人工湿地强化处理污水的技术措施

陈勇，范英宏，洪蔚，侯世全，林世华，曾立云

(1.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070; 2.中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

目前普遍应用的人工湿地有表面流型人工湿地、水平潜流型人工湿地和垂直流型人工湿三种类型。人工湿地作为一种节能污水处理技术正在日益广泛地得到应用，目前人工湿地运行存在的问题有:①单池运行效果差;②湿地水流流态单一;③人工湿地溶解氧水平低，造成污染物尤其是氨氮的去除受到限制;④人工湿地堵塞问题。本文针对人工湿地运行存在的一系列问题，对当前人工湿地的强化措施进行了分析，并提出进一步强化人工湿地运行效果的建议。

1 人工湿地主要强化措施研究现状

1.1 人工湿地组合工艺

1.1.1 传统污水处理工艺与湿地构成的复合系统

目前针对人工湿地存在的堵塞问题，将传统的物理法、化学法以及生物法等污水处理技术与人工湿地相结合，不仅出水水质可达到预期目标，还可防止湿地堵塞，延长湿地使用寿命。吴义锋等采用水解调节池—厌氧折流反应池—组合好氧装置—垂直流人工湿地工艺处理扎染废水，对COD、NH3-N、TN和色度均有较好的去除效果，平均去除率分别为77%、85%、70%和89%［1］。塘－湿地复合系统也是一种普遍应用的组合工艺。李松等采用格栅—消毒池—厌氧池—人工湿地—稳定塘工艺处理农村生活污水，出水的 COD、BOD、SS、TN、NH3-N、TP和粪大肠杆菌均达到《污水综合排放标准》(GB8978—1996)的一级标准［2］。人工湿地还可用于传统二级污水处理厂出水的深度处理。陈雯等在布吉污水处理厂中试试验的基础上，建设了小型人工湿地，深度处理污水处理厂二级出水。结果表明，人工湿地对二级出水的COD、NH4+-N、TN、TP等重要控制指标均有比较明显的深度处理作用［3］。

1.1.2 串联型湿地工艺

串联型湿地是指几个同种类型或不同类型人工湿地串联在一起。同种类型湿地串联可延长湿地水流流程和停留时间;不同类型湿地串联可充分利用各种湿地的优势，避免了单一类型人工湿地存在的缺陷。常见的两极串联湿地有:表面流—潜流;潜流—表面流;水平潜流—垂直流;垂直流—水平潜流;垂直下行流—上行流;潜流—上行垂直流;垂直流—表面流;垂直下行流—下行流等。

(1)垂直流—水平流(VF—HF)系统

VF—HF最初是由 Seidel在德国提出来的，系统由两个VF单元组成后面串联一个或几个HF单元［4］。自20世纪90年代起，欧洲许多国家开始建设这种VF—HF系统，现在该形式在全世界越来越受到关注［5－6］。由于 VF充氧效果较好所以有很强的硝化能力;而HF充氧效果较差，所以有很好的反硝化能力，即使在C/N很低的情况下对TN也有很高的去除率［7－10］。Platzer采用垂直流湿地具备80%～95%的硝化能力，后面接一个潜流湿地具备75% ～80%的反硝化能力［11］。

(2)水平流—垂直流(HF—VF)系统

20世纪90年代中期 Johansen and Brix首次提出HF—VF系统［12］，用一个面积较大的 HF作为前处理来去除有机物、SS并进行反硝化反应，较小的VF池用来进一步去除有机物、SS并进行硝化反应。然而，为了提高TN的去除率，垂直流湿地出水要回流到潜流湿地前的沉淀池。Brix等采用HF(456 m2)—VF(30 m2)，NH4+-N和TN从60和72 mg/L减少到2和28 mg/L［10，13－14］。

(3)表面流湿地—潜流湿地系统

与潜流湿地相比，表面流湿地不易堵塞，占地面积大，因此将其与潜流湿地结合起来不仅能有效降低复合人工湿地系统堵塞的风险，还可有效地节约占地。意大利的一个薯片潜流—表面流人工湿地系统处理葡萄酒厂废水，其总有机负荷可高达 1 226 kg/(hm2·d)［15－16］。

(4)潜流湿地—表面流湿地系统

这种复合人工湿地适合于进水悬浮物和有机物浓度不高且建设资金不太充足的情况下应用。高海鹰等采用3个串联起来的功能分区组成复合湿地系统:生物强化沉淀池、潜流湿地和表面流湿地，河水依次流经3个功能区，然后入湖，取得了良好的净化效果［17］。

1.2 湿地水流流态优化

目前湿地水流流态最常见的有水平流和垂直流两种形式，这两种水流流态都较单一，使湿地内水流停留时间和湿地溶解氧浓度受到限制，还可能出现短流的情况。在实际应用中可通过增加湿地水流的曲折性或多样性来提高水流停留时间和溶解氧，也可避免出现短流。何成达等人提出的波式潜流人工湿地就是在湿地内部有规则的设置导流板，使水流在湿地内上下呈波浪式流动，研究结果表明，波式潜流显示出比常规水平潜流湿地更好的去除污染物的特性［18－20］。重庆大学司马卫平通过在水平流湿地内加挡流墙使水流呈下向流或上向流的折流式和水平 S型的侧流式［21］。张克强等人提出的廊道式人工湿地采用三级圆环式，最中心的是第一级垂直流，外面依次为第二级潜流和第三级表面流，第一级湿地最高，然后依次降低，污水先进第一级，然后顺次流进第二级和第三级。该系统启动迅速，维护简单，能够长期稳定运行，出水水质能够达到农田灌溉标准［22－23］。另外，在工程应用中可充分利用现有场地地形，例如一些坡地或沟渠，使水流出现跌水，水流流态更加多样、流程增加，处理效果则更加突出。目前关于湿地水流流态的研究较少，还有待进一步深入的研究。

1.3 其他方法

1.3.1 强化曝气

人工湿地中的氧气主要来源于大气向湿地的扩散和植物根部的输氧作用，对于潜流湿地根部的输氧是湿地中氧气的主要来源［24］。也有研究表明，根部的输氧作用对湿地作用有限，大气的扩散也受湿地基质的阻滞［25］。因此，在研究中有采用强化曝气解决湿地内溶解氧不足的问题。曝气分为进湿地前的预曝气和湿地内曝气，其中预曝气对改善湿地内溶解氧水平不如湿地内曝气效果明显，但湿地内曝气不适用于后期改造时加曝气设备，因为此时要将基质挖出会很不划算。

1.3.2 出水回流

在出水水质不达标时可考虑出水回流，出水回流可加大人工湿地的水力负荷，一定程度上提高水力传导速率，改善传质条件，延长污染物与植物根际微生物的接触时间，而且，还可引入部分氧气，提高湿地的溶解氧水平［26］。鄢璐等报道回流对湿地DO影响显著，回流湿地出水DO浓度均高于未回流湿地;回流比越大，出水 DO浓度越高，但在回流比大于2以后，DO浓度增加不明显［27］。

另外还可采用多点进水、间歇式进水、增加植物密度等措施。多点进水可防止湿地前段堵塞，使植物生长均匀;垂直流人工湿地一般采用间歇式进水，可延长湿地运行寿命;潜流型湿地周期性排水可将堵塞在孔隙中的SS冲刷出去［28］。

2 讨论

2.1 人工湿地工艺优化

大量实践证明人工湿地在处理微污染水时优势比较明显，在处理一些高污染浓度的污水时要考虑与其他工艺组合，先将污水的负荷降到人工湿地能够承受的程度，再接入人工湿地。当前与人工湿地组合的技术有物理法、化学法和生物法，其中生物法有好氧法和厌氧法，由于人工湿地富氧水平低，因此建议好氧生物法与人工湿地相结合，这样不仅能够降低湿地进水负荷，还增加了湿地进水溶解氧提高湿地的处理效果。人工湿地通常单池面积比较大，可以采用同种类型或不同类型人工湿地串联的方式运行，这样不仅可以减少占地面积，不同类型湿地还可以达到优势互补的功效;人工湿地堵塞是难以避免的问题，可以采用间断运行的方式解决，在经济条件允许的情况下最好有备用湿地，也就是说采用并联轮休方式运行，其中一部分湿地采用设计的满负荷运行，另一部分采用低负荷运行或停止运行，在满负荷的湿地发生堵塞时降低其负荷或停止运行，另一部分湿地开始满负荷运行，这样堵塞了的湿地在堵塞缓解之后就可以接着发挥作用。

2.2 强化人工湿地水流流态

人工湿地在在运行过程中很容易出现短流和滞水的现象，一些污水通过某些通道迅速流出，而另一些污水长期滞留其中，使得湿地内一些部位的填料不能发挥其作用。通过均匀布水、主要功能区滤料单一且均匀外以及采用湿地串联或并联就可以减少这种现象的出现。此外，使湿地水流流态更加多样化，增加水流的曲折性，避免单一的水平流或垂直流，也是重要措施之一。

2.3 强化湿地管理

虽然人工湿地系统运行维护管理比较简单，但加强维护管理对于提高其处理效率至关重要。在湿地植物栽植阶段，通过逐渐降低水位的方法可诱导根系向下发展，促进湿地植物根系的发育;在运行过程中湿地堵塞时，可将水排干待湿地干化一段时间后填料孔隙恢复了再运行;在寒冷地区冬季，可以采用收割植物覆盖的方式对湿地进行保温。总之，只有加强人工湿地必要的监管措施，才能让其保持长期高效稳定的运行。

3 结论与建议

国内外专家提出了一系列强化人工湿地的处理措施，这些强化措施，大大提高了人工湿地净化污水的效果，促进了人工湿地的推广应用。但是采取强化措施时要尽量选择一些简单、节能、效率高、投资省的工艺或措施，避免使处理系统太过复杂化，否则就失去了人工湿地投资省、管理方便的优点。

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