人工濕地技術的應用與發展

摘要：系統介紹了人工濕地污水處理技術的概念、結構、功能、分類、在國內外的研究應用現狀。人工濕地污水處理系統是一個完整的生態系統,正不斷得到研究應用和發展,具有投資低、出水水質好、抗沖擊力強、增加綠地面積、改善和美化生態環境、操作簡單、維護和運行費用低廉等優點。這項技術適合我國國情，尤其適合廣大農村、中小城市的污水處理,具有極其廣闊的應用前景。

關鍵詞：人工濕地 污水處理 污染物去除 表面流濕地 潛流濕地 立式流濕地 生態系統

1 、前言

隨著工業的發展，水污染的加劇，同時淡水資源短缺與人民生活水平提高之間的矛盾日益加劇，水環境保護的任務也越來越艱巨。近年來，環境科學研究在迅速發展，正在積極探索水環境污染全球效應問題，各種水處理污染的方法層出不窮，其中生態處理技術——人工濕地技術由于其低投資，出水水質好，抗沖擊力強，操作簡單，建造和運行費用低(僅為傳統二級污水處理廠的1/10----1/2),維護方便，氨氮去除率高，同時可使污水處理與環境生態建設有機結合，在處理污水同時創造城市生態景觀等特點逐步被越來越多的國家接受，并廣泛應用。

2、人工濕地的定義及分類

2.1 人工濕地的定義

用人工濕地(Constructed wetland)來處理城市污水是發達國家近十年來才興起的生態處理法,它是為處理污水而人為地在有一定長寬比和底面坡度的洼地上用土壤和填料(如礫石等)混合組成填料床，使污水在床體的填料縫隙中流動或在床體表面流動，并在床體表面種植具有性能好，成活率高，抗水性強，生長周期長，美觀及具有經濟價值的水生植物(如蘆葦，蒲草等)形成一個獨特的動植物生態體系。⁽¹⁾

人工濕地去除的污染物范圍廣泛，包括N , P , SS , 有機物，微量元素，病原體等。有關研究結果表明，在進水濃度較低的條件下，人工濕地對BOD₅的去除率可達85％――95％，COD去除率可達80％以上，處理出水中BOD₅的濃度在10mg/l左右，SS小于20mg/l。⁽²⁾廢水中大部分有機物作為異樣微生物的有機養分，最終被轉化為微生物體及CO₂ , H₂O。

人工濕地面積可視情況而言，可在市郊結合部，也可在污水處理廠出水的附近建造。一些人工濕地屬預處理型，在那些目前還不具備建造污水處理廠的城鄉結合部建造人工濕地，將生活污水排入，利用所種植物對其進行處理，然后再排入自然水系，保護水體；還有些濕地屬于加強型，在污水處理廠附近建造人工濕地，將污水處理廠處理過的水引入，再經過人工濕地的加強處理，提高其水質，然后排入自然水系，作為其補充水源。

2.2 人工濕地的分類

根據濕地中主要植物形式人工濕地可分為：1、浮游植物系統; 2、挺水植物系統；3、沉水植物系統。其中沉水植物系統還處于實驗室研究階段，其主要應用領域在于初級處理和二級處理后的精處理。浮游植物主要用于N , P去除和提高傳統穩定塘效率。目前一般所指人工濕地系統都是指挺水植物系統。挺水植物系統根據廢水流經的方式，可分為表面流濕地(SFW)、潛流濕地(SSFW)、立式流濕地(VFW)。⁽³⁾表面流濕地和立式流濕地因環境條件差(易孳生蚊蟲)，處理效果受氣溫影響較大以及對基建要求較高，現多不再采用。故人工濕地大部分采用潛流式濕地系統。

3、人工濕地在國外研究應用發展

自西德1974年首次建造人工濕地以來，各種不同的濕地在世界各地已被用來處理大量不同的廢水。1996年9月在奧地利維也納召開的第四次國際研討會，標志著人工濕地作為一種獨具特色的新型廢水處理技術已經正式進入水污染控制領域。

自由表面流濕地在歐洲發展緩慢。瑞典1994年在Wittgren建一座處理6500PE，占地22公頃的自由表面流濕地。在北美約200座濕地處理系統有2/3是自由表面流濕地，其中一半又是自然濕地。自然濕地的大小從1―1000公頃，其中一半在10－100公頃。人工自然表面流濕地通常較小，60％小于10公頃。自然濕地水力負荷小于人工濕地。系統水深范圍5－90cm，30－40cm較普及。最常用的預處理是兼性或好氧塘，表明許多濕地系統用于現行塘系統的精處理。⁽⁴⁾地下潛流系統在歐洲應用較多，有幾百座。在丹麥，德國，英國等國家都至少有200個系統在運行。此技術還在快速發展，特別是在一些東歐國家。絕大多數系統種植有蘆葦，也有種植其它濕地植物的。在德國大多數系統介質是土壤，人們認為根的生長和蘆葦根區會增加和穩定導水性，但幾乎所有土壤系統都遇到表面斷流問題。為保證潛流，英國和北美絕大多數采用礫石床。雖有些礫石床也堵塞，但主要是由于預處理不足。在歐洲此類系統趨向對近1000PE的鄉村級社區進行二級處理；北美則趨向更多人口的高級處理。在澳大利亞和南非則用于處理各類廢水。

美國EPA目前正在開發北美人工濕地數據庫，地方數據庫在其它國家已存在，為減少重復勞動和改良經驗濕地設計方法，所有這些濕地都應通過公共數據庫使世界各地的工程師和科技人員能夠獲得。這樣的數據庫可減少建設低效濕地的風險。兩種濕地的設計指南現已出版，但改良工作仍然需要，有必要更細致的研究不同地區特征和運行數據以便在將來的建設中提供更合理的參數。豎流濕地在歐洲許多地方投入運行已有幾十年。豎流系統至今未廣泛使用是因為其需要更細致的建設和介質選擇。最近國際會議上有幾篇文章對豎流系統評價很高，目前世界上科技工作者正投入大量精力以改良人工濕地技術。潛流系統的處理效率可通過選擇豎流系統，采用間歇負荷和合理選擇介質而獲得提高，還可引入一些傳統處理技術的理論，如回流。此外，不僅對豎流系統，對所有人工濕地系統都需深入研究以改良優化工程設計參數，還需對系統的長期運行能力和管理問題進行研究。人工濕地不僅可用于城市和各種工業廢水的二級處理，還可用于高級處理中的精處理和對農田徑流的處理。在有些情況下，人工濕地可能是唯一使用的技術。⁽³⁾

4、人工濕地在我國的應用與發展

4.1 深圳白泥坑人工濕地處理系統

我國自“七五”開始對人工濕地的研究，已建成一些示范工程，并于1990年7月在深圳建起我國第一個人工濕地污水處理工程――白泥坑人工濕地處理系統。

白泥坑人工濕地污水處理系統位于深圳市寶安縣百泥坑村南500m處。水系沿山角流向海灣屬海洋性氣候。占地面積189畝，日處理量3100m³/d廢水。其處理流程見圖1:⁽²⁾

圖1  深圳百泥坑人工濕地處

人工濕地及氧化塘系統各單元的設計參數見表1：⁽²⁾

表1 深圳百泥坑人工濕地系統各單元的設計參數

經過近兩年的試驗運轉,出水效果較好。除氨氮指標效果不明顯外;其余指標均能達到國家規定的二級處理排放標準。該工程無動力消耗,管理較方便,除每月作一次水質監測外,平時無需其它管理。從外觀看,進水水質略顯渾濁,但無色無臭,是一個村鎮排出的生活污水及少量村辦企業的廢水匯合而成。

其運行費用為0.02元/m³僅為傳統活性污泥法的10％。深圳百泥坑人工濕地處理系統與其它污水處理廠的比較見表2：⁽²⁾

表2 深圳人工濕地系統與其它污水處理廠的經濟比較

從表2可以看出，人工濕地的工程總投資，處理單位污水的投資額，年運行費用及單位污水的處理費用均比其它傳統方法的費用低得多。

4.2 山東膠南市污水處理廠

膠南市位于山東半島西南部，其市區三面環山，一面臨海。其排水系統多采用雨污分流制，工業廢水與生活污水量之比為1：4，工業廢水主要來源于造紙，化工，印染，紡織，食品加工，釀造，橡膠，熱電等企業。

以處理污水量61x10⁴m³/d計，在建造污水處理廠前對各種處理流程進行了經濟技術比較，見表3⁽⁵⁾

表3　5種污水處理工藝技術經濟比較

由表3可以看出,蘆葦濕地處理工藝具有投資省、運行費用低和便于管理等特點,而膠南市風河下游北岸的大片鹽堿荒灘恰好可滿足該工藝占地面積大這一要求,因此蘆葦濕地處理工藝成為最終選擇。

建成的膠南污水處理廠設計處理規模為6×104ｍ3/,總投資為3000萬元,占地面積為76.7ｈｍ2,全部為鹽堿荒灘。工藝流程見圖2⁽⁵⁾

圖2　污水處理廠工藝流程

所采用的人工濕地為地表流蘆葦濕地，該濕地系統的濕地有效占地為44.33hm²，水力負荷為13.5cm/d，由99小塊蘆葦濕地田組成，每小塊長為140m，寬為32m，并聯運行。

人工濕地的運行效果，該廠污水處理量為(0.7～1.4)×10ｍ/ｄ,進水中的ＣＯＤ為1000～2000ｍｇ/Ｌ、ＢＯＤ5為450～700ｍｇ/Ｌ、ＳＳ為700～1500ｍｇ/Ｌ。污水經過預處理后ＳＳ去除率達70%以上,ＣＯＤ去除率達25%以上,ＢＯＤ₅去除率達20%以上,這大大減小了濕地田的負荷。濕地田進、出水指標見表4⁽⁵⁾

表4　預處理后蘆葦濕地田進、出水指標?。恚?Ｌ

表4表明,該廠的運行情況良好,各項指標均達到或優于國家標準。此外,濕地內鷗鷺、燕鵲棲息葦田,行人游客駐足觀光,其生態效益可見一斑。

4.3 內蒙赤峰市寧城污水處理廠

寧城污水處理廠是赤峰市建委及寧城縣建設局承擔的國家建設部下達的“八五”科技研究重點課題“人工濕地污水處理技術在我國北方地區的研究和應用”的項目,該項目曾于1997年6月通過國家建設部科技司主持的技術鑒定,并于1998年6月將該項成果予以推廣。

其工藝流程為原污水通過格柵,通過集水井、沉淀池,進入一級碎石床后,再進入二級碎石床,從二級碎石床流出處理水,排入天然河道。在一級碎石床栽植蘆葦，在二級碎石床栽植香蒲。

采用此工藝處理每噸污水需土建費用427.00元,維護費用0.06元,占地面積3.6m²。

人工濕地污水處理技術的應用,有效地改善了東小河的生態環境,東小河下游的居民從此遠離了惡臭和蚊蠅。改變了東小河的環境,提高了居民的生活質量。