我国人工湿地研究进展及在寒冷地区的应用

郑国臣 ，范晓娜 ，李云鹏 ，李 环 ，张继民 ，彭 俊 ，钱 宁

（1.松辽流域水资源保护局，吉林 长春 130021；2.辽宁省江河流域管理局，辽宁 沈阳 110003）

1 人工湿地处理技术相关的研究

近年来，我国在人工湿地处理污水方面取得了较大进展。人工湿地生态系统示范工程主要有：东平湖人工湿地（山东）、抚仙湖人工湿地（云南）、微山南四湖人工湿地生态示范园、石岩河人工湿地公园、深圳宝安区石岩河人工湿地等。

1.1 人工湿地系统处理工艺研究

1）多级人工湿地-塘组合处理鄱阳湖区农业径流机理及工艺优化。

2）薏米人工湿地对生活污水中铬净化能力及机理研究。

3）新型纤维填料人工湿地净化效果及基质堵塞的机制研究。

4）垂直流人工湿地土壤堵塞过程的发生机理与调控机制研究。

5）人工增氧型湿地氧传递与利用机理研究。

6）潜流型人工湿地低温域脱氮的生态过程及功能强化。

7）亚热带人工湿地植物多样性的脱氮效能研究。

8）垂直流人工湿地硝化与反硝化作用的最优化及实时追踪。

1.2 人工湿地的运行机理研究

1）人工湿地对富营养化水体蓝藻种群的调控机理研究。

2）人工湿地中生物氧化锰的生成与调控机制研究。

3）人工湿地氮转化分子生态过程耦联机制研究。

4）人工湿地水动力学与生化反应动力学耦合模型研究。

5）基于泥炭为碳源的人工湿地反硝化脱氮机理研究。

6）水平潜流人工湿地水动力模拟及去污实证研究。

7）人工湿地中磷的有机赋存形态及其转化规律研究。

8）垂直流人工湿地氮的去除过程机理及其迁移转化规律研究。

9）生物质发酵产酸强化人工湿地反硝化机理与反馈调节机制。

1.3 人工湿地中生物多样性研究

1）基于空气微生物多样性分析与定量危险评估的人工湿地环境安全研究。

2）人工湿地植物多样性对氧化亚氮减排效应及机理研究。

3）碳氧调控下垂直流人工湿地净化功能优化及微生物响应研究。

4）人工湿地中基质-植物-微生物系统的生态学研究。

5）人工湿地植物、基质与微生物在污水净化中的协同与拮抗。

6）高效脱氮菌群生物强化南四湖人工湿地处理工艺及机理研究。

7）基质-植物-蚯蚓配置垂直流人工湿地净化污水效果及机理研究。

8）高蓄能水生植物人工湿地污水净化联产生物质油研究。

9）乡村小型生活污水生物生态除磷脱氮技术。

基于指示和病原微生物动态分布和生长动力学的人工湿地环境安全研究。

1.4 人工湿地中毒理性方面的研究

1）类固醇雌激素在人工湿地根区的生物降解机制及强化研究。

2）土霉素胁迫下人工湿地微生物的群落更替和抗性相应机制。

3）异化金属还原菌溶矿作用对重金属解吸运移的湿地原位研究。

4）人工湿地去除有机磷农药毒死蜱机理及其生物响应研究。

5）人工湿地植物根系氧气传输及其与系统净化关系研究。

6）典型有机氯化物在人工芦苇湿地中的运移过程与机制。

7）人工湿地系统中有机农药污染物的微生物降解机制及控制研究。以上有关人工湿地的研究，为我国人工湿地污水处理技术的应用提供了科学和技术上的参考。

2 国内研究进展

按照布水方式的不同或水流方式的差异，人工湿地可分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地。近几年的研究表明，越来越多的新型人工湿地应运而生，并得到越来越多的应用。

1）表面流人工湿地。张成禄[4]发明的无终端表面流人工湿地，具有高效处理能力的良性生态湿地系统，提出的潜表流交替人工湿地，潜流区域和表面流区域通过隔离墙分开，在处理效能与运行稳定性方面都有了明显的改善。靖德兵[5]构建具有综合效益的复合植被湿地污水处理系统，成本低廉、容易成活、复合植被且综合效益高。郑少奎[6]设计的分段式自由表面流人工湿地处理方法及系统，改善了表面流人工湿地处理效率低下的问题。

2）水平潜流人工湿地。张建[7]研究一种新型潜流人工湿地，具有简单实用，不易堵塞，性能稳定，出水水质好，投资低，管理方便，运行费用低，占地面积小等特点。张成禄[4]研究的多级折返潜流人工湿地是一种多级折返潜流人工湿地，该人工湿地的床体内设有多级折流板，潜流式处理效果好，出水水质好。张建[8]提出的环流式表流人工湿地，该人工湿地包括床体、进水管、布水管、出水管和水生植物，床体呈环流式。

3）垂直潜流人工湿地。崔理华[9]提出的复合垂直流人工湿地，该技术应用于城镇生活污水处理效能较高。鲁敏[10]研究的辐流式人工湿地，构成由外围进水、中心位置出水的辐流式人工湿地，具有占地面积小，有机负荷高，处理效能好等优点。夏世斌[11]提出的金字塔型人工湿地污水处理方法，污水经过人工湿地金字塔型层、人工湿地基质层处理后得到净化。刘鹏[12]研究的用于污水处理的立体型人工湿地系统，该立体型人工湿地系统包括高位集水箱、多孔滤水垂直流人工湿地床。

4）复合人工湿地。张建[13]的复合流人工湿地装置，主体由若干单元组成，单元之间由立板隔开，挡板竖直设在每个单元内，由上至下垂直流、水平潜流、由下至上垂直流、表面流，进入下一个单元后，再重复以上过程。吴永红[14]报道的农田生态干渠-人工湿地水质改善与生态系统重建方法，将汇集的村镇生活污水及少量工业废水经预处理后流入农田生态干渠，与农田排水混合、净化处理之后，经集水生物塘调控水量并流入人工湿地中进一步强化净化。以上人工湿地运行以来，产生了良好的生态、经济和社会效益，为我国的河湖健康做出了较大的贡献。

3 北方人工湿地处理技术的应用状况

针对北方地区气候特点，沈阳环境科学研究院开展了水平潜流人工湿地技术在北方地区应用研究与工程示范。北方垂直潜流式人工湿地净化污水的方法，采用一种有保温措施、适于在冬季气候寒冷、冰冻期较长的北方地区使用的且净化效果良好的人工湿地净化污水的方法；解决了冬季结冰期的防冻、防裂、防溢、防渗的治理技术问题；采用的多种保温技术措施，冬季可保持填料床内被处理的废水温度在15～20℃，解决了人工湿地在北方不能过冬使用或冬季治理效果差的问题[15]。王培京[16]研究的北方低温地区复合型人工湿地水质净化系统，潜流湿地子系统由砂滤模块、湿地模块及曝气配水井组合构成，工程措施和生态措施有机结合，对受污染来水进行多重净化，投资省、效果好，具有显著的经济效益和生态效益。刘培斌[17]探讨的北方低温地区潜流人工湿地冬季运行方法，进水管为地埋管，以不冻冰为宜，引取冰下水温高的水源；湿地单元内高密度种植芦苇，芦苇品种选择杆高粗壮的品种，芦苇生长后形成的高密度芦苇荡冬季不收割，利用芦苇杆挡风，芦苇自然凋落形成覆盖层保温；湿地单元出水处设置水位调节井，井内设水位调节管，改善了在冬季将湿地单元内的芦苇割除的传统做法，利用芦苇叶和芦苇杆保温，既保证了湿地在冬季度的正常运行，不会造成二次污染，生态效果显著。周有[18]研究的高纬度寒冷地区人工湿地污水处理生态系统，潜流池及表流式湿地中的人工介质填料层各层均选用自然材料，无需搅拌，曝气也更节省能源，整个处理系统结构简单、操作方便，运行费用低；还包括表流式湿地，在净化污水的同时还生长湿地生物，使自然环境中的生物多样并起到美化环境的作用。

4 结语

综上所述，人工湿地在我国的应用已取得了长足的进步，目前在我国北京、沈阳、哈尔滨等北方地区，均有大量应用于污水处理的人工湿地系统。但仍然存在很多问题，在北方表现最突出的是运行稳定性、堵塞，温度（特别是冬季）等问题。在我国北方地区，冬季气候寒冷，低温会造成湿地系统管道发生破裂，湿地植物休眠，根系微生物代谢减缓甚至停止等现象；冬季人工湿地对TP的去除率比夏季低15%左右，这说明人工湿地处理效率在冬季会大幅度下降。

[1]修春海，于水利，李玲.不同人工湿地对微污染原水处理效果的研究[J].中国给水排水，2008，24（23）：64-71.

[2]崔理华，卢少勇.水处理的人工湿地构建技术[M].北京：化学工业出版社，2008：9-16.

[3]王湛，万佳静，陈晓东，等.寒冷地区人工湿地污水处理技术研究进展[J].环境保护科学，2009，35（2）：30-33.

[4]靖玉明，张建，张成禄，等.人工湿地中脱氢酶活性及其与污染物去除之间的相关性研究[J].环境工程，2008，（1）：15-17.

[5]靖德兵，洪剑明，尹炜.人工湿地复合植被系统及在污水处理中的应用[J].人民长江，2008，16：7-9.

[7]张金勇，张建，刘建，等.水深对表面流人工湿地污染河水处理系统运行效果的影响[J].环境工程学报，2012，（3）：9-12.

[8]张建，何苗，邵文生，等.人工湿地处理污染河水的持续性运行研究[J].环境科学，2006，（9）：24-25.

[9]崔理华，朱夕珍.渣草炭基质垂直流人工湿地系统对城市污水的净化效果[J].应用生态学报，2003，14（4）：597-600.

[10]鲁敏，郭振，李东和.人工湿地园林植物对生活污水中氨氮净化效果的影响[J].中国园林，2012，（1）：12-15.

[11]夏世斌，潘蓉，张宁，等.直接产电型垂直流人工湿地微污染水源水处理试验研究[J].武汉理工大学学报，2012，（2）：17-19.

[12]刘鹏.谈生态工程在农业面源污染控制中的应用[J].现代农业科学，2009，（6）：24-25.

[13]张建，张波，靖玉明，等.南水北调东线南四湖新薛河入湖口人工湿地工程设计[J].中国给水排水，2008，2：27-29.

[14]吴永红，胡正义，杨林章.滇池流域居民-农田混合区面源污染控制集成技术[J].生态科学，2008，（5）：28-30.

[15]周元清，李秀珍，李淑英，等.不同类型人工湿地微生物群落的研究进展[J].生态学杂志，2011，30（6）：1251-1257.

[16]王平，周少奇.人工湿地研究进展及应用[J].生态科学，2005，24(3)：278-281.

[17]王培京，葛鹏，廖日红，等.水平潜流人工湿地处理北方低浓度生活污水研究[J].安徽农业科学，2011，35：6-8.

[18]刘学燕，代明利，刘培斌.人工湿地在我国北方地区冬季应用的研究[J].农业环境科学学报，2004，（6）：12-15.