廢水生態(tài)處理技術研究

閆 佩，常文韜，袁向華

(1．天津市環(huán)境保護科學研究院，天津300191;2．天津市聯(lián)合環(huán)保工程設計有限公司，天津300191;3．河北工業(yè)大學經濟管理學院，天津300130)

我國水情復雜，水資源問題由來已久，特別是隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速發(fā)展和全球氣候變化影響的不斷加大，水資源面臨的形勢越來越嚴峻，水資源短缺、水污染嚴重、水生態(tài)環(huán)境惡化等問題越來越突出。特別是“十二五”期間，國家在水體污染控制與治理的觀念上發(fā)生了新變化，由以前的“污染防治”向“污染防治加生態(tài)修復”轉變［1］。加之，廢水生態(tài)處理技術對水環(huán)境保護和水資源循環(huán)利用方面具有獨特的優(yōu)勢，使得近年來在理論和實際應用方面都得到了迅速發(fā)展。本文著重介紹和分析了幾種處理污水的生態(tài)技術，以期能為今后的研究者提供有益的資料。

1 污水土地處理系統(tǒng)

1.1 污水土地處理系統(tǒng)的概念

污水土地處理系統(tǒng)是以治理水污染為目的，以土地為處理構筑物，利用土壤—微生物—植物組成的生態(tài)系統(tǒng)對污染物進行一系列物理、化學和生物學的凈化過程，使污水得到凈化。同時通過該系統(tǒng)中營養(yǎng)物質和水分的循環(huán)利用，促進綠色植物的生長繁殖，從而實現(xiàn)污水的無害化、資源化的生態(tài)系統(tǒng)工程。特別是利用微生物相互依賴共同作用的生態(tài)學方法，同時實現(xiàn)對污水中污染物“處理”與“利用”的兩大功能。污水土地處理系統(tǒng)是由若干部分組成的整體，完整的土地處理系統(tǒng)由預處理、水量調節(jié)與儲存、配水與步水、土地處理田間工程、植物、排水及監(jiān)測等七部分組成。根據(jù)處理目標、處理對象的不同，該系統(tǒng)可分為快速滲濾處理系統(tǒng) (RI)、慢速滲濾處理系統(tǒng) (SR)、地表漫流系統(tǒng) (OF)、地下滲濾 (UG)系統(tǒng)、濕地系統(tǒng)(WL)等 5 種工藝類型［2，3］。

1.2 污水土地處理系統(tǒng)的機理

污水土地處理系統(tǒng)的機理:①物理過濾:廢水流經土壤時，懸浮物被表層土壤團粒間的空隙過濾截留;②物理和化學吸附:土壤中的粘土礦物顆粒能吸附水中的中性分子，廢水中的各種離子則因離子交換作用被置換吸附并固定在礦物晶格中;③絡合反應和化學沉淀;④微生物的氧化分解:土壤中種類繁多的大量微生物，能與被截留、吸附的污染物一起形成生物膜，對有機物有很強的降解轉化能力。影響工程設計的主要因素包括:土壤滲透系數(shù)、年水力負荷、年有機負荷以及有關場地的工藝參數(shù) (地面坡度、土層厚度等)。不同工藝類型之間可進行相關技術整合以提高整個系統(tǒng)的運行效果。

1.3 污水土地處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點

該系統(tǒng)具有投資低、能耗少、無須投放化學試劑、維護和運行費用低廉、出水水質好、改善及凈化自然環(huán)境效果良好等優(yōu)點;同時從生態(tài)學的角度，該系統(tǒng)不破壞自然的生態(tài)環(huán)境，使人與環(huán)境能夠和諧地共處、污水處理與環(huán)境生態(tài)建設有機地結合。

缺點是占用土地面積相比其它傳統(tǒng)工藝要大。土壤的堵塞問題是污水土地處理系統(tǒng)中最經常發(fā)生的問題，也是阻礙土地處理技術推廣的最重要原因之一。另外，土地處理系統(tǒng)的冬季運行問題也一直是困擾人們的一個主要問題。由于土地處理系統(tǒng)的凈化功能主要依賴于天然狀態(tài)下的微生物，因此冬季較低的氣溫使得微生物活性變差，污水處理效果也就隨之受到很大影響。

1.4 污水土地處理系統(tǒng)的研究進展

土地處理系統(tǒng)在實際應用中主要是土地的占用，這在我國廣大地區(qū)都具有很強的適用性。我國雖然土地資源十分緊缺，但在一些不發(fā)達地區(qū)，如西北等地區(qū)地廣人稀，閑置了一些土地、荒山，這為土地處理系統(tǒng)提供了廉價的土地資源。在農村和中小城鎮(zhèn)，可以利用這一優(yōu)勢建造土地處理系統(tǒng)，不僅可以凈化污水，還可以與農業(yè)利用相結合澆灌綠地、農田，使土壤肥力增加，提高農作物產量，從而帶來更多經濟效益。同時隨著我國工業(yè)化進程的不斷深入，廢水中污染物的種類不斷增多，即使經過污水二級處理，仍有一些污染物 (生物難以降解的物質)存在于水體中，進一步促使了污水土地處理系統(tǒng)的深入研究和發(fā)展，如在生物填料方面的研究。

2 濕地系統(tǒng)

在污水土地處理系統(tǒng)的幾種工藝中，人工濕地系統(tǒng)應用最為廣泛，因此以該系統(tǒng)為例進行具體的說明和闡釋。

2.1 濕地系統(tǒng)的概念

濕地是由水、永久性或間歇性處于水飽和狀態(tài)下的基質以及水生生物所組成，是一個具有較高生產力和較大活性的相當復雜的生態(tài)系統(tǒng)。而人工濕地則是為處理污水人為設計建造的、工程化的濕地系統(tǒng)，是通過人工挖掘、增加水負荷、并移栽植物形成的。人工濕地系統(tǒng)可按照不同的布水方式和水流方式，分為自由表面流人工濕地、水平潛流人工濕地、垂直潛流人工濕地和潮汐潛流人工濕地四種類型［4］。

2.2 濕地系統(tǒng)的相關機理

這種人工濕地植物對重金屬的去除主要是通過3種途徑實現(xiàn)的:①植物吸附，利用耐受重金屬植物的根莖葉表面吸附作用將重金屬固定，降低土壤中的重金屬移動，從而減少其進一步在環(huán)境中擴散的可能性;②植物揮發(fā)，吸收到植物體內的重金屬通過植物本身的作用，轉化為毒性較小的揮發(fā)態(tài)，最終釋放到大氣中;③植物吸收，利用植物的根莖吸收重金屬，將其儲存在植物的莖葉中，最后經收割植物莖葉以達到去除的目的。

2.3 濕地系統(tǒng)的優(yōu)缺點

人工濕地系統(tǒng)是一個綜合的生態(tài)系統(tǒng)，其具有以下優(yōu)點:①建造和運行費用經濟合理;②可進行有效可靠的廢水處理;③可緩沖對水力和污染負荷的沖擊;④可提供和間接提供環(huán)境效益和經濟效益，如水產、造紙原料、建材、綠化、野生動物棲息等。缺點在于:①占地面積大;②易受病蟲害影響;③為了提高人工濕地系統(tǒng)處理的效率，進而達到其最優(yōu)效率，一般需要2～3個生長周期，所以需建成幾年后才能達到完全穩(wěn)定的運行。

2.4 濕地系統(tǒng)的研究進展

對于我國的水資源污染來說，重金屬污染的治理已迫在眉睫。由于重金屬元素的去除主要靠植物的吸收，因此人工濕地的研究也就越來越受到科研工作者的重視。陽承勝對人工濕地中4種優(yōu)勢植物的根、莖、葉及凋落物中的Pb、Zn、Cu和Cd含量進行分析表明［5，6］，被檢測的植物體都具有極強的吸收和富集重金屬的能力。張學洪等通過野外調查研究結果表明，多年生禾本科李氏禾對鉻具有明顯的超積累特性［7］。黃澤春等人的研究結果進一步確認了大葉井口邊草是一種砷超積累植物［8］。

3 穩(wěn)定塘

3.1 穩(wěn)定塘的概念

穩(wěn)定塘又稱氧化塘，是利用藻類和細菌兩類生物間功能上的協(xié)同作用處理污水的一種生態(tài)系統(tǒng)。其凈化過程與自然水體的自凈過程相似，通常是將土地進行適當?shù)娜斯ば拚?，建成池塘并設置圍堤和防滲層，依靠塘內生長的微生物來處理廢水。為了達到較好的處理效果，可以將不同功能的塘單元組成一個生物穩(wěn)定塘系統(tǒng)。

3.2 穩(wěn)定塘的機理

穩(wěn)定塘凈化的基本原理是利用了細菌與藻類的互生關系。藻類進行光合作用釋放氧氣，細菌利用藻類產生的氧氣分解流入塘內的有機物，分解產物中的CO2、N、P等無機物以及一部分小分子有機物成為藻類的營養(yǎng)源，增殖的細菌和藻類細胞為微型動物所捕食。穩(wěn)定塘內的反應過程包括藻類和光合細菌的光合放氧過程、好氧反應、厭氧反應、發(fā)酵反應等。

3.3 穩(wěn)定塘的優(yōu)缺點

穩(wěn)定塘的優(yōu)缺點:①處理能耗低、維護和運行成本低;②可實現(xiàn)污水資源化和回收再利用，實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用;③能承受污水水量大范圍的波動，其適應能力和抗沖擊能力強。缺點:①基建費用高;②水力停留時間較長，效率低下;③若運行管理不當，容易造成二次污染。

3.4 穩(wěn)定塘的研究進展

趙學敏等人的研究表明［9］:采用生物穩(wěn)定塘對滇池流域大清河的水質凈化產生了良好的效果，整個系統(tǒng)的TN、TP、BOD5、COD的去除率分別達到29.29%、48.68%、68.14%和71.25%，該系統(tǒng)是一種行之有效的廢水處理系統(tǒng)。同時發(fā)現(xiàn)為了克服穩(wěn)定塘自身存在的缺陷，通過對其進行改良出現(xiàn)了許多新型塘。不僅如此，研究者們更多地關注組合塘的工藝，進而提高污水的處理效率［10］。

4 結語

廢水的生態(tài)處理技術已經成為我國水污染處理的重要組成部分。該領域的未來發(fā)展趨勢和方向是利用現(xiàn)有工藝系統(tǒng)的機理，開發(fā)新的生態(tài)污水處理技術;同時積極發(fā)展不同工藝之間的復合系統(tǒng)，從而進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。

［1］水體污染治理:從“控源減排”走向環(huán)境修復［EB/OL］．http://info．water． hc360． com/2012/03/090904362819 － 2．shtml，2012－03－09．

［2］王輝．廢水生態(tài)處理技術及方法 ［J］．生態(tài)與環(huán)境工程，2010，(17):189．

［3］劉娜，馬敏杰．污水生態(tài)工程處理技術概述［J］．中國新技術新產品，2009，(10):42．

［4］林武，陳敏，羅建中，等．生態(tài)工程技術治理污染水體的研究進展 ［J］．廣東化工，2008，35(4):42－46．

［5］戈舒昱，萬紅友．人工濕地植物及其去污效果研究進展［J］．環(huán)境保護科學，2012，38(1):19－22．

［6］陽承勝，藍崇鈺，束文圣．重金屬在寬葉香蒲人工濕地系統(tǒng)中的分布與積累 ［J］．水處理技術，2002，27(6):101－104．

［7］張學洪，羅亞平，黃海濤，等．一種新發(fā)現(xiàn)的濕生鉻超積累植物李氏禾 (Leersia hexandra Swartz)［J］．生態(tài)學報，2006，26(3):950－954．

［8］黃澤春，陳同斌，雷梅，等．砷超富集植物中砷化學形態(tài)及其轉化的EXAFS研究 ［J］．中國科學 (C輯)，2003，33(6):488－494．

［9］趙學敏，虢清偉，周廣杰，等．改良型生物穩(wěn)定塘對滇池流域受污染河流凈化效果［J］．湖泊科學，2010，22(1):35－43．

［10］何小蓮，李俊峰，何新林，等．穩(wěn)定塘污水處理技術的研究進展［J］．水資源與水工程學報，2007，18(5):75－77．