废水生态处理技术研究

闫 佩，常文韬，袁向华

(1．天津市环境保护科学研究院，天津300191;2．天津市联合环保工程设计有限公司，天津300191;3．河北工业大学经济管理学院，天津300130)

我国水情复杂，水资源问题由来已久，特别是随着工业化、城镇化快速发展和全球气候变化影响的不断加大，水资源面临的形势越来越严峻，水资源短缺、水污染严重、水生态环境恶化等问题越来越突出。特别是“十二五”期间，国家在水体污染控制与治理的观念上发生了新变化，由以前的“污染防治”向“污染防治加生态修复”转变［1］。加之，废水生态处理技术对水环境保护和水资源循环利用方面具有独特的优势，使得近年来在理论和实际应用方面都得到了迅速发展。本文着重介绍和分析了几种处理污水的生态技术，以期能为今后的研究者提供有益的资料。

1 污水土地处理系统

1.1 污水土地处理系统的概念

污水土地处理系统是以治理水污染为目的，以土地为处理构筑物，利用土壤—微生物—植物组成的生态系统对污染物进行一系列物理、化学和生物学的净化过程，使污水得到净化。同时通过该系统中营养物质和水分的循环利用，促进绿色植物的生长繁殖，从而实现污水的无害化、资源化的生态系统工程。特别是利用微生物相互依赖共同作用的生态学方法，同时实现对污水中污染物“处理”与“利用”的两大功能。污水土地处理系统是由若干部分组成的整体，完整的土地处理系统由预处理、水量调节与储存、配水与步水、土地处理田间工程、植物、排水及监测等七部分组成。根据处理目标、处理对象的不同，该系统可分为快速渗滤处理系统 (RI)、慢速渗滤处理系统 (SR)、地表漫流系统 (OF)、地下渗滤 (UG)系统、湿地系统(WL)等 5 种工艺类型［2，3］。

1.2 污水土地处理系统的机理

污水土地处理系统的机理:①物理过滤:废水流经土壤时，悬浮物被表层土壤团粒间的空隙过滤截留;②物理和化学吸附:土壤中的粘土矿物颗粒能吸附水中的中性分子，废水中的各种离子则因离子交换作用被置换吸附并固定在矿物晶格中;③络合反应和化学沉淀;④微生物的氧化分解:土壤中种类繁多的大量微生物，能与被截留、吸附的污染物一起形成生物膜，对有机物有很强的降解转化能力。影响工程设计的主要因素包括:土壤渗透系数、年水力负荷、年有机负荷以及有关场地的工艺参数 (地面坡度、土层厚度等)。不同工艺类型之间可进行相关技术整合以提高整个系统的运行效果。

1.3 污水土地处理系统的优缺点

该系统具有投资低、能耗少、无须投放化学试剂、维护和运行费用低廉、出水水质好、改善及净化自然环境效果良好等优点;同时从生态学的角度，该系统不破坏自然的生态环境，使人与环境能够和谐地共处、污水处理与环境生态建设有机地结合。

缺点是占用土地面积相比其它传统工艺要大。土壤的堵塞问题是污水土地处理系统中最经常发生的问题，也是阻碍土地处理技术推广的最重要原因之一。另外，土地处理系统的冬季运行问题也一直是困扰人们的一个主要问题。由于土地处理系统的净化功能主要依赖于天然状态下的微生物，因此冬季较低的气温使得微生物活性变差，污水处理效果也就随之受到很大影响。

1.4 污水土地处理系统的研究进展

土地处理系统在实际应用中主要是土地的占用，这在我国广大地区都具有很强的适用性。我国虽然土地资源十分紧缺，但在一些不发达地区，如西北等地区地广人稀，闲置了一些土地、荒山，这为土地处理系统提供了廉价的土地资源。在农村和中小城镇，可以利用这一优势建造土地处理系统，不仅可以净化污水，还可以与农业利用相结合浇灌绿地、农田，使土壤肥力增加，提高农作物产量，从而带来更多经济效益。同时随着我国工业化进程的不断深入，废水中污染物的种类不断增多，即使经过污水二级处理，仍有一些污染物 (生物难以降解的物质)存在于水体中，进一步促使了污水土地处理系统的深入研究和发展，如在生物填料方面的研究。

2 湿地系统

在污水土地处理系统的几种工艺中，人工湿地系统应用最为广泛，因此以该系统为例进行具体的说明和阐释。

2.1 湿地系统的概念

湿地是由水、永久性或间歇性处于水饱和状态下的基质以及水生生物所组成，是一个具有较高生产力和较大活性的相当复杂的生态系统。而人工湿地则是为处理污水人为设计建造的、工程化的湿地系统，是通过人工挖掘、增加水负荷、并移栽植物形成的。人工湿地系统可按照不同的布水方式和水流方式，分为自由表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地和潮汐潜流人工湿地四种类型［4］。

2.2 湿地系统的相关机理

这种人工湿地植物对重金属的去除主要是通过3种途径实现的:①植物吸附，利用耐受重金属植物的根茎叶表面吸附作用将重金属固定，降低土壤中的重金属移动，从而减少其进一步在环境中扩散的可能性;②植物挥发，吸收到植物体内的重金属通过植物本身的作用，转化为毒性较小的挥发态，最终释放到大气中;③植物吸收，利用植物的根茎吸收重金属，将其储存在植物的茎叶中，最后经收割植物茎叶以达到去除的目的。

2.3 湿地系统的优缺点

人工湿地系统是一个综合的生态系统，其具有以下优点:①建造和运行费用经济合理;②可进行有效可靠的废水处理;③可缓冲对水力和污染负荷的冲击;④可提供和间接提供环境效益和经济效益，如水产、造纸原料、建材、绿化、野生动物栖息等。缺点在于:①占地面积大;②易受病虫害影响;③为了提高人工湿地系统处理的效率，进而达到其最优效率，一般需要2～3个生长周期，所以需建成几年后才能达到完全稳定的运行。

2.4 湿地系统的研究进展

对于我国的水资源污染来说，重金属污染的治理已迫在眉睫。由于重金属元素的去除主要靠植物的吸收，因此人工湿地的研究也就越来越受到科研工作者的重视。阳承胜对人工湿地中4种优势植物的根、茎、叶及凋落物中的Pb、Zn、Cu和Cd含量进行分析表明［5，6］，被检测的植物体都具有极强的吸收和富集重金属的能力。张学洪等通过野外调查研究结果表明，多年生禾本科李氏禾对铬具有明显的超积累特性［7］。黄泽春等人的研究结果进一步确认了大叶井口边草是一种砷超积累植物［8］。

3 稳定塘

3.1 稳定塘的概念

稳定塘又称氧化塘，是利用藻类和细菌两类生物间功能上的协同作用处理污水的一种生态系统。其净化过程与自然水体的自净过程相似，通常是将土地进行适当的人工修整，建成池塘并设置围堤和防渗层，依靠塘内生长的微生物来处理废水。为了达到较好的处理效果，可以将不同功能的塘单元组成一个生物稳定塘系统。

3.2 稳定塘的机理

稳定塘净化的基本原理是利用了细菌与藻类的互生关系。藻类进行光合作用释放氧气，细菌利用藻类产生的氧气分解流入塘内的有机物，分解产物中的CO2、N、P等无机物以及一部分小分子有机物成为藻类的营养源，增殖的细菌和藻类细胞为微型动物所捕食。稳定塘内的反应过程包括藻类和光合细菌的光合放氧过程、好氧反应、厌氧反应、发酵反应等。

3.3 稳定塘的优缺点

稳定塘的优缺点:①处理能耗低、维护和运行成本低;②可实现污水资源化和回收再利用，实现水资源的循环利用;③能承受污水水量大范围的波动，其适应能力和抗冲击能力强。缺点:①基建费用高;②水力停留时间较长，效率低下;③若运行管理不当，容易造成二次污染。

3.4 稳定塘的研究进展

赵学敏等人的研究表明［9］:采用生物稳定塘对滇池流域大清河的水质净化产生了良好的效果，整个系统的TN、TP、BOD5、COD的去除率分别达到29.29%、48.68%、68.14%和71.25%，该系统是一种行之有效的废水处理系统。同时发现为了克服稳定塘自身存在的缺陷，通过对其进行改良出现了许多新型塘。不仅如此，研究者们更多地关注组合塘的工艺，进而提高污水的处理效率［10］。

4 结语

废水的生态处理技术已经成为我国水污染处理的重要组成部分。该领域的未来发展趋势和方向是利用现有工艺系统的机理，开发新的生态污水处理技术;同时积极发展不同工艺之间的复合系统，从而进一步提高系统的稳定性和高效性。

［1］水体污染治理:从“控源减排”走向环境修复［EB/OL］．http://info．water． hc360． com/2012/03/090904362819 － 2．shtml，2012－03－09．

［2］王辉．废水生态处理技术及方法 ［J］．生态与环境工程，2010，(17):189．

［3］刘娜，马敏杰．污水生态工程处理技术概述［J］．中国新技术新产品，2009，(10):42．

［4］林武，陈敏，罗建中，等．生态工程技术治理污染水体的研究进展 ［J］．广东化工，2008，35(4):42－46．

［5］戈舒昱，万红友．人工湿地植物及其去污效果研究进展［J］．环境保护科学，2012，38(1):19－22．

［6］阳承胜，蓝崇钰，束文圣．重金属在宽叶香蒲人工湿地系统中的分布与积累 ［J］．水处理技术，2002，27(6):101－104．

［7］张学洪，罗亚平，黄海涛，等．一种新发现的湿生铬超积累植物李氏禾 (Leersia hexandra Swartz)［J］．生态学报，2006，26(3):950－954．

［8］黄泽春，陈同斌，雷梅，等．砷超富集植物中砷化学形态及其转化的EXAFS研究 ［J］．中国科学 (C辑)，2003，33(6):488－494．

［9］赵学敏，虢清伟，周广杰，等．改良型生物稳定塘对滇池流域受污染河流净化效果［J］．湖泊科学，2010，22(1):35－43．

［10］何小莲，李俊峰，何新林，等．稳定塘污水处理技术的研究进展［J］．水资源与水工程学报，2007，18(5):75－77．