人工湿地生态系统在废水处理中的功能与应用
admin
2005-12-07
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人工湿地由于具有高效、投资低廉、操作简单等优点而被广泛应用于废水处理。本文主要介绍了人工湿地的应用、构建、类型以及去污效果。并在此基础上讨论了人工湿地的应用前景和现阶段我们的研究状况。
随着社会经济的发展，人口数量的剧增，各种污染也相应增加。其中水污染（工业废水、生活污水、农业面源污水）最为严重，据有关资料显示，我国已有85%的江河湖泊受到不同程度的污染，仅1994年全国城市废水排放量高达360亿吨，其中80%废水未经处理直接排入江河湖泊。进入21世纪以来，人们更注重生活质量的提高，无论是政府还是个人都认识到水污染问题的严重性，这就需要找到一条解决该问题的有效途径。
一、人工湿地在废水处理中的应用
人工湿地是近三十年来发展起来的一种废水处理新技术。1974年，自前西德首先建造人工湿地以来，该技术在美国、加拿大及欧洲一些发达国家得到迅速发展。我国人工湿地的研究起步较晚，于1990年7月在深圳建起我国第一个人工湿地污水处理工程白泥坑人工湿地污水处理系统。
目前，可以利用人工湿地处理各种类型的废水(Moshiri, 1993; Kadlec and Knight, 1996; Vymazal et al., 1998)，例如日常生活污水(Cooper et al.,1997; Schreijer et al.,1997)、采矿废水(Kleinmann and Girts,1987; Brodie et al.,1989; Howard et al.,1989; Wenerick et al.,1989) 、农业污水(Dubowry and Reaves,1994; Rivera et al.,1997)、垃圾渗出液(Dombush,1989; Trantman et al.,1989) 、富营养水体(DAngelo and Reddy,1994)。而人工湿地之所以被广泛地应用于废水处理，主要有三个原因：
(1)它能够利用基质-微生物一植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、微生物同化分解和植物吸收等途径去除废水中的悬浮物、有机物、氮、磷和重金属等，来实现对污水的高效净化，同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物生长并使其增产，实现废水的资源化与无害化。
(2)它具有投资低(150～800元/吨)、耗能少、操作简单、运行成本低廉(0.1～0.2元/吨)的特点，因此有较高的经济效益(其基建和运行费用仅为传统二级处理的1/l0～1／2，胡康萍等，1991)。
(3)它作为一个生态系统，能维持生物多样性及构成景观的一部分，在去除污染物的同时，具有美化环境的功能，因此有较高的生态效益。
二、湿地的定义与人工湿地的构建
由于湿地种类繁多、分布广泛，而且不同湿地之间差异也较大，因此很难给湿地下一个明确的定义。1994年的《中国湿地生态环境保护规划》会议上对湿地的解释是：处于陆地与水域的交汇处，水位接近或处于地表面，或有浅层积水，一般以低水位时水深2米处为界，并具有以下特征：(1)至少周期性的以水生、湿生植物为植物优势种；(2)低层土主要是湿生土壤；(3)在每年的生长季节底层土被水淹没4个月以上。
人工湿地是把选定的填料(如沙砾) 按一定的坡度填在一定长宽比及底面坡降的浅池内或低洼地中，在填料表层土壤中种植一些处理性能好、成活率高、生长周期长、根系发达、美观及具有经济价值的水生植物(如水葫芦、菹草、芦苇等)，构成一个湿地生态系统。
三、人工湿地的类型
在废水处理中，主要应用两种类型，即表层流人工湿地（废水水平流动，通过湿地而沉淀）和渗漏人工湿地（废水垂直流入，经渗透沉积后排水去除），它们具有不同的作用，可以根据需要选择。
目前，美国、澳大利亚、日本、英国、荷兰、德国等国家已广泛应用表层流人工湿地来处理废水。废水从它表面流过，一般有一个或几个填料床组成，床底填有基质，并有防漏层来阻止废水渗入地下而污染地下水，在系统中种植一些水生植物如水葫芦、芦苇、菹草等，废水经常同表层水流相混合，在湿地内流动，持续时间一般为10天左右。这种类型的湿地，对生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、悬浮物等指标的去除率高于渗漏人工湿地。渗漏人工湿地使污水从湿地表面纵向流入填料床的底部，床体处于不饱和状态，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统。垂直潜流人工湿地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，但其缺点是对有机物的去除能力不如表层流人工湿地。
四、人工湿地处理废水的效果
随着研究的发展，对湿地去污能力的研究不再停留在定性上，而是更注重定量的研究。其中一个反映湿地去污能力的重要数据库是NADB（North American Data Base）,它是通过对100多个废水处理型湿地的调查研究而建立（Knight et al.,1992）。该数据库说明湿地对BOD、COD的去除率可达80～90%，但对氮、磷的去除率相对较低，而且变化也较大，一般在50%左右。J.T.A.Verhoeven和A.F.M.Meuleman（1999）通过对渗漏湿地十年的研究，也得出了反应湿地去污能力的一些数据。从实践的角度来说，人工湿地的去污能力会更强。因为它们的目的性更明确，而且可在最大程度上受人为控制。在欧洲和美国，凡是投入运行并达到成熟的人工湿地，基本上都能达到尾水排放标准。
五、前景展望与实践应用
从人工湿地成功的应用实例可以看出，它是一种正在得到不断研究、应用的废水处理技术。尽管运用人工湿地来处理工业废水、日常生活污水、农业废水等方面的研究已有三四十年的历史，但是迄今为止应用人工湿地处理养殖废水的研究却只有510年的时间，而且具体的研究事例也尚未多见（R. L. Knight et al., 2000）。所以在现阶段我们的研究主要是应用人工湿地来净化蛋鸭养殖过程中所产生的污水（见图3）。本研究以德清县利虹禽业有限公司的蛋鸭养殖场(见图4)为基地，该蛋鸭养殖场是浙江省较大的蛋鸭养殖场，占地面积达80亩，全年饲养蛋鸭、种鸭10万只。养殖场采用循环水人工池，鸭场水清鸭壮，病害少。但到夏天，特别是高温季节，排水量增加，过多过肥的池水又造成了水田肥害，河水的富营养化。因此，我们通过构建人工湿地来净化这些富营养水体，并要进行长期的实验来说明湿地的去污能力。
参考文献
[1]Jos T.A.,Verhoeven, Arthur F.M.Meuleman,1998. Wetland for wastewater treatment: Opportunities and limitations. Ecological Engineering, 12(1999):5-12
[2]Amelia K. Kivaisi. The potential for constructed wetlands for wastewater treatment and reuse in developing countries: a review. Ecological Engineering ,16 (2001): 545-560
[3]A.G. Werker , J.M. Dougherty, J.L. McHenry, W.A. Van Loon. Treatment variability for wetland wastewater treatment design in cold climates. Ecological Engineering ,19 (2002) 1-11
[4]Barry A. Costa-Pierce. Preliminary investigation of an integrated aquaculturewetland ecosystem using tertiary-treated municipal wastewater in Los Angeles County, California. Ecological Engineering ,10 (1998): 341-354
[5]Robert L. Knight et al.. Constructed wetlands for livestock wastewater management. Ecological Engineering ,15 (2000): 41-55
[6]何池全, 赵魁义, 余国营, 赵志春, 王国平. 湿地生态过程研究进展[J].地球科学进展，2000，15(20):165-171
[7]李军，丁立.湖南给水排水[M].长沙: 湖南科学技术出版社，1994
[8]文乐元，谢可军.人工湿地新型污水处理技术[J].西南林学院学报，2002，22(2):76-79
[9]崔保山，刘兴土.湿地生态系统设计的一些基本问题探讨[J].应用生态学报，2001，12(1):145-150
[10]籍国东，孙铁珩，李顺.人工湿地及其在工业废水处理中的应用[J].应用生态学报，2002，13(2):224-228
[11]春雷，常杰，葛滢，朱荫湄.复合垂直流人工湿地对低浓度养殖废水循环净化功能研究[J].科技通报，2004，20(1):15-17
[12]廖新悌，骆世明.人工湿地对猪场废水有机物处理效果的研究[J].应用生态学报，2002，13(1):113-117
[13]诸惠昌，胡纪萃.新型废水处理工艺人工湿地的设计方法[J].环境科学，1993，l4(2):39-43
[14]郑雅杰.人工湿地系统处理污水新模式的探讨[J]. 环境科学进展，1995，3(6):1-8
[15]胡康萍，刘少宁.一种经济、有效、简便、可靠的污水处理技术人造湿地系统[J].环境工程，1991，9(2):6-10
[16]杨士军.湿地的价值[J].环境，1998，(1):41-42
一、人工湿地在废水处理中的应用
人工湿地是近三十年来发展起来的一种废水处理新技术。1974年，自前西德首先建造人工湿地以来，该技术在美国、加拿大及欧洲一些发达国家得到迅速发展。我国人工湿地的研究起步较晚，于1990年7月在深圳建起我国第一个人工湿地污水处理工程白泥坑人工湿地污水处理系统。
目前，可以利用人工湿地处理各种类型的废水(Moshiri, 1993; Kadlec and Knight, 1996; Vymazal et al., 1998)，例如日常生活污水(Cooper et al.,1997; Schreijer et al.,1997)、采矿废水(Kleinmann and Girts,1987; Brodie et al.,1989; Howard et al.,1989; Wenerick et al.,1989) 、农业污水(Dubowry and Reaves,1994; Rivera et al.,1997)、垃圾渗出液(Dombush,1989; Trantman et al.,1989) 、富营养水体(DAngelo and Reddy,1994)。而人工湿地之所以被广泛地应用于废水处理，主要有三个原因：
(1)它能够利用基质-微生物一植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、微生物同化分解和植物吸收等途径去除废水中的悬浮物、有机物、氮、磷和重金属等，来实现对污水的高效净化，同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物生长并使其增产，实现废水的资源化与无害化。
(2)它具有投资低(150～800元/吨)、耗能少、操作简单、运行成本低廉(0.1～0.2元/吨)的特点，因此有较高的经济效益(其基建和运行费用仅为传统二级处理的1/l0～1／2，胡康萍等，1991)。
(3)它作为一个生态系统，能维持生物多样性及构成景观的一部分，在去除污染物的同时，具有美化环境的功能，因此有较高的生态效益。
二、湿地的定义与人工湿地的构建
由于湿地种类繁多、分布广泛，而且不同湿地之间差异也较大，因此很难给湿地下一个明确的定义。1994年的《中国湿地生态环境保护规划》会议上对湿地的解释是：处于陆地与水域的交汇处，水位接近或处于地表面，或有浅层积水，一般以低水位时水深2米处为界，并具有以下特征：(1)至少周期性的以水生、湿生植物为植物优势种；(2)低层土主要是湿生土壤；(3)在每年的生长季节底层土被水淹没4个月以上。
人工湿地是把选定的填料(如沙砾) 按一定的坡度填在一定长宽比及底面坡降的浅池内或低洼地中，在填料表层土壤中种植一些处理性能好、成活率高、生长周期长、根系发达、美观及具有经济价值的水生植物(如水葫芦、菹草、芦苇等)，构成一个湿地生态系统。
三、人工湿地的类型
在废水处理中，主要应用两种类型，即表层流人工湿地（废水水平流动，通过湿地而沉淀）和渗漏人工湿地（废水垂直流入，经渗透沉积后排水去除），它们具有不同的作用，可以根据需要选择。
目前，美国、澳大利亚、日本、英国、荷兰、德国等国家已广泛应用表层流人工湿地来处理废水。废水从它表面流过，一般有一个或几个填料床组成，床底填有基质，并有防漏层来阻止废水渗入地下而污染地下水，在系统中种植一些水生植物如水葫芦、芦苇、菹草等，废水经常同表层水流相混合，在湿地内流动，持续时间一般为10天左右。这种类型的湿地，对生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、悬浮物等指标的去除率高于渗漏人工湿地。渗漏人工湿地使污水从湿地表面纵向流入填料床的底部，床体处于不饱和状态，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统。垂直潜流人工湿地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，但其缺点是对有机物的去除能力不如表层流人工湿地。
四、人工湿地处理废水的效果
随着研究的发展，对湿地去污能力的研究不再停留在定性上，而是更注重定量的研究。其中一个反映湿地去污能力的重要数据库是NADB（North American Data Base）,它是通过对100多个废水处理型湿地的调查研究而建立（Knight et al.,1992）。该数据库说明湿地对BOD、COD的去除率可达80～90%，但对氮、磷的去除率相对较低，而且变化也较大，一般在50%左右。J.T.A.Verhoeven和A.F.M.Meuleman（1999）通过对渗漏湿地十年的研究，也得出了反应湿地去污能力的一些数据。从实践的角度来说，人工湿地的去污能力会更强。因为它们的目的性更明确，而且可在最大程度上受人为控制。在欧洲和美国，凡是投入运行并达到成熟的人工湿地，基本上都能达到尾水排放标准。
五、前景展望与实践应用
从人工湿地成功的应用实例可以看出，它是一种正在得到不断研究、应用的废水处理技术。尽管运用人工湿地来处理工业废水、日常生活污水、农业废水等方面的研究已有三四十年的历史，但是迄今为止应用人工湿地处理养殖废水的研究却只有510年的时间，而且具体的研究事例也尚未多见（R. L. Knight et al., 2000）。所以在现阶段我们的研究主要是应用人工湿地来净化蛋鸭养殖过程中所产生的污水（见图3）。本研究以德清县利虹禽业有限公司的蛋鸭养殖场(见图4)为基地，该蛋鸭养殖场是浙江省较大的蛋鸭养殖场，占地面积达80亩，全年饲养蛋鸭、种鸭10万只。养殖场采用循环水人工池，鸭场水清鸭壮，病害少。但到夏天，特别是高温季节，排水量增加，过多过肥的池水又造成了水田肥害，河水的富营养化。因此，我们通过构建人工湿地来净化这些富营养水体，并要进行长期的实验来说明湿地的去污能力。
参考文献
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[6]何池全, 赵魁义, 余国营, 赵志春, 王国平. 湿地生态过程研究进展[J].地球科学进展，2000，15(20):165-171
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