人工濕地強化處理污水的技術措施

陳勇，范英宏，洪蔚，侯世全，林世華，曾立云

(1.蘭州交通大學環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070; 2.中國鐵道科學研究院節能環保勞衛研究所，北京 100081)

目前普遍應用的人工濕地有表面流型人工濕地、水平潛流型人工濕地和垂直流型人工濕三種類型。人工濕地作為一種節能污水處理技術正在日益廣泛地得到應用，目前人工濕地運行存在的問題有:①單池運行效果差;②濕地水流流態單一;③人工濕地溶解氧水平低，造成污染物尤其是氨氮的去除受到限制;④人工濕地堵塞問題。本文針對人工濕地運行存在的一系列問題，對當前人工濕地的強化措施進行了分析，并提出進一步強化人工濕地運行效果的建議。

1 人工濕地主要強化措施研究現狀

1.1 人工濕地組合工藝

1.1.1 傳統污水處理工藝與濕地構成的復合系統

目前針對人工濕地存在的堵塞問題，將傳統的物理法、化學法以及生物法等污水處理技術與人工濕地相結合，不僅出水水質可達到預期目標，還可防止濕地堵塞，延長濕地使用壽命。吳義鋒等采用水解調節池—厭氧折流反應池—組合好氧裝置—垂直流人工濕地工藝處理扎染廢水，對COD、NH3-N、TN和色度均有較好的去除效果，平均去除率分別為77%、85%、70%和89%［1］。塘－濕地復合系統也是一種普遍應用的組合工藝。李松等采用格柵—消毒池—厭氧池—人工濕地—穩定塘工藝處理農村生活污水，出水的 COD、BOD、SS、TN、NH3-N、TP和糞大腸桿菌均達到《污水綜合排放標準》(GB8978—1996)的一級標準［2］。人工濕地還可用于傳統二級污水處理廠出水的深度處理。陳雯等在布吉污水處理廠中試試驗的基礎上，建設了小型人工濕地，深度處理污水處理廠二級出水。結果表明，人工濕地對二級出水的COD、NH4+-N、TN、TP等重要控制指標均有比較明顯的深度處理作用［3］。

1.1.2 串聯型濕地工藝

串聯型濕地是指幾個同種類型或不同類型人工濕地串聯在一起。同種類型濕地串聯可延長濕地水流流程和停留時間;不同類型濕地串聯可充分利用各種濕地的優勢，避免了單一類型人工濕地存在的缺陷。常見的兩極串聯濕地有:表面流—潛流;潛流—表面流;水平潛流—垂直流;垂直流—水平潛流;垂直下行流—上行流;潛流—上行垂直流;垂直流—表面流;垂直下行流—下行流等。

(1)垂直流—水平流(VF—HF)系統

VF—HF最初是由 Seidel在德國提出來的，系統由兩個VF單元組成后面串聯一個或幾個HF單元［4］。自20世紀90年代起，歐洲許多國家開始建設這種VF—HF系統，現在該形式在全世界越來越受到關注［5－6］。由于 VF充氧效果較好所以有很強的硝化能力;而HF充氧效果較差，所以有很好的反硝化能力，即使在C/N很低的情況下對TN也有很高的去除率［7－10］。Platzer采用垂直流濕地具備80%～95%的硝化能力，后面接一個潛流濕地具備75% ～80%的反硝化能力［11］。

(2)水平流—垂直流(HF—VF)系統

20世紀90年代中期 Johansen and Brix首次提出HF—VF系統［12］，用一個面積較大的 HF作為前處理來去除有機物、SS并進行反硝化反應，較小的VF池用來進一步去除有機物、SS并進行硝化反應。然而，為了提高TN的去除率，垂直流濕地出水要回流到潛流濕地前的沉淀池。Brix等采用HF(456 m2)—VF(30 m2)，NH4+-N和TN從60和72 mg/L減少到2和28 mg/L［10，13－14］。

(3)表面流濕地—潛流濕地系統

與潛流濕地相比，表面流濕地不易堵塞，占地面積大，因此將其與潛流濕地結合起來不僅能有效降低復合人工濕地系統堵塞的風險，還可有效地節約占地。意大利的一個薯片潛流—表面流人工濕地系統處理葡萄酒廠廢水，其總有機負荷可高達 1 226 kg/(hm2·d)［15－16］。

(4)潛流濕地—表面流濕地系統

這種復合人工濕地適合于進水懸浮物和有機物濃度不高且建設資金不太充足的情況下應用。高海鷹等采用3個串聯起來的功能分區組成復合濕地系統:生物強化沉淀池、潛流濕地和表面流濕地，河水依次流經3個功能區，然后入湖，取得了良好的凈化效果［17］。

1.2 濕地水流流態優化

目前濕地水流流態最常見的有水平流和垂直流兩種形式，這兩種水流流態都較單一，使濕地內水流停留時間和濕地溶解氧濃度受到限制，還可能出現短流的情況。在實際應用中可通過增加濕地水流的曲折性或多樣性來提高水流停留時間和溶解氧，也可避免出現短流。何成達等人提出的波式潛流人工濕地就是在濕地內部有規則的設置導流板，使水流在濕地內上下呈波浪式流動，研究結果表明，波式潛流顯示出比常規水平潛流濕地更好的去除污染物的特性［18－20］。重慶大學司馬衛平通過在水平流濕地內加擋流墻使水流呈下向流或上向流的折流式和水平 S型的側流式［21］。張克強等人提出的廊道式人工濕地采用三級圓環式，最中心的是第一級垂直流，外面依次為第二級潛流和第三級表面流，第一級濕地最高，然后依次降低，污水先進第一級，然后順次流進第二級和第三級。該系統啟動迅速，維護簡單，能夠長期穩定運行，出水水質能夠達到農田灌溉標準［22－23］。另外，在工程應用中可充分利用現有場地地形，例如一些坡地或溝渠，使水流出現跌水，水流流態更加多樣、流程增加，處理效果則更加突出。目前關于濕地水流流態的研究較少，還有待進一步深入的研究。

1.3 其他方法

1.3.1 強化曝氣

人工濕地中的氧氣主要來源于大氣向濕地的擴散和植物根部的輸氧作用，對于潛流濕地根部的輸氧是濕地中氧氣的主要來源［24］。也有研究表明，根部的輸氧作用對濕地作用有限，大氣的擴散也受濕地基質的阻滯［25］。因此，在研究中有采用強化曝氣解決濕地內溶解氧不足的問題。曝氣分為進濕地前的預曝氣和濕地內曝氣，其中預曝氣對改善濕地內溶解氧水平不如濕地內曝氣效果明顯，但濕地內曝氣不適用于后期改造時加曝氣設備，因為此時要將基質挖出會很不劃算。

1.3.2 出水回流

在出水水質不達標時可考慮出水回流，出水回流可加大人工濕地的水力負荷，一定程度上提高水力傳導速率，改善傳質條件，延長污染物與植物根際微生物的接觸時間，而且，還可引入部分氧氣，提高濕地的溶解氧水平［26］。鄢璐等報道回流對濕地DO影響顯著，回流濕地出水DO濃度均高于未回流濕地;回流比越大，出水 DO濃度越高，但在回流比大于2以后，DO濃度增加不明顯［27］。

另外還可采用多點進水、間歇式進水、增加植物密度等措施。多點進水可防止濕地前段堵塞，使植物生長均勻;垂直流人工濕地一般采用間歇式進水，可延長濕地運行壽命;潛流型濕地周期性排水可將堵塞在孔隙中的SS沖刷出去［28］。

2 討論

2.1 人工濕地工藝優化

大量實踐證明人工濕地在處理微污染水時優勢比較明顯，在處理一些高污染濃度的污水時要考慮與其他工藝組合，先將污水的負荷降到人工濕地能夠承受的程度，再接入人工濕地。當前與人工濕地組合的技術有物理法、化學法和生物法，其中生物法有好氧法和厭氧法，由于人工濕地富氧水平低，因此建議好氧生物法與人工濕地相結合，這樣不僅能夠降低濕地進水負荷，還增加了濕地進水溶解氧提高濕地的處理效果。人工濕地通常單池面積比較大，可以采用同種類型或不同類型人工濕地串聯的方式運行，這樣不僅可以減少占地面積，不同類型濕地還可以達到優勢互補的功效;人工濕地堵塞是難以避免的問題，可以采用間斷運行的方式解決，在經濟條件允許的情況下最好有備用濕地，也就是說采用并聯輪休方式運行，其中一部分濕地采用設計的滿負荷運行，另一部分采用低負荷運行或停止運行，在滿負荷的濕地發生堵塞時降低其負荷或停止運行，另一部分濕地開始滿負荷運行，這樣堵塞了的濕地在堵塞緩解之后就可以接著發揮作用。

2.2 強化人工濕地水流流態

人工濕地在在運行過程中很容易出現短流和滯水的現象，一些污水通過某些通道迅速流出，而另一些污水長期滯留其中，使得濕地內一些部位的填料不能發揮其作用。通過均勻布水、主要功能區濾料單一且均勻外以及采用濕地串聯或并聯就可以減少這種現象的出現。此外，使濕地水流流態更加多樣化，增加水流的曲折性，避免單一的水平流或垂直流，也是重要措施之一。

2.3 強化濕地管理

雖然人工濕地系統運行維護管理比較簡單，但加強維護管理對于提高其處理效率至關重要。在濕地植物栽植階段，通過逐漸降低水位的方法可誘導根系向下發展，促進濕地植物根系的發育;在運行過程中濕地堵塞時，可將水排干待濕地干化一段時間后填料孔隙恢復了再運行;在寒冷地區冬季，可以采用收割植物覆蓋的方式對濕地進行保溫。總之，只有加強人工濕地必要的監管措施，才能讓其保持長期高效穩定的運行。

3 結論與建議

國內外專家提出了一系列強化人工濕地的處理措施，這些強化措施，大大提高了人工濕地凈化污水的效果，促進了人工濕地的推廣應用。但是采取強化措施時要盡量選擇一些簡單、節能、效率高、投資省的工藝或措施，避免使處理系統太過復雜化，否則就失去了人工濕地投資省、管理方便的優點。

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