人工湿地污水处理技术—人工湿地的净化原理

人工湿地对废水的处理综合了物理、化学和生物的三种作用。湿地系统成熟后，填料表面和植物根系将由于大量微生物的生长而形成生物膜。废水流经生物膜时，大量的SS被填料和植物根系阻挡截留，有机污染物则通过生物膜的吸收、同化及异化作用而被去除。湿地床系统中因植物根系对氧的传递释放，使其周围的环境中依次呈现出好氧、缺氧和厌氧状态，保证了废水中的氮、磷不仅能被植物和微生物作为营养成分而直接吸收，而且还可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用将其从废水中去除，最后通过湿地床填料的定期更换或栽种植物的收割而使污染物最终从系统中去除。人工湿地中物质的传递及转化过程，因湿地床中不同部位含氧量的差异而有所不同，如图11-14所示。

(1）系统中氧的变化

人工湿地中的氧主要是通过植物根系的光合作用对氧的释放、进水中挟带的氧以及水面的更新作用而获得，如图11-14所示。湿地植物通过光合作用产生的氧，一部分通过植物的运输组织和根系的输送作用释放到湿地环境中。氧在湿地系统中的输送过程及其分布状态如图11-15所示（以芦苇床湿地为例）。植物根系的这种输氧作用使得根系周围形成一个好氧区域，其中形成的好氧生物膜对氧的利用使离根系较远的区域呈现出缺氧状态，而在离根系更远的区域则呈现出完全的厌氧状态。这些溶解氧含量不同的区域分别有利于大分子有机物及氮、磷的去除。

湿地中的氧可以作为好氧微生物氧分解有机污染物的电子体，最终以二氧化碳的形式释放到系统外的环境。此外，湿地床内部溶解氧的存在对于好氧微生物的硝化作用和聚磷菌的过量聚磷作用也是必不可少的。

在湿地系统处理污水之前，随光照强度的增加以及光照时间的延长，芦苇根区的氧化还原电势（ORP）逐渐升高。在夜间由于无光照，芦苇根区的ORP又逐渐降低。这说明芦苇叶片通过光合作用产生的氧是通过芦苇的茎和根系输送到其地下部分的。芦苇由于光合作用产生的氧通过根状茎和不定根向水中传递而使水中的溶解氧浓度升高。溶解氧在水中有积累效应，到天黑时（20:00）累积量达到最大值。夜间，由于芦苇根系的呼吸作用和缺乏光照以及床体中微生物的代谢作用，水中的溶解氧浓度下降，如图11-16(a）所示。根据一天内湿地床中溶解氧的累积量可以计算出芦苇向水体的供氧能力。在湿地系统处理污水的过程中，床体内的溶解氧在一天内的变化很小，这是由于床体内微生物在氧化降解污染物的过程中对氧的消耗，使芦通过和根向根系输送的氧不能在水中积累，如图11-16(b）所示。

(2）对有机物的去除

人工湿地的显著特点之一是其对有机污染物较强的降解能力。废水中的不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很快地被截留而被微生物利用；废水中的可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物降解过程而被分解去除。国内有关城市污水的研究表明，在进水浓度较低的条件下，人工湿地系统对BOD5的去除率可达85%~95%。对COD的去除率可达80％以上，处理出水中的BOD5浓度在10mg/L左右。北京市环境科学研究院的研究结果还表明，废水中的不溶性BOD5（占废水总BOD5的50％左右）和COD可在进水的5m内被迅速地去除，而SS则可在进水的10m内去除90％左右。

随着处理过程的不断进行，湿地床中的微生物相应地繁殖生长，通过对湿地床填料的定期更换及对湿地植物的收割而将新生的有机体从系统中去除。

(3）对氮的去除

人工湿地对氮的去除主要靠微生物的氨化、硝化和反硝化作用。氮在湿地系统中的循环变化经历了七种价态及多种有机、无机形式的转换。原废水中的氮基本以有机氮和氨氮两种形式存在。一般情况下，有机氮被微生物分解成氨氮，所以人们更关心无机氮的去除。

废水中无机氮作为植物生长过程中不可缺少的物质可以直接被植物吸收并通过植物的收割从废水和湿地中去除，但植物直接吸收只占很少的一部分。主要的去除途径是通过微生物的硝化、反硝化作用来完成的。人工湿地中的溶解氧呈区域性变化，连续呈现好氧、缺氧及厌氧状态，相当于许多串联或并联的An/A/O处理单元，使硝化和反硝化作用可以同时进行。在这种环境下，氨氮被氧化成NO2和NO3，其机理是通过硝化作用先将氨氮氧化成硝酸盐，再通过反硝化作用将硝酸盐还原成气态中作好氧环境下由自养型好氧微生物完成，它包括两个步骤：第一步由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝酸盐（NO2)，第二步则由硝酸菌将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐（NO3)。亚硝酸菌、硝酸菌通称为硝化菌。反硝化作用在无氧条件下进行，反硝化菌利用硝酸盐中的氧进行呼吸，氧化分解有机物，将硝态氮还原为N2或N2O，并从系统中逸出。

所以人工湿地比传统活性污泥处理系统（一般无法完成反硝化作用）具有更强的氮处理能力，而能耗比An/A/O系统则节省得多。为了提高人工湿地去除氨氮的效率，Green采用人工充气的办法来增加湿地中的溶解氧，以此提高硝化能力，结果大大提高了氨氮的去除率。但由于溶解氧气增加的同时抑制了反硝化作用的进行，从而使硝态氮的去除率有所下降。如何在提高氨氮的去除率的同时保证硝态氮的去除率是增强人工湿地除氮效果的一个难点。与 BOD 和COD的去除相比，人工湿地中的硝化过程较慢，当BOD和COD值较高时，有限的溶解氧常被用于去除有机物的反应中，明显的硝化反应只有在BOD降低到一定程度才能进行。而反硝化作用又需要从有机质中获取碳源，当污水有机物含量很低时，反硝化过程又不易进行。因此解决这一矛盾是提高人工湿地对氮的去除率的另一难点。

(4）对磷的去除

人工湿地对磷的去除是通过植物的吸收、微生物的积累及湿地床的物理化学等几方面共同作用完成的。污水中的无机磷一方面在植物的吸收和同化作用下被合成为ATP、DNA和RNA等有机成分，通过对植物的收割而将磷从系统中去除。但是，植物的吸收作用只占很少的一部分，加入系统中的磷主要存留在土壤中，留存于植物体和凋落叶中的很少。磷的另一去除途径是微生物对磷的正常同化吸收，聚磷菌对磷的过量积累，通过对湿地床的定期更换而将其从系统中去除。在传统的二级污水处理工艺中，微生物对磷的正常同化吸收一般只能去除进水中磷含量的4.5%~19%，因而微生物对磷的去除主要是通过聚磷菌的过量摄磷作用而实现的。由于人工湿地中植物的光合作用及呼吸作用（即所谓的光反应和暗反应）的交替进行，致使系统中交替地出现好氧和厌氧条件，进而利于对磷的去除。Reddy在研究中发现在人工湿地中70%~87％的磷可能通过沉淀或吸附反应而降解，pH 值将起到十分重要的作用。研究发现：可溶性的无机磷化合物很容易与土壤中的Al、Fe、Ca 等发生吸附和沉淀反应，其中土壤与Ca易于在碱性条件下发生作用，而与Al、Fe主要是在中性或酸性环境条件下发生反应。一般认为磷酸根离子主要通过配位体交换而被吸附到Fe和Al离子的表面。Zhu等研究了 Mg、Al、Fe、Ca 与 P 的吸附关系，指出Ca与P的吸附相关性最强。Geller也认为Ca与Al、Fe相比对P具有更强的结合能力。与此同时，大量的研究发现废水中的P只是被吸附停留在土壤的表面。研究还发现这种吸附沉淀反应也不是永久地沉积在土壤里，至少部分是可逆的。美国学者Richardson认为EPA湿地系统对P的最大吸收能力一般为每年不超过1g/m2，即所谓的"1g规则"。籍国东等在研究中发现，当废水中TP的浓度较低时，人工湿地不但不会去除废水中的P，还会使湿地出水P的浓度增加。增加的P主要来自湿地介质的释放。