浅谈西北铁路站区人工湿地污水处理
摘要：分析了西北铁路沿线站区污水特征和污水处理现状及存在问题，提出了采用垂直潜流型人工湿地处理污水的办法，研究了垂直潜流型人工湿地的原理、构造及运行管理要点。
关键词：污水处理；铁路站区；人工湿地；运行管理
近年来，国家对环境保护事业越来越重视，环境标准更加严格，要求铁路站段污水排放要达到国家标准。而中小站段大多位于远离城市的农村地区，有一些站段污水经处理后达标排放，而大部分中小站段污水未能达标，有的甚至是直接排放，严重污染了农田和周边环境[1]。
1.铁路沿线站区污水特点及污水处理现状
由于铁路点多线长的行业特点，铁路沿线站区或住宅小区大都远离城市、在相对偏僻的地域，其排水系统通常不在城市市政管网覆盖的范围以内，另外其污水主要以生活污水为主。致使铁路沿线站区污水具有下列特点：
(1)污水进水量很不均衡、污染源分散；(2)污水量小，沿线小站污水水量一般都低于100m3／d；(3)生活污水水质优于一般市政污水，一般为：COD50～220mg／L，氨氮10～50mg／L，SS50～200mg／L，石油类5～20mg／L，动植物油类5～30mg／L，pH值成中性；(4)一天之内污水水量水质出现了2个高峰期，11：00～14：00和17：00左右，其余各时段变化不是很大。这2个时间段一般COD在100～220mg／L，氨氮在30～50mg／L，SS在90～200mg／L；(5)其水量大小主要受站区工作人员数量和车站规模的影响，工作人员数量和车站规模相对较大的站段水量较大[1]。
我国对于铁路的污水处理研究以生产污水的专项处理为主，也产生了一些较为成熟的工艺技术，如机务段、车辆段的含油污水处理采用气浮处理；酸碱废水采用中和处理；粪便污水就地设化粪池处理等。综合污水处理采用地埋式污水处理设备、强化一级处理设备，但出水水质标准较低，一般仅能达到《污水综合排放标准》(GB897821996)的二级标准。在要求达到一级排放标准的场合，一般采用SBR、生物接触氧化、氧化沟等工艺，在要求出水回用的场合，一般采用MBR技术[2]。但是，这些工艺对操作技术要求严格，投资大运行成本很高，而对于铁路沿线站区中小站段生活污水的处理很不适合。
西北铁路沿线站区具有地广人稀，土地资源相对宽松、而管理人员缺乏，技术力量薄弱，以及污水排量小、浓度低、可生化性好等特点。而人工湿地污水处理法具有投资省、运行费用低、规模可大可小抗负荷能力强、便于维护管理以及能够美化环境等优势。因此，人工湿地污水处理法当是西北铁路沿线站区污水处理较理想的选择。
2.人工湿地概述
人工湿地是模拟自然湿地的人工生态系统，其类似于自然沼泽地，但却是由人工建造和监督控制的。人工湿地处理系统是人为地将石、砂、土壤、煤渣等填料按一定比例填敷以及种植某些挺水水生植物用以处理废水的一种净化系统。
不同类型的人工湿地对特征污染物的去除效果不同，具有各自的优缺点。从工程使用的角度出发，按照布水方式的不同或水流方式的差异一般分为自由表面流人工湿地FWS（surfaceflowwetland，FWS）和潜流型人工湿地SFS（subsurfaceflowwetland，SFS）。潜流型人工湿地又包括水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地。
表面流人工湿地由于水流在湿地表面流动，在西北气候寒冷季节湿地表面会结冰，处理效果下降甚至无法正常运行，故不适合于西北地区采用。而在潜流型人工湿地中，污水在湿地床表面下流动，一方面可以充分利用基质表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和基质截留等作用，以提高处理效果，另一方面，由于水在地表下流动，故保温性好，处理效果受气温影响小，卫生条件也好，较适合于西北寒冷地区应用。另外，与自由表面流人工湿地相比，潜流型人工湿地水力负荷高，对BOD、COD、SS等污染物的去除效果好，且很少有恶臭和滋生蚊蝇现象。
而垂直潜流人工湿地由于污水从湿地表面垂向流过基质床的底部，床体处于不饱和状态，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地。因而，垂直潜流人工湿地的硝化能力高于水平潜流人工湿地，用于处理含氨氮浓度较高的生活污水更具优势。
3.人工湿地的净化机理
人工湿地对水中污染物的净化机理主要有以下几个方面。
（1）物理作用通过沉降、过滤以去除水中的重金属及难降解有机物和BOD、N、P等；通过颗粒间的相互引力作用及水生植物根系的阻截作用以去除水中的可沉降物。
（2）化学作用通过化学反应使N、P及重金属等形成难溶解的化合物从而被吸附在土壤和植物表面；通过紫外线辐射、氧化还原等反应，使难降解的有机物分解或形成稳定性较差的化合物而最终被沉淀去除。
（3）微生物代谢作用通过细菌的代谢作用使凝聚性固体、可溶性固体分解；通过生物硝化一反硝化作用以去除N等；代谢后的重金属经过氧化剂阻截作用而被去除。
（4）植物作用通过挺水水生植物对有机物的吸收以及植物根系的分泌物对废水中的病原体和大肠杆菌等的灭活作用而使被处理水得以净化。
4影响人工湿地运行效果的影响因素
(1)温度夏季的氮、磷去除效果要明显好于冬季。这主要由于异养细菌的生物量发生季节性变化引起的，也可能是因为冬季氧传递受冰冻层限制，低温低氧制约了硝化细菌作用引起的。硝化作用所需的温度至少在5-7℃[3]。
(2)污水停留时间人工湿地的处理效果与停留时间有着密切的关系。停留时间过短，不能给净化提供足够的时间，停留时间过长有可能引起滞留和厌氧。研究指出，湿地中NH4与TKN的降解量是污水在床体中停留时间的函数，它们随停留时间的增加呈指数增长，而NH4与TKN的去除率与进水浓度无关[4]。
(3)水力负荷水力负荷是人工湿地的一个重要设计参数。合适的水力负荷值视特定的气候、土壤条件及种植植物的类型等因素而定。水力负荷的设计取值也受到BOD5负荷及蒸发率的影响。研究表明，在气温20℃、水深60cm时，水力负荷对SS、COD的去除效果影响甚微，但对氮、磷去除效果影响较大。而水深在40cm和20cm时，水力负荷对各种污染物去除效果的影响均较大。如果不考虑其他因素，仅从系统处理效果的角度选择水力负荷，水深在60cm时的最佳水力负荷为0.452～0.504m3/m2•d[5]。
(4)pH值大量研究表明，pH对人工湿地中微生物去除氮磷等营养物质有较大影响。K．R．Reddy等研究发现，在酸性和中性条件下，根区附近的亚硝化细菌和硝化细菌活动增强，其中硝化作用占主导地位；而当处于碱性条件下时，NH3的蒸发作用以及可溶性磷酸盐的化学沉淀作用就占主导作用，从而影响了湿地对氮、磷的去除[6]。
5垂直潜流人工湿地的工艺构造及运行管理要点
5.1工艺构造
垂直潜流人工湿地的工艺构造主要包括：工艺流程、湿地几何尺寸、基质填料、布水集水管路系统和湿地植物等。
（1）工艺流程研究表明，人工湿地的运行效果受污染物负荷的影响较大，因此要保证湿地处理效果和出水水质，需控制湿地的进水负荷在一定范围，比较简单有效的方法是在污水进入湿地前设置预处理设施，如设置预沉池格栅装置可有效的去除污水中较大颗粒的有机物及泥沙等。所以建议西北地区铁路站点的污水人工湿地处理系统采用如图1所示。
图1污水人工湿地处理系统
当能够保证化粪池出水负荷不大于300mg/L且较稳定时，可不设预沉池，但格栅要尽可能设置，以使进入垂直潜流人工湿地的污水不含较大杂质从而保障湿地布水管路的畅通。
（2）湿地几何尺寸湿地表面积需根据进水流量、进水温度、进出水污染物负荷、床层深度、基质种类及孔隙率以及气候条件等因素按照一级反应动力学方程进行初步计算。实际人工湿地表面积的设计还需参考工程实例及进行必要的试验确定。从垂直潜流人工湿地布水特点考虑，湿地的长宽比不宜过大，过大易造成布水不均匀，建议控制在3：1以下，常采用1：1。长宽比不满足条件时，可用分置单元的方式处理。床深一般须根据湿地植物类型及湿地水位确定，以保证湿地床中植物的生长及必要的好氧条件。对于芦苇湿地系统处理生活污水时，床深一般取0.6～0.7米，对于寒冷地区可适当增加床体深度。
（3）基质填料基质材料的选择，应主要从基质的比表面积、透水性、对污染物的吸附能力以及是否经济等几方面考虑。基质材料粒径小其比表面积大有利于植物生长及微生物活动，但渗透性差易堵塞，粒径过大虽然透水性好，但不利于植物生长和微生物的活动。大量的人工湿地实际运行资料显示，粗砂是作为潜流人工湿地基质较理想的材料，其渗透性较好不易堵塞，但其比表面积小于细沙和粘土，细沙和粘土更有利于植物的根系对污染物的吸收。因此，湿地基质粒径的竖向分布以上大下小为优。
（4）湿地床管路布置垂直潜流人工湿地的布水和集水一般采用多孔管，对于西北地区布水多孔管一般设在基质表面以下0.2米深处，集水多孔管一般设在床层底部，多孔管周围铺设碎石以防泥沙进入多孔管造成堵塞。布水和集水多孔管采用多行并列布置形式以使布水和集水均匀。布水管和集水管行间距不宜过大和过小，太大布水不均匀，太小增加管路长度提高造价。湿地床体构造及管路布置如图2所示。
图2湿地床体构造及管路布置
（5）湿地植物植物根系提供了释氧表面，利于生物和化学转化，根系释氧和为微生物提供栖息空间是湿地植物的主要功能。通过根系的生长、死亡和代谢来维持床体较好的水力传导性，腐烂的根叶为反硝化菌提供了必要的碳源[7]。
在选择湿地植物时，可根据耐污性、生长适应能力、根系的发达程度及经济价值和美观要求确定。对于潜流型人工湿地，种植具有浓密和较长根系的湿地植物较为理想。芦苇根系发达，繁殖力强，具有发达的通气组织，为人工湿地中常用植物。其中芦苇的跟际环境适合亚硝酸细菌的生长。芦苇的耐污能力强，适合西北的气候条件，且容易获取，所以这种植物的获取符合湿地植物的筛选原则（植物的适应性、耐污能力强、净化力高、根系发达、具有经济和观赏价值）。
5.2运行管理要点
人工湿地污水处理系统在实际运行中，进水水质、水量会发生一定变化，植物生长以及微生物的活动也受自然条件等因素的影响，使人工湿地的运行总是处于不稳定的随机变化状态中。这就要求我们根据实际情况采取不同的运行管理方法，尽量使人工湿地处于最佳运行状态。垂直潜流型人工湿地运行管理应注意以下几点。
（1）湿地水位控制湿地内的水位高度在连续运行的情况下应保持在基质层表面以下和布水管以上，水位过高会在湿地中形成自由液面，夏季容易散发臭气和滋生蚊蝇生长，冬季易造成表面冻结，影响运行；水位过低会使布水管处在滤层水面以下，形成多孔管自由出流而影响布水均匀性；另外，水位过低也会使湿地中好氧区扩大而厌氧区减小，从而影响厌氧菌的生长。
（2）进、出水方式控制潜流型人工湿地可采用的进水方式主要有连续式、脉冲式、潮汐式和间歇式等，出水方式主要分为定水位出流和变水位出流。
连续进水是指水流连续进入湿地单元，进水流量基本稳定。其优点是进水装置简单，便于维护管理；缺点是在布水管路内部流速过小，污染物会沉淀在管路内壁以及生物膜不宜脱落，宜造成管路内部过流断面减小，多孔管出水孔堵塞。另外，由于布水管流量过小，致使多孔管前后端流量分配不均，前端流量大后端流量小或无流量，造成湿地布水不均。
脉冲进水则是将在某一时段需要进入湿地的水量集中在该时段的最后的较短时间流入湿地，其工作过程有点像卫生间的定时冲洗水箱。脉冲进水使得布水管路的瞬时流量增大，克服了连续进水的缺点，但是需要设计专门的装置。
潮汐式进水是指湿地床按时间序列交替地被充满水和排干，冲排水周期一般为一天。床体充水过程中空气被挤出，排水过程中新空气被带入。研究表明，当水被排出床体，有机污染物留在基质内时时氧消耗量最大的时刻。因此，排水过程中进入的新鲜空气可看作时去除污染物的氧源。通过这种交替的进水和空气的运动，氧的传输速率和消耗量大大提高，极大的提高了湿地床的处理效果[5]。
间歇进水也称为间歇运行，是指湿地床在运行一定时间后停止进水，使其处于间歇休息状态一段时间后再恢复进水的周期运行，其周期长度可以是几天或几个月不等。湿地床在间歇期间基质中的氧可得到补充恢复，有利于植物及微生物的生长。从理论上分析，间歇运行能够提高湿地的除污能力，但如何控制间歇周期的长短以及湿地水位落差值以使湿地的处理效率最优，还没有可以借鉴的经验，有待于在以后的试验研究中进一步探索。
定水位出流是指当湿地进水流量稳定的情况下，湿地内水位长期保持不变的运行方式。而变水位出流则是指在进水流量稳定的情况下，通过调节湿地出水口高度使湿地内部水位发生周期性变化的运行方式。变水位出流运行方式有着与潮汐式进水和间歇运行方式相类似的效果，其运行周期的优选也需进一步的研究探索。
（3）植物管理从理论上看，湿地基质中芦苇根系越发达，其对污染物的吸收率就越高，湿地的处理效果就越好。因此我们希望基质层中尽量能布满植物根系。对于新建湿地可采用调节湿地水位的方法人工引导芦苇根系的生长。
（4）冬季保温实验表明，人工湿地冬季运行的效果与湿地温度有较大关系，温度高则对污染物的处理效果好。常用的湿地表面保温措施主要有秸秆覆盖保温和塑料大棚或者塑料布覆盖保温等，而秸秆覆盖保温法最经济且有效，采用塑料大棚保温效果更好。
5.结语
贯彻国家、铁道部节能减排的方针，开发适合铁路站区特点的污水处理技术是铁路给排水工作者的首要任务。垂直潜流人工湿地具有基建投资省、运行费用低、管理维护方便以及处理效果稳定等优点，且其规模可大可小。是适合于西北铁路沿线站区污水处理较理想的方法。虽然人工湿地净化技术在我国中小城镇和农村生活污水处理中已有广泛的应用，但在铁路车站污水处理领域的应用还相对较少。尚缺乏成熟的运行经验，需进一步加强研究和实践。
参考文献
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