人工湿地在污水处理厂的应用研究

2023-03-12蒋小梅

山东化工 2023年20期

蒋小梅

(湖南先导洋湖再生水有限公司,湖南长沙 410208)

全球范围内,水资源短缺和环境污染问题已成为当前的重大社会挑战之一。在此背景下,城市污水处理技术得以快速发展,其中人工湿地系统作为一种新型的污水处理技术,受到普遍关注和研究。人工湿地可以模拟天然湿地生态系统,从而实现类似于生态修复的效果,去除有机物质和重金属等污染物[1]。相对于传统的污水处理方法,人工湿地具有操作简单、能耗低和处理效果稳定等优点,同时还能提升景观效益和生态效益[2]。推广和应用人工湿地技术,不仅可以解决污水处理问题,还能够提升城市和乡村的环境质量。尽管人工湿地系统在污水处理方面已经取得了长足的发展,但目前仍存在一些问题和不足,如处理效率较低、容易堵塞、占地面积大、处置过剩污泥等方面尚需进一步完善和优化。本文主要介绍了人工湿地技术的原理、分类、应用、研究进展和展望。最后指出,未来需要在人工湿地的设计、建设、管理、经济效益评估、可持续发展等方面不断创新和完善,以更好地发挥人工湿地技术的优势,应对当前全球水资源短缺和环境污染问题,实现水资源的可持续利用,并提出今后的发展方向和建议,为相关领域从业人员提供参考依据。

1 人工湿地系统的种类及机理

1.1 人工湿地的种类

人工湿地系统类型主要包括表面流人工湿地、潜流人工湿地、垂直流人工湿地及水平潜流人工湿地[3]。不同类型的人工湿地系统在处理效果和适用场景方面有所差异。

表面流人工湿地通过建造水面泻湖或者人工河道,让废水在水面上流动,借助湿地植物的吸收、降解和物理化学作用,达到处理水质的目的。它的处理效果较好,适用于处理一些污水流量比较小,处理效果要求较高的场所,如城市景观水体、污染水体的二次治理等。

潜流人工湿地是通过地下的砾石、沙子和根系为基质,以及水平分布的入水口和出水口构成的,又称为水平渗流湿地。它是一种将废水流转于湿地底层的人工湿地系统。它的处理效果稳定,适用于污水处理量较大、处理压力较大的场所,如城市污水处理厂。

垂直流人工湿地是一种废水通过一系列湿地植物和介质的物理、化学、生物反应后,经过一定的深度过滤后,最终从人工湿地出口排放的人工湿地种类。其运行过程中废水以垂直方向流动,进入湿地后经过滤材、湿地植物根系、微生物群落等多重净化过程,最终得到净化的水体。垂直流人工湿地的处理效果较好,适用于水量较小、需求较高的场所,如小区和厂区等。

水平潜流人工湿地是一种基于垂直流人工湿地而发展的人工湿地系统。其流动方式和潜流人工湿地类似,但将设计垂直流人工湿地时的增殖阶段替换为反应器阶段和沉淀阶段,从而减少了所占用的土地面积,同时也不降低处理效果。它适用于水量较大、处理压力较小的场合,如工业厂区和农村污水处理等。综上所述,人工湿地在污水处理厂中具有多种类型和应用场景,其应用对于改善环境生态,提高城市水质具有重要意义。

1.2 应用机理

人工湿地在污水处理厂中已经得到广泛应用并且显示出良好的净化效果。其应用机理包括生化作用、吸附作用和微生态调节作用等多个方面[4-6]。以下将从不同角度详细阐述人工湿地系统在污水处理中的应用机理。

1.2.1 生化作用

生化反应是人工湿地系统中最主要的应用机理之一。湿地环境中有机物在人工湿地系统中通过微生物和植物的作用被迅速分解、氧化和吸收,降解成碳酸盐和水等无害物质。微生物群落领域的相互影响以及环境因素的作用对该过程的实现起到关键作用[7]。

1.2.2 吸附作用

一些植物能够通过根系吸附铁、锌、锰等重金属离子和色素物质,使得这些有害物质被固定在植物根系周围的土壤和沉积物中,不再进入水体。此外,基质材料以及附着的微生物也能够吸附一些有害物质,从而提高人工湿地系统的处理效率。这种吸附作用可以有效地去除污水中的有色成分和有害金属离子,提高了人工湿地的水质净化效果。

1.2.3 微生态调节作用

微生态调节作用也是人工湿地系统的一个重要应用,它指的是通过建立适宜微生物生存繁殖的环境,利用微生物对有机污染物和营养物质进行净化降解,从而改善水体水质的一种方法。在人工湿地系统中,植物根系提供底物和氧气,为微生物生长提供条件,同时微生物也能为植物提供养分和促进其生长。

2 人工湿地系统在污水处理中的应用效果

人工湿地系统在本质上是一种通过生态系统的构建实验,模仿了经常发生于天然湿地的物理,化学和生物过程[8-9]。因此,它不仅具有成本低、能耗低及自净能力外,还具有其他优点。

2.1 可降解多种污染物

人工湿地处理系统不仅能够去除污水中的氮、磷等有机物质,还能去除一些重金属和持久性有机污染物。这是因为人工湿地系统内的微生物和植物可以吸收、降解废水中的有害物质,使其转化为低毒或无毒形式并最终达到净化水质的目的。研究表明,在人工湿地系统中,植物可以对铜、镉、锌等重金属离子和某些杂质物质进行吸附。同时,微生物对于废水中的有机物去除效果也很好。

2.2 减少过剩污泥产生

相比传统的污水处理方法,人工湿地系统因使用天然微生物群落进行废水降解,其产生的污泥产量要比传统污水处理设备少得多。这不仅降低了后期处置成本,也符合当今提倡的可持续发展理念。

2.3 能耗低且具有资源回收价值

人工湿地系统具备一定的资源回收能力,如通过利用植物的生长来收集和利用废水中的营养物质,进而用于农业灌溉或制造肥料等方面。同时,人工湿地处理技术较为简单,对能源和水资源的消耗也比传统的污水处理方法要少,可以降低排放成本。

2.4 生态环境的改善

人工湿地的生态系统具有较高的适应性和复原能力,将污水处理与环境修复相结合,有利于生态环境的改善,并能保持生态系统的稳定性和可持续性,提高地区生态环境的质量。

3 实践案例分析

湖南某污水处理厂采用了三级人工湿地工艺进行污水的处理,这种处理方式充分利用了植物和微生物的生长代谢作用,能够高效、低成本地对污水进行有效净化。该厂首先将进口污水排入一级植物塘,经过植物和微生物进行初步的改善与净化,出水经过中间配水河道排入二级植物塘,通过水生植物吸收和吸附降解污染物,在二级湿地中可以去除更多的悬浮物、有机物和氮磷等杂质。二级湿地出水通过集水渠排至含快速过滤区的三级人工湿地,进一步净化污水。在三级人工湿地中,结合了表面流和水平潜流人工湿地的组合方式,以最大化净化水体。最后,经处理的污水进入植物塘,进一步提升水质。整个处理过程几乎没有化学物质的使用,主要采用植物与微生物协同作用,使水体得到高效、低成本的处理。通过这种处理方式,不仅能够有效净化污水,还能提供一定量的水资源,很大程度上减少了水污染源对环境的影响[10-12]。该项目采用三级人工湿地工艺进行污水处理,不仅能够有效解决城市污水排放问题,还具有环保、低成本、高附加值等优点,为城市发展和生态环境保护做出了重要贡献。

南京某大型污水处理厂建有生化池、二沉池等处理设施。由于城市化进程加速,污水处理厂的处理对象量逐年增加,处理工艺也逐渐升级。为了进一步提高废水处理的效率,该厂于2014年开始引进人工湿地技术。该人工湿地是一种基于河流生态学原理设计的人工湿地,其主要由水生植被、浮萍、沉积物等组成。其中,水生植物是人工湿地的重要组成部分,它可以吸收大量的氮、磷等营养物质,从而达到去除废水中营养物质的目的。同时,在湿地中还生长着一些浮萍,它们可以通过吸附的方式,去除水体中的COD和BOD。经过长时间运行实践,该人工湿地技术出水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。同时,该技术对于降低处理成本、提高效率、增强环境保护也有显著的作用。

美国明尼苏达州格兰德马拉斯市也采用人工湿地来处理污水并改善当地环境。该市的污水处理厂于1988年投入运行,采用人工湿地作为主要的处理工艺。在处理过程中,污水首先通过格栅和沉淀池等设施进行初步处理,然后流入人工湿地系统[13]。在人工湿地系统中,植物通过吸收和代谢废水中的氮、磷等营养物质,同时将其释放到空气中,起到净化空气的作用。微生物则通过生物降解的方式将有机物质分解为较简单的化合物,从而减少废水中的COD和BOD等有机污染物质。此外,在人工湿地的沉积层中,还可以发现大量的微生物,它们可以吸附和去除水中的重金属和其他有害物质。经过人工湿地系统的处理,废水的质量得到了明显的改善,并达到了国家环保标准。此外,人工湿地系统对于鸟类、爬行动物和昆虫等野生动物的生存和繁殖也提供了良好的生境。通过这种方式,项目不仅可以有效去除污染物质,还能够保护自然环境,实现生态、经济和社会的协同发展。这个项目得到了当地政府和市民的广泛认可和支持,成为公共环保事业的重要组成部分。

人工湿地技术是一种有效的废水处理方法,具有环保、经济、低能耗、易操作等优点。该技术广泛应用于农村污水、城市污水、工业废水等领域[14-15]。在实际应用中,要注意人工湿地不同于传统的化学和生物处理工艺,其处理效率以及稳定性受到多种因素影响。因此,在设计和运营人工湿地污水处理系统时,要充分考虑环境因素,如气候、地形和植被等,同时关注植物的物种适应性和生长能力。此外,在运营过程中,需要实时监控废水的处理效果和植物生长情况,及时调整运营方式,确保最佳的技术效果。同时,为保护人工湿地的生态系统,需要注意避免污水中含有有害物质等对生态系统造成的破坏。

4 结论

人工湿地技术作为一种环保、低能耗、高效益的废水治理技术,已被广泛应用于各个领域。该技术通过模拟天然湿地的生态系统功能和特性,利用植物、土壤和微生物等生物体系,以及多种物理、化学和生物过程将废水中的污染物去除或降解,在达到环保标准的同时减少资源浪费。在国内外广泛实践与研究的基础上,人工湿地技术已经具有成熟可行的特点,但是对于不同类型的污染物、不同尺度的设计、建设和管理等方面仍需要不断优化和创新。因此,在今后的实践中,应重点关注如何进一步提高处理效率、探索可持续发展路径、积累优秀的案例经验并加强示范推广等方面。