潜流人工湿地的局限性与运行问题

2004Vol.20　　　　　　　　　　CHINAWATER&WASTEWATER　　　　　　　　　　　No.11

潜流人工湿地的局限性与运行问题

尹　炜1,2,　李培军1,　尹澄清3,　台培东1,　李海波1,　郭　伟1

(1.中国科学院沈阳应用生态研究所,辽宁沈阳110016;2.中国科学院研究生院,

北京100039;3.中国科学院生态环境研究中心,北京100085)

　　摘　要:　针对目前在潜流人工湿地技术认识上的一些分歧,从湿地植物的输氧能力、人工湿地脱氮除磷能力和设计参考依据等方面,探讨了人工湿地的应用局限性,总结了湿地运行中存在的问题及解决措施,指出了深入研究潜流人工湿地处理机制的必要性。　　关键词:　潜流人工湿地;　污水处理;　应用局限性

中图分类号:X703.1　　文献标识码:B　　文章编号:1000-4602(2004)11-0036-03

ApplicationLimitationandOperationofSubsurfaceFlowConstructed

Wetland

YINWei1,2,　LIPei2jun1,　YINCheng2qing3,　TAIPei2dong1,

　LIHai2bo1,　GUOWei1

(1.InstituteofAppliedEcology,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China;2.Gra2duateSchool,ChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China;3.ResearchCenterforEco-environmentalScience,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China)

　　Abstract:　Therearesomedifferencesintheconceptionofsubsurfaceflowconstructedwetland.

Theapplicationlimitationofconstructedwetlandwasdiscussed,andtheproblemsexistingintherun2ningofwetlandandsolvingmeasuresweresummarizedintheaspectsofoxygentransfercapacityofwetlandplant,nitrogenandphosphorusremovalcapacity,andreferencedatafordesign,etc.;andthenthenecessityoffurtherstudyingsubsurfaceflowconstructedwetlandtreatmentmechanismwaspoint2edout.

　　Keywords:　subsurfaceconstructedwetland;　wastewatertreatment;　applicationlimitation

1　潜流人工湿地

人工湿地根据水面的位置可分为两种类型:表流人工湿地和潜流人工湿地(也称为淹没植物床),潜流人工湿地系统一般由湿地主体、防渗层、布水装置和收水装置四部分组成,其中防渗层的设置可以有效地防止湿地中的污染物进入地下水。潜流湿地由种植植物的砾石床构成,污水在流动过程中通过

物理、化学和生物作用得以净化。潜流湿地保温效果好,处理效果受气候、季节的影响较小,并且运行过程中若管理得当还可以有效防止蚊蝇滋生和产生臭味(但投资比表流湿地要大得多),目前国内外多采用潜流人工湿地处理污水。潜流人工湿地根据主导水流还可分为水平潜流和垂直潜流人工湿地,复合垂直流人工湿地实际上是潜流人工湿地的一种变

　　基金项目:国家高技术研究发展计划(863)项目(2002AA601022);　中俄自然资源与生态环境联合研究中心资助项目;

山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目(2002-148)

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形[1]。

湿地系统中两个主要处理机制是固液分离和成分转化,固液分离包括重力分离、过滤、吸附、吸收、离子交换和渗滤;转化包括氧化还原反应、絮凝、酸碱反应、沉淀和在好氧/厌氧条件下发生的一系列化学或生物化学反应。

2　应用局限性

211　湿地设计公式与参数的应用

人工湿地是一个涉及生物学、水力学、水文学和水化学的复杂生态系统,目前从时间和空间上都缺少关于大规模人工湿地的充分详细的高质量数据,因此设计者被迫通过从各种湿地运行数据的集合来获取设计参数,这样不可避免地会导致参数有效性的不确定。数据集合时可能把通过严格质量控制的研究方法获取的数据与随机获取的数据混合并用,也可能把处理一级出水小型湿地数据与处理二级出水的大型湿地上获取数据相混合。另外获取的数据还可能存在如下的问题:缺少成对进出水的水样、可靠的水力停留时间等信息,缺少温度和降水等重要的临时信息。虽然对获取的参数进行了回归处理,纠正了可能存在的差别,但是很有可能把一个运行良好的湿地设计运行参数应用于污染较重的污水人工湿地处理设计中[2]。212　一级处理对于人工湿地的重要性

必须对人工湿地的进水进行预处理,否则含有大量SS的污水直接进入人工湿地容易造成湿地内基质的堵塞,影响湿地的正常运行,如果SS中难降解成分比率较大,SS的长期积累可能会影响人工湿地的寿命。氧化塘和沉淀池都能有效地控制污水中的SS≤100mg/L[2];另外湿地的前处理可以使进水中含有更多的溶解氧或进行一定程度的氧化反应,从整体上提高系统的处理效率,另一方面预处理的好氧氧化反应能使污水中的含氮有机物发生氨化和硝化反应,提高了系统的除氮效果。在许多国家和地区,人工湿地技术常常被推荐用于污水三级(深度)处理,对于污染程度较轻的污水,在进入湿地前至少要经过沉淀池或氧化塘等进行一级处理[3]。213　替代传统污水处理的局限性

许多研究表明,人工湿地的应用有其自身的局限性,最主要的限制因素是,人工湿地需要较多的土地面积,处理1m3生活污水需要的占地面积为25～30m2,并且实际需用量有可能更多,城市的土地

价格是非常昂贵的,从经济角度考虑其造价并不低。水质是影响人工湿地应用的另一个限制因素,特别在夏季,湿地很难维持要求的水文状况和污染物、营养物浓度。污水的浓度、有机负荷、营养物负荷和气候都会随季节发生变化,雨季可能使湿地被淹没,从而使其不能正常运行,这样湿地还可能变成地表水和地下水的污染源。温带地区寒冷的冬季气温会影响人工湿地的运行,同样热带亚热带地区持续的降雨或干旱也有可能影响其运行[3]。214　湿地植物的输氧能力人们普遍认为湿地植物能够把氧传输至植物根部并释放,使周围的微环境依次呈现出好氧、缺氧和厌氧的状态,并主要通过微生物的作用来去除污水中各种污染物。然而早期工作表明,用于三级或深度处理的湿地并不适用于处理污染较重的污水,低负荷运行的处理机制不适用于污染较重的城市污水,因为按好氧机制处理该污水需要大量的氧气。实践和研究已经表明,从植物根部渗透的少量氧气相对于城市污水在实际负荷所需要的氧气来说是微不足道的[4]。

湿地植物的主要功能是植物的物理作用,大型水生植物能够稳定床体表面,提供良好的过滤条件,防止垂直流系统的堵塞,冬季可以保温,能够提高微生物的附着面积,吸收一定量的营养物(对低负荷运行系统具有重要作用),能够向根部释放氧气促进有机物的好氧降解反应和硝化反应[5]。其中植物向湿地中传输的氧气量直接影响其运行机制,芦苇、沉水植物、浮水植物分别为0.02～12、0.5～5.2、0.25～9.6g/(m2・d)[5],可见湿地植物传输的氧气是有限的,污染负荷、季节的变化和植物的种类都会直接影响湿地的运行机制。215　脱氮能力

作为厌氧固定生物膜反应器,潜流人工湿地中的有机氮在微生物作用下发生氨化反应,生成的铵盐可以直接被植物摄取并合成植物蛋白等物质供给植物生长,但与潜流湿地的氮负荷相比,植物对氮的吸收量很低[0.03～0.3g/(m2・d)],并且要通过收割植物来最终完成氮的去除,人工湿地在中等负荷情况下通过植物收割对氮的去除率<20%[6],这使得生物硝化反硝化成为主要的除氮机制,即污水中的有机氮在好氧区转化为氨氮和硝态氮,然后在厌氧区经过反硝化反应转化为N2或NOx,但在这种

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观念指导下的几个以除氮为主的潜流人工湿地工程相继运行失败[2]。

潜流人工湿地系统的氧气供应量是微不足道的,除低负荷运行的湿地外,大多数潜流湿地中可能没有充足的氧气来维持足够的硝化作用。硝化反应可能在根区附近发生,也可能在床体表面附近发生,硝化反应需要的氧主要是通过表面复氧和少量的植物传输来供给,如有硝化反应则发生在氧气需要量最低的下游水流中。潜流人工湿地以厌氧环境为主,适于经硝化处理的污水的反硝化反应;微生物厌氧降解污染物需要充足的合适的碳源,污水中的成分往往不能满足,因此外界碳源的供给是必需的。人工湿地碳源的供给与植物的枯枝落叶有关,所以是季节性的,植物衰亡后的供给量是最大的,但冬季

7]

的低温会影响厌氧反应过程[6、。综上所述,潜流人工湿地不是可靠、有效的除氮系统,为了提高系统的除氮能力,需要降低负荷或者采用间歇式进水方式;如果系统进水已经发生好氧硝化反应,则高效除氮是可能的,但是需要充分考虑碳源供给的季节性变化。216　除磷能力

潜流人工湿地对磷的去除主要通过物理化学分离、微生物转化和植物吸收作用来完成。

文献所报道的除磷数据存在以下问题:首先一些磷的去除数据以去除率来报道,然而许多研究中进水的磷浓度很低,故去除少量的磷却表现为较大的去除率;第二个问题,新建人工湿地的磷去除数据不能代表长期运行后的湿地,新建湿地植物的吸磷量大于长时间运行的湿地植物,而且,长时间运行湿地的植物在枯死后将吸收的磷重新释放至湿地,另外新建湿地的基质具有较大的磷吸附容量,而经过1～2年的运行后湿地的基质已几乎饱和[2]。

3　运行中存在的问题311　堵塞

时也是造成堵塞的原因[9]。

312　湿地的冬季运行问题

气温的降低会影响人工湿地的正常运行,使污染物的去除率降低,在少雪的冬季,冰雪覆盖不能有效防止冰冻和凌汛,因此应对湿地进行适当的覆盖隔离。适当增加人工湿地的构筑深度可以起到保温的效果,如沈阳市满堂河生活污水处理人工湿地,其一级处理由沉淀池和浮动生物床组成,考虑到冻土层,湿地深度>1m,经过一年的试运行,目前该湿地运行良好,出水水质稳定达标。参考文献:[1]　吴振斌.垂直流人工湿地的设计及净化功能初探[J].

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tertreatment:potentialsandproblems[J].WatSciTech,1999,40(3):27-35.

[4]　RonaldDDelaune,RezaPezeshki.Effectsofsoiloxidation

-reductionconditionsoninternaloxygentransport,rootaeration,andgrowthofwetlandplants[A].ProceedingsofaConferenceonSustainabilityofWetlandsandWaterRe2sourses[C].USA:UniversityofMississippi,2000.[5]　BrixH.Domacrophytesplayaroleinconstructedtreat2

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[7]　梁威,吴振斌.人工湿地对污水中氮磷的去除机制研究

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[8]　ChristophPlataer.Soilclogginginverticalflowreedbeds

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onthesoilcloggingphenomenaofverticalflowconstruct2edwetlands[J].WatSciTech,2003,48(5):9-14.

ChristophPlatzer的研究发现,堵塞一般发生在

基质上层0～15cm处,有机负荷过高是堵塞的主要

影响因素,可以通过一定的间歇来恢复湿地的渗透速率,其中间歇期长短受天气条件的影响[8];由于污水中连续的营养供应,系统内产生的生物量不断增加也是造成堵塞的一个因素;厌氧条件也加速了系统的堵塞,因而间歇的进水方式和适当的干湿交替是非常必要的;另外过多地种植植物和维护不及

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收稿日期:2004-05-31

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