陳勇，范英宏，洪蔚，侯世全，林世華，曾立云

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070; 2.中國鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

目前普遍應(yīng)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(jié)能污水處理技術(shù)正在日益廣泛地得到應(yīng)用，目前人工濕地運(yùn)行存在的問題有:①單池運(yùn)行效果差;②濕地水流流態(tài)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(yùn)行存在的一系列問題，對當(dāng)前人工濕地的強(qiáng)化措施進(jìn)行了分析，并提出進(jìn)一步強(qiáng)化人工濕地運(yùn)行效果的建議。

1 人工濕地主要強(qiáng)化措施研究現(xiàn)狀

1.1 人工濕地組合工藝

1.1.1 傳統(tǒng)污水處理工藝與濕地構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)

目前針對人工濕地存在的堵塞問題，將傳統(tǒng)的物理法、化學(xué)法以及生物法等污水處理技術(shù)與人工濕地相結(jié)合，不僅出水水質(zhì)可達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，還可防止?jié)竦囟氯娱L濕地使用壽命。吳義鋒等采用水解調(diào)節(jié)池—厭氧折流反應(yīng)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(fù)合系統(tǒng)也是一種普遍應(yīng)用的組合工藝。李松等采用格柵—消毒池—厭氧池—人工濕地—穩(wěn)定塘工藝處理農(nóng)村生活污水，出水的 COD、BOD、SS、TN、NH3-N、TP和糞大腸桿菌均達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978—1996)的一級標(biāo)準(zhǔn)［2］。人工濕地還可用于傳統(tǒng)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(yàn)的基礎(chǔ)上，建設(shè)了小型人工濕地，深度處理污水處理廠二級出水。結(jié)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(biāo)均有比較明顯的深度處理作用［3］。

1.1.2 串聯(lián)型濕地工藝

串聯(lián)型濕地是指幾個(gè)同種類型或不同類型人工濕地串聯(lián)在一起。同種類型濕地串聯(lián)可延長濕地水流流程和停留時(shí)間;不同類型濕地串聯(lián)可充分利用各種濕地的優(yōu)勢，避免了單一類型人工濕地存在的缺陷。常見的兩極串聯(lián)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(tǒng)

VF—HF最初是由 Seidel在德國提出來的，系統(tǒng)由兩個(gè)VF單元組成后面串聯(lián)一個(gè)或幾個(gè)HF單元［4］。自20世紀(jì)90年代起，歐洲許多國家開始建設(shè)這種VF—HF系統(tǒng)，現(xiàn)在該形式在全世界越來越受到關(guān)注［5－6］。由于 VF充氧效果較好所以有很強(qiáng)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(gè)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(tǒng)

20世紀(jì)90年代中期 Johansen and Brix首次提出HF—VF系統(tǒng)［12］，用一個(gè)面積較大的 HF作為前處理來去除有機(jī)物、SS并進(jìn)行反硝化反應(yīng)，較小的VF池用來進(jìn)一步去除有機(jī)物、SS并進(jìn)行硝化反應(yīng)。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(tǒng)

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(jié)合起來不僅能有效降低復(fù)合人工濕地系統(tǒng)堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，還可有效地節(jié)約占地。意大利的一個(gè)薯片潛流—表面流人工濕地系統(tǒng)處理葡萄酒廠廢水，其總有機(jī)負(fù)荷可高達(dá) 1 226 kg/(hm2·d)［15－16］。

(4)潛流濕地—表面流濕地系統(tǒng)

這種復(fù)合人工濕地適合于進(jìn)水懸浮物和有機(jī)物濃度不高且建設(shè)資金不太充足的情況下應(yīng)用。高海鷹等采用3個(gè)串聯(lián)起來的功能分區(qū)組成復(fù)合濕地系統(tǒng):生物強(qiáng)化沉淀池、潛流濕地和表面流濕地，河水依次流經(jīng)3個(gè)功能區(qū)，然后入湖，取得了良好的凈化效果［17］。

1.2 濕地水流流態(tài)優(yōu)化

目前濕地水流流態(tài)最常見的有水平流和垂直流兩種形式，這兩種水流流態(tài)都較單一，使?jié)竦貎?nèi)水流停留時(shí)間和濕地溶解氧濃度受到限制，還可能出現(xiàn)短流的情況。在實(shí)際應(yīng)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(shí)間和溶解氧，也可避免出現(xiàn)短流。何成達(dá)等人提出的波式潛流人工濕地就是在濕地內(nèi)部有規(guī)則的設(shè)置導(dǎo)流板，使水流在濕地內(nèi)上下呈波浪式流動(dòng)，研究結(jié)果表明，波式潛流顯示出比常規(guī)水平潛流濕地更好的去除污染物的特性［18－20］。重慶大學(xué)司馬衛(wèi)平通過在水平流濕地內(nèi)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(cè)流式［21］。張克強(qiáng)等人提出的廊道式人工濕地采用三級圓環(huán)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(jìn)第一級，然后順次流進(jìn)第二級和第三級。該系統(tǒng)啟動(dòng)迅速，維護(hù)簡單，能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行，出水水質(zhì)能夠達(dá)到農(nóng)田灌溉標(biāo)準(zhǔn)［22－23］。另外，在工程應(yīng)用中可充分利用現(xiàn)有場地地形，例如一些坡地或溝渠，使水流出現(xiàn)跌水，水流流態(tài)更加多樣、流程增加，處理效果則更加突出。目前關(guān)于濕地水流流態(tài)的研究較少，還有待進(jìn)一步深入的研究。

1.3 其他方法

1.3.1 強(qiáng)化曝氣

人工濕地中的氧氣主要來源于大氣向濕地的擴(kuò)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(kuò)散也受濕地基質(zhì)的阻滯［25］。因此，在研究中有采用強(qiáng)化曝氣解決濕地內(nèi)溶解氧不足的問題。曝氣分為進(jìn)濕地前的預(yù)曝氣和濕地內(nèi)曝氣，其中預(yù)曝氣對改善濕地內(nèi)溶解氧水平不如濕地內(nèi)曝氣效果明顯，但濕地內(nèi)曝氣不適用于后期改造時(shí)加曝氣設(shè)備，因?yàn)榇藭r(shí)要將基質(zhì)挖出會(huì)很不劃算。

1.3.2 出水回流

在出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)時(shí)可考慮出水回流，出水回流可加大人工濕地的水力負(fù)荷，一定程度上提高水力傳導(dǎo)速率，改善傳質(zhì)條件，延長污染物與植物根際微生物的接觸時(shí)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(bào)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(diǎn)進(jìn)水、間歇式進(jìn)水、增加植物密度等措施。多點(diǎn)進(jìn)水可防止?jié)竦厍岸味氯?，使植物生長均勻;垂直流人工濕地一般采用間歇式進(jìn)水，可延長濕地運(yùn)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(yōu)化

大量實(shí)踐證明人工濕地在處理微污染水時(shí)優(yōu)勢比較明顯，在處理一些高污染濃度的污水時(shí)要考慮與其他工藝組合，先將污水的負(fù)荷降到人工濕地能夠承受的程度，再接入人工濕地。當(dāng)前與人工濕地組合的技術(shù)有物理法、化學(xué)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(jié)合，這樣不僅能夠降低濕地進(jìn)水負(fù)荷，還增加了濕地進(jìn)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(lián)的方式運(yùn)行，這樣不僅可以減少占地面積，不同類型濕地還可以達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)的功效;人工濕地堵塞是難以避免的問題，可以采用間斷運(yùn)行的方式解決，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下最好有備用濕地，也就是說采用并聯(lián)輪休方式運(yùn)行，其中一部分濕地采用設(shè)計(jì)的滿負(fù)荷運(yùn)行，另一部分采用低負(fù)荷運(yùn)行或停止運(yùn)行，在滿負(fù)荷的濕地發(fā)生堵塞時(shí)降低其負(fù)荷或停止運(yùn)行，另一部分濕地開始滿負(fù)荷運(yùn)行，這樣堵塞了的濕地在堵塞緩解之后就可以接著發(fā)揮作用。

2.2 強(qiáng)化人工濕地水流流態(tài)

人工濕地在在運(yùn)行過程中很容易出現(xiàn)短流和滯水的現(xiàn)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(nèi)一些部位的填料不能發(fā)揮其作用。通過均勻布水、主要功能區(qū)濾料單一且均勻外以及采用濕地串聯(lián)或并聯(lián)就可以減少這種現(xiàn)象的出現(xiàn)。此外，使?jié)竦厮髁鲬B(tài)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(qiáng)化濕地管理

雖然人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)管理比較簡單，但加強(qiáng)維護(hù)管理對于提高其處理效率至關(guān)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(dǎo)根系向下發(fā)展，促進(jìn)濕地植物根系的發(fā)育;在運(yùn)行過程中濕地堵塞時(shí)，可將水排干待濕地干化一段時(shí)間后填料孔隙恢復(fù)了再運(yùn)行;在寒冷地區(qū)冬季，可以采用收割植物覆蓋的方式對濕地進(jìn)行保溫?？傊?，只有加強(qiáng)人工濕地必要的監(jiān)管措施，才能讓其保持長期高效穩(wěn)定的運(yùn)行。

3 結(jié)論與建議

國內(nèi)外專家提出了一系列強(qiáng)化人工濕地的處理措施，這些強(qiáng)化措施，大大提高了人工濕地凈化污水的效果，促進(jìn)了人工濕地的推廣應(yīng)用。但是采取強(qiáng)化措施時(shí)要盡量選擇一些簡單、節(jié)能、效率高、投資省的工藝或措施，避免使處理系統(tǒng)太過復(fù)雜化，否則就失去了人工濕地投資省、管理方便的優(yōu)點(diǎn)。

［1］ 吳義鋒，呂錫武，鄧靖，等.組合工藝處理扎染廢水的研究［J］.給水排水，2009，35(11):182－185.

［2］ 李松，單勝道，曾林慧，等.人工濕地/穩(wěn)定塘工藝處理農(nóng)村生活污水［J］.給水排水，2008，25(10):67－69.

［3］ 陳雯，楊波，汪誠文.深圳市布吉污水處理廠構(gòu)建人工濕地試驗(yàn)研究［J］.水資源保護(hù)，2010，26(5):67－70.

［4］ SeidelK. NeueWege zur Grundwasseranreicherung in Krefeld.Vol.II.Hydrobotanische Reinigungsmehode［C］.GWF Wasser Abwasser，1965，30:831－833.

［5］ Mahlum T，Stalnacke P.Removal efficiency of three coldclimate constructed wetlands treating domestic wastewater: effects of temperature，seasons，loading rates and input concentrations［J］.Water Sci Technol，1999，40(3):273－281.

［6］ Mitterer-Reichmann G M.Data evaluation of constructed wetlands for treatment of domestic wastewater: Proc 8th Internat Conf Wetland Systems for Water Pollution Control［C］.IWA and University of Dar es Salaam，2002:40－46.

［7］ Platzer C. Design recommendations for subsurface flow constructed wetlands for nitrification and denitrification［J］.Water Sci Technol，1999，40(3):257－263.

［8］ Platzer C，Mauch K.Soil clogging in vertical flow reed bedsmechanisms，parameters，consequences and solutions［J］.Water Sci Technol，1997，35(5):175－181.

［9］ Tuncsiper B.Nitrogen removal in a combined vertical and horizontal subsurface-flow constructed wetland system［J］.Desalination，2009，247:446－675.

［10］ Brix H，Arias C，Johansen NH.Experiments in a two-stage constructed wetland system:nitrification capacity and effects of recycling on nitrogen removal［M］∥ Vymazal J.Wetlands: nutrients，metalsand mass cycling.Leiden，The Netherlands: Backhuys Publishers.2003:237－258.

［11］ Vymazal J.Horizontal subsurface flow and hybrid constructed wetland systems for wastewater treatment［J］.Ecol Eng，2005，25(5):478－490.

［12］ Johansen NH，BrixH.Design criteria fora two-stage constructed wetland:Proc 5th Internet Conf Wetland Systems for Water Pollution Control 1996［C］.IWA and University für Bodenkultur，Vienna，Chapter IX/3.

［13］ Vymazal J，Brix H，Cooper P F，et al.Constructed wetlands for wastewatertreatmentin Europe［M］.Leiden，The Netherlands:Backhuys Publishers，1998:123－152.

［14］ Brix H，Schierup H-H.The use of macrophytes in water pollution control［J］.Ambio，1989，18:100－107.

［15］ Masi F，Conte G，Martinuzzi N，et al.Winery high organic content wastewaters treated by construced wetlands in Mediterranean climate:Proceedings of Eglish International Conference Wetland System for Water Pollution Control［C］.Tanzania.IWA and University of Dares Salaam，2002.

［16］ 鄧歡歡，葛利云，顧國權(quán)，等.水平潛流和組合人工濕地水處理研究進(jìn)展［J］.工業(yè)用水與廢水，2007，38(2):1－4.

［17］ 高海鷹，劉佳，徐進(jìn).湖濱帶復(fù)合型人工濕地氮磷的去除效果［J］.生態(tài)環(huán)境，2007，16(4):1160－1165.

［18］ 崔理華，盧少勇.污水處理的人工濕地構(gòu)件技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［19］ 何成達(dá)，談玲，葛麗英，等.波式潛流人工濕地處理生活污水的試驗(yàn)研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，23(4):766－769.

［20］ 何成達(dá)，王惠民，錢小青，等.波式潛流人工濕地基質(zhì)與污水磷素去除關(guān)系研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25 (1):175－178.

［21］ 司馬衛(wèi)平.折流式+側(cè)流式人工濕地處理城市污水試驗(yàn)研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2006.

［22］ 張克強(qiáng)，楊莉，楊鵬，等.適合農(nóng)村污水分散處理的廊道式人工濕地設(shè)計(jì)參數(shù)研究［J］.西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2008，17(1): 286－291.

［23］ 劉月敏，張克強(qiáng)，張洪生，等.廊道式人工濕地處理污水過程中氨氮的去除效果研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24 (5):208－212.

［24］ 尹煒，李培軍，尹澄清，等.潛流人工濕地的局限性與運(yùn)行問題［J］.中國給水排水，2004，20(11):36－38.

［25］ Ronald D Delaune，Reza Pezeshki.Effects of soil oxidationreduction conditions on internal oxygen transport，root aeration and growth of wetland plants:Proceedings of a Conference on Sustainability of Wetlands and Water Resourses［C］.USA: University of Mississippi，2000.

［26］ Cooper Paul.A review of the design and performance of vertical flow and hybrid reed bed treatment system［J］.Water Science＆Technology，1999，40(3):1－9.

［27］ 鄢璐，王世和，鐘秋爽，等.人工濕地強(qiáng)化運(yùn)行措施研究［J］.中國工程科學(xué)，2007，9(10):88－90.

［28］ 王世和.人工濕地污水處理理論與技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007:163－171.