利用生态系统中物种共生、物质循环再生原理,结构与功能协调原则,在促进废水中污染物质良性循环的前提下,充分发挥资源的生产潜力,防止环境的再污染,获得污水处理与资源化的最佳效益,是一种同时具有环境效益、经济效益及社会效益的废水处理技术,适合于水量不大、水质变化不很大、管理水平不很高的城镇的污水处理[3]。
自从人工湿地污水处理系统于20世纪70年代初首次在西德投入使用后,因其优越的性能,获得较快发展,并在全球特别是发达国家迅速推广开来。我国1988年建立了第一个人工湿地系统后,在人工湿地净化机理、系统控制、设计及运行参数等方面均取得可喜的进展。
1人工湿地的含义和优缺点
湿地是介于陆地和水生环境之间的过渡带,是一种具有多种功能和使用价值的生态系统。人工湿地处理系统是由人工优化模拟湿地系统而建造的具有自然生态系统综合降解净化功能,且可人为监督控制的废水处理系统,是一种集物理、化学、生化反应于一体的废水处理技术;一般由人工基质和生长在其上的水生植物组成,是一个独特的土壤、植物、微生物综合生态系统。实际设计过程中,为确保人工湿地生态系统的
作者简介:孙桂琴(1979-),女,硕士研究生,从事环境生物技术方向的研究;通讯作者:董瑞斌(电话)0791-*******(电子信箱)rbdong@ncu. https://www.wendangku.net/doc/1f1848070.html,。稳定性,增加湿地处理寿命及处理能力,往往将湿地多级组合或附加一些预处理、后处理设施构成完整的污水处理系统。人工湿地污水处理系统按水流方式和主要植物类型可分为6种不同的类型或系统,见表1[4]。
表1人工湿地污水处理分类及其特点
分类方式
人工湿地
种类
特点
水流方式
地表流
湿地
类似于沼泽,污水以较慢速度从湿地表面流
过,具备投资少、操作简单、运行费用低等优
点,但占地大,水力负荷率小,净化能力有限,
湿地中的O2来源于水面扩散与植物根系传
输,系统运行受气候影响大,夏季易孳生蚊子、
苍蝇等。
潜流
湿地
污水从一端水平流过填料床,其由一个或多个
填料床组成,床体填充基质,床底设防水层。
水力负荷与污染负荷较大,对BOD、COD、S S
及重金属等处理效果好。O2源于植物根传
输,少有恶臭与蚊蝇现象,但控制相对复杂,脱
N和P效果欠佳。
垂直流
湿地
污水从湿地表面纵向流向填料床底,床体处于
不饱和状态,O
2
通过大气扩散和植物传输进
入湿地。硝化能力强,适于处理氨氮含量高的
污水,但处理有机物能力欠佳,控制复杂,落
干/淹水时间长,夏季易孳生蚊蝇。
主要植物
浮水大型
植物系统
以浮水植物为主,植物繁殖能力强,可通过光
合作用由根系向水体放氧,可通过植物吸收有
效去除N、P及重金属等污染物;浮水植物目
前主要用于N和P的去除和提高稳定塘的效
率。
挺水大型
植物系统
以挺水植物为主,植物根系发达,可通过根系
向基质送氧,使基质中形成多个好氧、兼性厌
氧、厌氧小区,利于多种微生物繁殖,便于污染
物的多途径降解;目前人工湿地主要指挺水植
物系统。
沉水植物
系统
以沉水植物为主,该系统还处于试验阶段,主
要用于初级处理与二级处理后的精处理。
2人工湿地净化废水的机理
2.1基质、植物和微生物在系统中的作用
(1)基质人工湿地中的基质又称填料、滤料,是人为设计的、由不同大小颗粒的砾、沙、土等按一定的厚度铺成的供植物生长、微生物附着的床体。它一般由土壤、细沙、粗砂、砾石、碎瓦片或灰渣等构成。基质是污水处理的主要场所,也是微生物的主要载体,同时
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环境科学与技术第29卷增刊2006年8月
又可以为水生植物提供支持载体和生长所需的营养物质,当这些营养物质通过污水流经人工湿地时,基质通过一些物理、化学途径(如吸附、吸收、过滤、沉淀、络合反应和离子交换等)来去除污水中的N、P等营养物质。基质不同,对污染物的去除能力也有差异,袁东海等人[5]研究几种人工湿地基质净化磷素的机理,结果表明,矿渣、粉煤灰有很好的磷素去除效果,蛭石、黄褐土和下蜀黄土次之,沸石和砂子的去除效果较差。
(2)植物湿地中生长的植物通常称为湿地植物,包括挺水植物、沉水植物、浮水植物。一般人工湿地多采用挺水植物。植物是人工湿地的重要组成部分。在人工湿地净化污水过程中,植物主要发挥三个重要作用:直接吸收利用污水中可利用的营养物质,吸附和富集重金属和一些有毒有害物质;为根区好氧微生物输送氧气;增强和维持介质的水力传输能力[6]。人工湿地中的植物一般选择具有成活率高和处理性能好、根系发达和耐污能力和抗寒能力强;具有一定美学和经济价值。
(3)微生物人工湿地中微生物是净化污水的/主力军0。其数量在一定程度上可反映人工湿地净化污水的能力。它们把有机质作为丰富的能源,将其转化为营养物质和能量。人工湿地在处理污水之前,各类微生物的数量与自然湿地基本相同。但随着污水不断进入人工湿地系统,某些微生物的数量将逐渐增加,并在一定时间内达到最大值而趋于稳定。人工芦苇湿地床内存在较明显的好氧、兼氧和厌氧区。在芦苇的根茎上,好氧微生物占绝对优势,而在芦苇根系区则既存在好氧微生物的活动也有兼性微生物的活动,远离根系的区域厌氧微生物比较活跃。人工湿地系统中的微生物主要去除污水中的有机质和N,某些难降解的有机物质和有毒物质需要运用微生物的诱发变异特性,培育驯化适宜吸收和消化这些有机物质和有毒物质的优势细菌,进行降解[7]。
2.2有机物、N、P和重金属去除
(1)有机物的去除人工湿地对有机物有较强的降解能力。污水中不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用,可以很快地被截留而被微生物利用;污水中可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。在进水浓度较低的条件下,一般人工湿地对BOD去除率在85%~95%之间,对COD去除率可达80%以上[8]。
(2)N的去除人工湿地处理系统对氮的去除作用包括基质的吸附、过滤、沉淀、挥发、植物的吸收和微生物硝化、反硝化作用。氮是植物生长的必需元素,废水中的无机氮包括NH3)N和N O3)N,均可以被人工湿地中的植物吸收、合成植物蛋白质,最后通过植物的收割形式从人工湿地的废水中去除。另外一部分NH3)N还可以挥发到大气中去。植物吸收和氨氮挥发所占比率还不到总去除率的20%[9]。微生物的硝化、反硝化作用对氮的去除起重要作用。由于植物根系输送氧气,使土壤内形成许多好氧、缺氧和厌氧状态,相当于许多串联或并联的A2/O处理单元,使得硝化和反硝化在湿地中同时发生。
(3)P的去除P在人工湿地系统中的去除主要有三个方面的作用:微生物正常的同化或植物的吸收作用;聚磷菌的过量摄P作用;基质的物理化合作用。其中最主要的是基质对P的吸附作用及其纳P容量,其吸附作用与基质中Fe,Al和Ca等金属离子有关,而植物吸收对P的去除效率影响不大。综合上述三种作用,崔理华等人[10]用煤灰渣人工土壤和风车草组成的垂直流人工湿地系统对化粪池出水中总磷和无机磷的去除率分别达到75%~92%和73%~92%,其处理出水中总磷和无机磷浓度大部分低于1mg/L,达到了城市污水二级生化处理的二级排放标准。
(4)重金属去除人工湿地对重金属也有很强的去除能力。金属离子去除机理主要有:植物的吸收和富集作用、土壤胶体颗粒的吸附、悬浮颗粒的过滤和沉淀,人工湿地对污水中重金属去除是通过植物、微生物、土壤基质等组成成分共同起作用的。其内在机制是各因子相互作用、相互影响的复杂过程。Lim等人[11]发现,栽种植物的构造湿地系统对Cr的去除可达到99.8%,并且去除效果与进水中Cr的浓度和停留时间没有直接关系;Cr的去除是通过砾石床基质的吸附积累完成的,少部分Cr富集于植物根系。
3我国人工湿地研究进展和应用
我国人工湿地研究起步较晚,大量工作集中在小规模技术研究阶段与发展阶段。目前建成了一些中试研究基地,建立一些处理生活污水和工业废水的人工湿地处理系统。首例采用人工湿地处理污水的研究工作是1988~1990年在北京昌平进行的自由表面流人工湿地[12],1989~1990年由天津环保研究所建立11个实验单元研究芦苇湿地对城市污水的处理能力,并对水力负荷、有机负荷、停留时间及季节等与污水中主要污染物规律进行探索,结果优于二级处理[12]。20世纪末建成的成都活水公园更展示了人工湿地系统处理污水新工艺的以水为主体的环境科学公园和/用绿叶鲜花装饰大地,把清水活鱼送还自然0的魅力,使生态与环境效益的完美结合,实现了污水资源化利用、整治堤岸、净化水体及恢复水域良性生态环境的多重目
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人工湿地污水处理技术及其在我国的应用孙桂琴,等
的[13]。1996年胶南市充分利用风河下游北岸的大片盐碱荒滩,修建芦苇湿地系统,不仅很好地处理了工业废水和生活污水,而且吸引鸥鹭、燕鹊栖息,取得了良好的生态效益[14]。
对特殊污水的处理,人工湿地也有一席之地。建造小型水葫芦-水草人工湿地处理再生浆造纸废水后,BOD5、COD和SS的去除率分别为98%、93%和89%,系统性能稳定,出水水质达到排放标准且可用于农灌[15]。人工湿地处理多氯联苯方面也有突破,建立了预测生物吸附、解吸、土壤屏蔽、护散和生物降解过程的数学模型[16]。采用自由表面流芦苇湿地处理超稠油废水后,BOD5、COD、T N的去除率分别为88.37%,83.18%,88.36%,石油类去除率为94.86%, pH值由7.87降至7.77,处理后的超稠油废水对土壤的污染并不明显,对芦苇的生长和材质指标几乎没有影响[17]。阳承胜等人[18]利用宽叶香蒲人工湿地对铅/锌矿废水净化效能的研究,系统处理后,COD、T SS、Pb、Zn、Cu和Cd的去除率分别为92.19%、99.62%、93.98%、97.02%、96.87%和96.39%,水质得到明显改善,并接近农灌标准。此外,人工湿地在处理铁矿酸性废水的试验结果表明[19],酸水pH值由2.6升高到6.1;铜离子、铁离子和锰离子去除率分别为99.7%、99.8%、70.9%。汪秀华等人[20]进行潜流式人工湿地系统处理天然橡胶加工废水的小型试验后,湿地系统对COD、BOD5、NH3)N去除率分别为90.42%、93. 25%、75.37%,该系统耐冲击负荷强,出水水质稳定。我国许多学者或工程技术人员经过工艺改进或者与其他系统进行组合后用于农业面源污染[21]、城市或公路径流等非点源污染的治理[22]。但是应用人工湿地处理特殊废水的实例并不多见,主要集中在应用人工湿地处理矿山酸性废水、褐煤热解废水、炼油废水、猪场污水、造纸废水等。这些废水的特征污染物主要是金属离子、BOD、COD和油。
4发展趋势
4.1人工湿地去污机理及影响因素的研究
建立各种污染物去除的反应动力学模型,定性及定量研究温度、pH值、水动力等因素对污染物去除效果的影响。重点研究在提高人工湿地氧化硝化能力的同时如何提高其反硝化能力,解决特征污染物(如有机物、硝态氮和总N)的高效去除问题。
4.2建立人工湿地处理系统地方数据库
人工湿地应随气候条件、湿地的规模、负荷率、几何布置、植物种类构成及废水的类型构成变化而变化,结合不同地区的具体情况深人开展人工湿地处理特殊工业废水的研究工作,促进人工湿地在工业废水处理中的推广应用。
4.3堵塞问题的有效解决方法
目前当人工湿地堵塞后,目前还没有很好的恢复对策,国外流行的做法是通过停床修整自我恢复,期间无法进行污水处理,而时间长度与天气有关,因此需要发现更有效的对付人工湿地堵塞的方法。
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(收稿2006-03-22;修回2006-05-29)
Study on the Reusing Obsolete Propellant
LU Yan-ling,ZH ANG li,SH I Dong-m ei,DU Sh-i g uo
(D ep ar tment of A mmunition Engineer ing,Or dnance Engineer ing College,S hij iaz huang050003)
Abstract:As a kind of particular dang ero us article,obsolete propellant,w hich mostly come from retired w eap-o ns and ex pir ed amm unition,m ust be proper ly treated.The main treatm ent w ay is burning w hich has not fully reused its energy and polluted envirom ent.Obsolete pro pellant as m ain composition made into industr ial ex plo-sives has pr ominent m erits.The processing o f making perfusion ex plo sive,w hich is safe,sim ple,m aking no w aste pro duct and using obsolete propellant v er y m uch,is the best w ay.
Key words:env ir omental po llution;propellant;industr ial ex plosive;safely reuse
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(收稿2006-03-08;修回2006-05-26)
C onstructed Wetland for Wastewater Treatment and Its Application in China
SUN Gu-i qin1,DONG Ru-i bin1*,PAN Le-ying2,WANG Jian-hua3
(1.D ep artment of Env ir onmental Science and Eng ineer ing,N anchang Univer sity,N anchang330029;
2.Cons truction and Env ir onmental Bureau of Le'a n,L e'an344300;
3.GanJ iang Poly technic College,N anchang330108)
Abstract:As a low cost alternative to traditional w astew ater tr eatment process,the techno logy o f co nstructed w etland(CW)had been used in w astew ater tr eatment fo r the last20y ears,and g ot grow ing attention w orld-w ide.T his paper review s the mechanisms and advantag es and disadvantages o f the constructed w etland specia-l ized in w astewater treatm https://www.wendangku.net/doc/1f1848070.html, pared w ith conv entional tr eatment system s,constructed w etland techno logy is cheaper in constructio n and maintenance and easier to operate.T he current situatio n o f r esearch and applica-tion o f the CW system w as summ arized in China.The future dev elo pment and the po ssible w ay s to im pro ve the system w ere also discussed.
Key words:constructed w etland;w astew ater treatment;applicatio n
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