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人工湿地技术在微污染水体处理中的应用 * 宋嘉骏王全金朱平 华东交通大学土木与建筑学院， 南昌 330013 摘要 结合当前水体污染的形势提出运用人工湿地治理。列举一些运用人工湿地治理微污染水体实例， 比较不同湿地 系统之间的运行参数和处理效果等数据。证实人工湿地技术在对微污染水体的处理中运行效果良好， 并针对性的提 出人工湿地技术的几点改进方向， 对人工湿地的发展进行展望。 关键词 人工湿地; 微污染; 水体处理 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201404004 USE OF AＲTIFICIAL WETLAND TECHNOLOGY IN TＲEATMENT OF MICＲO- POLLUTED WATEＲ Song JiajunWang QuanjinZhu Ping College of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China AbstractThis article proposed the use of artificial wetland treatment combined with the current water pollution situation． It gives some examples of using constructed wetland to treat micro- polluted water，it was also compared the operating parameters and treatment effects of different wetland systems． It was confirmed that artificial wetland technology had good effect in treatment of micro- polluted water． And some improvements of artificial wetland technology，and an outlook was given to the artificial wetland development． Keywordsartificial wetland;micro- pollution;water treatment * 国家自然科学基金项目资助 51169006 ; 江西省自然科学基金项目 资助 2010GZC0021 。 收稿日期 2013 －07 －08 0引言 人工湿地具有缓冲容量大、 处理效果好、 工艺简单、 投资省、 运行费用低等优点。该方法早期主要用于处理 生活污水， 由于其出水水质可达到或超过二级污水处理 标准， 适用面广， 这一技术很快被推广到各种污水的处 理。近年来， 将人工湿地作为生态修复手段用于污水厂 尾水的深度处理、 湖泊周边面源污染的拦截 ［ 1 ］、 初期降 水的预处理等开始逐渐兴起， 并成为 “ 863” 专项的主要 研究和示范内容。本文列举了人工湿地技术对上述特 殊污水的应用， 结合湿地运行参数和处理效果等数据进 行对比分析， 为以后的应用提供参考。 1我国水源微污染现状 微污染水源是指受到有机物污染， 部分水质指标 超过 GB 38382002地表水环境质量标准 Ⅲ类水 体标准的水体 ［2 ］。其成分主要包括有机物 天然有 机物 NOM 和人工合成有机物 SOC 、 氨 水体中 常以有机氮、 氨、 亚硝酸盐和硝酸盐形式存在 、 嗅 味、 三致物质、 铁、 锰等。与普通污水相比， 微污染水 体的有机污染物浓度低， 氮等营养盐浓度相对较 高 ［3 ］ ρ COD 一般为 10 ～ 50 mg/L， ρ TN 为 2 ～ 20 mg/L ， 悬浮态的污染物含量也较高， 质量浓度一 般为 40 ～100 mg/L， 常规水处理工艺很难对微污染 水质进行彻底净化。 根据 2011 年中国环境公报 ［4 ］显示 长江、 黄河、 珠江、 松花江、 淮河、 海河、 辽河、 浙闽片河流、 西南诸 河和内陆诸河十大水系监测的 469 个国控断面中， Ⅰ ～ Ⅲ类、 Ⅳ ～ Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面比例分别为 61. 0、 25. 3和 13. 7。监测的 26 个国控重点湖 泊 水库 中， Ⅰ ～ Ⅲ类、 Ⅳ ～ Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的湖 泊 水库 比例分别为42. 3、 50. 0和7. 7。数据 中可看出， 水质呈微污染状态的水体仍占较大比例， 在当前水资源严重短缺的形势下， 微污染水源水仍将 是重要水源， 根据微污染水的水质特点及供水水质的 41 环境工程 Environmental Engineering 要求， 对微污染水质的水体进行净化的技术研究是一 个重要的水处理研究领域。 2人工湿地技术对微污染水体的处理效果 针对微污染水体污染物浓度低的特点， 常规处 理方法存在处理难度大、 处理成本高的弊端。采用 人工湿地技术， 可有效对微污染水体进行净化， 且 投入、 运行成本低。表 1， 表 2 列举了人工湿地对自 然水体、 校园混合污水、 污水处理厂尾水、 养殖废水 等水体处理的运行参数和净化效果数据， 并进行对 比分析。 表 1人工湿地处理微污染水体的运行参数 Table 1Operating parameters of constructed wetlands for treatment of micro- polluted water 编 号 水源湿地类型填料植物HＲT水力负荷 1镇江古运河［6 ］HF砾石、 黄沙香根草、 风车草、 纸莎草、 美人蕉0. 54 d0. 6 m3/ m2 d 2昆明海河［7 ］接触氧化塘 微曝气 VF 石灰石菖蒲0.53 ～1.58 m3/ m2 d 3西南林业大学生活污水［8 ］SF 氧化塘细沙茭草、 蓖齿眼子菜、 金鱼藻20 h0. 6 m3/ m2 d 4洱源县污水厂尾水［9 ］VF 氧化塘 VF石灰石菖蒲、 黑藻、 金鱼藻、 狐尾藻、 苦草8. 3 d0. 13 m3/ m2 d 5沙田湖养殖废水［10 ］HF SF 氧化塘 HF水葱、 香蒲、 梭鱼草、 菖蒲、 睡莲5 ～6 h0. 04 m3/ m2 d 6深圳田脚河［11 ］HF VF碎石再力花、 芦苇、 荻、 水葱、 美人蕉0. 3 m3/ m2 d 7重庆大学校区杂排水［12 ］接触氧化塘 HF酶促填料芦苇、 美人蕉、 菖蒲、 风车草0.25 ～0.5 m3/ m2 d 8西南林业大学生活污水［13 ］SF水葱、 睡菜、 荇菜20 d 9桂林北冲污水处理厂内［14 ］厌氧塘 IVF碎石、 河沙、 竹炭、 沸石、 WSC［15 ］ 美人蕉、 再力花48 h0. 4 m3/ m2 d 10 江苏苏州西汇河、 马公河 ［ 15 ］ IVF砾石大花美人蕉、 鸳尾、 梭鱼草、 再力 花、 花叶芦竹和灯心草 3. 3 d0. 2 m3/ m2 d 11河北， 黑臭河流［16 ］曝气 微生物 SF芦苇、 水葱、 凤眼莲、 浮萍 12 江西鄱阳湖［17 ］ 三级 SF 氧化塘芦苇、 菖蒲、 茭白 0. 43， 0. 38， 0. 21， 0. 18 m3/ m2 d 13济南玉清湖水库［18 ］SF土壤、 砾石芦苇 注 HF 代表水平潜流湿地; VF 代表垂直潜流湿地; IVF 代表复合垂直潜流湿地; SF 代表水平流湿地。 表 2人工湿地处理微污染水体净化效果 Table 2Effect of purification of constructed wetlands for treatment of micro- polluted water 编号 ρ COD / mg L －1 进水出水 COD 去除 率/ ρ 氨氮 / mg L －1 进水出水 氨氮去 除率/ ρ TN / mg L －1 进水出水 TN 去除 率/ ρ COD / ρ TN 132. 966. 7679. 510. 521. 3886. 913. 071. 63487. 52. 5/1 285. 28. 780. 9189. 612. 67. 4840. 66. 8/1 38928. 6667. 8173. 281. 220. 69. 31154. 84. 3/1 420015. 292. 45. 070. 1497. 2206. 9265. 410/1 514. 889. 7232. 80. 610. 352. 82. 320. 9857. 86. 4/1 6110238. 363. 92710634. 0/1 790 ～15091. 717 ～273. 184. 521 ～358 ～1855. 34. 5/1 82913. 620. 6895. 014. 160. 8893. 82. 0/1 917025. 7512. 352. 231. 11648. 65. 5/1 1016. 8210. 5737. 25. 424. 1622. 78. 055. 729. 22. 1/1 11396 ～61040. 090. 015. 722. 0082. 2 1231. 601553. 70. 770. 3554. 51. 290. 7245. 024. 5/1 1328. 414. 0549. 90. 440. 2348. 53. 501. 6753. 48. 1/1 2. 1对 COD 的去除效果 由表 2 可知 各种微污染水体中 COD 浓度存在 显著差异， 浓度值在很大范围内变化。运用人工湿地 处理后， 各类微污染水体的 COD 浓度均得到有效降 低。对 COD 浓度较高的水体处理后， 该项指标全部 达到城镇污水处理厂排水Ⅰ级 A 标准的要求; 对 COD 浓度不高的水体处理后， 该项指标基本达到地 面水环境质量标准中 Ⅱ～Ⅲ类水体的要求。其中， 处理 沙田湖养殖废水中初始 ρ COD 为 14. 88 mg/L 时， 处 理后出水中 ρ COD降至 9. 72 mg/L， 去除率达 32. 8。表明， 在较低的 COD 浓度时， 人工湿地技术 对微污染水体中 COD 仍能高效去除， 起到净化水质 的作用。对河北黑臭河流进行处理时， 进水 ρ COD 在 396 ～610 mg/L， 出水可保持在 40 mg/L， 去除率达 51 水污染防治 Water Pollution Control 90， 表明人工湿地技术对于 COD 的耐污负荷和抗 冲击能力都有着较好的表现。 2. 2对氮元素的去除效果 由表 2 可知 各种污染水体中普遍存在氮含量 高、 COD 较低的特点， 即废水中 C∶N 的比例远不足 20∶1， 这对去除生物处理系统中氮元素是极其不利 的。采用人工湿地去除微污染水体中的氮元素， 该氮 元素的浓度明显下降， 去除率较高。进水中 ρ TN 在 1. 29 ～ 31. 1 mg/L， 出水浓度可降低至 0. 72 ～ 16 mg/L， 出水中 TN 浓度基本达到Ⅲ类地表水水质 的要求。贾文林 ［18 ］等研究发现， 人工湿地对微污染 水体中 TN 去除率随 COD/TN 的增大而逐渐提高。 NH 4 － N 去除率随着 COD/TN 的增加而降低。COD/ TN 越高， 反硝化过程越彻底， NO － 3 － N 去除也越好。 3人工湿地对微污染水体处理的改进 实际运行中影响人工湿地处理效果的因素较多， 针 对这些方面的研究也较多， 主要体现在以下几个方面 3. 1植物 已有大量研究证明湿地植物具有净化水质的作 用 ［19- 20 ］。不同湿地植物生长速度， 对污染物的吸收 转化能力， 提供氧气能力等存在显著差异， 从而使得 净化功能不同 ［21 ］， 而不同物种或同一物种在不同湿 地环境中净化效果会有较大差异 ［22 ］， 所以选择搭配 多种湿地植物， 有利于植物间的优势互补， 保持对营 养及有机物较好且更稳定的净化效果， 使湿地系统更 稳定的发挥生态功能。已有试验证明， 多种植物组合 合理搭配具有较好的处理效果［22- 23 ］。且沉水植物通 过根部吸收底质中的氮和植物体吸收水中的氮， 从而 比浮叶植物具有更强的富集氮的能力［24 ］。李莎莎 ［7 ］ 等研究表示， 选择合适的植物配置， 增加系统生物多 样性有利于净化效果的提高和稳定。 3. 2微生物 在人工湿地系统净化污水过程中， 基质中微生物 的作用无疑是非常重要的， 它不但促进了湿地生态系 统的全面形成， 同时又在分解有机污染物方面起着积 极作用。可以说微生物的功能对人工湿地的净化效 果具有直接影响， 是湿地生态系统中不可分割的重要 角色 ［25 ］。考虑到微生物在湿地系统中分解污染物的 效率问题， 近几年来， 国内开始借助投加微生物制剂 的方式， 试着调控湿地系统中微生物种群结构模式， 从而提高湿地对污水的适应性， 最终加强湿地系统的 处理效率。具体研究表明， 借助投加微生物制剂的手 段， 林静等 ［26 ］实现了控制微生物数量的目标， 最终提 高了污染物的去除效率。此外， 也有研究表明， 人工 湿地系统中硝化细菌存活数量与污水氨氮的去除率 存在正相关关系。 3. 3水力学条件 作为人工湿地系统能否正常运行的决定性因素， 水力学条件对湿地系统中污水的流速、 流态、 停留时间 等因素构成直接性的影响， 尤其是针对系统中微生物 的生长曲线， 影响更是重大， 这同时也显著影响污水的 处理效果。所以， 选择恰当的水力学条件不但节约土 地， 减少投资成本， 还能缩短施工操作时间。黄余 春 ［ 12 ］等人研究污染物在人工湿地内停留时间与剩余 浓度的关系， 发现污染物在人工湿地中的停留时间越 长越有利于人工湿地对污染物的降解。胡学斌 ［ 11 ］等 人在研究水处理回用景观水时， 在冬季通过降低水力 负荷， 使夏季与冬季的水力负荷比为3∶2， 成功克服了 冬季人工湿地除氮能力下降的缺陷， 使夏冬两季出水 水质基本一致， 达 景观水回用标准 要求。 3. 4溶解氧 DO 浓度 在微污染水体的污染物中， COD 去除主要是植 物根吸收和微生物的代谢作用， 与氧的关系非常密 切 ［26 ］。DO 浓度影响硝化细菌的生长速度即硝化反 应速度。硝化菌为了获得足够的能量用于生长， 必须 氧化大量的 NH 4 或 NO － 2 ， 所以环境中溶解氧浓度的 大小极大地影响硝化菌的生长速率即硝化反应速率。 同时溶解氧对反硝化脱氮有抑制作用。人工湿地在 运行过程中适当的控制 DO 浓度对污染物的降解有 较好的推动作用。Claudiane 等 ［27 ］通过曝气有效提高 了水平流湿地在冬季的脱氮效果。王磊等 ［28 ］通过轮 换曝气使湿地内的溶解氧水平得到明显改善， 同时气 体冲刷作用还可避免悬浮物及脱落的生物膜沉积在 底部而造成堵塞， 增强湿地运行的可持续性。 4展望 随着水体富营养化治理的需要， 人工湿地在氮去 除方面的研究和应用已较多［29- 31 ］， 并且已取得一些 经验参数和理论数据。但是人工湿地的影响因素过 多， 导致不同系统之间差异性大， 为确保人工湿地能 正常运作， 并具有较高的除污效率， 还任重道远。 1 人工湿地应用于普通城镇污水的研究较多， 取得了大量的具体运行数据， 但人工湿地应用于自然 河流湖泊、 尾水处理、 养殖废水以及中水回用等微污 染水体处理的研究较少。由此可见， 在国内研究领 61 环境工程 Environmental Engineering 域， 针对去除低浓度污染物类问题， 以及基质、 植物与 微生物的作用机制研究， 尚处于初级阶段。 2 在实践操作中， 为确保湿地处理系统能够实 现高效率运作， 使得人工湿地水质更加稳定， 因此湿 地系统通常需结合其他处理系统， 最终形成多水塘组 合处理系统。需要注意的是， 系统与系统之间组合的 形式、 顺序， 对系统出水水质影响较大。可见， 针对多 水塘污水组合处理系统的研究工作将会是今后我国 人工湿地领域的一个热点课题。 3 当前我国有关人工湿地的研究较多关于短期 处理效果， 而人工湿地在长期运行后存在基质逐渐堵 塞、 植物等吸附量趋近饱和的问题， 对于人工湿地长 期运行后的处理效果以及在长期运行过程中处理能 力的变化将成为研究的新方向。 4 人工湿地的发展应立足于该技术本身的特 点， 因地制宜 ①利用人工湿地出水稳定的特点处理 污水处理厂尾水达标排放; ②利用人工湿地无需动力 设备的特点处理自然水体的富营养化; ③利用人工湿 地无需技术人员操作、 处理效率高的特点处理农村污 水。这些均是对人工湿地技术特点的合理利用。 参考文献 ［1］赵联芳， 朱伟， 赵建， 等． 人工湿地处理低碳氮比污染河水时的 脱氮机理［J］． 环境科学学报， 2006， 26 11 1821- 1827. ［2］贺瑞敏， 朱亮， 谢曙光． 微污染水源水处理技术现状及发展 ［J］． 陕西环境， 2003， 10 1 2- 3. ［3］赵建， 朱伟， 赵联芳， 等． 人工湿地对城市污染河水的净化效果 及机理［J］． 湖泊科学， 2007， 19 1 32- 38. ［4］中国环保部． 中国环境公报［ Ｒ］ ． 北京 中华人民共和国环境保 护部， 2011. ［5］张雨葵， 杨扬， 刘涛． 人工湿地植物的选择及湿地植物对污染河 水的净化能力［J］ ． 农业环境科学学报， 2006， 25 5 1318- 1323. ［6］王磊， 李文朝， 柯凡， 等． 低氧接触氧化/ 微曝气人工湿地工艺 净化污染河水［ J］ ． 中国给水排水， 2008， 24 5 22- 26. ［7］李莎莎， 田昆． 不同空间配置的湿地植物群落对生活污水的净 化作用研究［J］． 生态环境学报， 2010， 19 8 1951- 1955. ［8］赵安娜， 柯凡， 郭萧， 等． 复合型人工湿地模型对污水厂尾水的深 度净化效果［ J］ ． 生态与农村环境学报， 2010， 26 6 579- 585. ［9］朱雪生， 王丽卿， 徐后涛， 等． 利用人工湿地处理池塘养殖废水 效果分析［J］． 渔业现代化， 2009， 36 4 8- 12. ［ 10］杨璇， 石雷． 两级人工湿地用于村镇污水脱氮的长期运行特性 研究［J］． 生态环境学报， 2011， 20 3 515- 520. ［ 11］胡学斌， 柴宏祥， 彭述娟， 等． 生物接触氧化 － 人工湿地组合工 艺中水处理回用景观水体效能试验［J］ ． 土木建筑与环境工 程， 2009， 31 6 112- 116. ［ 12］黄余春， 田昆， 等． 云南高原常见湖滨湿地植物群落对生活污水 氮的净化研究［J］． 生态环境学报， 2012， 21 2 359- 363. ［ 13］徐芝芬， 李金城， 莫德清， 等． 组合工艺对农村生活污水中氮磷 的去除效果［J］． 桂林理工大学学报， 2011， 31 2 252- 257. ［ 14］徐增林，吴金福，许春凤． 甪直水乡古镇河道水质改善中人工 湿地的应用［J］． 江苏水利， 2010 1 35- 36. ［ 15］李捍东，朱健，王平，等． 曝气/微生物/人工湿地组合工艺处 理黑臭河水［J］． 中国给水排水， 2009， 25 11 22- 24. ［ 16］万金保， 兰新怡， 汤爱萍， 等． 多级表面流人工湿/氧化塘工艺处 理微污染原水［J］． 中国给水排水， 2011， 27 21 11- 14. ［ 17］杨旭， 张雪萍， 于水利， 等． 微污染水源人工湿地处理效果与植 物作用分析［J］． 中国农学通报， 2010， 26 3 274- 278. ［ 18］贾文林， 吴娟， 武爱国， 等． 碳氮比对人工湿地污水处理效果的 影响［J］． 环境工程学报， 2010， 4 4 767- 770. ［ 19］夏汉平． 人工湿地处理污水的机理与效率［J］． 生态学杂志， 2002， 21 4 51- 59. ［ 20］李云鹏， 李怡庭， 刘景哲， 等． 松嫩平原湖泡湿地水化学特征及 净化水质作用研究［J］． 东北水利水电， 2001， 12 19 39- 43. ［ 21］梁威， 吴振斌， 詹发萃， 等． 人工湿地植物根区微生物与净化效 果的季节变化［J］． 湖泊科学， 2004， 16 4 312- 317. ［ 22］白峰青， 郑丙辉， 田自强． 水生植物在水污染控制中的生态效应 ［J］． 环境科学与技术， 2004， 27 4 99- 100. ［ 23］金相灿， 颜昌宙， 许秋瑾． 太湖北岸湖滨带观测场水生植物群落 特征及其影响因素分析［J］． 湖泊科学， 2007， 19 2 151- 157. ［ 24］郭和蓉， 卢小良． 水生植物净化水环境与水生植被的修复［J］． 长江大学学报． 自科科学版， 2005， 2 5 65- 68. ［ 25］周巧红， 王亚芬， 吴振斌． 人工湿地系统中微生物的研究进展 ［J］． 环境科学与技术， 2008， 31 7 58- 61. ［ 26］王世和． 人工湿地污水处理理论与技术［M］． 北京 科学出版 社， 2007 55- 59. ［ 27］Claudiane O， Florent C， Yves C， et al． Artificial aeration to increase pollutant removal efficiency of constructed wetlands in cold climate ［J］． Ecol Eng， 2006， 27 258- 264. ［ 28］王磊， 李文朝， 柯凡， 等． 低氧接触氧化/微曝气人工湿地工艺 净化污染河水［J］． 中国给水排水， 2008， 24 5 22- 26. ［ 29］Neralla S，Weaver Ｒ W，Lesikar B J，et al．Improvement of domestic wastewater quality by subsurface flow constructed wetlands ［J］． Bioresource Technology， 2000， 75 10 19- 25. ［ 30］Tee H C， Seng C E， Noor A M， et al． Perance comparison of constructed wetlands with gravel and rice husk- based media for phenol andnitrogenremoval ［J］．ScienceoftheTotal Environment， 2009， 407 3563- 3571. ［ 31］Luederit V， Eckert E， Weber M L， et al． Nutrient removal efficiency and resource economics of vertical flowand horizontal flow constructed wetlands［J］． Ecological Engineering， 2001， 18 4 157- 171． 第一作者 宋嘉骏 1990 － ， 男， 硕士， 主要研究方向为人工湿地对水 污染的防治。289012517 qq． com 通讯作者 王全金， 女， 教授， 主要研究方向为水污染治理。 71 水污染防治 Water Pollution Control