人工濕地的一些原理

1、目錄耗氧有機物的去除濕地系統(tǒng)對磷的去除對重金屬的去除濕地系統(tǒng)對氮的去除濕地植物的管理濕地野生動物的管理濕地系統(tǒng)的防止堵塞濕地的監(jiān)測進出水裝置的管理濕地系統(tǒng)的啟動人工濕地的一些原理耗氧有機物的去除人工濕地對污水中耗氧有機污染物的處理效果較好，其對有機物的去除是由于人工濕地植物的吸收利用、基質(zhì)的吸附及濕地內(nèi)填料上微生物膜的聯(lián)合作用的結(jié)果。污水中的有機物分為不溶性有機物顆粒和可溶性有機物兩部分：不溶性有機物顆粒在濕地系統(tǒng)的處理原理與懸浮物處理原理相似，通過靜置、沉淀、過濾被截留下來，通過微生物的同化作用被去除?？扇苄杂袡C物的去除速度較慢而且在好氧、缺氧和厭氧區(qū)，其去除途徑各不相同。氧氣主要是通過植物

2、的傳輸進入濕地介質(zhì)中，因此根系區(qū)域內(nèi)含氧相對較高，屬于好氧區(qū)域，在此區(qū)域有機物的去除通過微生物的增殖和異化作用實現(xiàn)，即有機物經(jīng)由同化作用合成為新的原生質(zhì)和通過胞內(nèi)酶在好氧條件作用下迅速完成生化反應，把有機物降解為二氧化碳、水等并放出能量。其中，前者占大部分，所有這些增殖的微生物可以通過對填料的定期更換或者對濕地植物的收割而將其從濕地系統(tǒng)中除去。在遠離根系的缺氧區(qū)域，有機物通過生物膜被吸附，缺氧微生物通過代謝作用把好氧條件下難降解的有機物降解。而在離根系區(qū)更遠的厭氧區(qū)域，由于缺乏進行以上生化反應的溶解氧條件，因此發(fā)生的是厭氧消化過程，在這個過程中通過兼性細菌和厭氧細菌的發(fā)酵作用降解有機物，使部分

3、有機物經(jīng)過一級代謝和二級代謝分解為二氧化碳、硫化氫等所釋放的能量供微生物增殖用。有研究表明COD和BOD的去除與各種微生物數(shù)量都有明顯的相關性。由此可見，微生物的作用是人工濕地廢水中有機污染物降解的主要機制。濕地系統(tǒng)對磷的去除進入濕地中的磷主要存在于土壤中，土壤對磷的裁留作用主要受土壤理化性質(zhì)影響，包括土壤孔隙率、pH值、粒度、有機質(zhì)含量、鐵鋁氧化物等。一般來說：土壤孔隙率越大，濕地的容水體積就越大，水體中的磷在濕地內(nèi)就能受到較長時間的吸附與吸收轉(zhuǎn)化，凈化效率也會相時增加。在酸性和中性pH的條件下，根區(qū)跗近的亞硝化細菌和硝化細菌活動會增強，其中硝化作用占主導地位；而在堿性條件下時候，可溶性正磷

4、酸鹽的化學沉淀作用就占主導作用，從而影響濕地對磷的去除效率。土壤對磷的儲存能力與有機質(zhì)含量有關，一般來說有機質(zhì)含量越高，對磷的吸能力越強?？扇苄缘臒o機磷化物比較容易與土壤中的三價鋁、鐵等發(fā)生沉淀和吸附反應。濕地對磷的截留作用還與濕地的成因類型有關。濕地的磷沉積作用是指進水中的可溶性磷酸鹽通過物理作用導致磷存儲于濕地內(nèi)部的過程。很多研究表明沉積物或泥煤層是濕地中磷的主要的長期匯，與陸地生態(tài)系統(tǒng)相比，濕地并不是磷的長期有效匯。沉積物、枯枝落葉是天然濕地的主要儲存磷的場所。濕地系統(tǒng)通常都具有較好的靜止沉積條件，在濕地表層具有較松散的枯枝落葉層和沉積物層。但是在進水量劇增（如暴雨期）、在采樣與進行植物

5、收割時的人為行走、濕地中動物的活動以及收割后的濕地受強度較高的氣流等影響下，濕她中的沉積物可能會再懸浮，進而導致沉積物中磷的釋放。天然濕地中的磷積累是泥炭地的起源，積累速度大概每年幾毫米。對重金屬的去除對重金屬的去除主要是通過吸附和化學作用來實現(xiàn)的。重金屬進入人工濕地系統(tǒng)后，便可以在濕地的基質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生多重反應。進行吸附與解吸、絡合與解絡、沉淀與溶解的平衡反應。在潛流型或垂直流濕地中，重金屬與填料發(fā)生化學反應而留在填料中，最后被植物吸收，或在更換填料時被去除。濕地系統(tǒng)是由固相和液相組成的疏松多孔體系，該體系形成天然的過濾作用。同時也是污水中重金屬與基質(zhì)中各組成部分發(fā)?；瘜W反應的場所?；|(zhì)系統(tǒng)的

6、固相結(jié)構歸根結(jié)底是由巖石分化形成的大小不同的顆粒組成，由此，濕地的物理化學性質(zhì)與生成土壤的巖石有關，而其顆粒大小的不同，濕地去除重金屬性質(zhì)也會有所區(qū)別。在濕地基質(zhì)中除礦物質(zhì)外，還有部分有機質(zhì)（約占1%10%）。土壤中含有的膠體顆粒包括有機膠體，無機膠體、有機無機復舍膠體，因而具有很大的表面積和表面能。有利于吸附作用，在重金屬的去除過程中具有很重要的作用。從運行的情況看，人工濕地基本上都能滿足其去除要求，但對于高濃度的重金屬廢水不應直接進入濕地系統(tǒng)?？梢圆捎妙A處理的方法使?jié)竦刂械慕饘贊舛葴p低到危險水平以下，同時也可以在濕地系統(tǒng)中種植對重金屬具有積累作用的植物。土壤中微生物，也可通過胞合作用、胞外

7、沉淀作用固定重金屬，還可以把重金屬轉(zhuǎn)化為低毒狀態(tài)，但也有的轉(zhuǎn)化為毒性更強的物質(zhì)。正如許多金屬是生物體生長的重要微量元素，微生物的生長和代謝也需要吸收一些具有特殊生物學功能的微量元素，例如cu是多酚氧化酶的組分并維持酸化酶的功能。密集的植物種植，其根區(qū)交集成復雜的網(wǎng)絡系統(tǒng)，可降低進人系統(tǒng)內(nèi)的污水的流速，有利于污水中不溶于水的懸浮金屬物質(zhì)的沉降及吸附。人工濕地植物對重金屬的去除主要通過以下三種途徑：一是植物吸附，利用耐重金屬植物根或莖葉部表面的吸附作用來使重金屬固定于植物表面，降低土壤中有毒金屬的移動，從而減少金屬進一步擴散到環(huán)境中。植物吸附直接在植物根部表面通過整合離子交換和選擇性吸收等物理和化

8、學過程共同作用來實現(xiàn)。且不要求生物活性，因此可以說是植物去除重金屬過程中最快的一步二是植物揮發(fā)，將污染物吸收到植物體內(nèi)，通過植物本身的作用，轉(zhuǎn)化為毒性小的揮發(fā)物質(zhì)，釋放到大氣中。例如，揮發(fā)作用在汞和類金屬元索se的去除中起著非常重要的作用。通垃揮發(fā)作用去除的S可占到濕地系統(tǒng)中se總量的20%25%。除此以外，鉛等重金屬也可以通過植物的作用形成具有揮發(fā)性的物質(zhì)。三是植物吸收，即利用專性植物根，莖吸收重金屬，并將其儲存在植物莖葉里，最后通過收割植物莖葉去除，從而減少土壤中的重金屬含量。根系吸收的部分金屬離子。也可能會輸送到其他器官。但總的來說以根部積累為最多。與濕地系統(tǒng)吸附和轉(zhuǎn)化的金屬總量相比，植

9、物吸附是很小的一部分。但是，也有另外一項研究顯示栽種植物的濕地對污水中的重金屬的去除能力高于無植物系統(tǒng)的。濕地系統(tǒng)對氮的去除濕地系統(tǒng)通過多種機理去除進水中的氮，這些機理主要包括生物、物理和化學反應幾個方面的協(xié)同作用。在植被污水凈化系統(tǒng)中，忽略濕地和周圍水體的氮交換量，濕地中的氮去除機理包括揮發(fā)、氨化、硝化/反硝化、植物攝取和基質(zhì)吸附。許多研究表明，濕地系統(tǒng)中主要去氮機理是微生物硝化/反硝化。氨揮發(fā)由水中的PH值、銨根離子濃度、溫度、風速、太陽輻射、水生植物種類、狀態(tài)和數(shù)量以及系統(tǒng)的PH值日變化等多種因素來綜合決定。例如在有自由漂浮大型植物的系統(tǒng)中，氨揮發(fā)是重要的氮去除途徑。氨化將有機氮轉(zhuǎn)化為無

10、機氮，有氧時利于氨化，而厭氧時氨化速度降低。濕地中氨化速度與溫度、PH、系統(tǒng)的供氧能力、系統(tǒng)中的營養(yǎng)物質(zhì)以及土壤的質(zhì)地與結(jié)構有關。溫度升高10，氨化速度提高1倍。氨化的最佳PH值為6.58.5，飽水土壤中由于緩沖作用其PH值處于中性范圍；排水良好時，由于氨化過程中硝酸鹽的積累和正一價氫離子的生成導致PH值的降低。由于氨化和硝化競爭氧氣，因此系統(tǒng)的供氧能力對氨氮的去除影響較大。硝化是將銨離子生物氧化為硝酸根，是由兩組自養(yǎng)型好養(yǎng)微生物通過兩個過程來完成的，亞硝酸根是此反應的中間體。硝化菌從銨或亞硝酸根的氧化過程獲得能量，新細菌細胞合成二氧化碳為碳源。反硝化是指氧氣耗盡后最先發(fā)生的缺氧反應，即由異養(yǎng)

11、微生物將硝酸根還原成分子氮。反硝化以氮氧化物為最終電子受體，電子從電子供體經(jīng)過幾個載體系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到氧化程度更高的N。得到的自由能存于ATP中，供反硝化細菌呼吸所用。植物吸收的氮素主要是銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，也包括一些小分子含氮有機物如尿素和氨基酸等。植物攝取氮的潛在速度受其凈生長量和植物組織中氮濃度的限制。氮儲存取決于植物組織氮濃度和最終生物量積累潛力。因此在人工濕地的植物選擇中宜選擇生長快、組織氮含量高和單位面積產(chǎn)量高的植物作為氮同化和儲存的植物。還原態(tài)氨氮穩(wěn)定而能被吸附到介質(zhì)的活性部位。但介質(zhì)活性部位對氨氮的離子交換不可能作為氨氮去除的長期匯，通常認為氨氮吸附是快速可逆的。因為系統(tǒng)中的氨氮通過硝化

12、作用而減少，系統(tǒng)會自動重新建立交換平衡，所以，在間歇進水的系統(tǒng)會表現(xiàn)出由于吸附而去除大量的氨氮，因為吸附的氨氮在閑置階段會損耗。濕地可作為一些底棲動物、野畜、哺乳動物、爬行動物、節(jié)肢動物、脊柱動物和兩棲類動物等的良好食物源，也為濕地氮的去除做出一定的貢獻。濕地植物的管理管理通過定期收割等方式，控制植物無限制向其他地方蔓延。為防止雜草的大量生長，每年春季植物發(fā)芽階段可對濕地進行淹水。防止一些旱生雜草的生長。待植物生長良好，足以在與雜草生長競爭中占據(jù)優(yōu)勢時，恢復正常水位。由觀測結(jié)果和生物量實驗結(jié)果表明，在此期間預防和清除過雜草的人工濕地單元植物長勢和最后產(chǎn)量明顯高于未預防和清除雜草的濕地單元。植物

13、管理主要是維護那預先種在人工濕地處理系統(tǒng)中的植物種群。對于表面流型人工濕地來說，枯死的植物殘體會隨水漂走，容易滯留在系統(tǒng)表層，堵塞出水控制裝置，如果不及去除，連會溢出堤堰兩影響出水量及質(zhì)量，這種情況在秋季尤為明顯。同時，停留在人工濕地中的濕地植物在長時間浸泡之下會分解出大量的氮，磷及有機物等。使相應污染物的出水濃度增高。但有研究表明，在表面流型人工濕地土壤層以上形成的植物殘留物沉積層能夠強化硝酸鹽的去除效率。因此表面流型人工濕地系統(tǒng)可根據(jù)處理目標及出水效果的實際情況來確定何時進行植物收割及去除葉片。對于潛流型濕地系統(tǒng)產(chǎn)生的雜草。從廢水處理的角度來說。是有一定好處的，雖然雜革會影響系境的美觀，但

14、有雜草還會對濕地植物形成一個良性的生物競爭，因此也要看實際情況進行清除，可以通過春季淹沒或手工去除的方法來控制雜草的生長及蔓延。對于個設計及管理良好的潛流型人工濕地處理系統(tǒng)來說，收割植物并不是一定要做的。冬天燃燒植物可以用來控制害蟲，而留一些落葉可以增加砂礫表面的絕熱性，使?jié)竦叵到y(tǒng)內(nèi)維持較高的溫度。在植物生長高峰季節(jié)收割植物有利于去除系統(tǒng)中的氮含量，對系統(tǒng)中磷的去除非常有限。不過在每年秋天收割植物后會使來年春天植物生長得更加旺盛。濕地野生動物的管理濕地處理系統(tǒng)中野生生物與多樣性需要受到相應的保護與維持。表面流濕地野生生物管理要把握引進有益生物和控制有害生物之間的平衡，而不是徹底消滅有害生物。事

15、實上，盡管大部分動物對濕地是有益的，但也不乏一些不利于人工濕地成功運行的動物，特別是一些嚙齒類動物，會破壞堤壩消耗有益的挺水植物。一些以底泥為食的動物如鯉龜、泥縱等，會破壞濕地植物的根系以及擾動濕地底部沉積物，導致出水懸浮物增加。水禽也帶來類似的系統(tǒng)麻煩問題，且它們的排泄物給人工濕地的運行帶來了新的難題。對于水禽，可以通過控制自由水面的面積來進行調(diào)控，不過應以濕地的污水處理工藝要求為準。因此，在濕地處理系統(tǒng)設計、建造時，應該考慮引進有益生物和控制存害生物之間的生態(tài)平衡。并且濕地野生生物的控制要因地制宜，要考慮其地理位置、污染物種類、濕地設計和管理要求等各種因素。濕地系統(tǒng)的防止堵塞針對人工濕地濕

16、地堵塞的問題，可分兩個階段進行考慮，一是設計規(guī)劃階段，二是系統(tǒng)運行階段。在設計規(guī)劃階段時有以下措施可以考慮解決堵塞問題(1)選擇合適的填料粒徑及級配粒徑較大的基質(zhì)填料可以有效地防止?jié)竦叵到y(tǒng)堵塞的發(fā)生，但如果粒徑過大，水力停留時間就會縮短，凈化效果因而也受到一定影響，因此需要在保證凈化效果和防止堵塞兩者之間選擇一個最佳平衡點。對于有多層填料的垂直流人工濕地，不同粒徑填料之間配比組合的選擇以及不同填料的分層也十分重要。(2)合適的濕地植物濕地植物能產(chǎn)生相當數(shù)量的有機物，為了避免堵塞的發(fā)生，可考慮選用根際復氧能力強、分泌難降解物質(zhì)較少的植物并定期收割植物的地上部分，加強植物濾池的植物選種，既要考慮植

17、物對系統(tǒng)滲透性能的影響，又要考慮凈化效果，美化功能等方面的因素。(3)對濕地進水進行預處理人工濕地在處理懸浮物含量較高的污水，尤其是含大量工業(yè)廢水的城市污水時，必須在濕地之前設置預處理設施，盡量去除污水中的懸浮物和漂浮物。以免造成人工濕地進水系統(tǒng)堵塞無法正常運行配水，也可以減少濕地中的沉積，防止基質(zhì)堵塞。常見的預赴理設施有隔柵、沉砂池、曝氣池、沉淀池，厭氧沉淀塘等。濕地的監(jiān)測人工濕地處理系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容一般包括進出水水質(zhì)、水位和生物狀況指標等。這些參數(shù)對系統(tǒng)的正常運行都是很關鍵的因素。運行取樣監(jiān)測的頻率由系統(tǒng)的規(guī)模和處理能力、進水水質(zhì)變化和氣候等因素決定。監(jiān)測的數(shù)據(jù)及資料需要由技術人員進行分析，

18、并確定相應的運行方案得出系統(tǒng)的各項最佳參數(shù)使系統(tǒng)達判最大功效。在日常條件下，應對進出水流量進行監(jiān)測。流量的監(jiān)測對濕地系統(tǒng)中的污染物組成總量平衡及削減是非常關鍵的。特別是出水口處的水位波動.其監(jiān)測數(shù)據(jù)可以估算濕地的最大、最小和平均水深及其發(fā)生的頻率，也可以解釋濕地水力停留時間的變化和水位的變動對生物相的影響。在濕地處理系統(tǒng)中進行的生物監(jiān)測可以提供濕地中生物完整性的必要信息。從生態(tài)意義和濕地的處理功能方面來看都是非常重要的。根據(jù)濕地水質(zhì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，工作人員可以通過調(diào)整進水量，停留時間，污染負荷等使系統(tǒng)處于一個正常運行的狀況，否則污染物負荷過大等因素可能造成去除率下降，系統(tǒng)使用壽命縮短，出水某些元素和有機物的濃度達到有毒的水平，出水水質(zhì)惡化