湿地处理废水的机遇和限制外文翻译资料

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湿地处理废水的机遇和限制

Jos T.A. Verhoeven ^a,*, Arthur F.M. Meuleman ^b

摘 要

本文在湿地处理废水方面给予了一些指导性的信息。它主要集中在人工湿地的运作，特别是地表流和渗透型湿地。文章简要阐述了水体净化的各种各样的过程以及与之相关的影响其净化效率的因素。这样的系统在设计和管理上优化的可能性是基于荷兰的一个废水渗滤型湿地运行的参数来阐述的。在一般情况下，经过设计的人工湿地可以去除来自直流型废水的90%以上的BOD、COD、固体悬浮物和细菌性污染。但是，到目前为止N、P的去除率在大多数情况下只接近50%。

关键词：湿地，表面流，废水，水体质量

1、介绍

自从二十世纪50年代以来，世界上的许多地区已经用湿地来净化水体了。对于环境的关注包括，对于个人表现腐败的系统，以及在污水管道和集中式水质净化系统方面的高成本，出于这些目的，关于生态系统的适宜性的调查研究方面被大大激励了。通常情况下，自然地以及人工湿地已经加载了几种类型的污水。自然系统包括湖泊边缘的湿地，大量的沼泽系统和河漫滩湿地，其中有大型植物经常占主导地位如芦苇、香蒲草、鹭草属等。人工湿地也有植物床，主要有两种类型：（1）表面流湿地，其中的污水水平的在湿地沉积物中进行流动（2）渗透型湿地，其中的污水垂直流过一个高渗透型的沉积物同时被收集至排水渠。所采用的废水通常是只得到一次粗颗粒物料的初次渗透。在相当多的情况下，一个湿地被用于润色传统污水净化厂的出水。湿地生态系统有其独特的特征从而使其非常适合污水净化：

1. 它们是半水生系统，通常情况下含有大量的水。由废水引起的水力驱动是该系统的一个通常特征。
2. 他们部分缺氧部分好氧的土壤中通过特殊的途径发生有机物的分解，电子受体除了氧气之外还有硝酸盐、硫酸盐和铁等。最终，氮磷的动态是非常不同于陆地生态系统的。
3. 它们提供一个高生产力的、高的挺水植物，这些植物能够占用大量的营养物质并且能对营养物质的丰富表现出强势的生长。沼生植物也通过根部通气组织使根际土壤通气。

过去二十年的研究使得在这些系统的表现方面已经积累了大量的信息。一个关于艺术当前状态的有用的评论是一本由Kadlec和Knight写的书，它不仅在自然的和人工湿地净化污水的功能上提供了详细的资料，同时在湿地污水的建设和运行上给以复杂的工程指导。 在文献中被逐渐使用的一个重要数据基础是北美数据库（NADB），它包含的数据是由Knight为美国EPA从一百多个污水湿地中收集编纂而成的。这份基础数据表明，用来处理污水的湿地的表现主要取决于负载率（单位时间单位面积上的污水）和湿地的具体水文和生态特性。较高的去除率主要有COD、BOD和细菌性污染（在多数情况下可达80%-99%的去除率）。而氮磷的去除率则更低更不确定。氮的去除在多数情况下要高于50%，磷的去除率大部分较低且受到长期负荷后饱和的制约。营养物质的去除可以通过选择合适的负载速率（防止系统超负荷运行），加载一个水位波动的制度和增加湿地底部吸附材料来进行优化。

从实际的观点来看，人工湿地相比于自然湿地为污水治理提供了更好的机会。它们可以被进行设计，达到对BOD、COD和营养物质最优的去除性能和对湿地水力和植物管理上最大化的控制。自然湿地的使用也应该被鼓励，因为很多这些系统有很好的保存价值。两种类型的湿地废水的特性和渗透型水负责净化的过程将在下面进行进一步阐述。这些系统的功能和优化净化过程的可能性将通过荷兰的一个渗透型湿地的例子进行阐述，这个湿地已经被Meuleman详细研究过了。

2、表面流湿地

表面流湿地通常包括一个初沉池和一些由浅水层（0.2-0.4m）组成的小隔间，这些小隔间种植着沼生植物例如芦苇、香蒲和水葱属等。其中的废水通常混合着地表水和净化后的出水，它们一般流过系统要最少停留10天。净化过程包括：

1. 悬浮固体物质的沉淀
2. 溶解性营养物质扩散进入沉积物中
3. 有机物的矿化
4. 微生物和植物对营养物质进行摄取
5. 微生物组织转化为气态组分
6. 沉积物中的物理化学吸收和沉淀

在美国的基础经验已经表明，一个负载着少于500人每公顷的城市污水的表面流湿地的净化效率是，COD和BOD达到90%的去除率，细菌污染达到99%的去除率；但是氮磷的去除率很低，只有10%-15%。营养物质的去除率低主要是因为，大部分涉及到的过程发生在沉积物；里面，然而废水是在沉积物上部流动的，以至于溶解性营养物质只能通过扩散进行穿透，而这一过程是缓慢的。如果湿地中的水平面能被操控以使其具有干湿交替的时期，那么它的氮磷去除率可翻一番。

3、渗透型湿地

渗透型湿地通常是有一个相对粗颗粒类型的沉积物，这样可以使废水可以轻易的穿透土壤。通过一个较低水位的排水沟包围湿地，废水在重力作用下被强迫流入沉积物中。渗透过程能够通过把排水管埋在60-100厘米深度的方式得以加强。重要的是，湿地是由一个不透水的黏土层或塑料衬里的下层沉积物进行密封的。垂直运动的水流将废水直接带入接触到沉积物，这里营养物质的去除过程是最佳的。在干湿循环过程中，粗泥沙也会给沉积物一个良好的曝气过程。再次，这样的周期可以大大增强湿地的去除能力。

欧洲的渗透性湿地的经验表明，负载800人/公顷的城市污水的系统有一个长期的去除性能，可以去除80-95%的COD和BOD，99%的细菌污染，35%的氮和25%的磷。在这些负荷率下，营养物质的去除能够被优化提升至大约去除50%的氮和40%的磷。

4、污水湿地中氮磷的去除过程

从前面的部分可以清楚的看出，废水湿地一般对COD、BOD和细菌性污染有很好的去除效果，但对营养物质的去除能力有限，对COD、BOD的高去除率是由于悬浮物的沉降和水中和上层土壤快速分解的过程。由于营养物的去除往往也是一个重要的目标，营养物质去除过程的优化应不断尝试。各种营养物质去除的过程和他们最佳的操作条件是加强营养物质去除率的先决条件。

表１列举了一些重要的营养物质的去除过程以及他们发生的最佳土壤氧化还原和酸度条件。氮去除的过程大部分是细菌转化，硝化作用是通过硝化细菌将铵盐转化为硝酸盐，这一过程仅在有氧条件下进行。反硝化是一种厌氧分解过程，其中有机物被细菌用硝酸盐代替氧作为电子受体进行分解。这个过程分为两个步骤：首先硝酸盐被还原为亚硝酸盐，随后进一步还原为大气中的氮。两者最终的产物都是排放到大气中的气体。氧化亚氮是一种温室气体，过量排放可能会导致全球变暖的问题。在低ｐＨ时，反硝化的第二步被抑制，所有的氮都以氧化亚氮的形式释放。从环境质量的角度来看，污水湿地土壤的ｐＨ值都应保持在６以上，这样大部分的反硝化氮都将以气态氮的形式离开湿地。

表1 污水湿地运行过程中一些重要的营养物质去除过程以及它们发生时的氧化还原和pH条件

a:在pHlt;4时，氮气的产生受到抑制，氧化亚氮是反硝化的最终产物。

由于废水中的氮主要处于还原状态，为了去除它们并进入气态组分，硝化及反硝化必须同时发生。在许多湿地，硝化速率比反硝化速率慢得多，因此，第一个过程实际上也决定着第二个过程的速率。这就意味着有氧条件下和厌氧条件下需要对反硝化过程进行优化。这个能通过大型挺水植物来实现，它们通过根部组织的释放的氧气来使土壤通气，比如芦苇。另一种可能性是安装一种泛滥和干旱条件交替出现的水体制度，比如２－３天泛滥随后４－６天干旱条件的循环。

对于磷，土壤颗粒对磷酸盐的吸附是一个重要的去除过程。吸收性能依赖于粘土矿物中铁、铝或者是钙的存在，或者是土壤有机质的结合。在有氧条件下，中性至酸性环境下，Ｆｅ（Ⅲ）与磷酸盐结合形成稳定的配合物。如果土壤变成厌氧环境最终洪水泛滥，三价铁将会被还原为二价铁，这将导致不太强吸附和磷酸盐的释放。磷酸盐对钙的吸附仅发生在中性条件下。除了具有可逆性的吸附作用，只要土壤的氧化还原或者基础状态改变，吸收同样也受制于饱和。每个土壤具有一定的吸附能力，一旦所有的吸附位点被占用，将不会发生进一步的吸收。

除了这些快速的吸附解吸过程，磷酸盐也能和铁、铝以及土壤化合物沉淀。这些过程，包括粘土矿物母质中磷酸盐的固定和磷酸盐和金属的络合，有一个较慢的速率但是不那么容易受制于饱和。如果先前吸收的磷沉淀了，那么吸收位点便可以再次吸收新的磷。

存储在积累的有机物中是另一种从渗透型废水中可持续去除氮磷的机制。植物凋零物在刚死时氮磷的含量很低，因为植物在衰老时会重新转移部分营养物质。微生物在分解腐败物时会从水环境中吸收大量的营养物质（固定），这些会在几个月甚至数年后释放。在大多数湿地中，部分有机质会以一个很慢的速度分解以至于它会积累形成土壤有机质。包含在这些有机质中的氮磷随着它逐渐积累，这样就形成了许多污水湿地中一个重要的去除过程。

植物本身发挥着短暂存储营养物质的功能。尤其是在生长剂的初期，大量的营养物质被根部组织吸收。如果这些植物没有被收获，那么这些营养物质最终会在小组分中。在秋冬季节，大量营养物质将通过浸出和有机质矿化被重新释放出来，只有一小部分吸收的营养物质会继续留在植物的生长树木和根茎材料中长期储存。在盛夏的某个时候收获植物，即在营养物质转移至根部组织发生之前，但是在植物衰老开始之后，以便于它们能活过修剪，这样可以大大加强湿地污染物去除的能力。

表2、荷兰Lauwersoog附近的渗透型湿地对COD、BOD和细菌污染的去除率

5、荷兰的渗透型湿地的表现

为了说明湿地的污水净化能力，我们将给出一个渗透型污水湿地的性能研究概况，这个湿地作为一个治理设备已经为一个娱乐性住宅项目运行了10年。这个1.3公顷的人工湿地坐落在荷兰北部Lauwersoog附近，在某些项目被详细的研究了，在水和营养预算上，COD和ＢＯＤ的去除，细菌污染，和植物吸收，收获，土壤微生物和物理化学过程对总的营养去除的贡献。该设施由四个种植着芦苇的区域组成，它四天淹没再允许１０天干旱交替运行。废水渗透进砂沉积物中然后在垂直流过土壤后被埋藏在６０ｃｍ地下的排水管收集起。沉积物中未添加任何物质促进磷的吸收。废水的负载率在夏季和冬季不同，大约是１０００人的当量，这跟表二中的负载率相类似。

对于COD、BOD和微生物污染的去除率是很高的。氮磷的去除实质上更低。通过四种组合过程的影响氮总共的去除率可达到35

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