人工湿地在污水回用中的应用及发展趋势

刘江红，石风华, 潘 阳

(1.东北石油大学 化学化工学院，黑龙江 大庆 163318；2.邯郸钢铁集团能源中心， 河北 邯郸056105)

0 引言

近几年来，污水回用成为了解决我国城市水资源短缺问题的一个重要途径而日益受到人们的重视。利用人工湿地法提高污水回用效率是目前国际污水处理研究领域的热点，该方法利用生态系统中物质循环的原理，使用生物方法去除污染物质。人工湿地是指人工建造的、可控制的和工程化的湿地系统，其设计和建造是通过对湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合来进行废水处理。人工湿地处理系统是结合了生态学原理与工程学方法而形成的生态工程污水处理技术，是一个综合的生态系统,它利用生态系统中的整体优化、循环再生、区域分异等原理，结构与功能协调原则,在促进污染物质良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力,防止环境的再污染,达到污水处理与回用的最佳效益。该技术简便易行，工艺先进，运行可靠，操作简单，运行管理费用低廉，并且不会对环境产生影响。

1 人工湿地净化机理

1.1 人工湿地去除污染物的机制

人工湿地处理系统是一个独特的土壤、植物、微生物综合生态系统，其对污水的净化有着非常复杂的机理过程。水体、基质、水生及湿生的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。植物吸收、微生物代谢以及基质的吸附、过滤、沉淀等过程在人工湿地污染物(有机污染物、氮、磷、重金属等)的去除中起着关键作用，其中包含了物理、化学和生物三重共同作用的效果。

1)物理作用机制：包括两个方面即沉降和过滤。

2)化学作用机制：指废水中的污染物通过化学反应发生转化然后被去除的过程。包括沉淀、吸附和分解。

3)植物作用机制：湿地植物是水陆交错地带中的一个重要部分，在水体修复，维持生态平衡和生物多样性上具有重要作用。

4)微生物作用机制：微生物是生态系统中的分解者，在自然界的物质循环和转化过程中起着重要的作用。

5)原生动物作用机制：对污染物的去除以及人工湿地系统的运行也起到一定的作用。

1.2 基质在去污过程中的作用

基质是污水处理的主要场所，也是微生物的主要载体，同时又可以为水生植物提供支持载体和生长所需的营养物质。

1.3 人工湿地对污染物的去除效果

1)BOD5及SS的去除：主要依靠人工湿地中填料的吸附、过滤功能和不溶性BOD及SS自身的沉淀[1]。

2)氮的去除：对氮的去除包括基质的吸附和过滤、植物的吸收和微生物硝化、反硝化作用、氨自身的物理挥发作用等。湿地微生物的硝化和反硝化作用是氮素净化的主要途径，湿地植被根系微生物能增强其作用，是提高人工湿地的氮素净化效率的主要途径。

3)磷的去除：对磷的去除主要是通过水生植物、填料以及微生物的共同作用来完成的。包括化学沉淀，藻类吸收和磷细菌去除等作用[2]。

4)重金属离子的去除：重金属离子在湿地系统中可通过植物的富集和微生物的转化来降低其毒性。迁移途径有两种：①质体流作用；②扩散作用。利用湿地处理含Cr时，Cr的去除率同进水中Cr含量及停留时问没有直接关系，污水中大部分Cr在湿地的前段就已经处理完成。

2 环境因子对湿地系统处理功能的影响

1)温度：植物与微生物的生长与繁殖能力受温度的变化影响较大，造成湿地系统在不同的季节有不同的生长量，人工湿地对污染物和氮磷的去除作用夏季明显强于冬季[3]。

2)pH值：微生物受pH值的影响较大，如在低pH值条件下，湿地中真菌类微生物的活性较强，而高PH值条件下会影响湿地系统对氮磷的去除。

3)溶解氧与CO2浓度：湿地系统中的氧气和CO2浓度的变化会影响植物的光合作用的速率，从而影响植物对有机污染物的去除。

3 人工湿地应用于污水回用的优点及存在的问题

3.1 人工湿地应用于污水回用的优点

1)高效率：对有机物有较强的降解能力。

2)低投资、低运行费、低维持技术、低投资、低运行费用和低维护技术将使我国大范围采用人工湿地进行污水回用成为可能。

3)低能耗：人工湿地基本上不耗能。

4)处理量灵活：人工湿地根据污水处理厂的规模，可大可小、就地利用。

5)处理效果好：处理后的水可用于饮用水水源和景观用水的湖泊、水库或河流、冲厕、洗车、灌溉、绿化及工业回用等。

3.2 人工湿地技术所存在的问题

1)水力负荷小，占地面积大。

2)堵塞问题：不仅影响到湿地系统的水力负荷，也会影响湿地系统的寿命，使系统丧失功能。

3)寒冷地区冬季运行问题：气温的降低会影响人工湿地的正常运行，使污染物的去除率降低，因此，在冬季湿地需要覆盖隔离这样的保温措施或增加人工湿地的构筑深度来达到保温的效果。

4 人工湿地污水处理系统工艺设计关键

目前系统水力停留时间、水传导、表面负荷率、系统深度、处理单元长宽及其比例、进出水系统布置、防渗材料等七点是人工湿地污水处理系统设计的技术关键[4-5]。

4.1 水力停留时间

水力停留时间对磷、氮的去除有很大的影响，通常处理初级和二级出水时，6～7d的停留时间较好。停留时间太短，会使污染物降解不够充分，同时造成流速大于0.7m/s，水流破坏植物的生长；停留时间过长，造成水流停滞和大面积的厌氧区，影响处理效果。

4.2 水传导

1)水力坡度：人工湿地水力坡度一般取1%～8%，潜流湿地水力坡度取0.5%～1%。

2)孔隙度：指湿地土壤中孔隙占湿地总容积的比。孔隙度一般在0.65～1.00之间[6]。

4.3 表面负荷率

指单位面积湿地对特定污染物所能承受的最大面积负荷。设计过程中，利用表面负荷率可以计算湿地处理工程的面积。

4.4 系统深度

系统深度是人工湿地污水处理设计、运行和维护的重要参数，水深调节是湿地运行维护、调节湿地处理性能的可用手段之一。为了在最小单位面积湿地内达到最有效地处理污水的目的，在要求的水力停留时间条件下，湿地处理系统深度在理论上应该是越深越好。

4.5 处理单元长宽及其比例

人工湿地床长度通常应为20～50m。过长，易造成湿地床中的死区，且使水位难以调节，不利于植物的栽培。

4.6 进出水系统布置

进出水控制装置对于人工湿地的处理效果和运行可靠性非常重要。湿地床进水系统的设计应尽量保证配水的均匀性，一般多采用多孔管或三角堰等。

4.7 防渗材料

人工湿地污水处理的运行过程中必须防止污水污染地下水的发生，因此防渗材料的选择是湿地系统的技术关键问题。一些渗透率低于10～6cm/s的天然物质可用于防渗材料，如膨润土、沥青、毛毡等。

5 我国人工湿地污水处理系统的发展趋势

人工湿地污水处理系统是一种集环境效益、经济效益及社会效益于一体的污水处理方式，具有建造成本低、运行成本低、出水水质好、操作简单等优点，同时如果选择合适的植物品种还有美化环境的作用，是一种适合我国国情的一项污水处理新兴工艺，尤其适用于解决广大农村地区、中小城镇地区的水质问题，因而有着广阔的应用前景。我国人工湿地技术起步较晚。1990年，国家环保总局华南环保所在深圳建造的白泥坑人工湿地工程(日处理污水3100t)，可以看作是首次实践。目前我国少数城市已经开始着手应用工作；2002年，日处理污水50000t的人工湿地污水处理厂在江苏泗洪县竣工，以后深圳、成都、沈阳、上海等市相继开展积极的设计、规划工作。目前我国人工湿地工艺的作用及发展趋势主要集中在以下几个方面。

5.1城市人工湿地生态公园

城市人工湿地生态公园能够为城市中的鸟类、人工饲养的鱼类等生物提供丰富的食物和良好的生存繁衍空间，对物种保存和保护城市物种多样性发挥着重要作用。与天然湿地相比，人工湿地具有更高的净化能力，若在城市景观构建中以处理废水为目的建造人工湿地，则能够使整个污水处理融入到城市生态之中。此外，还可在暴雨和河流涨水期储存过量的降水、调节流量、增加城市用水来源，补给地下水，缓解目前城市用水过度而引发的地面下沉问题。在减少城市“热岛”和“干岛”效应，调节城市小气候，改善城市空气质量，降低噪声等方面发挥作用[7]。

5.2小型人工湿地分散式污水处理

以小区的污水为中心，利用小型人工湿地，形成一个生态系统，就地净化处理污水达到回用标准。由于小型的人工湿地占地面积不大，施工不复杂，投资较小，大大节省了城市污水收集管网的建设费用和污水处理费用，还可使污水处理的投资主体由政府转变为房地产开发商和居民。回用水可直接用于小区内冲洗、浇绿地、景观用水等。可以做到每开发一个小区，就净化一个小区，克服了城市建设中“先污染后治理”的弊病。将水平流与垂直流湿地系统组合成复合式人工湿地系统，在停留时间为5d时，其对化粪池出水中COD、BOD、TP、TN、SS的平均去除率分别为72%、80%、83%、33%和60%以上[8]。

5.3非点源污染处理

5.3.1农田径流

约有150个人工水塘的巢湖小流域，面积仅占不到5%，但可截留该区径流中90%的氮及磷。实践表明，在大片农田景观中，设置适当面积的池塘、洼地、人工河等湿地景观，可有效地截留来自农田地表和地下径流中固体颗粒物、氮、磷和其它化学污染物，降低非点源污染形成的危险。通过连续流试验，潜流湿地床和表面流湿地床最佳停留时间分别为5d和2d。在最佳停留时间下，芦苇潜流湿地床、茭草潜流湿地床以及表面流湿地床对总氮的去除率分别为75.6%、63.5%和85%；对总磷的去除率可分别达到86%、73%和80%以上。对总氮的平均面积去除负荷分别为1593mg·d-1m-2、1569 mg·d-1m-2和1440 mg·d-1m-2；对应总磷面积去除负荷为208 mg·d-1m-2、180 mg·d-1m-2和128mg·d-1m-2[9]。

5.3.2城区湖泊径流

运用杭州当地生长周期长、生物量高的植物，如美人蕉作为人工湿地中的植被，处理西湖非点源污染源，对污染物有明显的净化效果，对总氮的去除率在73%以上，总磷的去除率为49%～71%，出水水质总体达到国家Ⅱ～Ⅲ类地表水标准[10]。

5.3.3景观小区

很多小区的景观水体水质日益恶化，可以采用人工湿地对这种小型的封闭性水体进行修复保护。南京聚福园，通过对雨水的回用净化处理，全年节约水资源235550m3，节约水费29.26万元，取得了良好的环境效益和经济效益。武汉丽水佳园5000m2和浙江温岭锦园15000m2的人工湿地及相应的辅助设施，高效低耗地控制非点源污染，有效降解去除水体中氮、磷等营养元素及有机污染物，长效保持景观水体水质维持在国家Ⅱ～Ⅲ类地表水标准[11]。

5.3.4利用人工湿地建城市内河和人工湿地岛

利用河道连通公园湖泊、水位落差较大的优势，建造人工湿地系统，以净化为主、景观为辅，以有效改善河湖水质。将景观设计与人工湿地技术相结合。景观型湿地采用贯流形式，不仅解决死水问题，水质较好，同时为河水提供了净化途径。人工湿地岛是以人工湿地形式构筑的人工岛屿，它省略进出水系统，直接利用水体流动和污染物浓度渗透作用更新水体，以潜流或立式流结构构筑。可以构筑成集生态、观赏、教育为一体的人文环境景观，营造独特的绿色生态园林。

5.3.5处理啤酒废水

啤酒废水经酸化预处理后进入人工湿地，床体中充填适量石灰石，调节pH值和提高氧化还原电位的作用。在进水12 h，排水12h，水力停留时间4 d的条件下，面积负荷1080kgCOD·hm-2d-1，有效容积负荷0.092kgCOD·m-3d-1，系统出水COD浓度小于100 mg·L-1；在进水6h，排水6h，水力停留时间2d，周期处理水量不变，面积负荷2160 kgCOD·hm-2d-1，有效容积负荷0.18kgCOD·m-3d-1，系统出水COD浓度小于100 mg·L-1。采用间歇流方式进出水可以最大程度地利用床体上层的大气复氧，缓解水生植物根系放氧不足的矛盾。适当缩短间歇流周期，可以提高系统处理废水的能力[12]。

5.3.6处理采油废水

采用气浮、生化技术与人工湿地相结合的处理工艺，对采油厂采油废水进行处理，其化学需氧量去除率达到86.8%，石油类物质去除率达到83.8%，而且具有较强的耐冲击负荷能力。当进水COD在500mg·L-1以下且有大幅度波动时，该系统仍可稳定运行[13]，生物氧化段沉淀池出水水质达到污水综合排放标准。油田采出水中的主要污染物是高分子聚合物、表面活性剂、无机盐以及油水分离后剩余的原油，通常采用隔油、浮选、过滤等物理化学方法处理后回注地下或通过二级生化处理达标后排放。但是对于特稠油乳化段废水，由于水包油、氮磷含量非常低，且含有大量难生物降解的高分子化合物和胶质沥青，使得普通活性污泥工艺难以有效降解COD，采出水的含油量和COD分别高达10000mg·L-1和30000mg·L-1，BOD∶COD仅为0.018∶0.088，可生化性极差。经过了复合人工湿地塘床系统处理后，特稠油采出水可以实现达标排放[14]。

5.3.7处理小城镇生活污水

降流式厌氧生物滤池(DAF)启动快，不需回流，水力停留时间3 h时，容积负荷为1.12～1.38 kgCOD·m-3d-1，COD去除率为60%左右，其后续人工湿地对COD进一步去除，能有效的脱氮、除磷。经DAF+CW组合，出水水质达到国家一级A标准，并能回用[15]。

5.3.8建水库

潜流人工湿地系统处理水库水的试验研究表明，在水力负荷为0.15～0.45m·d-1时，夏季CODMn和NH4—N的去除率分别为50%和70%，冬季，分别可达到15%和50%，对TN、TP的去除率分别为20%～60%和30%～45%，去除率随水力负荷率的提高和水温的下降而降低，该系统在冬季低温条件下仍可以正常运行。将物理过滤和生物处理相结合的水生植物滤床(APFB)技术在太湖入湖口处处理河水，APFB的最佳水力负荷为4.0m·d-1，总氮、总磷和叶绿素a的去除负荷分别为1.3 g·m-2d-1、0.25g·m-2d-1和170μg·m-2d-1，相应的去除率分别为28%、50%和73%，APFB的硝化作用高于反硝化作用，净化富营养化地表水具有高效、低成本的特点[16]。

5.3.9城市污水回用

我国大多数的二级污水处理厂出水中N、P的含量较高，湿地对N、P有很高的去除率。二级处理后的污水中不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很快地被截留并被微生物利用。污水中可溶性有机物可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。

6 结语

人工湿地技术简便易行，工艺先进，运行可靠，操作简单，运行管理费用低廉，并且不会对环境产生影响。该技术在城市污水回用中通过物理作用、化学作用、植物作用、微生物作用几个方面实现了高效的污水处理率，使得净化后的污水能够充分回收利用。

近年来，我国人工湿地污水处理技术的研究已经积累了一定的实验数据与理论基础，但是对于湿地内部机理和运行模型等仍然把握不够。因此，深入研究植物和基质的筛选与组合、探讨污染物净化机理、优化水力学模型与降解动力学模型、建立人工湿地数据库，将有利于提高我国人工湿地技术的设计水平和人工湿地系统的处理能力。人工湿地作为一种处理污水的新技术有待于广大环境工作者结合各个地区的实际情况，积累设计经验,制定出一定的设计规范,以促进它的推广和应用。

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