人工湿地系统在造纸废水处理中的应用现状和展望

Posted 2023-01-12 湿地

篇首语：尺有所短；寸有所长。物有所不足；智有所不明。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了人工湿地系统在造纸废水处理中的应用现状和展望相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

本论文阐述了人工湿地系统的基本概念、特点和原理，介绍了我国造纸企业利用人工湿地系统的现状。与化学浆中段水和二次纤维废水比较，高度封闭循环的化机浆生产线用水量少，排放废水具有浓度高、污染物处理难度大的特点，在物化絮凝和二级生化处理之后，需要进一步的处理，以达到GB3544-2008要求。目前的化机浆废水深度处理投资大、运行费用高，急需技术上的突破和升级，而人工湿地废水处理系统，具有投资省、运行费用低、实施容易等特点，可望作为化机浆废水深度处理手段的选项。
人工湿地系统在长期应用天然湿地净化功能基础上发展起来的一种水处理生态工程技术。进入20世纪90年代后，人工湿地系统在北美、欧洲一些国家得到广泛地应用，尤其是用于营养物质的去除。在欧洲和北美，数以千计的天然湿地和人工湿地被广泛应用于处理多种废水，其中包括城市污水、工业废水、农业径流、城市暴雨、填埋场沥滤液、造纸废水和矿山酸性排水。人工湿地在我国的运用起步的比较晚，并且到目前为止，还缺乏较规范、统一的设计模式，不同的地区需根据不同的生态环境条件构建相应的人工湿地，否则就难以达到预期的污水处理效果。我国的造纸行业迅猛发展，由此产生的污水也是不可小觑的问题，而人工湿地系统则可以成为当前比较环保、经济和高效的污水处理方式。化机浆废水通常采用物化絮凝和二级生化处理，在目前水污染物排放将实行新的国家标准之际，化机浆工厂普遍面临达标困难，人工湿地系统不失为一种很好的选择。
1.人工湿地的类型及应用
1.1人工湿地的概念
人工湿地是模仿天然湿地系统，由人工浅池，防渗漏衬层，铺设的功能性基质及适宜的人工湿地植物构成，工业、生活污水通过系统中物理、化学、生物的三重协同作用下被净化。水体、基质、湿生植物和微生物是构成人工湿地污水处理系统的4个基本要素。
在过去的几十年，人工湿地因其具备的经济价值和去除效果显著，而被广泛应用于各种污水的处理。人工湿地系统自1974年在德国首次工程应用以来，已逐渐应用于生活废水、工业废水、农业径流、养殖污水、污染河水、公路径流、二级处理厂等各类污水的处理及生态修复中。在进水浓度较低的情况下，人工湿地对污水中BOD的去除率可达85%～95%，COD去除率可达80%以上，出水BOD浓度可达10mg/L左右，SS浓度低于20mg/L。表1是某橡胶厂应用人工湿地系统处理废水后，进水出水水质指标。人工湿地系统可以以较低的运行费用，把废水中的污染降低到很低的浓度，满足如今越来越严格的废水排放指标要求。

1.2人工湿地的类型
按照植物种类、床体布水方法或水流方式的差异，一般可将人工湿地分为表面流湿地(SurfaceFlowWetland，SFW)、水平潜流湿地(SubsurfaceFlowwetland，SSFW)、垂直流湿地(VerticalFlowWetland，VFW)。如图1所示，三种不同人工湿地系统构造、水流方式、床体构造等方面明显不同，它们在对污染物的处理方面也是各有优缺点(见表2)。

表面流人工湿地通常是利用天然沼泽、废弃河道等洼地改造而成的，也可以用池塘或渠道等构造而成。其底部有由黏土层或其他防渗材料构成的不透水层，填以渗透性较好的土壤，生长着各种挺水和沉水性植物。其对废水的处理是植物、基质和内部微生物之间物理、化学、生物学过程相互作用的综合结果。
水平潜流湿地是在挖掘的池塘内或水平陆地上建造的池子中填满多孔介质，如砂子、砾石或岩石，水位通常稍低于多孔介质的顶层，多孔介质作为挺水植物根系的支撑基质。水平潜流系统它是水在填料以下的潜流系统，它充分利用了系统的协同作用去除污染物。
垂直流人工湿地是指污水从表面纵向流至床底，床体处于不饱和状态，大气中氧气可以通过灌溉期的排水、停滞期的通风和植物传输进入湿地系统，通过湿地生态系统中基质、湿地植物和基质内的微生物三者的物理、化学和生物作用达到净化污水的目的。
很明显，与表面流和垂直流湿地比较，水平潜流湿地具有处理废水水力负荷高、BOD、COD、重金属去除效果好、夏季无恶臭等优点，是目前世界上比较流行的人工湿地处理系统。
1.3人工湿地系统的构建
在构建人工湿地系统时，主要考虑其关键组成的基质和植物的相关特性。
1.3.1基质的选择
基质主要是通过离子交换、定向或非定向性吸附、螯合作用及沉降反应等在人工湿地系统中发挥作用。基质选择时需考虑以下因素：
(1)要有足够的机械强度；
(2)要有足够的化学稳定性；
(3)外形接近于球状，表面粗糙而有棱角，这样吸附表面比较大。基质的选择影响植物的生长及对污染物的净化效果。
人工湿地所用基质的种类主要有：土壤、砂子、砾石、碎瓦片、矿物、粉煤灰、泥炭、有机物料以及工业副产品如炉渣、钢渣、煤渣和粉煤灰等。无烟煤在处理污水中有机物方面具有很好的效果，沸石比较适合做含氮量较高的污水的处理基质，而钢渣则适合用于含磷量高的污水的处理基质。T.Y.Chen等在实验中对比了一种新型生物陶粒和砾石对废水污染物的处理效果(见表3)。生物陶粒的处理效果要明显优于砾石，原因在于生物陶粒的表面积(2360m2m-3)要比砾石(990m2m-3)大，表面能附着更多的微生物。

1.3.2植物的选择
人工湿地系统中湿地植物的作用非常重要，其主要作用有：
(1)直接对污水的污染营养物进行吸收、利用，过滤、吸附和富集污水中的重金属和一些有毒有害物质；
(2)植物的根系可为好氧微生物输送氧气，为生化反应的发生提供了一个适宜的环境；
(3)增强、维持与基质之间的水力传输。选择植物时，主要考虑以下因素：
(1)适应当地气候的植物；
(2)较长的生长周期；
(3)生长快速、根系发达；
(4)较大的地下生物量。
目前，全球发现的湿地高等植物达6700余种，而被用于湿地研究的不过几十种。Kadlec.H.R等人研究了凤眼莲、水鳖、浮萍等几种水生植物净化污水的能力，结果发现，夏季除磷效果最好的是凤眼莲，冬季除磷效果最好的是水鳖和浮萍。在欧洲，被应用的最广的湿地植物是芦苇。
2.人工湿地废水处理系统的特点和原理
2.1人工湿地系统的特点
用于处理污水的人工湿地系统是一个综合的生态系统，与传统工业污水处理系统相比，具有如下优点：
(1)建造和运行费用低；
(2)系统易于维护；
(3)处理效率高，运行稳定；
(4)对进水具有较高的缓冲能力，耐受水力和污染负荷的冲击能力强；
(5)可提供和间接提供其他经济、环境效益，例如，芦苇湿地系统可为造纸企业提供纤维原料、湿地绿化、盐碱地的改造及野生动物栖息地。但是，人工湿地系统也有其严重不足：
(1)占地面积大；
(2)易受病虫害影响；
(3)人工湿地生态系统在寒冷地区的应用受到一定的限制；具有除污能力的水生植物在我国南方更容易生长，而北方地区的低温会影响人工湿地植物的污水净化效率；
(4)人工湿地属于结合物理处理、化学处理及生物处理的综合生态系统，对处理进水浓度有严格要求，难以直接处理高浓度的工业废水；高浓度废水需要经过初步处理、脱毒或稀释后方能够进入湿地系统。
2.2人工湿地对污染物的去除原理
人工湿地系统，通过沉降和过滤作用，以及一系列起到重要作用的需氧、厌氧的微生物过程，有效去除废水中的有机污染物、悬浮物及氮、磷物质，在工业、生活废水的深度处理方面具有优势。
2.2.1有机污染物的去除
(1)简单有机物的去除过程
废水中一些可溶的有机物在需氧厌养细菌的作用下，会被分解成CO2和H2O，反应方程式如下：C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+12e-+energy。在这个反应过程中，氧气量的不足将会在很大程度上影响这个需氧生化氧化过程。因而，在大部分废水处理中，因水中的溶解氧浓度过低，废水中有机物的去除效果受到限制。

(2)复杂有机物的去除过程
废水中的有机物还包括一些复杂的生物高分子混合物。其中一些有机物，如蛋白质、糖类和脂类等，能很容易地被微生物分解为单体；但其他的一些有机物，如木质素、半纤维素等，较难被微生物分解。废水中这些复杂的生物高分子有机物的分解是一个多步反应过程。如图2所示，高分子聚合物(多糖、蛋白质等)在微生物胞外酶的作用下先被转化成一些单体，如单糖和氨基酸等，然后又经过发酵转变为二氧化碳和氢气还有一些被转化成其他的有机酸和醇类，最后在乙酸生成的作用和二次发酵的作用下，最终变成了甲烷和二氧化碳。
2.2.2悬浮物的去除过程
在人工湿地系统中，废水中悬浮物(SS)的去除主要是依靠系统中的物理沉降和过滤来完成的。在湿地系统中，分布了大量的植物根系，并且基质也处于饱和状态，此时当SS随着污水进入系统时，会被根系和填料阻挡和截留。特别的在水平潜流人工湿地系统中，此时的系统更类似于一个水平或垂直的重力过滤器，通过在基质和根区面的生物膜进行重力沉淀(重力沉淀和絮凝)、渗透和吸附作用去除SS。多项对比实验表明，有植物的人工湿地系统其对SS的去除率明显高于无植物的对比实验系统，甚至相当于无植物系统的两倍。图3显示了湿地系统对于SS的去除过程。进水口SS的浓度为5.4g/m2.d，而经过系统的过滤和植物的吸附作用后，出水口的SS浓度变成了0.3g/m2.d。

2.2.3对氮、磷的去除过程
(1)对氮的去除
人工湿地对氮的去除主要是通过基质、植物和微生物的共同作用来完成。基质通过一些物理和化学的途径(如吸附、过滤、离子交换、络合作用等)来净化水中氮、磷等物质。
微生物脱氮作用主要包括氨化、硝化、反硝化三个过程。氨化作用使还原态有机氮化合物转化成氨；亚硝化菌、硝化菌完成从氨氮转化为亚硝态氮、硝态氮的硝化作用过程，其产物是反硝化作用的基质；反硝化作用是这一过程的最后阶段，反硝化细菌在厌氧条件下使硝化作用的产物硝态氮还原成N2O、N2，从而达到去除系统中除氮的目的。如图4显示了人工湿地氮的变化规律。

(2)对磷的去除
人工湿地对总磷的去除作用包括基质的吸附、过滤、沉淀、植物吸收、微生物去除及物理化学作用。图5给出潜流湿地磷反应成分、形式和途径的概念模型。

湿地对磷的去除途径主要是吸附和沉淀作用。可溶性无机磷易与Fe、Al、Ca和粘土矿物质发生吸附和沉淀反应而固定在基质中。湿地基质对磷的去除作用存在饱和问题。有机质在基质中的积累是人工湿地去除磷的另一机制，在大多数湿地中，有机质的一部分分解速率较为缓慢，以至于包含在有机质中的磷随着有机质而积累，由此形成了多数湿地重要的“去除"过程。植物吸收无机磷和吸收无机氮一样，都是在吸收同化作用下，将无机磷变成植物体的组成部分，最后通过植物收割去除，这是磷唯一的持续性去除机理。如果不被收获，这些营养的大部分在秋季和冬季将通过淋洗和有机质矿化过程而重新释放，在营养再转移至根系之前的夏季末收获植被能提高湿地对营养的去除能力。
3.人工湿地在造纸废水处理中的应用
造纸工业废水年排放量为49亿吨，占全国工业废水排放总量的17%，COD排放量占全国工业废水排放总量的32%。2001年至2007年间，虽然我国造纸工业产量增长迅速，但COD排放总量却没有增加，单位产品COD排放量逐年下降(见图6)，这说明造纸工业在节水减排方面的工作取得初步成效。然而，我国造纸工业单位产品的水资源消耗、污染物排放量仍然处于较高水平，与西方国家造纸工业相比，存在较大的差距。2011年7月1日，我国造纸工业将开始执行水污染物排放新标准(GB3544-2008)。与2001颁布的排放标准比较，新标准在单位产品基准排水量及CODcr、BOD5、总磷、总氮、AOX等排放浓度指标提出了非常严格的要求。随着新标准的执行，造纸企业在污染治理方面面临空前的压力和挑战，纷纷采取措施，或开工建设新的废水处理系统，或对原有污水处理系统进行改造，以期达到新标准对水污染物的排放要求。

人工湿地系统具有投资省、实施容易等优势，成为经济欠发达、土地资源丰富地区污水处理的优选方案，在一些位于河流三角洲、沿海滩涂地区或周边拥有低洼空地的造纸企业获得初步应用。目前我国应用湿地对造纸废水进行处理的企业有：山东齐明纸业、海润纸业，陕西宝鸡陇县东南造纸厂、福建漳州市天宝造纸厂，江苏射阳双灯纸业。这些造纸企业因地制宜地利用周边地理环境或荒废低洼地建立表面流湿地处理系统，对造纸废水进行处理，为企业的生存和发展发挥了积极的作用，并带动了当地造纸业的良性循环发展。
山东省滨州市齐明纸业公司利用滩涂湿地建立了芦苇湿地人工湿地系统，处理造纸污水取得了良好效果。该企业原先是一家以麦草为原料生产瓦楞纸的企业。该企业于2004年使用了由哈尔滨工业大学水污染控制研究中心设计的“曝气沉砂+高效复合厌氧塘+兼氧塘+湿地"的生态塘处理工艺，使兼氧塘出水达到污水排放标准后再用于芦苇湿地恢复，见图7。70%废水经过芦苇湿地处理后又回用于企业生产。该废水处理工程在节约用水的同时，实现了盐碱地的改良。经3～4年改良修复后的盐碱地可开垦种植小麦、玉米等农作物。经过2年的建设和运行，芦苇湿地处理造纸污水取得成功，实现了改良盐碱地和改善生态环境的目的，成为污水资源化利用的范例。

陕西陇县东南造纸厂的生物塘-人工湿地处理系统，建于2000年，工程总投资100万元，运行费用为0.9元/m3，系统出水达到了当时得排放标准(GB3544-2001)。该企业以麦草为原料，采用亚氨法或石灰法制浆造纸工艺，生产本色包装纸、高强瓦楞纸。工厂原水经过60目斜网去除纤维后进入调节池，通过泵前加入石灰乳和少量助凝剂并在斜板沉淀池沉淀分离，后经压滤，清水回用，剩余废水(约为原水的50%)进入生物塘-人工湿地系统，处理流程见图8。系统设计参数如下：
(1)调节初沉-混凝-沉淀-过滤，去除率50～60%；
(2)厌氧塘，表面负荷300～450gCODcr/m2.d，停留时间10天，去除率35%；
(3)兼性塘，表面负荷110gCODcr/m2.d，停留时间3天，去除率20%；
(4)好氧塘，表面负荷90gCODcr/m2.d，停留时间10天，去除率60%；
(5)芦苇湿地，500亩。进系统废水水质：CODcr4780.2mg/L，SS1066.7mg/L，pH6.34～9.63，挥发酚1.6689mg/L，硫化物14。83mg/L，色度96。生物塘出水水质：CODcr252mg/L，SS47.7mg/L，pH6.91～7.42，挥发酚0.1309mg/L，硫化物14.83mg/L，色度16。经过人工湿地处理后，CODcr降为114.0mg/L，低于当时的废水排放标准。

李亚治报道了福建漳州市处理天宝造纸厂再生纤维造纸废水的小型水葫芦-水草人工湿地。在漳州市郊因地制宜用荒废低洼地建造，处理量100m3/d，出水灌溉香蕉园，实现废水零排放。实地基质为红壤和水稻土混合而成，湿地植物为水葫芦和水草。具体工程工艺流程如图9。此系统处理的废水水量为4.2m3/h，CODcr228～511mg/L，BOD5274～589mg/L，SS116～514mg/L，pH7.12～7.49。经过湿地系统处理，CODcr、BOD5、SS的去除率分别为93﹪、98﹪和89﹪，出水达标且可用于灌溉，实现废水资源化。

江苏双灯纸业建造的人工湿地是以芦苇湿地植物和射阳丰富的滩涂资源为主体，造纸废水经厂内生化预处理后，流入滩涂湿地生态处理场，对苇田进行灌溉，并充分利用芦苇湿地植物的新陈代谢作用、地表系统自然净化功能、土地吸收和吸附作用，对厂内生化预处理后的废水进行深度处理。人工湿地总投资1200万元，其中1000万元用于2000hrn2滩涂土地购置，200万元用于氧化塘和灌溉干渠管道。该厂建造的人工湿地系统包括氧化塘系统、芦苇田系统和灌排系统三部分，其中氧化塘系统为占地面积66.7hm2、深度4m的超深氧化塘，有利于提高COD的去除率、调节pH值。氧化塘系统进水处CODcr为2200～2800mg/L，pH值为7.5～8.0，氧化塘出水处CODcr为1430mg/L，pH值为7.2。芦苇田系统占地面积1800hm2。经氧化塘处理后的废水由于CODcr浓度仍高于1200～1500mg/L，不能直接进入芦苇田系统，必须先进调节池用清水稀释。在调节池，废水与清水混合后当水质指标CODcr的浓度小于500mg/L、pH值小于7.5时，才能进入苇田湿地系统。芦苇田出水处CODcr为l13mg/L，pH值为7.1。经实验证明，该系统对各项污染物处理效率均较高，SS去除率达到70%～80%，COD为80%～90%，BOD为83%～97%。
然而，目前我国造纸企业建造的人工湿地系统，大多属于表面流型，存在占用面积大、负荷冲击耐受能力低、污染物去除能力差、夏季容易产生臭味等缺点。某些造纸企业在使用湿地系统处理造纸废水时，因管理缺位或进水预处理系统故障等因素，往往进水负荷远远超过设计要求，造成湿地系统失效和超标排放等问题，给当地湿地生态环境造成了破坏，产生了不好的影响。
4.人工湿地系统在化机浆废水深度处理中的应用展望
4.1化机浆废水的特点
我国是世界上化机浆发展最快的国家，短短的20多年，引进的TMP、BCTMP、APMP、P-RCAPMP等方法生产能力已达150万吨。然而高速发展的制浆业对环境所造成的污染问题也日益突出。化机浆废水的特点是：
(1)由于原料、生产工艺和产量的变化，废水的产生量、有机物成分和浓度变化频繁，变化幅度也较大；
(2)有机物浓度高，COD浓度大都在6000mg/L以上，高的可达10000～20000mg/L以上，可溶性COD浓度也都在3000mg/L以上；
(3)水中悬浮物的浓度也很高，一般都在2000mg/L以上，并含有大量的胶状物质，浊度大；
(4)由于磨浆过程产生大量蒸汽，且生产过程用水高度循环回用，车间用水量低、温度高，废水进入到污水处理时的水温一般都在50℃以上；
(5)由于化学浸渍溶出较多的多酚类物质，因此废水的色度也大，毒性物质含量高，可生化性较差；
(6)CTMP废水中含有较高的硫酸根离子，对厌氧生物处理影响较大，因而CTMP废水比APMP和P-RCAPMP废水更难处理。
化机浆废水中的污染物质，主要来源于纤维原料中溶出的有机化合物、工艺过程中残余的化学药品和流失的细小纤维。与化学浆中段水和二次纤维造纸废水比较，化机浆用水量少、COD、BOD和SS等污染物浓度高，这是化机浆废水难处理的主要因素之一。表4列出了芬兰、加拿大和美国一些BCTMP化机浆企业的废水量和污染量。同时，化机浆废水污染物的主要成分是木质素降解产物、多糖和有机酸等大分子有机物，其中，木素降解产物占30%～40%，多糖占10%～15%，有机酸占35%～40%，这是化机浆废水难以处理的另一个因素。较大比例的木素降解产物及其他大分子有机物的存在，决定了其废水处理工艺较为复杂，处理系统中设置厌氧单元，与化学浆中段水或二次纤维造纸废水处理工艺存在差异。

4.2人工湿地系统在化机浆废水深度处理中的应用
国内数十家化机浆企业普遍采用以厌氧为核心的生物处理技术处理废水，典型的化机浆废水处理流程见图10。化机浆废水温度较高，通常在初沉单元后设置冷却塔，使废水温度从50℃降低至38℃左右。厌氧单元，使用IC(内循环)厌氧塔或EGSB(膨胀颗粒污泥床)厌氧塔的应用越来越普遍，具有处理效率高、占地面积小优势。好氧单元，采用SBR或连续SBR技术，可以克服普通活性污泥法常见的污泥膨胀问题；采用全好氧曝气氧化沟，可抑制传统氧化沟中的硝化和反硝化作用，减少营养盐投加量，提高COD去除率。在“二级生化"之后，增加混凝单元，实际起到了三级处理单元的作用，为出水水质的的达标排放增加了最后一道“保险"作用。
化机浆废水经过图10的典型流程进行处理后，其废水CODcr排放浓度一般为350mg/L以下，达到2001年颁布的排放标准值要求，但要达到2008年颁布的新国家标准要求，还须经过进一步的处理。
目前可用于化机浆废水处理的深度处理技术有很多，如MBR工艺、膜分离技术、超临界水氧化法、生物絮凝剂法及人工湿地系统等。晨鸣集团采用“强磁整理+梯级分子絮凝反应+固定化微生物技术"深度处理新技术，当进水COD250～300mg/L时，出水COD为40～50mg/L，色度≤10倍，SS≤1mg/L。“超效浅层高效离子气浮技术"应用于企业SBR造纸废水深度治理的成功案例较多，制浆造纸废水经过二级处理后COD降至300～350mg/L，再经过离子气浮技术，COD可进一步降至50～70mg/L。但另一企业的日处理8000m3杨木P-RCAPMP废水工程，采用厌氧—好氧—气浮处理工艺，即使投加较多的混凝剂，排放水CODcr只能降到200mg/L以下，加药费用超过1.875元/吨水，给企业带来极大的经济负担。

从现有的废水深度处理技术看，造纸废水深度处理工程投资大、运行成本高，超过很多企业的承受能力。晨鸣集团的“强磁整理+梯级分子絮凝反应+固定化微生物技术"，投资为3000万元，处理水量为3万m3/d，处理费用(包括药剂费、电费、设备折旧、人员工资)为1.2～1.5元/m3。使用高级氧化处理工程处理化机浆废水，处理费用也在1.0～2.2元/m3。
人工湿地处理系统，具有处理效率高、运行费用低的特点，作为废水二级处理后的的深度处理具有一定比较优势。已有的造纸企业人工湿地系统的运行经验表明，运行良好的人工湿地系统，通过物化絮凝和二级生化处理，控制进系统废水水水质在CODcr500mg/L以下，通过停留时间的不同，可以达到新国标规定的废水排放要求。
4.3展望
随着人们环境意识的逐渐增长及废水排放新标准的实施，对工业污染物的排放指标要求越来越严。人工湿地系统用于造纸废水处理，具有处理效率高、处理成本低等优点，只要进行更科学的规划和设计，其应用之路将愈益宽广。系统的水力学特性、湿地床构型和配套设施的构筑是人工湿地构造的主要参考要素。目前人工湿地系统在我国的应用还不是很广，因此在构造时需要考虑这些要素，以达到对系统的优化，获得最佳的处理效果。
我国造纸企业特别是化机浆造纸企业，排放废水浓度高，按照造纸工业的新标准要求，普遍面临难以达标排放的困境，人工湿地系统作为造纸工厂排放废水深度处理的手段之一，在造纸工业新标准实施之后可望得到广泛应用。
当然人工湿地的应用也还存在着一系列的问题，比如运用人工湿地处理废水后，污水得到净化，但是系统本身被污染，如何对此时的系统进行净化也是要思考的问题；另外，我国本来就是人多地少，如何有效地利用土地面积也是考虑的重点。所以只有结合我国不同地区的具体情况、不同的环境气候条件及不同的污水特征，才能更好的把人工湿地组合于造纸废水处理系统中去。