人工湿地系统研究应用（精选10篇）
人工湿地系统研究应用 第1篇
人工湿地[1]是一种由人工基质和生长在其上的植物组成, 形成用以净化污水的土壤-物-生物生态系统。近年来[2], 各种水处理工艺技术不断发展, 特别是活性污泥法以其工艺相对成熟、运行稳定、处理效果好而成为城市污水处理的主流工艺。传统的活性污泥不仅基建投资大, 运行费用高, 且主要以去除碳源污染物为目的, 对氮、磷等营养物质的去除则微乎其微, 经处理后的出水排入水体后仍将引起“富营养化”等环境问题[3]。传统的深度处理工艺虽可解决上述问题, 但因投资和运行费用昂贵而难以在经济欠发达的中小城镇推广。
以人工湿地处理系统去除氮的作用为例, 包括基质的吸附、过滤、沉淀以及氨的挥发, 植物的吸收和湿地中微生物作用下经硝化-反硝化转化去除。微生物的硝化-反硝化作用在氮的去除中有重要作用, 其需要存在大量的氮转化细菌和湿地土壤等适当的环境条件[4]。在人工湿地中, 植物根的放氧作用对根际、根区土壤产生很大的影响[5]。
2 应用的两个关键点
2.1 场地及系统布置
人工湿地系统污水处理单位体积污水处理量所需人工湿地的面积约为传统工艺的2.5倍。在采用人工湿地处理污水时, 应尽可能选择自然形成的坡度或价值不高的废弃场地, 一方面可减少施工中的土方工程量, 有利于排水, 降低投资;另一方面, 可减少对周围环境所产生的不良影响。
人工湿地进水系统的设计重在保证配水的均匀性, 一般采用穿孔管布水、溢流堰等形式。穿孔管可设于湿地床面上或埋于床面以下, 埋于湿地床面下的缺点是配水调节较为困难。穿孔管设于床面上方时, 应比床面高, 以防床面淤泥和杂草积累而影响配水效果。同时应定期清理沉淀物和杂草等, 保证系统配水的均匀性。系统的进水流量可通过闸板调节, 过多的流量或紧急变化时应有溢流、分流措施。湿地出水系统的设计可采用明渠或者管涵等排水方式, 设计应考虑受纳水体的特点、湿地系统的布置及场地的原有条件。为有效地控制湿地水位, 一般在填料层底部设穿孔集水管, 并设置旋转弯头和控制阀门。对于严寒地区, 进、出水管的设置须考虑防冻措施, 并在系统的必要部位设置控制阀和放空阀。
2.2 植物的选择
人工湿地系统设计中, 应尽可能增加湿地系统的生物多样性, 以提高湿地系统的处理性能, 延长使用寿命。在选择湿地植物物种时, 可根据耐污性、生长适应能力、根系的发达程度及经济价值和美观要求确定, 同时也要考虑因地制宜。可用于人工湿地的植物有芦苇、水花生、稗草等, 目前最常用的是芦苇。芦苇是一种禾本科的挺水植物, 具有很广的适应性和很强的抗逆性, 最重要的是它是一种良好的净水植物, 根系非常发达, 是具有巨大比表面积的活性物质, 其生长可深入到地下达0.8米, 具有良好的输氧能力。
3 结论及讨论
人工湿地作为一种环保效益高的污水处理技术, 还兼有投资少、管理运行简便、处理效果较稳定。以前, 多用在我国经济欠发达、用地等相关条件相对宽裕的小城镇、公园性质湿地规划的相关污水处理中。
随着我国污水处理事业的进一步发展, 在广大中小城镇的二级污水处理厂提标改造中, 人工湿地应有的潜力和优势可得到更好的体现。城镇污水处理厂二级处理后尾水的深度处理对适应当前重点流域的环境政策是必需的, 但追加的投资大、管理程度要求高给污水处理厂带来的附加重担又是我们传统深度处理工艺所难以克服的, 在中小城镇污水处理厂的尾水深度中, 人工湿地系统在这方面将大有用武之地。
参考文献
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人工湿地系统研究应用 第2篇
人工湿地污水处理系统研究及性能改进分析
摘要：人工湿地污水处理系统是有效的污水处理与水资源再用相结合的.方法,与传统的污水处理法相比具有基建、运行费用低,操作与维护简单等优点.该系统已被广泛应用于生活污水的处理,并通过工艺创新有向工业污水、农业废水等特殊污水处理方向发展的趋势.本文总结了人工湿地系统的研究现状,预测其研究与应用发展的趋势,探讨不同类型的污水在人工湿地系统中的净化过程,分析影响人工湿地污水处理性能的因素及技术性能改进的一些措施,并探讨人工湿地污水处理系统的应用前景.作 者：梁继东 周启星 孙铁珩 作者单位：中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态过程重点实验室,沈阳,110016期 刊：生态学杂志 ISTICPKU Journal：CHINESE JOURNAL OF ECOLOGY年，卷(期)：,22(2)分类号：X171.4关键词：人工湿地系统 污水处理 技术性能改进 水资源
人工湿地及其研究进展 第3篇
[关键词] 污水 人工湿地 发展
1 引言
随着工业的发展,水污染的加剧,水环境保护的任务也越来越艰巨。湿地处理工艺作为一种自然生物处理方法,利用闲置盐碱地,具有投资少、运行管理简单、费用低,处理后出水水质稳定的特点。污水直接资源化可利用净水沟进行淡水养殖,水生植物种植,能获得一定的经济效益[1]。在环境领域,人工湿地处理污水的研究与应用越来越广泛,在污水沿一定方向流动的过程中,主要里利用湿地的自然生态系统中的物理、化学、生物三重协同作用,通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解,来实现对污水的高效净化。
2 人工湿地的类型[2]
按照系统布水方式的不同或水在系统中流动方式的不同,一般可将人工湿地分为三种类型:
(1)表面流湿地
图1所示为表面流湿地。向湿地表面布水,维持一定的水层厚度,一般为10-30cm,水流呈推流式前进,整个湿地表面形成一层地表水流,流至终端而出流,完成整个净化过程。污水流入湿地后,在流动过程中与土壤、植物,特别是与植物根茎部生长的生物膜接触,通过物理的、化学的以及生物的反应过程而得到净化。表面流湿地类似于沼泽,不需要沙砾等物质作填料,因而造价较低。它操作简单、运行费用低。但占地大,水力负荷小,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,系统受气候影响较大,夏季易滋生蚊蝇。
图1表面流湿地系统示意图
(2)水平潜流湿地
水平潜流湿地由土壤、植物(如芦苇、香蒲等)和微生物组成,见图2。床底有隔水层,纵向有坡度。进水端沿床宽构筑有布水沟,内置填料。污水从布水沟投入床内,沿介质下部潜流呈水平渗滤前进,从另端出水沟流出。在出水端砾石层底部设置多孔集水管,可与能调节床内水位的出水管连接,以控制、调节床内水位。水平潜流湿地可由一个或多个填料床组成,床体填充基质,床底设隔水层。水力负荷与污染负荷较大,对BOD、COD、SS及重金属等处理效果好,氧源于植物根系传输,少有恶臭与蚊蝇现象,但控制相对复杂,脱氮除磷效果欠佳。
图 2 水平潜流湿地示意图
(3)垂直流湿地
垂直流湿地实质上是水平潜流湿地与渗透型土地处理系统相结合的一种新型湿地,见图3。渗透湿地采取地表布水,污水经水平渗滤,汇入集水暗管或集水沟出流。通过地表与地下渗滤过程中发生的物理、化学和生物反应使污水得到净化。垂直流湿地床体处于不饱和状态,氧通过大气扩散与植物根系传输进入湿地,消化能力强,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,夏季易滋生蚊蝇。
图 3 垂直流湿地示意图
3人工湿地的净化机理
3.1 填料、植物和微生物在人工湿地系统中的作用
(1)填料
人工湿地中的填料又称滤料、基质,一般由土壤、细沙、粗砂、砾石、碎瓦片或灰渣等构成。填料不仅为植物和微生物提供生长介质,还通过沉淀、过滤和吸附等作用直接去除污染物。
(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、沉水植物和浮水植物。大型挺水植物在人工湿地系统中主要起固定窗体表面、提供良好的过滤条件、防止湿地被淤泥淤塞,为微生物提供良好的根区环境以及冬季运行支承冰面的作用。人工湿地中的植物一般应具有处理性能好、成活率高、抗水能力强等特点,且具有一定的美学和经济价值。
(3)微生物
微生物是人工湿地净化污水不可缺少的重要组成部分。随着污水不断进入人工湿地系统,某些微生物的数量将随之逐渐增加,并随季节和作物生长情况呈规律性变化。人工湿地系统中的微生物主要去除污水中的有机物质和氨氮,某些难降解的有机物质和有毒物质可以通过微生物自身的变异,达到吸收和分解这些有机物质和有毒物质的目的。
3.2 人工湿地系统净化污水的作用机理
(1)悬浮物的去除
通过过滤和沉淀,污水中可沉降性污染物被快速截留去除,而悬浮性固体则通过微生物生长、湿地介质表面吸附等机理去除,悬浮固体出水值一般低于10mg/L。
(2)有机物的去除
污水中的有机物包括颗粒性有机物和溶解性有机物。颗粒性有机物通过沉淀和过滤可迅速去除,而溶解性有机物则同过微生物作用降解。微生物降解有机物又可分为好氧降解和厌氧降解。
(3)氮的去除
湿地系统中的氮的去除分三部分:微生物转化、植物吸收和介质吸收。
(4)磷的去除
污水中多以无机磷形式存在,人工湿地主要靠土壤或介质吸附、植物吸收和沉淀储存作为除磷主要机理。
(5)金属的去除
主要去除机理为离子交换、植物吸收、化学沉淀和微生物氧化后的沉淀。
4人工湿地污水处理技术的研究现状
4.1 国外研究现状
运用人工湿地处理污水可追溯到1903年,建在英国约克郡Earby的这个被认为世界上第一处用于处理污水的人工湿地连续运行直到1992年[3],1953年,德国的Max Planck研究所首例采用人工湿地净化污水,该研究所的Seidel博士在研究中发现芦苇能有效地去除无机和有机污染物。根据Seidel的思路,荷兰于1976年开发了一种现称为Lelysttad Process的大规模处理系统,该系统是一个占地1ha的星形表面流湿地,水深0.4m,随后大量的这种湿地在荷兰建成[4]。
20世纪60年代末,Seidel和Kickuth合作由Kickuth[5]于1972年提出根区理论,该理论的提出掀起了人工湿地的研究和应用热潮。
人工湿地在发达国家兴起,其技术日趋完善,到21世纪初,在美国有600多处人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水 [6],在丹麦、德国、英国各国至少有200处人工湿地(主要为地下潜流湿地)系统在运行[7],新西兰也有80多处人工湿地系统被投入使用[8]。
北美2/3的湿地是自由表面流湿地,其中一半是自然湿地,其余为人工自由表面流湿地。自然湿地水力负荷小于人工湿地,系统水深范围一般为30-40cm。
在欧洲应用较多的则是地下潜流系统,特别是在一些东欧国家应用较广泛。
4.2 国内研究现状
我国进行人工湿地处理系统研究较晚,“七五”期间才开始对人工湿地研究,直到“九五”期间才逐渐受到广大学者的关注[9]。首例采用人工湿地处理污水研究工作开始于1987年,由天津市环境保护研究所建成了芦苇湿地工程,占地6ha,处理规模为1400m3•d-1[10]。1990年于深圳白泥坑又建成了湿地污水处理示范系统,占地0.84ha,处理规模为3100 m3•d-1,出水可以达到二级处理水平[11]。1993年由武钢大冶铁矿承建,湖北省环保所、大冶铁矿、黄石市环境监测站合作在大冶铁矿炸药车间建立面积为200m2的中试性人工湿地,用于处理铁矿炸药车间排放的含氮污水[12]。
5人工湿地系统的发展趋势
5.1 加强污水净化机理研究
人工湿地作为一项新的污水处理技术,对其处理机理、影响因素认识还没有十分全面,因此经常由于设计不当使得出水达不到要求或不能达标排放,有时人工湿地甚至还会成为污染源[13],所以要进行深入研究,使其发挥良好作用。
5.2 开发数据库和设计指南
由于各地的气候条件、湿地规模、负荷率、几何布置、植物种类构成及废水的类型构成等变化很大,因而对人工湿地很难有统一的设计和运行参数。为此,美国的EPA 目前正大力开发北美的人工湿地数据库和地方数据库,以减少重复劳动和改良传统的设计方法。此外,美国EPA 出版发行了一些有关湿地的设计导则和指南[14,15 ],但这只是初步的一些成果,还有必要更细致地研究不同地区特征和运行数据,以便在将来的建设中提供更合理的参数。
5.3 发展中国家应用湿地技术潜力巨大
大部分发展中国家都具有温带或亚热带气候,利于形成较好的湿地系统。
5.4 改良人工湿地技术
人工湿地技术目前仍然属于一项热研究但不十分成熟的污水处理技术,世界各个国家都投入了大量的精力来对其加以完善、改良,将一些传统污水处理技术引入人工湿地。如北美湿地公司借鉴污泥回流技术和鼓风曝气开发了循环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还被认为不适宜采用人工湿地处理污水的地区(气候太冷或污水浓度太高)[16]。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。
6结语
人工湿地系统是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,并且它也是正在不断得到研究应用和发展的污水处理实用技术。因其具有效率高,投资、运行及维护费用低,适用面广,耐冲击负荷强等优点,随着对该技术研究的不断深入和不断取得应用实践经验,将在污染控制领域中发挥越来越重要的作用。
参考文献:
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人工湿地系统研究应用 第4篇
人工湿地组合系统不仅将人工湿地的优势充分地体现了出来, 同时还在很大程度上使单独应用人工湿地所存在的不足得到有效的完善, 因此, 其已经被广泛使用于污染水体的治理过程中, 而且已经取得了不错的成果。然而, 因为地域不同, 污染的水质也会存在着一定的差别, 故所选用的人工湿地组合系统的工艺构造自然也是各不相同。为此, 文章对多种人工湿地组合系统在治理污染水体方面的应用进行了研讨, 可供参考。
1 人工湿地组合系统的概述
因为湿地床中各种污水是以不同的方式流动着的, 所以, 根据污水的流动方式, 可将湿地划分成三种类型, 即垂直流人工湿地、表面流人工湿地以及水平流人工湿地[1]。在污染水体的治理过程中此三种人工湿地都具备其各自独特的优势, 但是也存在着诸多的问题, 单纯地应用人工湿地并不能使水体污染问题得到有效的解决。所以, 为了更好的发挥人工湿地在污染水体治理中的作用, 有效的弥补单独应用人工湿地所存在的不足, 应当结合各种类型的人工湿地, 以便更好地发挥人工湿地组合系统的作用。
就目前而言, 人工湿地的组合系统主要包括两大类, 第一类是复合型的人工湿地组合系统, 而第二类就是由各种人工湿地结合而成的湿地组合系统[2]。人工湿地组合系统是由多种人工湿地结成而成的, 此种人工湿地组合系统主要是通过把三种不同种类的人工湿地组合起来, 从而形成人工湿地组合系统, 之后再利用此系统来治理污染水体。利用此三种不同类型的人工湿地可以分别形成水平流和表面流组合、水平流和垂直流组合以及表面流和垂直流组合, 而其中由垂直流和水平流组合而成的人工湿地组合系统是使用最广泛的。水平流人工湿地和垂直流人工湿地在治理污染水体方面都各具特色, 水平流人工湿地可以有效的去除污水中的污染物, 且其受气候的影响非常小, 具有较大的实际利用价值;而垂直流人工湿地对污水中的氮及有机物能够起到很好的去除效果, 而且垂直流人工湿地比较稳定。结合垂直流人工湿地与水平流人工湿地结合, 不但可以全面的发挥这两种人工湿地的特点, 同时还可以将它们的优势充分地融合在一起, 从而有效的加强污染水体的治理效果。而由两种或两种以上的同一种湿地组合构成的系统就称作复合型的人工湿地组合。实践表明, 复合型人工湿地组合系统可以取得更好的污染水体治理效果, 其可以更好的体现出人工湿地的治污作用。同时, 轻微污染的水体治理也比较适合选用复合型人工湿地组合系统, 而且可以取得非常好的治理效果。此外, 复合垂直流人工湿地组合系统在去除污染水体中氨氮元素方面也有很好的效果, 而且能够取得非常显著的治理效果[3]。所以, 在污染水体的治理过程中, 为了取得更好的污水处理效果, 应当根据实际状况来选取恰当的人工湿地组合系统。
2 人工湿地与其他处理技术组合系统在污染水体治理中的应用
2.1 人工湿地与塘组合系统在污染水体治理中的应用
目前, 在治理污染水体过程中比较常见的一种系统就是人工湿地与塘的组合系统。稳定塘又名生态塘、氧化塘 (图1) , 其是一种借助天然净化能力的生物来对构筑物进行处理的统称, 其主要是利用菌藻的共同作用来对处理废水中的有机污染物[4]。稳定塘污水处理系统不仅不需要处理污泥就可对污染水质中的病原体及有机物起到很好的去除效果, 而且操作和维修都比较简单, 同时只需投入较少的运转费用及基建投资即可。此外, 稳定塘污水处理系统非常适用于水资源匮乏地区的污水资源化利用治理, 而且可以取得非常好的效果。因此, 近些年我国非常重视对稳定塘污水处理系统的推广与使用。然而, 此污水治理系统也存在着一定的缺陷, 如极易再次污染环境、水力需要停留较长的时间、只适用于深度处理污水、需要占用较大的面积等等。把稳定塘及人工湿地两种自然污水处理系统组合起来, 不仅可以使它们各自的优势得以充分地体现出来, 同时还可以使对方的不足得到更好的弥补, 从而取得更佳的污水处理效果。因此, 人工湿地与塘组合系统已经成为人们关注的焦点。
根据组合顺序的不同, 可把人工湿地与塘的组合分成两种, 即人工湿地-塘以及塘-人工湿地。人工湿地 (图2) 无法有效的解决且普遍存在的一个难题就是湿地基质的堵塞问题, 而塘的沉淀性能非常好, 将其布置于人工湿地前, 可以使污染水体中的悬浮颗粒及有机物得以有效的去除, 使水质趋于稳定, 从而使人工湿地的堵塞难题得到全面的解决, 进而使人工湿地的使用寿命实现有效的延长。虽然人工湿地对污水中磷和氮的去除具有很好的效果, 可是由于我国河流湖泊正呈现出出越来越严重的富营养化现象, 再加上多方面因素的制约, 导致人工湿地在治理污水时无法达标。所以, 应用塘系统来对经过人工湿地处理后的污水进行治理, 不仅可以使污水中磷氮的去除率实现全面的提升, 而且可以使出水更加趋于稳定。这两种组合方式都具有各自独特的优势, 所以, 在污染水体的治理过程中, 可依据具体的水质状况来对恰当的组合形式加以选取, 以达到更好的污水处理效果。
2.2 人工湿地与生化处理技术组合系统在污染水体治理中的应用
在对生活废水及工业废水进行处理与治理的过程中, 一个至关重要的技术就是生化处理技术, 其可以使污水中污染物的浓度实现全面的减小, 使出水达到标准要求, 因此, 生化处理技术属于一项高效、稳定且比较成熟的处理废水的工艺。但是, 在具体的使用过程中, 其也存在着许多不足之外, 如其需要集中进行建设, 管理也存在着一定的难度, 而且需要投入较多的资金。因此, 人工湿地与生化处理技术组合系统就应运而生了, 其可以使多种污水处理技术实现优势互补。人工湿地与生化处理技术组合系统中比较常见的一种组合方式就是前置设施-人工湿地组合方式, 而前置设施中使用比较普遍的主要有水解酸化池、预曝气、厌氧好氧组合以及厌氧反应器等。前置设施-人工湿地组合系统不仅可以使污染负荷实现有效的减少, 提升去除悬浮颗粒的效果, 避免人工湿地出现堵塞情况;而且对于污染水体中氮及污染物的去除具有较好的效果;同时还可以使人工湿地中溶解氧的质量浓度实现全面的增加;最重要的是, 实施此污水处理技术只需占用较小的面积, 而且可以有效的减少资金投入。
3 结语
目前, 在治理污染水体的过程中已经普遍使用到了人工湿地组合系统, 而且已经达到非常好的治理效果, 所以, 人工湿地组合系统的应用是一个值得我们不断探索与研究的课题。在实践应用过程中, 我们也应当根据水质的实际状况来选用合适的组合系统, 这样方能达到更好的治理效果, 从而使我国的水资源得到更好的循环利用。
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人工湿地系统研究应用 第5篇
为确定利用人工湿地在北方地区冬季运行所需的设计参数 ,利用在官厅水库岸边建立的人工湿地 ,开展了潜流人工湿地系统处理官厅水库水的冬季试验研究.结果表明 ,在寒冷的`冬季 ,潜流人工湿地系统在隔离层保护下可以正常运行,使用不同的覆盖物进行隔离保温 , 对系统的处理性能有很大的影响 ,在水力负荷率为 0.25～ 0.45 m・ d-1时 , 冬季 CODMn和-N的去除率分别为 15%和 50%, BOD5、 TN和 TP的去除率分别为 65%、 25%和 35%.去除率随水力负荷率的提高而降低 ,当水力负荷超过 0.4 m・ d-1时 ,去除率明显降低.潜流人工湿地系统在冬季寒冷低温条件下对微污染地表水有较好的净化效果.
作 者：刘学燕 代明利 刘培斌 作者单位：刘学燕(中国农业大学环境工程系,北京,100094)
代明利(北京师范大学环境科学研究所,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京,100875)
刘培斌(北京市水利科学研究所,北京,100044)
人工湿地系统研究应用 第6篇
黑龙江省西部半干旱地区水资源比较匮乏, 但由于经济利益驱动和种植传统的影响, 仍有相当数量水稻田存在。稻田需要较多 (相对旱田而言) 的灌溉水量, 因此也有较多入稻田的水量 (包括降雨量) , 除为水稻吸收和蒸发消耗外, 多余水量便经过土壤渗漏和由地表泄出进入排水沟, 最终汇入江河或其他承泄区。过量的施用化肥农药, 使得大量未被利用的化肥进入环境, 直接或间接地影响经济的可持续发展和人类的健康, 同时引起了湖泊的富营养化, 迫使人们更加关注和重视稻田排水对周围环境水体产生的环境效应。采用水田 (暗管控制排水) -人工湿地-旱田相结合的模式, 组成一个闭合生态系统, 该系统主要由3个子系统组成:地下暗管排水系统、人工湿地和旱田, 各子系统之间通过一定的灌溉排水设施将三者联接为一个有机的整体。灌溉子系统包括人工湿地和灌溉控制设施;排水子系统包括田间沟、暗管和农田水位控制设施;湿地子系统通过管道与灌溉和排水两个子系统相连接。该系统的工作原理是:田间沟、暗管收集农田排水, 并输送至人工湿地, 然后利用湿地中的土壤吸附、植物吸收、生物降解等作用来降低农田排水中氮、磷化合物的含量, 经过人工湿地净化后的水再输送到水塘存储, 农田需要灌溉时, 再由灌溉设施供水到旱田。该系统是为了控制、减少乃至解决农田面污染问题而开发的以水利措施为主的综合水管理系统[1]。使水资源得以重复利用。可减少氮、磷流失, 减轻农田面源污染。
从生态学上说, 湿地是由水、永久性或间歇性处于水饱和状态下的基质及水生植物和微生物等所组成的、具有较高生产力和较大活性、处于水陆交界相的复杂的生态系统[2]。
人工湿地是人工建造的、可控制的和工程化的湿地系统, 其设计和建造是通过对湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用优化组合来进行废水处理的[3]。
1 试验区概况
绥化市秦家水田灌溉实验站位于绥化市中南部, 北林区秦家镇境内, 呼兰河北岸, 隶属北林区幸福灌区。水源是引自呼兰河水自流灌溉, 渴水期间用井水补灌。多年平均气温为2.3℃, 累积有效积温2 508.7℃, 水稻生育期内 (4-9月) 日照为1 295.8 h, 降雨为471.1 mm, 蒸发量为1 349.9 mm, 无霜期114-149 d。基础肥力:有机质2.01%、全氮0.101%、碱解氮9.85310-6、速效磷17.310-6、速效钾173.610-6、pH值7.7、饱和含水率 (重量含水量) 45.3%, 土壤质地为壤土。
2 研究方法
2.1 试验设计
水田面积1 400 m2, 铺设暗管, 暗管间距20 m, 埋深0.6 m, 阀门控制排水。试验构筑自由表面流人工湿地, 长16 m, 宽4 m, 床体深度0.5 m, 湿地系统根据北方气候特点进行了结构设计。底设有防渗层 , 床内种植芦苇湿地作物, 构造示意见图1。湿地床前端为进水管, 后端为集水管。水稻田出水进入人工湿地。经过净化后, 在干旱缺水期可回灌水田或旱田。
2.2 观测方法
测定指标为COD、TN、TP、NH+4-N、PO4-P。测定仪器为ET99730微电脑多参数快速水质测量仪, 氨氮测定采用水杨酸法, COD采用硫酸法, TN采用过硫酸盐消解法, TP和PO4-P采用钼酸盐法。
3 试验成果与分析
3.1 “灌溉-排水-人工湿地”生态净化系统生态环境对稻田周围水体环境质量影响
由于排水方式不同, 相应的稻田排水的水质浓度、污染物负荷不同, 因此对周围水体环境质量影响的程度也存在差异。
3.1.1 对田间排水水质的影响
田间排水主要有季节排水和被迫排水, 如分蘖后期的烤田期排水、水稻灌浆后“跑马水”等为季节性排水;由于降雨过量所引起的排水则属被迫排水。
注:I为“灌溉-排水-湿地”生态净化系统;II为传统灌溉排水系统。
由表1可看出:灌溉-排水-人工湿地生态净化系统的排水浓度明显低于稻田传统排水。人工湿地系统降低了氮、磷等有机物的排放浓度。人工湿地对有机物的去除主要依靠生物的氨化、硝化与反硝化作用, 植物的吸收和挥发作用, 基质的吸附、过滤、沉淀和氨的挥发等。
3.1.2 对田间排放污染负荷的影响
稻田排放的污染物负荷能较直接地反映两种排放模式对水体环境质量的影响。两种模式下实测排水中氮、磷及有机物等污染物负荷见图2～图6。分析表明:II排放负荷大于I。
3.1.3 对田间排放污染物净负荷的影响
田间排放污染物净负荷为田间排放污染物负荷与灌溉输入污染物负荷之差。当净负荷为正值时, 说明稻田对水体贡献了污染物, 此时净负荷水平越高表明对周围水体造成的污染程度就越严重;如果净负荷值为负值, 说明稻田吸收了水体的污染物, 即发挥着净化水体的作用[4]。
研究结果表明, 灌溉-排水-人工湿地生态净化系统出水总氮、总磷、磷酸盐及COD等净负荷均为正值, 表明稻田通过田间“灌溉-排水-湿地”小型综合系统造成了对附近水体总氮、总磷、磷酸盐及COD的污染净化;相比之下, 从稻田直接出水的净负荷值均大于通过田间“灌溉-排水-人工湿地”生态净化系统出水的净负荷值, 表明稻田直接排水对周围水体造成污染的程度更大。
4 结 语
通过上述分析研究表明, 通过“灌溉-排水-湿地”生态净化系统净化后, 氮、磷及有机物等污染物的田间排放浓度明显降低, 排放污染负荷小于稻田直接出水, 对附近水体总磷、磷酸盐及COD的污染程度也小于稻田直接出水。因此, “灌溉-排水-人工湿地”生态净化系统生态环境产生的主要是正面效应。
参考文献
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基于人工湿地系统中的微生物研究 第7篇
目前, 人工湿地以运行费用低、投资少以及能耗小的特点被广泛的应用到了污水处理工作当中, 其通过微生物、植物群落以及基质间的相互作用对污水中的氮磷以及有机物的去除进行实现。在人工湿地中, 微生物是非常重要的组成部分, 对污水处理具有十分积极的意义, 其稳定性、种群恢复性以及多样性都在系统处理中发挥着关键的作用。
2 微生物多样性及湿地分布特点
2.1 微生物多样性解析
有效反映是指微生物的生物量可以在湿地生态系统中有机质分解和积累, 那么微生物的生物量研究表明, 人工湿地生态系统中细菌数量占据的比重最大。, 其次为放线菌以及真菌。在人工湿地中, 硝化菌、氨化菌以及反硝化菌都处于较高的水平, 并因此对硝化脱氮提供了较好的基础。同时, 氨化菌在除氮方面属于优势菌群, 在人工湿地运行的过程中, 其数量将呈现出增加的趋势。而对于硝化细菌而言, 其属于好氧细菌, 且随着湿地运行数量的下降而下降, 随着气温的上升呈现出上升趋势。在人工湿地中, 与单一的植物系统相对比, 多种植物系统在营养物去除以及有机物降解方面更具优势, 这样实验证明微生物具有了更高的多样性[1]。
2.2 深度分布特点
根据多种实验研究结论证明, 在人工湿地中上层微生物比下层微生物要多很多, 那么随着湿地深度的增加, 慢慢呈现出减少的趋势。有学者研究, 在上中层间, 微生物数量间相近3个数量级, 而在中下层间的差距在1个数量级以内。而纤维素分解菌以及硝化细菌在0cm~5cm层面数量同20cm~25cm数量相比较高, 湿地中亚硝酸菌在上层同中下层相比具有着更多的数量。此外, 在植物有充足供氧的情况下, 就会在该植物的根部形成良好氧区域, 通过对植物供氧的利用, 就可以使距离远的同根系统出现缺氧状态, 并因此为缺氧、好氧以及厌氧微生物提供了好的微环境[2]。
3 微生物降解作用
3.1 污染物去除作用
氮进行去除的时, 人工湿地中主要依靠微生物硝化、反硝化以及氨化的综合作用实现。对于氨化细菌而言, 这个就是好氧性细菌特性, 这些在污水净化中起到了非常大的作用和效果。硝化在去除污染物中, 在低氧以好氧状态下可以充分改善, 并由硝化菌以及亚硝化菌共同发挥作用, 与氨氮到亚硝态氮的转化。而在湿地氨去除中, 反硝化是第二步, 即在缺氧情况下使硝态氨能够还原为N2以及N2O, 以此有效实现系统中氮的去除[3]。同无植物系统相比, 有植物系统在去除率方面具有更好的表现, 有学者通过美人蕉、芦苇植物以及旱伞草组合实验方式的应用, 发现这几种植物在组合应用的情况下同两种植物相比具有更高的群落多样性, 在碳源应用能力方面也具有着较强的特征。这样对于单一的旱草植物来说, 多样性在微生物群落这里所具有很小的功能, 在碳源应用能力方面所具有的表现也较差。经过研究表明, 专家对湿地的硝化强度同潜流湿地相对比较高, 在其表面湿地中的水流将同大气直接产生接触, 具备条件良好的好氧环境和丰富的氧源, 在硝化强度方面同潜流湿地相对比来说很高, 并因此在氨氮方面能够更好的去除污染物的效果。而对于潜流湿地来说, 它有着较好的厌氧系统环境, 在反硝化强度方面同表面流湿地相比则具有着更好的表现, 在清洁污染物方面表明湿地比较高, 即系统能够在同一时间进行反硝化以及硝化作用, 更有利于硝氮的去除。而在复合垂直流湿地中, 由于水流方式的特殊性则使得微生物群落在活性以及数量方面都高于潜流以及表面流人工湿地, 且其中复合垂直流湿地具有更好的脱氮效果。该种情况之所以出现, 是因为在人工湿地整个系统当中, 溶解氧也是随着深度的增加慢慢减弱的, 然而系统的最上层具有的较高溶解氧含量, 能够更好的硝化作用, 那么在系统的中下层, 属于缺氧区域, 则反硝化处理有着更好的效果, 这两个系统状态的结合, 则能够对氮素实现有效的去除。
3.2 污染物去除效果相关
在系统中, 所获得的净化效果同微生物数量间存在着较为显著的相关性, 即通过植物实验培育, 部分植物菌类通过实验验证有着特殊的作用, 通过植物培育能够让更多的微生物再生。通过实验分析, 整个实验过程可以证明结论:湿地植物根区细菌数量同BOD5去除率间存在着相当明显的关系, 而根据微生物数量同凯氏氮、TP间所存在的相关性则不是很明显。有学者通过对湿地基质硝化速率的测定, 得到亚硝化细菌数量同硝化能力间具有着正相关的关系, 即表明微生物是对这部分物质进行去除的重要途径。而TP去除率、微生物数量同出水COD变化方面所具有的相关性则不是很明显, 即表明微生物在有机物以及磷降解方面并非为主要因素。
4 结语
在人工湿地系统中, 微生物同污染物去除效果间具有着十分密切的联系。对于很多问题, 依然需要进行进一步的研究, 即在对微生物群落个进行研究的基础上提升净化效果。因此, 深入研究人工湿地系统中微生物的群落特征, 既能为人工湿地生态技术奠定了微生物学的理论基础, 同时对于合理调控微生物结构, 指导人工湿地的设计、运行和管理, 提高人工湿地的净化效果都具有重要意义。
摘要：微生物是人工湿地当中不可缺少的组成部分, 那么污染物的降解也是有着相当重要的意义了。下面就是对与人工湿地分布特点上与微生物的形成进行的研究。
关键词：人工湿地系统,微生物降解
参考文献
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人工湿地系统研究应用 第8篇
关键词：生活污水,表面流人工湿地,净化处理
近年来随着区域经济、人口的发展,城市污水的排放量不断增加,全国年排污水量达数百亿吨,但只有极少的生活污水经过处理,大量的污染物(工业、农业、生活污染源)排入河流系统。山西省主要产业是煤、焦,因而造成全省范围内多处河流受到其排放污水不同程度的污染。传统的生化二级处理技术因其工艺相对成熟、运行稳定、处理效果好而成为污水处理的主流工艺,但传统的活性污泥法主要以去除碳源污染物为目的,对氮、磷、挥发酚等物质的去除效率较低,而且基建投资大,运行费用高。许多新的生化处理工艺虽可解决上述问题,但仍存在投资和运行费用昂贵等缺陷。因此,人工湿地处理技术的提出和发展,为综合解决上述问题提供了一种新的选择。人工湿地技术的特点是投资少、效果好、运行维护方便,对挥发酚、氮、磷等的去除率高。
汾河二库作为太原市后备水源地,是太原及其周边地区生产生活的主要水源,但近几年上游大量污水、废水排入汾河,虽经水体自净分解去除了一部分污染物,但入库河水仍受到了污染。由于表面流人工湿地与潜流型人工湿地相比其成熟期短(表面流人工湿地3个月～4个月,而潜流人工湿地需1年～2年),且目前在北方地区对于表面流人工湿地的研究较少,故本试验采用表面流湿地人工模拟系统处理流入汾河二库的受污染河水,主要研究水中挥发酚的去除,使出水中挥发酚含量达到地面水Ⅴ类水体标准,并就湿地中的植物对污染物降解所起的作用进行了分析和探讨。
1 试验装置与测定
1.1 试验装置
设计了两块人工湿地CW1和CW2,CW1是芦苇系统,CW2是蒲草系统。为模拟自然情况,试验装置建在室外,不设防雨淋装置。人工湿地所用的土壤和植物均来自汾河河滩的泥土及其上土生的芦苇、香蒲。每块人工湿地的面积大小为1.5 m2,深0.7 m,其中上部土壤深40 cm,中间20 cm的细砂,底部10 cm的粗砂,表面流水深10 cm,采用小孔出流来控制水位[1]。
1.2 试验用水
由于流入汾河二库的河水沿途主要流经地市多家焦化厂,为了排除自然河水中众多不稳定因素的干扰,本试验采用人工配水。具体配比为:葡萄糖(150 mg/L)、氯化铵(5.8 mg/L)、磷酸氢二钠(17.4 mg/L)、苯酚(0.06 mg/L)等。进水中挥发酚浓度以实测为准。
1.3 试验分析项目与方法
本试验研究在表面流人工湿地中挥发酚的去除效果。具体测定方法采用4-氨基安替比林分光光度法测定污水中挥发酚的含量[2]。配置好的污水置于高位水箱中,利用重力流通过胶皮软管向两个水池中进水。本试验分别以8.4 cm/d,12.7 cm/d,25.3 cm/d的流量向水池进水,研究不同流量下芦苇池和香蒲池对挥发酚的去除率。
2 试验分析与结论
在表面流人工湿地系统中,污水中有些有机物吸附在可沉降颗粒上,这部分有机物主要通过沉降作用或过滤从废水中截留下来,被微生物加以利用;可溶性有机物则可通过土壤中的生物膜的吸附及微生物的代谢过程被去除。反应过程中的主要氧源来自于水面复氧和植物向根区的过量氧传导。
1)水力负荷为8.4 cm/d时,进出水浓度及去除率见表1。
试验以8.4 cm/d的水力负荷进入人工湿地时,运行10 d。进水浓度挥发酚值平均为0.117 mg/L,芦苇池出水浓度平均为0.040 mg/L,挥发酚去除效率平均为65.7%;香蒲池出水浓度平均为0.030 mg/L,挥发酚去除效率平均为74.5%,CW2系统对酚的去除效率高于CW1系统。
2)污水以12.7 cm/d的水力负荷进入两个水池,运行时间20 d。
污水以12.7 cm/d的水力负荷进入两个系统,运行20 d后,CW1,CW2系统对挥发酚的去除率曲线见图1。挥发酚进水浓度在0.108 mg/L～0.127 mg/L之间,芦苇池出水浓度在0.034 mg/L～0.051 mg/L之间,平均去除效率为62.2%;香蒲池出水浓度在0.027 mg/L～0.042 mg/L之间,挥发酚平均去除效率为70.2%。
3)水力负荷为25 cm/d时,CW1,CW2系统对挥发酚去除。
湿地水池进水流量为25.0 cm/d,运行35 d后,每24 h测一次进出水。由图2上CW1,CW2系统对挥发酚去除效率曲线可以看出,进水挥发酚浓度平均为0.118 mg/L,芦苇池出水浓度值平均为0.059 mg/L,香蒲池出水浓度值平均为0.053 mg/L,其平均去除效率分别为49.8%,54.9%。
4)结论。
试验以8.4 cm/d的水力负荷进污水时,由于过水流速很小,水力停留时间较长,两个系统对挥发酚均有较高的去除效率,CW2系统对挥发酚的去除率明显高于CW1系统。当污水以12.7 cm/d的水力负荷进入两块湿地系统时,CW2系统稍高于CW1系统,但是去除率与水力负荷为8.4 cm/d时相比,均有所下降。当湿地系统的水力负荷为25 cm/d时,CW1,CW2系统对挥发酚的去除效率均明显下降,CW2系统与CW1系统对挥发酚的去除率差别不大,但CW2系统对挥发酚的去除仍高于CW1系统。从整个试验阶段看,两个湿地系统的出水均达到了《地面水环境质量标准》中Ⅴ类水体标准(≤0.1 mg/L),即可满足农业区用水要求,且CW2系统对挥发酚的净化效率平均高于CW1系统8.7个百分点。
分析其原因,湿地系统对挥发酚的去除主要是由湿地系统中挺水植物及植物根际微生物系统的共同作用完成的[3],当水力负荷增加,水力停留时间减小时,湿地系统对挥发酚的吸收去除也明显下降。此外由于气候原因,植物在秋季逐渐枯萎也是造成本试验后半程两块湿地系统去除率下降的一个原因。
3 结语
通过试验可知,表面流人工湿地系统对含酚废水有较好的处理效果。综合两个系统的净化效果,可得如下结论:
1)CW1,CW2系统对挥发酚的去除均可达到《地面水环境质量标准》中Ⅴ类水体标准,满足了农业用水水质的要求。故在汾河二库上游河段建设大型人工湿地从理论上说具有可行性。
2)人工湿地的处理方法占地面积较大,但较低的投资、运行费用和吨水处理成本,非常适合我国的国情。因为湿地去污机理复杂,要真正揭示湿地去污机制还需开展许多研究,如湿地中金属离子、有机物和无机物在系统中的相互作用,植物根际微生物系统的作用及植物根系分泌物的研究等[4]。
人工湿地处理污水系统的建造运行有待进一步优化组合不同的水流类型,将表面流型与潜流型、水平流与垂直流相结合,去污效率无疑会提高。人工湿地系统具有良好的生态效益、经济效益及灵活性,故有良好的推广应用前景。
参考文献
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人工湿地系统研究应用 第9篇
人工湿地是由人工基质和生长在其上的植物组成, 形成一个独特的基质植物微生物生态系统, 将微生物和植物的净化能力结合在一起, 成为一个高效的净化系统, 它在保护生态环境和节约能源及投资方面具有传统二级生化处理技术难以比拟的优点, 作为一项低投资、低能耗、低运行费、高生态环境效益的治理工程技术, 它越来越多地受到社会的关注和欢迎。本文通过对人工湿地基质微生物类群数目进行了研究, 为进一步深入研究人工湿地净化污水的机制提供了可能。
1 材料和方法
1.1 人工湿地概况
红树林人工湿地污水处理系统位于学校生物园, 湿地池容积为3m3m0.6m (长宽高) 。基质为石头, 上层石头的直径为2cm, 下层石头的直径为1cm, 厚度皆为30cm。此人工湿地为潜流型人工湿地, 尚未进行污水处理。
1.2 样品采集
采用五点采样法, 分别在人工湿地的4个角以及其中心位置采样, 深度为15cm, 每个样点取5个大小相近的小石头, 共25个。装入无菌塑料瓶中, 立即带回实验室, 在无菌条件下加入50ml无菌水, 在摇床上摇匀, 制备悬液。
1.3 微生物计数
所有微生物均采用28℃恒温培养。
1.3.1 细菌数量测定
利用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基进行培养, 取稀释度为10-5的悬液接种, 2次重复, 每一平板滴加0.05ml悬液, 培养2d~3d。
1.3.2 真菌数量测定
采用马丁氏培养基平板表面涂布法, 取原液接种, 2次重复, 每一平板滴加0.1ml悬液, 培养5d。
1.3.3 放线菌数量测定
采用改良高氏1号合成培养基平板表面涂布法, 倒平板时在无菌条件下每300ml培养基加另外灭菌的3%重铬酸钾溶液0.5ml。取原液接种, 2次重复, 每一平板滴加0.05ml悬液, 培养5d。
1.3.4 硝化细菌、亚硝化细菌、反硝化细菌数量测定
悬液配置成5个梯度, 分别为103、104、105、106、107, 3次重复, 每一试管接种1ml悬液。培养7d。采用MPN法, 进行显色测定。测定方法如下:
硝化细菌:先用格利斯试剂测定, 若不呈红色, 再用二苯胺试剂测试;若呈蓝色, 表明有硝化作用。
亚硝化细菌:用格利斯试剂测定, 若有亚硝酸存在呈红色, 证明有亚硝化作用。
反硝化细菌:用格利斯试剂及奈氏试剂测定有无亚硝酸和氨存在, 若其中之一或二者均呈正反应, 均表示有反硝化作用。若格利斯试剂为负反应, 再用二苯胺测试, 亦为负反应时, 表示有较强的反硝化作用。
2 结论
2.1 树植物中三大菌群的数量特征
试验条件下, 处理污水前的人工湿地中红树植物基质中微生物三大种类构成为细菌、放线菌、真菌。细菌是土壤微生物中数量最多的一个类群。他们共同协作构成互利共生的系统, 发挥整体作用净化污水。
从表1可以看出, 细菌在数量上占绝对优势, 桐花、海桑、木榄人工湿地污水处理系统细菌数量分别为2.05108cfu/g (基质) 、2.63108cfu/g (基质) 、2.06108cfu/g (基质) ;放线菌数量分别为9.30102cfu/g (基质) 、14.8102cfu/g (基质) 、8.20102cfu/g (基质) ;真菌分别为1.20102cfu/g (基质) 、2.15102cfu/g (基质) 、3.65102cfu/g (基质) 。可以推断, 桐花、海桑、木榄对微生物的种类和数量具有某种选择作用。
出现此类现象的原因如下:
1) 微生物的生态分布与各类微生物的生物学特性有关。一般情况下, 细菌喜欢湿润, 能耐受低氧水平;真菌耐干, 不能耐受低氧水平;放线菌具有喜热耐旱的特性, 只有当各类微生物竞争的压力减少时才出现, 因而处于厌氧条件下的人工湿地中的微生物主要由细菌组成。
2) 在红树林生态系统中也有出现放线菌、真菌数量稀少的现象, 这也可能是其中一个原因, 但对其机制尚未弄清, 而且红树林生态系统处于潮间带, 其土壤生境兼有海洋与陆地的性质而又不同于它们, 与人工湿地的生境不相同, 因此, 对于两种系统会出现相似现象的原因尚待进一步研究和探索。
2.2 硝化细菌、反硝化细菌的数量特征
从表2可以看出, 桐花、海桑、木榄人工湿地污水处理系统中反硝化细菌数量分别为1.65104MPN/g (基质) 、9.1104MPN/g (基质) 、77.90104MPN/g (基质) ;硝化细菌数量分别为2.75102MPN/g (基质) 、5.0102MPN/g (基质) 、10.79102MPN/g (基质) ;亚硝化细菌数量为0.75102MPN/g (基质) 、2.82102MPN/g (基质) 、1.30102MPN/g (基质) 。反硝化细菌数量多于硝化细菌和亚硝化细菌。其原因如下:1) 通常硝化细菌是自养型好氧微生物, 依靠NH4+-N和NO2-的氧化获得能量生长, 需要氧气作为呼吸的最终电子受体。反硝化细菌在缺氧和低溶解氧条件下利用有机物的氧化作为能量来源, 以NO3-和NO2-作为无氧呼吸时的电子受体。所以, 厌氧条件下的人工湿地中反硝化细菌繁殖快, 生长迅速, 硝化细菌繁殖慢, 生长缓慢;2) 硝化自养菌是专性化能自养细菌, 它包括硝化细菌和亚硝化细菌两个亚群, 硝化作用由两个阶段组成 (阶段一:2NH4++3O2NO2-+2H2O+4H+, 阶段二:2NO2-+O22NO3-) :在亚硝化细菌的作用下, 将NH4+-N转化成NO2--N;在硝化细菌的作用下, 将NO2--N转化成NO3--N。正是由于这种生态学上的偏利互生关系的存在, 使得硝化细菌的生长总要晚于亚硝化细菌。
摘要：利用平皿计数法和和其它传统方法, 对红树植物桐花 (Aegiceras corniculatum) 、海桑 (Sonneratia caseolaris) 、木榄 (Bruguiera gymnorrhiza) 人工湿地污水处理系统中的微生物种类及其数量变化特征进行研究。结果表明, 三大类群微生物中, 细菌含量最高, 占绝对优势, 其次是放线菌, 真菌最少;在细菌中, 反硝化细菌的数量>硝化细菌>亚硝化细菌, 硝化与反硝化作用程度较弱。
关键词：人工湿地,桐花,海桑,木榄,微生物,种类,数量
参考文献
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人工湿地系统研究应用 第10篇
关键词：人工湿地,北方,天然径流匮乏,水质改善,尾水处理,生态修复
1 引言
随着我国“九五”至“十二五”四个时期水污染防治工作的推进, 水污染防治工作取得了显著成效, 河流水质明显改善。但北方省份大都因天然径流匮乏, 河流水源主要为集中污水处理厂出水, 造成河流水质与水体功能要求仍存在较大差距。2015年4月国务院印发的《水污染防治行动计划》 (国发[2015]17号) 对全国水污染防治工作提出:到2020年, 七大重点流域水质优良 (达到或优于Ⅲ类) 比例总体达到70%以上。目前, 二级 (物化+生化) 处理系统在全国范围广泛运用, 并取得了较好的处理效果, 但污水处理达标与河流水体功能达标不同步且氮、磷浓度偏高的问题长期存在[1]。人工湿地作为一种利用基质———微生物———植物复合生态系统的物理、化学、生物及其协同作用来净化污水的污水处理技术[2], 具有工艺简单、投资运行费用低且环境友好的特点, 目前在我国已经得到了广泛的应用, 但在北方地区, 由于人工时地受气候影响, 存在冬季去除效率降低等问题。本文就目前国内应用于水体生态修复和污水处理厂尾水处理的北方人工湿地运行情况进行了调研, 为在北方天然径流匮乏地区应用人工湿地技术保障河流水质达标提供理论基础和经验借鉴。
2 人工湿地技术在北方地区的应用实例
目前, 除了气候条件适宜先驱进行技术应用的广东、浙江、江苏等南方省份外, 人工湿地污水厂处理技术在我国中部及北方的北京、山东、山西、辽宁、河南等省市也得到了较好的应用[3,4]。从地域上看, 南方人工湿地技术应用以湿地修复、恢复的居多 (表面流湿地为主, 占地面积大, 突出景观效果) , 北方人工湿地应用以功能强化型人工湿地改善水质的居多 (潜流湿地为主, 占地面积小, 景观相对薄弱) 。人工技术应用于北方地区水体修复和集中污水处理厂尾水处理的实例详见表1、表2。
根据对北方地区部分人工湿地系统运行情况的调查可知, 在人工湿地进水为《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB189118-2002) 一级A标准 (即COD≤50mg/L, NH3-N≤5mg/L) 的情况下, 人工湿地系统对COD、氨氮的平均除去效率分别可达到40%~60%、60%~80%, 出水水质可接近或达到《地表水环境质量标准》 (GB3838-2002) Ⅲ类、Ⅳ水质要求。但在气温较低的冬季, 北方的人工湿地系统普遍存在处理能力降低, 处理效果大幅下降的问题。
3 人工湿地技术冬季低温运行不稳定原因分析
人工湿地作为一种人工的自然系统, 净化水质的较佳温度范围是20℃~25℃, 当水温低于10℃时人工湿地的处理效率会明显下降[2]。主要原因是冬季低温运行, 存在植被枯死、微生物活性降低、湿地表面冻结 (床体缺氧) 等诸多导致处理效果变差的问题。
3.1 冬季低温使微生物降解能力降低
微生物的代谢与温度有关, 温度降低使微生物活性也随之降低。冬季湿地系统温度和氧含量低易造成微生物活性降低, 使微生物对有机物的分解能力下降, 相关研究及实践证明, 当水温低于4℃时, 湿地系统内的硝化反应基本停滞, COD及BOD5的去除也受到严重影响[5]。
3.2 冬季低温植物的污染物富集及氧传输能力降低
冬季低温条件下, 大部分人工湿地中植物生长停滞进入休眠状态或枯萎, 影响了植物对污染物的吸收和富集作用, 也使得通过植物转输入湿地中的氧量降低, 影响微生物的降解作用。
3.3 冬季低温更容易造成填料堵塞
冬季低温气候使微生物代谢缓慢, 从而使有机物在湿地基质中沉积, 造成湿地堵塞, 同时也阻碍氧在湿地中的传递, 减低湿地的水力传导性, 使湿地运行效率降低。
4 优化冬季低温运行效果的建议
国内外在人工湿地系统结构设计、系统保温和冬季运行优化等方面进行了大量研究和实践工作[6,7], 虽然目前尚没有一个能彻底解决湿地越冬问题的方法, 但通过相应措施可有效缓解和改善低温所带来的不利影响。针对北方冬季低温的特点, 建议从人工湿地设计、运行及管理上采取以下措施。
4.1 优化人工湿地系统选型
潜流式人工湿地水流在基质表面以下通过, 可有效减少因污水蒸发和流动造成的能量损失, 保证冬季人工湿地床体的热平衡, 避免了冬季湿地表面结冰后抑制大气复氧, 更适合北方地区冬季气温低的特点。
4.2 优化植物配置
结合北方地区人工湿地技术的应用实践, 建议宜选择芦革、茭白、菖蒲、水芹、香蒲等耐寒、生物量多、根系发达、繁殖能力强及转输氧气能力好的湿地植物。
4.3 优化运行方式
建议北方地区人工湿地冬季运行, 适当降低人工湿地的水力负荷和有机负荷, 通过降低水力及有机负荷可在一定程度上减缓基质冰冻板结带来的不利影响。同时建议采取间歇式运行, 即每隔一定时间规律的向人工湿地进水和排水, 通过有节奏的气、水运动提高了系统的复氧能力。
4.4 人工湿地保温
为了强化人工湿地冬季的运行效果, 提高水体温度, 减缓植物的休眠, 人工湿地冬季可通过覆盖形式进行保温。一般可采用的措施包括覆盖地膜保温和植物保温, 地膜保温隔离措施能使微生物活性得到提高, 对NH3-N和TN的去除效果均有一定改善, 但其不适合野外大面积使用, 同时废气地膜如处理不当, 易产生二次污染。植物保温是指将收割的湿地表面枯萎的植物均匀覆盖于湿地上。目前, 在我国较多采用湿地表层植物作为越冬的主要覆盖物, 但腐败的植物容易造成水体的二次污染。
5 结语
由于人工湿地技术存在进水污染物负荷低、占地面积大、受气候影响大等问题, 并无法替代传统的“物化+生化”二级废水处理工艺, 但其在处理二级废水处理后污染物浓度难以进一步降低的废水方面具有突出优势, 是实现北方天然径流匮乏地区废水排放标准与水体环境功能目标有效衔接的污水处理技术, 并在我国北方地区取得了较好的应用效果, 因此建议北方地区选择在有天然河道 (湖泊) 条件的水功能区目标考核关键区段建设人工湿地工程, 同时组建专业管理团队, 从进水调控、冬季植物收割及覆盖、清淤、堵塞监测等方面加强人工湿地的运行管理。
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