可克達拉市污水處理工程廖新玉
A. 濕地處理廢水的研究現狀
煤礦山排出的廢水和煤矸石滲出液，含硫量較高。根據大峪溝礦區的實際情況，即使採用綜合一體化處理方法，出水的除硫效果並不明顯，水中SO2－4仍高達1994.21～2144.06mg/L。雖然現有的《煤炭工業污染物排放標准》(GB20426—2006)對SO2－4的排放濃度沒有明確限制，但高硫酸鹽水對大峪溝的地下水和涼水泉水庫的水質仍有嚴重影響。
目前，去除水中SO2－4的方法主要有中和法、反滲透膜法、生物化學處理法和濕地法。前幾種運行費用高，效果不一，有的還存在二次污染或技術不夠完善等問題，更多地採用廉價、清潔的處理方法，即利用濕地除硫。
一般而言，煤礦開采尤其是井工開采都需疏排地下水，在地表形成小溪或小河進入窪地，形成濕地。濕地具有顯著的生態功能，能夠起到凈化水質，調節空氣濕度、溫度，繁衍各種濕生-水生植物，改善人居環境的作用。據調研，目前煤礦山濕地生態功能常常被忽視，要麼棄置不用要麼受損嚴重。本次研究的目的是試圖利用礦區排水形成的濕地解決終端外排水的去硫問題，使之資源化，可以說是前述綜合一體化處理方案的最終一個環節，同時也是解決煤礦山濕地生態修復和濕地生態利用的專門性課題。
利用人工濕地去除水中硫酸根的研究仍處於探索階段，人工濕地屬於人工構築物的范疇，通常的做法是建幾個處理池，池內鋪蓋底泥並種植植物，依靠植物、底泥等要素的作用達到去硫效果;煤礦山濕地顯然不屬於上述的人工濕地，有關煤礦山濕地的生態功能、除污能力的研究，目前還比較少見。據國內外的相關文獻，人工濕地脫硫效果相差較大，有的可以達91.9%，有的為53%，甚至有的去除率幾乎為零。究其原因，主要是濕地規模、水質、氣候、底泥和水生植被的差異。所以在對煤礦山濕地進行研究時，必須查明生態地質的基本條件。
人工濕地是人對自然濕地系統的模擬，利用生態的方法來去除污染物，以達到凈化污水的目的，它利用自然生態系統中的物理、化學和生物三者的協同作用，通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現對污水的高效凈化(彭超英等，2000)。實踐表明，與其他處理污水的方法相比，人工濕地系統具有高效率、低投資、低運行費、低維護技術、基本不耗電即「一高三低一不」的特點(丁疆華等，2000)。自1974年第一個用於污水處理的人工濕地系統在西德建成以來，因其優越的性能，使它獲得較快的發展(劉自蓮等，2005)。20世紀80年代從歐洲到美洲、澳洲等地區和國家都廣泛開展了這方面的研究工作。目前，在美國有600多處人工濕地工程用於處理市政、工業和農業廢水;在丹麥、德國、英國等國至少有200處人工濕地(主要為地下潛流濕地)系統在運行，紐西蘭也有80多處人工濕地系統投入使用(李麗等，2007)。而且大量的監測表明，濕地凈化污水的效果是顯而易見的。例如，Knight(2000)等對1300多條已報道的數據進行分析，人工濕地對飼養家畜排放水的凈化效率平均為:BOD5，65%;TSS，53%;NH4—N，48%;TN，42%和TP，42%。來自美國環保機構的資料庫資料顯示出了更高的處理效率，BOD5，TSS，TN，NH4—N，NO3—N和TP分別高達95%、88%、67%、61%、72%和76%(Braskerud等，2002)。
我國的濕地研究起步較晚。從「七五」時期開始試驗，取得了人工濕地工藝特徵、技術要點和工程參數等研究成果(胡康萍等，1991)。20世紀90年代以來，我國對人工濕地的研究發現燈心草、香蒲等植物在人工濕地中凈化污水能達到國家二、三級地面水標准，人工濕地可以廣泛應用於工業廢水處理、農業水處理、雨水處理等。在研究利用人工濕地生態系統去除水體中藻類方面，說明人工濕地系統在污水深度處理或減少水體富營養化、抑制藻類生長等方面也具有特色。全國數十個城市開展人工濕地研究，很多已投入生產;已有不少城市建立了蘆葦人工濕地污水處理系統。這些系統運行以來，產生了良好的經濟和社會效益，為我國環境保護做出了貢獻。廣東韶關市鉛鋅礦廢水治理，在人工濕地中種植香蒲的研究表明(陽承勝等，2000)，利用香蒲凈化含鉛、鋅工業廢水的效果非常好，COD、SS、Pb、Zn、Cu和Cd的去除率分別為92.19%、99.62%、93.98%、97.02%、96.87%和96.39%，水質得到明顯改善，主要污染物TSS、Pb、Zn、Cu和Cd等均達到排放標准。此外，人工濕地在處理鐵礦酸性廢水的試驗結果表明(唐述虞，1996)，酸水pH值由2.6升高到6.1;銅離子、鐵離子和錳離子去除率分別為99.7%、99.8%、70.9%。在利用濕地去除廢水中常見的硫酸根離子方面，通過查閱國內外文獻發現，前人的研究尚不充分，而且在不多的文獻報道中，脫硫效果相差很大。研究資料表明，經生化預處理的紡織廢水在經過濕地前後SO2－4由1235mg/L變為1244mg/L，去除率幾乎為零(尹軍等，2004);美國佛羅里達州的Hidden River雨水濕地處理系統的SO2－4去除率達到53%(王世和等，2007);另有研究表明，畜禽舍污水經過濕地後，硫化物的降解率可達88.3%(汪植三等，1995);在對濕地凈化養豬場豬糞水的研究時發現，SO2－4去除率達到91.9%(劉開容等，1997);國外學者研究認為，人工濕地對生活污水中無機硫的去除率可達95%(Buisma 等，1990)。
在濕地設計方面，國外學者通過示蹤劑實驗發現，在同樣的濕地面積下，填料深度為0.45m的濕地系統的BOD去除效果比深度為0.3m的濕地系統去除效果稍好(George，2000)。美國環保局在關於構建濕地處理市政廢水的手冊中認為，潛流濕地進水區域水深一般為0.4m，基質深度應比水深深0.1m，即系統總體深度為0.5m(USEPA，2000)。國內有學者研究了20cm、40cm、60cm三個水深條件下COD的去除率，發現水深為60cm時，即使運行的水力負荷較高(433.3cm/d)，COD的去除率仍然可達84.9%(王世和等，2003)。另有研究發現，進水負荷的增大引起水力停留時間和出水速率的下降，不利於污水的凈化處理。但另一方面，進水負荷太小又不能充分發揮濕地的凈化潛力，因此濕地系統都存在一個較佳的進水負荷(吳振斌等，2001)。研究表明，低流速和高水力停留時間(HRT)對有機物和TSS(總懸浮固體)有較好的去除作用，過高的HRT會增加人工濕地水分的蒸騰作用。鑒於濕地植物在處理廢水中有機物和重金屬的重要作用，目前國外對人工濕地的植物選擇研究不斷深入，總的來看一般有三種植物較為常用，為風車草、蘆葦和香蒲(Ciria等，2005; Karathanasis 等，2003)。國外有學者研究了人工濕地處理系統中八種植物對污染物的去除效果，發現香蒲的去除能力最強(Klomjek，2005)。國內人工濕地系統植物的應用情況和國外基本相同，在研究香蒲、美人蕉、燈心草、蘆葦、營蒲、茭白和黃花鶯尾這七種武漢地區常見濕地植物對生活污水的處理效果時，發現其中香蒲、美人蕉、黃花鶯尾、茭白和營蒲的處理效果相對較好(魯敏等，2004)。風車草、香根草、香蒲、蘆葦和燈心草是國內人工濕地應用比較多的植物(靖元孝等，2002;廖新梯，2002;成水平等，1997;王全金等，2004)。
通過以上總結，可以發現，目前針對濕地處理廢水的研究和應用在國內外均是一個熱點問題，取得了一定的理論和實踐成果，但是，由於濕地作為一個特殊的生態系統有其自身的復雜性，加之廢水類型的復雜多樣，具體的情況千差萬別，所以，在利用濕地凈化廢水特別是煤礦山廢水方面，還有著諸多問題亟待解決，可以說還在「摸著石頭過河」。目前國內外對於濕地凈化污染物能力的評估，多是根據溶質平衡的原理，將濕地進水口與出水口的溶質量相減，認為其結果就是濕地的凈化能力。這種評價方法有許多弊端，一是必須依賴於長期、大量的監測數據作為基礎，二是不能給出較為准確的單位面積的凈化效率數據，三是只能在濕地建成後進行評估，而想要更科學地進行濕地設計，在建設之前就必須對濕地凈化能力進行合理的預測。目前，國內外的濕地設計往往多著眼於水力學參數和化學指標，對於影響凈化效果的關鍵因素例如植物、底泥等涉及較少，特別是缺少對濕地各要素研究成果的綜合分析，現有的很多研究，實際上，或是將濕地看做是常有植物，鋪有底泥的「反應釜」，或是僅從植物、化學等單一學科角度出發來研究濕地凈化這種多學科問題。
另外，國內外的研究雖已證明了濕地處理廢水的有效性和實用性，然而多數研究都注重於濕地對廢水中氮、磷、pH值和金屬離子去除的研究，很少有針對酸性廢水中含量相當高的硫酸根離子去除情況的研究。高硫廢水是工業生產特別是煤礦開采中大量產生的一類污染，在利用濕地來去除水中的硫酸根離子方面，國內外研究不多，並且所得的結論也是差異較大。造成這一現象的原因是，前人所研究的各個濕地的環境，包括氣候、底泥、面積、植物種類、數量等，以及所排放廢水的性質包括水量、pH值、硫酸根濃度、COD、BOD5等都差異較大。因此，在對具體某處濕地進行研究時，應該實地展開調查取樣，來評價該處濕地對SO2－4的去除作用。從根本上說，正是由於對濕地生態系統結構的生態地質學研究不夠，才導致了濕地凈化廢水研究方面的欠缺，使其功能沒有得到充分發揮。