第四代人工湿地污水处理技术及其发展刘汉湖

第二章环境科技研究进展及应用第四代人工湿地污水处理技术及其发展刘汉湖`龚洁2隋庄培2(1.中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州22n1;62.山东省招远市环境保护局山东招远265400)摘要在综述人工湿地技术发展历史基础上,针对人工湿地溶解氧不足问题,重点介绍了第四代人工湿地技术—曝气人工湿地和潮汐潜流人工湿地,该技术强化了人工湿地脱氮功能,工程实例表明,第四代人工湿地技术是未来发展的方向。关键词第四代人工湿地曝气人工湿地潮汐潜流人工湿地一、概述1903年,英国约克郡建成了世界上第一例用于处理城市污水的人工湿地,这标志着人工湿地技术的开端;随后的70多年,人工湿地技术发展缓慢;20世纪70年代德国学者幻ckuht提出根区法(hTeoRotZ心neMhetod)理论之后,人工湿地处理污水工艺在世界各地受到重视并得到广泛运用[`]。20世纪80年代末和90年代初在英美相继多次召开了人工湿地研讨会,提出了许多有关污水净化机理和处理系统参考设计规范及数据。1996年9月在奥地利维也纳召开的第4届国际研讨会标志着人工湿地系统作为一种独特新型废水处理技术正式进入水污染控制领域。早期的人工湿地主要用于处理城市生活污水或二级污水处理厂出水,近10年来,英国、德国、法国、澳大利亚、巴西、荷兰等国人工湿地发展迅速,它不仅成为中小城镇的生活污水处理措施,而且也广泛应用于农业、畜牧业、食品、矿山等工农业废水的处理,目前已被用于农业面源污染、城市或公路径流等非点源污染的治理,还有将其推广应用于垃圾场渗滤液的处理,或作为三级处理工艺仪,3]。人工湿地(。onsutreotdweuands)或者称作工程化湿地(eng血eeerdwetlands)己经成为污水深度处理如脱氮领域有效技术方法之一。工程化湿地通过水力或曝气设备的引入,从而提高了人工湿地处理能力和脱氮效果,上述进展标志着第四代人工湿地技术的出现,它不仅提高了污水处理效果,而且预示着该技术已经成为常规污水处理技术的有力竞争者l[]。二、人工湿地技术设计进展人工湿地一般由五部分组成,包括填料、植物、水体、微生物和动物。人工湿地系统是在具有一定长宽比和底面坡度的洼地中由土壤和填料混合组成的填料床,污水在床体的填料孔隙中流动或在床体表面流动,并在床体表面种植水生植物,形成一个独特的动植物生态系统,对污水进行处理。目前,对于人工湿地净化过程的研究多基于“黑箱”理论,关于人工湿地的设计、建设与运行缺少统一的规范,对诸如占地面积、设计水深、填料类型、预处理方法以及植物的种类等关键问题缺少统一的认识,对污水在人工湿地系统的净化过程的了解也并不多,因此,在设计建造人工湿地时主要借助于经验,造成各地人工湿地净化效率差异很大4[]。国外人工湿地技术设计可以划分为四个时代。1901年,美国发明了世界上第一个人工湿地设计专利,由于种种原因,该专利技术没有得到实际应用。20世纪50年代至60年代,KhateSiedel在MaxlPanknIistutet对于人工湿地技术所做中国环境科学学会学术年会论文集(2011)研究工作被公认为现代人工湿地技术的开端5][。第一代人工湿地技术最显著特征在于设计属于概念性的,设计方法具有经验、直观的特征,大量成功和失败案例促进了该技术的发展和进步。第二代人工湿地技术将土木工程设计准则诸如质量负荷(kgBODS川mZ)指标作为设计依据,这种设计方法经验性很强。第三代人工湿地技术是将化学工程设计准则作为设计依据,将人工湿地看做是生物化学反应器。实际上,该方法将人工湿地看做是“黑箱”系统,而不考虑人工湿地内部结构。通过人工湿地进出水水质数据求得模拟反应动力学方程,目前人工湿地设计通常采用第三代设计方法。上述三代人工湿地共同特征是:运行过程是被动式,即处理效果依赖于太阳能和空气扩散,处理效果不够理想。第四代人工湿地技术主要采用水力或人工曝气来克服不足。三、第四代人工湿地的类型目前,人工湿地类型包括:自由表面流人工湿地、潜流式人工湿地和第四代人工湿地(工程化湿地),不同类型湿地组成一个统一体。在达到同样污染物去除效率条件下,对不同人工湿地类型占地面积进行比较,其中,自由表面流人工湿地占地面积最大,潜流式人工湿地占地面积中等,而第四代人工湿地占地面积最小,相应处理系统十分紧凑。从国内外人工湿地工艺采用比例看,潜流式湿地应用最广泛,潜流式湿地进水为原水或一级出水,该系统比自由表面流湿地和氧化塘处理效率高,这是因为潜流湿地基质(填料)及植物根系表面具有大量生物膜,潜流湿地对于去除BoDS和TSs十分有效。大量研究表明,潜流湿地系统受氧传递限制,床体内溶解氧不足,如江苏泅洪人工湿地床内溶解氧水平最高值为.06m叭,最低值为0.巧mg几侧,潜流式湿地内部存在缺氧或厌氧状态,因而在秋冬季节,好氧过程如氨氧化为亚硝酸盐和硝酸盐十分缓慢,处理效果下降,人工曝气和间歇式运行是提高人工湿地溶解氧进而强化湿地硝化过程两种有效方法。(一)曝气人工湿地针对潜流式人工湿地床DO不足问题,曝气人工湿地利用管道系统在湿地床内产生多样气泡帘,污水在湿地床流动过程中,依次发生碳化、硝化、反硝化作用。即使在寒冷季节,硝化作用依然十分有效。图1为曝气人工湿地示意图。图1曝气人工湿地示意图曝气人工湿地比常规污水处理系统如活性污泥法消耗能源小,靠近进水区主要用于去除有机物BODS,其余区域用于硝化与反硝化,若将硝化液回流到缺氧区有助于反硝化作用发生。(二)潮汐潜流人工湿地潮汐潜流人工湿地按时间序列交替地被充满水和排干,充水过程中空气被挤出,排水过程中第二章环境科技研究进展及应用空气被带入湿地床内。每天有2个到多个淹水期和排干期,淹水时,氨氮(NH4+)被吸附到带有负电荷的植物根部表面上,当湿地落干时,被吸附的氨氮在复氧条件下会产生硝化作用,氨氮转化为硝酸根(NO了)(见图2)。湿地填料的阳离子交换容量大小对于湿地设计十分重要。在下一个淹水期,硝酸根发生解吸作用,释放到水体中,在缺氧条件下,硝酸盐在植物表面微生物作用下发生反硝化,从而完成一个完整的脱氮过程。无论曝气人工湿地,还是潮汐潜流人工湿地,第四代人工湿地处理技术既包含机械曝气过程,同时也包含生物过程,由于人工曝气或者间歇运行,系统硝化、反硝化作用充分,因而系统脱氮效率提高。第四代人工湿地技术已经在地下水污染修复领域得到应用,如美国怀俄明州一个废弃炼油厂,设计建造了处理能力n(以〕m3zd曝气人工湿地,用于处理受苯污染的地下水,实际运行结果表明,通过曝气可以有效去除苯和相关有机化合物。N4H十adsorpit皿DRANIN4H+~NO了FL00DNO了desorPiton&NO至~NZ图2潮汐潜流人工湿地硝化和反硝化示意图四、展望人工湿地技术的进一步发展有赖于对湿地内部处理机制的深入科学研究,设计者需要掌握哪种湿地技术更加适合于所需处理的废水,同时只有市场提供更多机会,才能使人工湿地技术得到更广泛应用,积累更多经验。曝气人工湿地和潮汐潜流人工湿地运行和投资成本表明:该技术具有很强的竞争力,作为一种绿色技术,第四代人工湿地技术将会成为21世纪场地污染修复的重要方法。参考文献5.w日lace,J.比gigns,A.eorua,etat.比g卜Raet^mmoinaRemvo时inAeart比勘乡neeredwed阴ds.l沪玩tem而oniaConferenceonWeltandSystemsforWaterPolluiotnControl,2006,iLsbon,Polr刀gia.王世和.人工湿地污水处理理论与技术附].北京:科学出版社,200.7刘汉湖,白向玉,夏宁.城市废水人工湿地处理技术IM].徐州:中国矿业大学出版社,20(拓.吴振斌,等.复合垂直流人工湿地[MI.北京:科学出版社,200.8刘汉湖,张红振,白向玉.人工湿地污水处理系统优化设计模型[J].水资源保护,2008,24(3):1一.5345l2[[[[[