（环境工程专业论文）应用潜流人工湿地工艺处理农村生活污水的研究.pdf

摘要 人工湿地系统作为一种生态处理方法，具有效率高、投资少、低运行费用、低能 耗、适用面广等优点。但由于人工湿地具有地域性特征，目前人工湿地的建设缺乏统 一的设计参数和方法。人工湿地污水处理工程一般都是在试验取得成功的基础上，扩 大规模进行建设。 借鉴已有的理论与设计，采用处理效率较高的潜流人工湿地，设计了本地区居民 小区的生活污水处理中试工程，进行处理试验，为宿迁地区的农村生活污水处理积累 设计参数与经验。研究的主要内容包括： 1 ) 工程中使用的水力负荷和停留时间参数的验证； 2 ) 填料和植物最佳组合的确定； 3 ) 初步研究人工湿地氮磷去除机理。 试验结果表明： 1 ) 在实验范围内通过比较得出最佳水力负荷为0 2 m 3 m 2 d 。 2 ) 在最佳水力负荷0 2 m 3 l n 2 d 下，人工湿地进水c o d 为1 8 0 m g l ，出水浓度为 2 9 5 2 3 5 1 m g l ，平均去除率为8 0 5 8 3 6 ；进水氨氮浓度为2 5 m g l ，出水氨氮 浓度为6 6 2 7 4 m g l ，平均去除率为7 0 4 3 7 3 5 3 ；进水t p 浓度为2 8 m g l ， 出水总磷浓度为o 4 l 0 6 6 m g l ，平均去除率为7 6 5 8 8 5 4 5 。 3 ) 通过测定，芦苇和香蒲吸收氮的量为1 0 3 5 蚝，本实验证明了植物吸收氮的 量有限。 4 ) 通过测定，芦苇和香蒲吸收磷的量为o 1 7 2 蚝，本实验证明了植物吸收磷得 量是有限。 5 ) 从实验数据可以看出，香蒲+ 砾石+ 石灰石组合的人工湿地对c o d 有机污染 物的去除效果要比芦苇+ 砾石+ 石灰石组合的人工湿地要好；不论是香蒲地还是芦苇 湿地，砾石+ 石灰石填料组合对总磷的去除效果要比黄砂+ 石灰石组合的好，说明碳 酸钙类的填料在除磷方面有一定的优势。 关键词：潜流人工湿地，生活污水，水力条件，香蒲，芦苇 a b s t r a c t a sae c o l o 西c a l仃e a t m e n t妣l l i l o i o g ) r ，c 0 i l s 仃u c t e dw 吼l a i l d s y s t e m h a s m a l l y a d v 撇g e s ，l i k el l i 曲仃e a t i i l e me m c i e n c y 1 0 wi n v e s t i l l e n t ，c h e a po p e 枷o n a lf e e ，l o w e n e 嘲，、7 l ，i l d f i e l do fa p p l i c a t i o n 觚ds oo n h o 、e v e r t 1 1 e r ei sl a c ko fu 1 1 i f b 皿d e s i 舻 p 黜锄e t e r s 觚dm e t h o d st 0 b u i l dc o n s n l l c t e dw e t l a i l da t p r e s e n t t h e r e f o r e ，t l l e c o n s 仃u c t i o no fc o n s 仃1 u c t e dw e n 锄dw i l lu s l i a l l ye x p a i l dm es c a l eo fc o n s t r u c t i o na r e rt h e s u c c e s s m lo fe x p e r i m e m d r a 、析n gl e s s o 璐舶me x i s t i n g 曲o r ya n dd e s i g l l m i e 锄i c l ea d o p t ss u b s u r l 沁e c o n s 咖c t e dw e n 跹d 砌吐o ，l l si l i 曲p r o c e s s i n ge m c i e n c y ，锄dd e s i 鲥n gap i l o tp r o j e c t t 0 仃e a t l ed o m e s t i cs e w a g eo ft l l er e g i o nr e s i d e m i a la r e ai i lo r d c rt 0a c c 啪u l a t et h ed e s i 舯 p a r 觚l e t e r s 锄de x p e r i e n c ef o rs uq i a l ld i s t r i c t t h em a i l lc o n t e n to ft h i ss 仉【d yi n c l u d e s ： 1 ) c o 瓶m i n gb e s th y d r a u l i cl o a d i n g 锄dr e s i d e n c et i m e ； 2 ) c o n 丘肌i n gb e s tc o m b i l l a ：t i o no fs t u f f i n ga n dp l a m ； 3 ) m es t u d yo nr e m o v a lo fi l i 仃0 9 e n 锄dp h o s p h o m s 1 f 1 1 et e s tr e s u l ti n d i c a t e d s i a t ： 1 ) t h eb e s th y d r a u l i cl o a di so 2 m j m 2 db yc o m p a r i n gt h ee x p e r i m e mr e s u h s 2 ) u n d e rm eb e s th y d r a u l i cl o a do 2 m j m z d ，i 1 1m ec o n s t m c t e dw e t l a n ds y s t e m ，m e i n n u e n tc o dc o n c e 帅a t i o ni s 18 0m g l ，n l ee m u e n tc o dc o n c e n 仃a t i o ni s2 9 5 2 3 5 1 m g l ，s o t l l e a v e r a g er e m 0 v a l r a t ei s 8 0 5 8 3 6 ；m e 硼u e n tl l i t r o g e n c o n c e n 仃a t i o ni s2 5m g l ，龀e m u e n ti l i 仃o g e nc o n c e n 仃a t i o ni s6 6 2 7 4 m g l ，s om e a v e r a g e1 1 i 仃i ) g e n 托m o v a lr a t ei s7 0 4 3 7 3 5 3 ；t h ei n f l u e n tt p c o n c e m r a t i o ni s2 8 m g l ，t h ee m u e mt pc o n c e n 廿而o ni s0 4l o 6 6 m g l ，s ot h ea v e r a g et pr e m o v a lr a t ei s 7 6 5 8 8 5 4 5 ； 3 ) b yd e t e m i n a t i o n ，她a b s o r b e dm 仃0 9 e n 锄。眦to f b u l r u s h 锄dc a t s 蚵li slo 3 5 埏，t l l i ss t u d yp r 0 v e sn l a tt l l ea b s o r b e d1 1 i 仃o g e n 锄。眦to fp l a n ti sn o tm u c h 4 ) b yd e t e n n i n a t i o n ，t l l ea b s o r b e dp h o s p h o m s 锄o u mo fb u l n l s ha n dc a t s t a i li s o 17 2 蝇，t t l i ss t u d yp r 0 v e st l l a tm i ea b s o r b e dp h o s p h o m s 锄。吼to fp l a l l ti sa l s on o tm u c h 5 ) b ye x p 耐m e n t 心s u k 廿1 ec o dr c m o v a le 伍c i e n c yo fm ec o m b i n i n g 蚰i to f c a t s - t a i 1 + g r 蔚l + l i i i l e s t o n ei sb e t t e rt l l 觚t 1 1 ec o m b i l l i n gi l i l i to fb u l n l s h + 笋a i l + l i m e s t o n e ； 锄d 、i t h o u tr c f e r e n c e 如c a t s - t a i l0 rb u l m s hc o n s 们j c t e dw e t l a n d ，t ：h et pr e m o v a l e 伍c i e n c yo fm ec o m b 硒n gu 血o f 鲥l + l i m e 渤i sb e 讹rt h a nt h ec o m b i n i n gu 疵o f s a n d + l i m e s t o n e ，w t l i c he x p l a i nm e 托i sa d w m t a g eo fc a l c i u mc a r b o m i t e ! f i l l i n gc o m b i l l i n g u i l i tt 0r e 曩n o v ep h o s p h o r u s n k e ”岫r d ：s u b 鲫娟童c l ec o l l s 仇l c t e dw b t l a n d ，d o m e s t i c 、张g e ，h y d 瑚毗l i cc o n d i t i o 玛 b u l r 吣h ，c a t s - t a i l l 文献综述 1 1 农村生活污水以及危害分析 农村生活污水主要来源于农家的厕所冲洗水、厨房废水、洗涤排水及其他，特点 有：分散、面广；量大。根据2 0 0 6 年环保总局的数据，农村地区生活污水排放 量为8 0 亿吨【l 】：废水中含有大量的有机物、无机物、微生物。由于微生物对有机 污染物有分解作用，因而污水不稳定、易腐烂；含有多种病原体。农村生活污水已 成为农村主要面源污染之一，影响了农村经济的发展和新农村的建设，也对农民的生 活与身体健康产生影响，因此应引起重视并采取有效的治理措施进行处理。 1 2 农村生活污水治理的措施 1 2 1 集中收集、集中处理措施 污水处理厂集中处理。经济条件好或靠近城市且居住集中的农村地区可以选择集 中收集、集中处理的措施。如山东威海市环翠区已建有完善的农村污水管网，温泉、 草庙子两个镇生活污水全部汇入威海市第二污水处理厂进行处理达标后排放。江苏的 江阴为加大农村环境综合整治力度，实现“农业向集约化集中、农民向集镇集中、污 水集中处理”的目标，从2 0 0 3 年开始，江阴市广大村镇相继建起了多座万吨的污水处 理厂，改善了广大农村的水环境质量。污水处理厂集中处理需要投巨资，目前只有城 市化规划中的农村或经济条件好的农村地区能实现。 1 2 2 集成化污水处理措施 集成化污水处理装置有很多类型，处理装置一般采用的工艺有预处理( 如厌氧滤 池) 与好氧生化( 如接触曝气池、生物滤池或移动床接触滤池) ，有的还设计有深度 处理部分，如消毒、膜技术等。 在日本应用较多的g a p p e i s h o r i 净化槽【2 l 是集预处理、二级处理及深度处理于一 体的小型污水净化装置，其处理工艺流程如图1 2 2 1 所示。净化槽具有占地小，处 理效果稳定，操作管理方便等特点，在日本主要应用在缺乏排水系统的边远乡村。对 此类净化设施进行消化、吸收、改进后，可以用于我国经济水平较高、污水处理要求 较高的农村地区污水处理。 生活污水 图i 2 2 1g a p p e i - s h o r i 小型污水净化槽处理工艺流程 生物接触氧化技术在国内应用较多，东莞珠江花园、盐城毓龙小区、山西五阳煤 矿工人新村污水治理工程以及北京西客站建筑中水工程都有利用【3 l ；河海大学研究和 使用的滤床技术，适应于处理2 0 0 户左右的集中的污水处理 4 】：水解酸化上向流曝气 生物滤池工艺处理适合于小城镇污水的集中【5 1 ；m b r 工艺由膜分离和生物处理组合， 是一种新型、高效的污水处理工艺，在北京密云、怀柔等水源保护区附近的农村已经 使用，运行效果良好【2 j 。 1 2 3 土地处理系统 污水的土地处理系统应用较多的有慢速渗滤、快速渗滤、地下渗滤等形式，一般 与氧化塘结合在一起使用。地质条件合适、土地资源丰富的农村地区可以选择以上适 合于当地的土地处理系统。 1 2 3 1 慢速渗滤土地处理系统【o j 慢速渗滤土地处理是将污水有效地投配到土壤或种有植物的土壤表面，污水在流 经土壤表面及土壤植物系统内部时垂直渗滤并得到净化的土地处理系统。具体表现 在：能充分利用水肥资源，提高作物产量；最大限度的减轻污水直接排入水体；防止 对地下水等次生污染。在实际设计中，慢速渗滤工艺可划分为水处理型、利用型两种。 在干旱、半干旱地区可推广水利用型慢渗土地处理。水处理型慢速渗滤土地处理系统 应用的实例有沈阳西部滞洪区7 0 0 h m z 污水慢速渗滤土地处理系统【4 1 ，此措施的处理 主系统为水稻田，调荆系统为耐污耐湿的紫穗槐及垂柳林地，辅助系统包括预处理池、 上水沟、渗水沟等。该系统对c o d 、b o d 5 的去除率分别为8 6 9 、9 7 。 1 2 3 2 快速渗滤处理措施1 6 l 快速渗滤系统具有较高的水力负荷，对生活污水具有较好的净化效果。如北京昌 平区使用的快速渗滤处理系统由预处理池、渗滤池、集排水系统、贮存塘等部分组成。 系统对c o d 、b o d 5 、s s 的去除率分别为9 1 9 、9 5 3 、9 8 【4 j 。快速渗滤土地处 理系统是一种高效、低耗、经济的污水处理与再生方法，适用于渗透性良好的土壤， 如砂土、砾石性砂、砂质砂土等，在条件适合的农村地区可以采用。 1 2 3 3 地下渗滤处理措施1 6 l f 其工作机理为经过化粪池或水解酸化池预处理后的污水有控制地通入设于地下 的渗滤沟，在土壤的渗滤作用和毛细管作用下，污水向四周扩散，通过过滤、沉淀、 吸附和在微生物作用下的降解作用，使污水得到净化。其中毛管渗滤土地处理技术是 一种较有代表性的污水地下渗滤处理系统n 在我国的北京、上海、辽宁、贵外i 、浙 江、福建等地均已有成功应用的实例。其污水净化的主要过程有：毛细管虹吸及吸附。 通过土壤的毛细管现象及表面张力原理，将水与污染物中的胶体部分、溶解部分分离 开来；微生物代谢和有机物的分解。土壤中含有的好氧性、厌氧性微生物能对污水中 的悬浮固体、胶体性、溶解性污染物进行生物降解；植物的吸收净化。 土地处理系统虽然对处理污水有一定的效果，但措施占地大、处理效果不稳定； 都需要设置悬浮物预处理系统，否则渗滤部分因为污泥的淤塞降低处理效率，甚至造 成系统瘫痪；慢速渗滤土地处理系统还受季节的限制。 1 2 4 综合利用措施 沼气技术。将沼气技术与农业生产技术结合起来，能治理多种污水，并产生经济 效益与环境效益、社会效益。如北方寒带地区的沼气池、猪禽舍、厕所和日光温室组 合的四位一体的庭院经济模式。如西北贫水地区以沼气池、果园、暖圈、蓄水窖和看 营房组合的“五配套”系统模式。沼气技术能对污水进行处理和利用，沼液、沼渣能 实现循环使用，是当前处理农村生活污水的最佳选择之一。为适应新农村的发展，沼 气技术与运行中的服务措施需要进一步创新、完善与改进。 生态厕所。生态厕所【4 1 最早见于日本，是在不用水冲的前提下，内填木屑作为载 体，并辅以较小的动力搅拌，通过有氧微生物的发酵，将排泄物转化为无臭味的气体 和干燥的有机肥。该工艺具有免水冲、无公害、无污染、无臭味、有机肥可以回用的 优点。适合新农村集中小区粪尿的处理以及偏远农村地区家庭的改厕使用。 沼气人工湿地生活污水处理技术【1 0 l 。沼气段为确保发酵充分，一般采用两级发酵 方式，其中一级厌氧发酵池水力停留时间为2 6 h ，二级厌氧发酵池( 生物挂膜) 水力 停留时间为2 4 h 。人工湿地床形式可以采用4 5 级串联的垂直流湿地床，也可采用 垂直流湿地床与水平流湿地床组合形式。两级厌氧发酵对废水有机物能有效的去除， 同时兼有沉淀预处理的功能，而对氨氮和磷的去除差一些。人工湿地去除氨氮和磷的 效果好，而对进水要求比较高，必须有前处理去除生活污水中大颗粒杂质。该工艺克 服了沼气与人工湿地的各自缺点，是新农村建设中污水治理较佳的方案，目前在江苏 3 的很多地方试点。 1 2 5 湿地处理系统 1 2 5 1 自然湿地处理系统 以芦苇自然湿地处理床处理生活污水最为典型。一般由预处理系统、集水与布水 系统、芦苇地处理床系统组成。芦苇处理床在天津已有应用，对c o d ，总氮，总磷 有较高的去除率【4 1 。但自然湿地处理系统占地面积大，不适合土地缺乏的农村地区。 1 2 5 2 人工湿地 人工湿地由介质( 土壤、碎石、砾石、煤块、细沙、粗砂、煤渣、多孔介质( l e c a ) 、 硅灰石和工业废弃物中的一种或几种组合的混合物) 和地表植物( 芦苇、茭草、菖蒲 等) 组成【5 1 ，是一种独特的“土壤植物一微生物”生态系统。当污水沿一定方向流过人 工湿地时，在微生物、土壤和地表植物的联合作用下得到净化。根据污水流动方式可 以划分为自由表面流型和潜流型人工湿地。目前使用和研究较多的主要为潜流型人工 湿地。 潜流型人工湿地的工艺原理为：在填料床表层面上栽种耐水、且根系发达的植物， 污水经格栅池、沉淀池预处理后进入湿地床，以潜流方式流过滤料，污水中有机质被 碎石滤料和植物根系拦截吸附过滤，和被微生物与植物根营养吸收、分解使污水获得 净化【引。根据污水在湿地中流动的方向不同可将潜流型湿地系统分为水平潜流人工湿 地和垂直潜流人工湿地类型。在国外，潜流型人工湿地除了用于处理城市污水外，还 应用于工业废水、农业面源污染、垃圾渗出液、暴雨径流等多种废水的处理，表现出 良好的净化效果【9 j 。 1 3 人工湿地污水处理技术概述 1 3 1 人工湿地的起源 湿地是介于陆地和水生环境之间的过渡带，具有多功能和使用价值的生态系统。 1 9 7 1 年拉姆萨尔国际湿地保护公约将湿地定义为：“湿地系指不论其为天然或人工、 常久或暂时的沼泽地、泥炭地或水域地带，带有或静止或流动，或淡水、半咸水或咸 水水体者，包括低潮时水深不超过6 m 的水域【l 。”它在蓄洪防旱、调节气候、控制土 壤侵蚀、降解环境污染物等方面起着极其重要的作用，被称为地球之“肾”1 1 2 1 。 人工湿地( c o 枷t e dw 砍l 锄d ) 则是一种由人工建造和监督控制的、与沼泽地类 似的湿地系统，它是利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，来实 4 现污水净化的一种新型污水生态处理工艺【1 3 】。 2 0 世纪7 0 年代德国学者k i c h u t h 提出了根区法( t h er 0 0 t - z o n e m e t l l o d ) 理论，人们 才真正开始有目的、有意识地利用人工湿地处理污水。7 0 年代的湿地污水处理系统大 多利用原有的天然湿地，保持了天然湿地的结构。它们大多以泥泽的形式出现，常被 结合到氧化塘工艺中，以提高氧化塘系统的处理效果。实验发现应用天然湿地系统处 理污水会导致系统种类组成、种群结构、功能及湿地总体价值的显著变化。这种湿地 不影响自然湿地价值，且可对处理工艺优化控制，是一种具有巨大应用潜力的污水处 理工艺。 。 8 0 年代后，人工湿地则发展到人工建造的、以不同粒径的砂石为基质的处理系统， 并由试验阶段进入应用阶段。1 9 8 5 年以来，美国田纳西河流域管理局在美国东南部建 造了一系列的人工湿地以处理流域内的污水【1 4 1 。 国际上，就人工湿地污水处理系统这种新的污水处理工艺，先后在美国田纳西州 ( 1 9 8 8 年) 和英国剑桥( 1 9 9 0 年) 召开了研讨会，总结了各国人工湿地处理污水的经验， 提出了有关机理及一些可供参考的设计规范和数据，标志着人工湿地系统作为一种独 具特色的污水处理技术正式进入了环境科学技术领域【1 5 1 【1 6 1 【1 7 1 。 1 3 2 人工湿地的分类 人工湿地根据湿地中主要植物形式可以分为：浮生植物系统；挺水植物系统；沉 水植物系统；沉水植物系统还处于实验室阶段，其主要应用领域在于初级处理和二级 处理后的深度处理浮生植物系统，主要用于n 、p 去除和提高传统稳定塘效率。人工 湿地按废水湿地床中的不同流动方式可分为三类，即地表流湿地( s u r f - a c ef l o w w e t l a n d ，s f w ) 、潜流湿地( s u b s u r 舭ef l o ww e t i 舢d ，s s f w ) 和垂直流湿地( v e r t i c a l f l o w 、t l a n d ， v f 、7 l ，) 【1 4 1 。 s f w 系统中，废水在湿地的土壤表层流动，水深较浅( 一般在0 1 o 6 m ) 。与s s f w 系统相比，其优点是投资省，缺点是负荷低。北方地区冬季表面会结冰，夏季会滋生 蚊蝇、散发臭味，目前较少采用。s s f w 系统是污水在湿地床的内部流动，因而一方 面可以充分利用填料表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表土层和填料截留等的作 用，以提高其处理效果和处理能力；另一方面则由于水流在地表以下流动，故具有保 温性较好、处理效果受气候影响小、卫生条件较好的特点。它在污水处理中得到了广 泛的应用【15 】【1 6 】【1 7 】。目前国际上采用的比较多是这种工艺【1 9 1 【2 伽，但该系统的投资要略 高一些。v f w 系统是综合了s f w 和s s f w 的特性，水流在填料床中基本上呈由上向下 的垂直流，水流流经床体后被铺设在出水端底部的集水管收集而排出处理系统。目前 这种系统由于处理效率高，有较多的采用。 5 塞越绽述 程亟堂僮途塞 1 3 2 1 水平潜流湿地系统 水平潜流人工湿地因污水从一端水平流过填料床而得名。它由一个或几个填料床 组成，床体充填基质。与自由表面流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的水力负荷和 污染负荷大，对b o d ，c o d ，s s ，重金属等污染指标的去除效果好，且很少有恶臭 和孳生蚊蝇现象，是日前国际上较多研究和应用的一种湿地处理系统。它的缺点是控 制相对复杂，脱氮、除磷的效果不如垂直流人工湿地。 1 3 2 2 垂直潜流湿地系统 在垂直潜流人工湿地中污水从湿地表面纵向流向填料床的底部，床体处于不饱和 状态，氧可通过大气扩散和植物传输进人人工湿地系统该系统的硝化能力高于水平 潜流湿地，可用于处理氨氮含量较高的污水。其缺点是对有机物的去除能力不如水平 潜流人工湿地系统落千淹水时间较长，控制相对复杂。 1 3 3 人工湿地的构造 湿地系统是在有一定长宽比和底面坡度的洼地中，由土壤和填料( 如砾石等) 混 合组成的填料床。废水在床体的填料缝隙中流动或床体表面流动，并在床体表面种植 具有性能好、成活率高、抗水性强、生命周期长、美观及具有经济价值的水生植物( 如 芦苇、蒲草等) ，形成一个独特的动植物生态系统，对废水进行处理【1 9 l 。 绝大多数自然和人工湿地由以下五部分的全部或部分组成：具有各种透水性 的基质；适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物；水体( 在基质表面以下或以 上流动的水) ；好氧、兼氧或厌氧微生物；其他水生动物。 1 3 4 人工湿地的特点 人工湿地处理污水具有效率高、投资、运行及维护费用低、适用面广、耐冲击负 荷强等优点。 1 ) 去除效率高 人工湿地的显著特点之一是其对有机物有较强的降解能力。国内外有关城市污水 的研究表明，在进水浓度较低的条件下，人工湿地对b o d 5 的去除率可达8 5 9 5 ， c o d 的去除可达8 0 以上，处理出水中b o d 5 的浓度在1 0 m g l 左右，s s 小于2 0 m g ，l 湿 地对n ，p 去除率也很高，可分别达到6 0 和9 0 以上。而城市二级污水处理厂刺n ， p 的去除率仅能达到达2 0 6 0 。 2 ) 投资、运行及维护费用低 据国外统计，一般湿地系统的投资和运行费用仅为传统的二级污水厂的1 1 0 6 1 2 。人工湿地与其他工艺比较见表1 3 4 1 。对我国已建成或正在建的常规生化二级 处理厂投资进行分析，也表明人工湿地的投资远远低于常规二级水处理设施。 表1 3 4 1 人工湿地与其他工艺比较表 从表1 1 中可以看出人工湿地吨水处理费用仅为相近地区的鼓风曝气型项目投资 的1 6 ( 珠海) 2 0 ( 深圳) ，为同一地区氧化沟方法投资的3 4 。由于人工湿地基本 上不需要机电设备，故维护上只是清理渠道及管理作物，般农民完全可以承担，只 需个别专业人员定期检查。实践证明，低投资、低运行费用和低维护技术将使广大中 小城镇采用人工湿地处理污水成为可能。 3 ) 适用面广 人工湿地适用面广泛，不仅可以用于以脱氮除磷为主要目的的三级处理，还可以 直接用于污水的二级处理；不仅可以处理以耗氧有机物和n ，p 等营养物为主的生活 污水，而且可以处理以耗氧有机物、重金属和油类为主的工业废水【2 0 】，不仅可以应用 于集中点源的治理，还被国内外许多研究人员或工程技术人员经过工艺改造后用于农 业面源污染、城市或公路径流，等非点源污染的治理。 4 ) 耐冲击负荷强 据研究，采用人工湿地处理污水出水水质稳定，无论是对有机污染负荷还是对水 力负荷在一定范围内的波动都有很好的适应性。而且，其本身具有很好的扩充性，因 此容易适应未来不确定的负荷增长瞄】。 5 ) 综合效益高 人工湿地污水净化工艺能充分地利用大自然的大型植物及其基质的自然净化能 力净化污水，并在净化污水的过程中促进大型动植物生长，增加绿化和野生动物栖息 的面积，有利于促进良性生态环境的建设。此外，还可直接和间接提供水产、畜产、 造纸原料、建材、娱乐和教育等效益，真正实现生态效益、环境效益、社会效益和经 济效益的协调统一【2 3 j 。 人工湿地污水处理技术优点很多，但其缺点同样突出，主要表现在以下几个方面： 占地面积大；缺乏长期运行资料；设计参数不统一、差异较大；生物和 水力复杂性及对重要工艺动力学理解的缺乏：易受病虫害和气候条件的影响。 7 塞越绽述兰程亟堂僮诠室 1 4 人工湿地污水处理技术的应用及研究进展 1 4 1 国外人工湿地技术应用及研究进展 1 4 1 1 国外人工湿地技术应用现状 由于人工湿地在水处理方面具有突出的优点，因此，从它诞生不久，就显示出强 大的生命力，在世界范围内得到广泛的应用。 表1 4 1 1 1 列出了国外人工湿地处理废水典型实例。由表可以看出，人工湿地的 应用非常灵活，面积从数平方米到数公顷不等，既可以用于处理单家独户的生活污水， 也可以用于处理整个小城镇或社区的市政综合废水。除了用于处理生活污水或二级污 水厂出水外，还被广泛用于处理工业废水，如矿山酸性废水、淀粉工业废水、制糖废 水、褐煤热解废水、炼油废水、油田采出水、造纸废水、食品加工和奶制品加工废水 等以金属离子、b o d 5 、c o d 和油为主要特征的废水。 8 废水类别 表1 4 1 1 1 国外人工湿地处理废水典型实例 ，。、。，。 进水量面积 停留时间 b o d 5 ( m g l ) c o d ( n 虮) m + - n ( m l ) 1 n ( m g l ) t p ( m g l ) 国别湿地类型 、。 、。7、。7”。 m dm z d 进水出水进水出水进水出水 进水出水进水出水 生活污水 南非地下潜流 5 0 02 5 0 0 3 5 8 82 58 51 7 生活污水巴西复合垂直流7 88 8 22 6 2 4 61 2 4 肉类加工废水新两兰地下潜流0 65 43 8 2 3 97 2 1 2 21 0 21 3 31 0 51 7 1 3 牛奶加工废水英国地下潜流 2 6 5 2 5 0 1 9 96 0 酿酒废水 美国地下潜流 0 51 4 9 1 0 2 0 4 02 1 牛奶加工废水加拿大自由表面流o 75 7 6 3 3 1 0 2 8 02 7 5 7 1 9o 9 1 9 u a s b 出水巴西地下潜流6 04 00 1 2 5 - 0 2 5 - 3 0 4 5 2 6 44 6 61 4 3 7 8 6 7 40 7 4 - 4 3 煤堆渗滤液美国自由表面流 4 8 0 0 化粪池污水泰国垂直流 7 5 1 8 0 0 08 1 03 4 01 0 0 氧化沟出水 美国地下潜流 8 0 9 3 8 9 1 0l542 8 72 4 5 4 22 3 市政污水 美国地f 潜流 7 8 6 56 1 5 6 0 l2 51 0 0 7l o 市政污水 美国地下潜流 5 5 6 4 1 8 4 6 80 74 ll o7 95 3 1 42 1 34 市政污水美国自由表面流3 7 l o9 0 0 0 0 75 06 5 2 2 2 58 5 9 室趑绽述 王程亟堂僮论塞 1 4 1 2 国外人工湿地技术发展趋势 1 ) 开发人工湿地数据库和设计指南 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各 地变化很大，人工湿地很难有统一的设计和运行参数。为此，美国环保局正在着力开 发北美人工湿地数据库和地方数据库。为减少重复劳动和改良经验湿地设计方法，所 有这些数据都应通过公共数据库使世界各地的工程师和科技人员能够获得。这样的数 据库将是非常有用的工具，它可尽量减少建设低效湿地的风险。此外，出版发行了一 些有关湿地的设计导则和指南。 2 ) 改良人工湿地技术 目前世界上人们正在投入大量精力以改良人工湿地技术，将一些传统污水处理技 术引入人工湿地。如北美湿地工程公司借鉴污泥回流技术和鼓风曝气开发了循环流湿 地工艺和通风强化床工艺。这些工艺目前已被成功应用于数年前被认为气候太冷和污 水浓度太高，而不适宜采用人工湿地处理污水的地区，除了对现有的人工湿地系统进 行研究以改良和优化工程设计参数外，对系统的长期运行能力和管理问题也正在得到 深入研究。例如，选择适当的操作方式，防止填料的堵塞；选择新型的填料，确保长 期的除磷效果；选择新型的水生植物，提高湿地系统的综合效益等。 3 ) 进一步研究人工湿地污水处理机理 人工湿地处理技术由于涉及机理的复杂性和涉及领域的广泛性，虽然有些机理研 究己经得到初步的认可，但仍有许多问题需要进一步的研究。目前，各种污染物的去 除反应动力学模型仍未完整地被建立起来，现有的模型基本为一些经验模型，无法得 到广泛的应用。 4 ) 改良人工湿地技术 目前世界上人们正在投入大量精力以改良人工湿地技术，将一些传统污水处理技 术引入人工湿地。如北美湿地工程公司( n a w e ) 借鉴污泥回流技术和鼓风曝气开发了 循环流湿地工艺( u sp 纳e m5 ，8 6 3 ，4 3 3 ) 和通风强化床工艺spa t i e n t 6 ，2 0 0 ，4 6 9 ) 。这些工 艺目前已被成功应用于数年前被认为气候太冷和污水浓度太高，而不适宜采用人工湿 地处理污水的地区，除了对现有的人工湿地系统进行研究以改良和优化工程设计参数 外，对系统的长期运行能力和管理问题也正在得到深入研究。例如，选择适当的操作 方式，防止填料的堵塞；选择新型的填料，确保长期的除磷效果；选择新型的水生植 物，提高湿地系统的综合效益等。 i o 工程亟堂位论奎 虐目溢流式厶：e 湿地处理盔挝生活冱丞的班究 1 4 2 国内人工湿地技术应用及研究进展 1 4 2 1 国内人工湿地技术研究应用现状 1 ) 国内人工湿地技术研究的开始 我国人工湿地废水处理技术在我国发展得较晚，“七五”期间才开始人工湿地的研 究，目前仍处于起步阶段。首例采用人工湿地的研究工作始于1 9 8 8 1 9 9 0 年在北京昌 平进行的自由表面流人工湿地。该湿地处理量为5 0 0 m 3 d 的生活污水和工业废水，占 地2 l l a ，水力负荷4 7 c m d ，h i m 3 d ，b o d 5 负荷5 9 蚝b o d 5 ( 1 l a d ) 。其去除效果见表 1 4 2 1 1 。 麦1 4 2 1 二!北京昌平人工湿地污水处效果( m g l ) 1 9 9 0 年，华南环境科研所在深圳白泥坑建立了我国第一座实用型人工湿地污水 处理装置。该湿地原设计处理水量3 1 0 0 i n 3 d ，后因城市污水量增加4 5 0 0 m 3 d ，故又 增加一套生物滤池前处理系统，污水先进入生物滤池以后再进入人工湿地系统。白泥 坑人工湿地处理场占地8 4 0 0 m 2 ，实际使用面积4 9 7 3m 2 。1 9 9 3 年年平均进水b o d 5 为7 1 2 m g l ，c o d 为1 4 0 o m g l ，s s 为9 9 4 m g l ；经人工湿地处理后，出水b o d 5 为7 l m g l ，c o d 为4 0 6 m g l ，s s 为1 1 8 m g l ，达到了很好的处理效果【2 4 1 。经过多 年的运行，目前湿地床己发生堵塞，部分湿地床由潜流变成了表面流，出水水质浑浊， 系统的处理能力己经很差。 1 9 8 9 1 9 9 0 年，天津环保科研所建立1 1 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间的 规律进行探索结果发现，出水优于二级处理标准，有较高且稳定的脱氮除磷效果， 季节性差异较小【2 5 】。 2 ) 净化机理的研究 8 0 年代末9 0 年代初人工湿地的成功建设和运行，吸引了国内越来越多的研究人 员和工程技术人员的关注，有关人员开始投入了大量的精力对人工湿地的处理机理进 行进一步的研究。 李科德等采用人工模拟芦苇床进行处理生活污水试验研究，结果发现：芦苇根际 具有较高的氧化还原电势，为好氧微生物的活动创造了有利条件。芦苇床内根系微生 物数量与污染物去除率之间有明显相关性。芦苇床的优势菌属为：假单胞菌属、产碱 塞筮绫述 工程亟堂僮论室 杆菌属、黄杆菌属，原生动物以肾形虫居多脚l 。 张鸿等研究了凤眼莲、水芹人工湿地氮、磷净化率与有关细菌空间分布的关系。 结果表明：人工湿地中，植物除本身可以直接吸收含氮、磷化合物外，其根系分泌物 可促进某些嗜磷、氮细菌的生长，促进氮和磷释放、转化，从而间接提高净化率。在 除氮机理中，植物起主导作用，而在磷的净化过程中，细菌是一个限制性因子【2 7 1 。 付贵萍等人采用一种新型的复合垂直流湿地系统( i v c m ，对其反应动力学和系 统的流态进行了研究。经过中试试验，得到了系统对c o d 去除的反应速率方程，由 示踪剂试验确定了系统中水流的停留时间分布( i 盯d ) ，提出r t d 的不同是湿地处理效 率差异的主要原因。运用串联反应器模型和离散流模型两种模型模拟c w 的水流 状态，经过比较发现离散流模型模拟的效果较好【2 8 】。 3 ) 人工湿地在我国的应用 除了对机理进行研究外，有关研究和工程技术人员还建设了许多人工湿地工程直 接应用于废水处理，表1 4 2 1 2 列出了部分人工湿地工程在我国的应用情况。 1 2 表1 4 2 1 2人工湿地在我国的应用实例 1 3 塞趑绽述 工程亟堂僮途塞 从表1 4 2 1 2 中可以看出，在我国的南方和北方均有一定数量的人工湿地被投入 研究和应用。在这些系统中，除了用于处理耗氧有机物和n 、p 等营养物为主的生活 污水外，逐渐扩大到各种各样的以有机物、重金属、油类为主要污染物的工业废水， 如处理矿山废水【2 们、油田采出水【3 0 】【3 1 1 、造纸废水【3 2 1 、乳制品废水【3 3 1 、炸药废水刚、 炼油废水【3 5 l 、畜牧废水【2 1 l 等。除了用于集中点源治理外，还被用于以n 和p 等营养 物为主的农业非点源的治理【3 8 l 【3 9 l 。其处理对象除了b o d 5 、c o d 、n 、p 、重金属和 油类外，还包括藻类【3 6 1 、藻毒素鲫、非离子表面活性剂【3 8 1 等。这些人工湿地都取得 了良好的处理效果，为我国的环境保护发挥了重要的作用。 1 4 2 2 我国人工湿地技术的应用前景 目前，我国绝大部分城市污水处理采用活性污泥法或生物膜法处理工艺。这些工 艺投资高，能耗大，运行管理要求高，对控制大城市的水污染起到了关键作用。然而 由于我国经济发展水平不高、能源短缺，许多地方，尤其中小城市和乡村缺乏具有一 定操作管理和技术水平的人员同时，我国的乡镇企业发展迅猛，对当地造成了严重 的环境污染。因此，在我国大力开发具有高效、简易、低耗的污水处理技术，具有很 大的意义。 人工湿地系统足一个完整的生态系统。它形成了内部的良好循环并具有较好的生 态效益和经济效益，是正在不断得到研究应用和发展的污水处理实用新技术，具有效 率高、投资、运行及维护费用低、适用面广、耐冲击负荷强等优点。这项技术适合我 国国情，尤其适合广大农村、中小城市的污水处理和非点源治理，具有极其广阔的应 用前景。 1 5 研究目的 基于人工湿地用于污水处理己经在世界范围内广泛应用，尤其在控制面源污染方 面有其独到之处，但该项技术在我国还处于起步阶段。同时，目前农村地区正在进行 环境综合整治，由于居民生活污水对环境造成的不利影响，生活污水的处理与处置是 莺点。 由于农村地区的特殊性，因此需要选择工艺合理、经济合适的处理工艺和措施。 目前农村地区也有关于人工湿地处理工艺的报道，通过目前已有的设计参数，在农村 地区的居民小区设计中试规模的潜流人工湿地系统来处理生活污水，确定和验证设计 参数，为今后人工湿地处理用于农村生活污水处理工程积累设计参数与设计经验，提 供技术支持。 1 4 _ 王捏亟堂位i 金室廑用渣速式厶壑丝处理壅挝生活冱丞的班究 1 6 主要研究内容 本试验拟从4 个方面着手进行： 1 ) 按照填料和植物的不同组合设计处理工程，通过工程的运行来确定处理生活污 水潜流人工湿地的填料和植物的最佳组合； 在水力负荷、停留时间和温度相同的条件下，采用对比试验方法，考察进、出水 的水质指标，从四种填料( 沸石、砾石、以及沸石+ 石灰石、砾石+ 石灰石) 和两种 植物( 芦苇、香蒲) 组成的四种组合中找出c o d 、氮磷综合去除效果最佳的组合。 2 ) 工程设计使用的水力负荷和停留时间参数的验证与确定；探索适宜的水力负 荷和水力停留时间； 最佳填料和植物组合确定以后，通过改变进水进水量和堰口数量获得不同的进水 量分配，考察不同水力负荷和停留时间下的氮、磷和有机物的变化规律，从而确定最 佳的水力负荷和停留时间。 3 ) 沿水流方向不同距离、考察距离的变化对污染物去除的效果： 从预置的采样管取样分析相关水质指标，以考察不同距离对c o d 、氨氮、磷去 除的处理效果。 4 ) 研究潜流人工湿地去除氮、磷的机理，了解营养物经过填料吸附、生物降解 和植物吸收的规律。 试验全过程测定c o d 、n h 3 n 、t p 。 1 5 厶湿地的渔化扭理王程硒堂僮途塞 2 人工湿地的净化机理 2 1 基质在系统中的作用 人工湿地中的基质又称填料、滤料，一般由土壤、细沙、粗砂、砾石、碎瓦片或 灰渣等构成。基质在为植物和微生物提供生长介质的同时，通过沉淀、过滤、吸附、 离子交换和络合反应等物理和化学作用直接去除污染物。自由表面流湿地多以自然土 壤为基质，潜流和垂直流湿地基质的选择因特征污染物的不同而不同，同时也会考虑 便于取材、经济适用等因素。一般来说，采用潜流人工湿地处理以s s ，c o d 和b o d 5 ， 为特征污染物的污水时，根据水力停留时间、占地面积和出水水质等限制因素，可以 选用土壤、细沙、粗砂、砾石、碎瓦片或灰渣中的一种或几种为基质。 人工湿地在净化污水的过程中，磷的去除不是以土壤酶的降解为主，植物通过吸 收而去除的磷含量也很少，磷的去除主要是通过基质对不溶性磷的吸附和沉积作用 【3 i l 【3 9 】。因此，以除p 为目的的人工湿地最好选择飞灰或页岩为基质，其次是铝矾土、 石灰石和膨润土，泡沸石和油页岩对p 的吸附能力较差i l 引。 土壤对重金属有很强的富集作用，土壤胶粒对重金属的吸附是重金属由液相变为 固相的主要途径【1 2 l ，虽然植物对重金属有一定的吸附作用，但湿地系统中的重金属主 要发布在土壤中，占污水加入量的9 0 左右，因此系统对重金属的承受力主要取决于 土壤的环境容量1 4 0 j 1 4 。 2 2 植物在系统中的作用 湿地中生长的植物通常称为湿地植物，包括挺水植物、沉水植物和浮水植物等水 生植物。人工湿地与常规污水处理系统的主要差别之一就是系统中有大型水生植物群 落，没有植物就形成不了湿地系统，也不会有好的去除和净化效果这些水生植物在 污水净化的过程中的作用主要包括以下几个方面： 1 ) 提供氧气 污染物降解所需要的氧气主要来自大气自然复氧和植物输氧。有研究表明，水生 植物的输氧速率远