论人工湿地污水处理技术的研究与应用

王淑君　黄章富

摘要 综述了国内外人工湿地污水处理技术的研究与应用进展，阐述了其不同类型、基质、植物的特点与净化效果，指出目前人工湿地应用过程中存在的主要问题及其发展方向。

关键词 人工湿地；污水处理技术；特点；存在问题；发展方向

中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2009）07-0239-03

人工湿地作为一种新型污染水体修复技术，是利用基质、植物和微生物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用[1]，通过过滤、吸附、共沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解实现对废水的高效净化；同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物生长并使其增产，实现废水的资源化与无害化。世界上第1个完整的人工湿地试验始于1974年西德的Othfrensen湿地建造，我国的人工湿地的研究起步较晚，于1990年7月在深圳建起我国第1个人工湿地处理系统——白泥坑人工湿地污水处理系统。近10年来，我国在人工湿地研究与应用中取得了飞速的发展，在处理印染废水[2]、矿山废水[3-5]、石油开采废水[6-9]、橡胶加工废水[10]等方面相继开展了研究，但主要还是用于以生活污水为主的污水处理，如城市湖泊污水[11]、污染河水[12]、养殖废水[13]、城市小区污水[14]、农村生活污水[15]、城市污水深度处理[16，17]、深度处理后的垃圾渗滤液方面的研究与应用，且因其处理效果良好，投资节省、运行费用低、管理简单而受到广泛推崇，在某些情况下，人工湿地可能是唯一可行的方法。人工湿地的构建往往需要根据实际水质情况、出水要求、气候条件以及经济状况合理配置人工湿地的各个要素，实现系统处理的最大效益。

1 人工湿地的类型

从工程的角度出发，按照系统布水方式的不同或水在系统中流动方式不同，人工湿地可分为自由表面流人工湿地（Surface Flow Constructed Wetlands，SFW）、水平潜流人工湿地（Subsurface Flow Constructed Wetlands，SSFW）和垂直流人工湿地（Vertical Flow Constructed wetlands，VFW）。3种类型的湿地都有各自的优缺点，表面流人工湿地水力负荷较小，允许藻类和浮叶植物在自由水体表面生长，由于浮叶植物比挺水植物具有更高的光合活性，产生的氧气可间接使二氧化碳转移，降低水体pH值，从而去除磷酸盐和促使氨挥发，硝化强度高于潜流湿地[18]，但总体来说处理效果并不理想，不能充分利用基质及植物根系的作用，对氮、磷处理率偏低（一般去除率为10%～15%）[19]。表面流人工湿地夏季有滋生蚊蝇现象，运行受气候影响较大，多见于气候温和地区的大型城市污水处理系统。根据一级动力学模型，潜流人工湿地属于稳态和理想推流模式[20]，其水流位于填料层以下，这样就可以充分利用填料表层生长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和填料截留作用，延长停留时间，提高处理效果和能力；同时，由于水在地表下流动，具有一定的保温性[21]，处理效果受气候影响较小，卫生条件较好，是目前广泛研究和应用的湿地处理系统[22-24]，但其投资略高，且对氮的去除率不高。垂直流人工湿地的水流综合了表面流人工湿地和潜流人工湿地的特性，水流在填料床中由上而下做竖向流，污染物去除机理基本与潜流人工湿地相同。与表面流人工湿地相比，垂直流的底层氧化能力更高，因此对污水有较高的处理能力。但这种系统的布水、集水系统复杂，对基建要求高，造价也高。聂志丹等[22]在同等条件下开展了3种类型人工湿地处理效果的比较研究，结果表明，垂直流人工湿地对氨氮、总氮和总磷的去除效果最好，潜流人工湿地对高锰酸盐指数和叶绿素a的去除效果最好，但垂直流和潜流人工湿地之间的差异较小，表面流人工湿地对各污染物的去除效果均远低于前两者。从出水水质稳定性来看，垂直流人工湿地出水水质最稳定，潜流次之，表面流最差。

2 人工湿地的基质

基质的作用为提供水生植物生长所需的基础，为污水在其中的渗流提供良好的水利条件，为微生物提供良好的生长载体。基质的选择是人工湿地设计的一个十分重要的环节，一般根据各污染物含量、当地基质材料来源、经济等因素综合考虑。首先要选择合适的粒径，粒径过小，其水力传导率较小，易形成地表漫流和部分湿地床的缺水，导致植物不能正常生长、短流从而使湿地的实际处理效果下降；大的粒径虽然可以解决低水力传导率的问题，但对微生物的栖息来说，单位面积内可利用的面积变少了，不利于其大量挂膜生长，同时大的、有棱角的基质对植物根系的增长和蔓延不利。其次是基质材料。目前在人工湿地应用中的基质主要有3类[25]：天然材料、工业副产品与人造材料。天然材料主要有沸石、页岩、石灰石、黄褐土、贝壳等；工业副产品主要有粉煤灰、煤渣、高炉矿渣、电弧炉钢渣等；人造产品主要是指活性炭。各种基质材料因为其物理特征、化学成分不同，对污染物的吸收、去除效果各异。沸石对COD的去除率较高[26]，吸附氮素的能力强[27]，对磷的吸收因其对钙、铁、铝等金属元素的含量有关；页岩对有机物、氮磷的去除率均较好，是理想的基质材料；而石灰石的吸附容量大，但吸附速率较低，且单独做填料时不适合微生物生长，宜与其他材料组合使用。粉煤灰多孔，比表面积较大，对总磷的吸附性能较好，但对氨氮的吸附不理想[28]，且其碱性较高，对植物生长造成伤害。煤渣在氨氮、总磷和COD的吸附中没有明显效果，多与其他基质组合使用[29，30]。人造材料的研究主要为用杏壳、核桃皮等烧制的活性炭，研究表明活性炭对COD的吸附稍大于空心砖屑、粉煤灰和煤渣，但其价格较贵，在人工湿地的应用推广上无明显优势。随着人工湿地污水处理技术研究的深入，人们也对一些特殊的基质进行了试验。在国外，研究员对轻质的膨胀黏土颗粒（陶粒）、轻质聚合体（LWA）[31]做了试验。

3 人工湿地植物

植物在人工湿地中的作用为：直接吸收利用污水中的营养物质，过滤、吸附和富集重金属和一些有毒有害物质，为根区好氧微生物输送氧气，为各种生物化学反应的发生提供适宜的氧化还原环境；增强和维持介质的水力传输。常用的人工湿地植物种类有芦苇、富贵竹、美人蕉、香蒲、菖蒲、苔草、灯心草、凤眼莲、浮莲、水葫芦等。不同湿地植物的蒸散量、生物量、根密度和根长存在较大的差异，这些差异对水生植物的泌氧性能、人工湿地的水力负荷率，氮磷去除效果和有机污染物的降解有重要的影响。总体而言，挺水植物的净化效果明显优于浮水植物，原因是挺水植物的净化作用是植物同化利用、根系微生物与酶类、填料结构与其表面的物理化学过程综合作用的结果，且植物向根区输氧能力更强，在植物根区的还原态介质中形成氧化态微环境[32]，而浮水植物的净水机制相对单一。黄时达等[31]比较了芦苇、灯心草和香蒲3种植物的污染物净化能力，结果发现灯心草去污能力最强，COD的去除率达到42%～46%，高吉喜等[34]选择了7种湿地植物，研究发现，慈菇和菱白的综合净化率最高。

植物的生长存在地域差异，水温低于10℃时，人工湿地的处理效率会明显下降，且有学者[35]认为，在4℃以下时湿地中的硝化作用趋于停止。这也就说明在气温很低时即使湿地不结冰，污水的处理效果将受到严重影响。因此，通过设计冬贮兼性塘、空气隔层或覆盖层、选择潜流人工湿地等措施提高湿地的处理效率。即使同一地区，不同植物因其生理特性不同，在冬天也存在生长差异。靖元孝等[36]研究表明，在华南地区风车草能全年保持生长，即使在冬天仍能维持一定的生长速率，而菖蒲等其他几种湿地植物在冬季基本停止生长，表明风车草在华南地区是一种较为理想的人工湿地植物。

综合当前在该领域的研究，在选择植物时应优先本土植物，选择抗逆性、净化能力强、处理效果、生长周期长的植物，同时遵循适地适种原则，考虑经济和观赏价值以及重视物种间的合理搭配。

另外，湿地植物种植密度的确定也是十分重要的。过低则污水的处理能力下降，植株易受到其他物种的竞争影响正常生长，而过密容易引起营养供应不足，植株矮小，抗病虫害能力下降，影响污水处理效果。如王磊[37]等通过对10个不同种植密度下植物生长状况及对污水处理效果的监测，发现芦苇、茭白的合理种植密度为16～25株/m²。

4 人工湿地景观构建

人工湿地的设计不仅要关注它的净污功能，同时也要重视它的景观作用。从群落配置、合理布局与景观美学等方面对植物进行调控与配置，可以与周围景观融合成一体，既美化了环境，又体现了生态的主题。选择植物时注重种类的多样性，但应该尽量选择乡土种，避免外来物种入侵导致生态灾难。对植物的空间配置要有一个立体的全方位的规划，综合考虑植物的种类、株高、颜色、外形和生长期，实现植物配置的层次感和立体感，形成旱生-中生-湿生和乔木-灌木-草本-挺水植物-浮水植物-沉水植物的梯度化分布，构建别具特色的立体水岸景观和水体空间景观[38]。从人类的感官出发，组织植物的空间格局，形成一个自然化的状态，摒弃传统的整齐划一的模式，防止引起视觉疲劳，采取组团式、错落式以及落差式等形式对植物进行组织，使植物形成点、线、面相结合的空间自然景观。

在人工湿地前端工艺部分，由于污染物浓度较高，选择耐污染能力强的植物品种，末端污水浓度降低，可设置稳定塘、景观塘等处理段，更多考虑植物的景观效果。如种植凤眼莲、菱角、荷花、睡莲、泽泻等。同时，这些水生植物的湿地水域为鱼群和水禽适宜的生存环境，呈现人与自然和谐的生态景观。

5 人工湿地存在的问题

从已有的工程实践来看，目前人工湿地的长期运行尚缺少安全保障，存在的最大问题是容易造成湿地的堵塞。据美国环保局对100多个运行中人工湿地的调查，有将近1/2的湿地系统在投入使用后的5年内形成了堵塞[39]。李雪娟等[40]认为人工湿地的堵塞层是由沉降和被过滤的固体颗粒在微生物作用下累积而成，由嵌入在细菌胞外的多聚物、腐殖质组成。人工湿地堵塞后，目前国内外尚没有很好的恢复对策，国外流行的做法是停床休整恢复部分渗透性，国内采用人工翻晒的方法清除堵塞物。预防与延长堵塞周期的措施有选择合适的填料粒径和选择根际输氧能力强、分泌难降解物质少的植物，并定期收割地上部分，对进水进行预处理，或者定期更换表层填料。

6 展望

6.1 人工湿地研究与应用范围日益广泛

无论是发达国家还是发展中国家，人工湿地在城市生活废水中已经得到广泛地应用，最近发达国家已将重点转移到应用人工湿地处理特殊工业废水。一些学者在淀粉工业、制糖工业、食品加工和奶制品加工废水的处理中，或者经过工艺改进或者与其他系统进行组合后用于农业面源污染[41，42]、城市或公路径流等[43]非点源污染的治理、垃圾场渗出液[44]，均得到了很好的净化效果，为类似废水的处理提供了一条新途径。

6.2 人工湿地研究与应用区域不断扩展

在国外，许多学者结合不同地区的具体情况深入开展研究工作，取得适合于不同地区、不同环境、不同气候条件的实用数据，促进人工湿地在寒冷地区污水处理中的推广。这项技术在国内还未得到广泛应用，有关工艺设计资料和应用实例还不多见，有待结合我国不同地区的具体情况深入开展研究，取得适合于不同地区、不同环境气候条件及不同污水特性的实用数据，以促进人工湿地在我国各地区的推广应用。

6.3 人工湿地的研究有待进一步深入

人工湿地系统在我国经济尚欠发达、地理条件相对宽裕的中小城镇、居民小区具有广阔的应用前景。人工湿地的应用设计和运行目前主要建立在统计数据和经验公式基础之上，这一污水处理技术并不为人们完全掌握。各种人工湿地数学模型的研究，尤其是人工湿地生态动力学模型需要深入研究和不断完善，这项技术在国内还未得到广泛应用，有关工艺设计资料和应用实例还不多见，而且人工湿地的处理效果受环境因素影响较大，有待结合我国不同地区的具体情况深入开展研究，取得适合于不同地区、不同环境气候条件及不同污水特性的实用数据，以促进人工湿地在我国各地区的推广应用。

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