人工湿地污水处理技术简介

王江辉 郭 威 王鹏飞 郝晓旭

河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

1 人工湿地系统组成

人工湿地是一种由人工建造和监督控制的，与沼泽地类似的地面。人工湿地是为处理污水而人为设计建造的，是20世纪70年代发展起来的新型废水处理工艺。它根据自然湿地生态系统中物理、化学、生化反应的协同作用来处理废水，一般由人工基质（一般碎石）和生长在其上的水生植物（如芦苇、香蒲等）组成，是一个独特的土壤（基质）—植物微生物生态系统。

从工程设计的角度出发，按照系统布水方式的不同或在系统中流动方式不同一般可分为自由表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直流人工湿地。从水力学角度划分，人工湿地分为水面湿地和渗滤湿地两种类型。人工湿地按污水在其中的流动方式可分为两种类型:水面式人工湿地（简称FWS）、潜流型人工湿地（简称SFS）。人工湿地根据湿地中主要植物形式可分为:浮水植物系统、挺水植物系统、沉水植物系统。

不同类型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。表面流湿地是废水在填料表面漫流，它与自然湿地最为接近。但自由表面流人工湿地是人工设计、监督管理的湿地系统,去污效果优于自然人工湿地系统。这种类型的人工湿地具有投资少、操作简单、运行费用低等优点，但占地面积较大，水力负荷率较小，去污能力有限。自由表面流人工湿地中氧的来源主要靠水体表面扩散、植物根系的传输和植物的光合作用，但传输能力十分有限,这种类型的湿地系统的运行受气候影响较大，夏季滋生蚊蝇的现象，冬季北方表面会结冰，还会有臭味。这种湿地不能充分利用填料及丰富的植物根系。其绝大部分有机物的去除是由长在植物水下茎、杆上的生物膜来完成。表面流人工湿地示意图如图1所示。

水平潜流人工湿地，这种类型的人工湿地因污水从一端水平流过填料床而得名，它由一个或多个填料床组成，床体填充基质，床底设有防渗层，防止污染地下水，与自由表面流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的水力负荷和污染负荷大，对BOD、COD、SS和重金属等污染指标的去除效果好，且很少有恶臭和滋生蚊蝇现象。目前，水平潜流人工湿地已被美国、日本、澳大利亚、德国、瑞典、英国、荷兰和挪威等国家广泛使用。这种类型人工湿地的缺点是控制相对复杂，脱磷除氮的效果不如垂直潜流人工湿地。水平潜流人工湿地示意图如图2所示。

垂直潜流人工湿地，污水从湿地表面纵向流向填料床的底部，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系统，垂直流入人工湿地的硝化能力高于水平潜流湿地，可用于处理氨氮含量较高的污水，其缺点是对有机物的去除能力不如水平潜流人工湿地系统,落干淹水时间较长，控制相对复杂，夏季有滋生蚊蝇的现象。垂直潜流湿地系统示意图如图3所示。

2 人工湿地功能

绝大多数自然和人工湿地由五部分组成:①具有各种透水性的基质，如土壤、砂、砾石；②适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物，如芦苇；③水体（在基质表面下或上流动的水）；④好氧或厌氧微生物种群；⑤无脊椎或脊椎动物。

1）水生植物

植物是湿地中必不可少的一部分。它通过自身的生长及协助湿地内的物理、化学、生物等作用去除湿地中的营养物质。植物还可以延长水在湿地内的停留时间，沉淀悬浮颗粒，为微生物的生长提供可依附的表面，同时还有输送氧气到根区和提高水在土壤中的传导能力等作用。植物的选择应尽量考虑增加系统的生物多样性。生态系统的物种越多，结构越复杂，则其稳定性越高，也能延长湿地使用寿命，污水净化率也会提高。不同的植物对湿地内污染物的去除率是不同的，去除率的不同还和湿地内废水的性质、当地的气候、土壤等性质有关。季节性和挺水植物比一年生植物和沉水植物具有更高的去除营养物的能力。

2）微生物

人工湿地处理污水时，有机物的降解和转化也主要是由植物根区微生物活动来完成的。人工湿地中微生物的活动是废水中有机物降解的主要机制。

人工湿地中的微生物是极其丰富的，这为人工湿地污水处理系统提供了足够的分解者。不同的环境，人工湿地微生物群落结构和活力也不一样。污水中的BOD和COD的去除率与微生物的数目都有较明显的相关性；污水NH3-N的去除率与根区的硝化细菌和反硝化细菌数量的相关性极显著；而磷元素的去除率则与根际中的磷细菌数目呈正相关。

3）基质

目前,广泛应用的人工湿地基质主要有沙粒、沙子、土壤、石块。新型填料也在不断地得到研究和应用，特别是沸石，由于其独特的性能，近年来成为了国内外学者的研究热点。

这些基质一方面为微生物的生长提供稳定依附表面,同时也为水生植物提供了载体和营养物质。当污水流经人工湿地时，基质通过一些物理的和化学的途径（如吸附、吸收、过滤、离子交换、络合反应等）来净化除去污水中的N、P等营养物质。

3 人工湿地降解机理

人工湿地处理污水的原理较为复杂，其去除机理和去除途径和自然湿地相同。多年的研究表明，人工湿地能够利用基质—微生物—植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协同作用,通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来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。

1）SS 去除

SS中含有有机物和无机物，但主要含有粪便有机质和有机颗粒物，如病菌。颗粒的密度和大小变化很大，不同密度、大小的颗粒物具有不同的去除机理和路径。在人工湿地中SS的去除是相当迅速的物理过程，主要去除机理为沉淀、聚集和表面粘附。

2）BOD、COD 的去除

湿地中的不溶性的有机物主要是通过湿地的沉淀、过滤作用而被截留在湿地中；可溶性的有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物降解过程而被分解去除。生物降解过程主要是通过好氧和厌氧代谢得到降解，从而降低污水的BOD、COD。

3）氮的去除

大多数污水中N是主要成分，N在环境中以多种形式存在，有复杂的循环路径。TN由不同比例的颗粒有机氮、溶解有机氮、氨氮、亚硝态氮和硝态氮构成。N2和N2O在N循环中很重要。矿化、生物吸收、硝化和异化（硝态氮到氨氮DNRA）是使氮的一种形式转到另一种形式的过程。这些过程是物质平衡过程，N在同一个系统内循环。反硝化和氨氮的挥发是物质去除的过程，从而致使N从系统中得到去除。

4）磷的去除

无机磷是湿地植物必需的养分。腹水中无机磷在植物吸收及同化作用下可变成植物的DNA、RNA等有机成分，通过植物收割而去除。物理化学作用包括填料对磷的吸附及填料与磷酸根离子的化学反应，这种作用对无机磷的去除会因填料中A13+、Ca2+、Fe2+可与 P发生吸附和反应而沉淀去除。

4 人工湿地植物的选择

1）人工湿地所选植物应具有良好的生态适应能力和生态营建功能，筛选净化能力强、抗逆性相仿、生长量较小的植物，减少管理上尤其是对植物体后处理上的许多困难。一般应选用当地或本地区天然湿地中存在的植物。

2）应选用强生命力和旺盛生长的植物，具有以下特点:①抗冻、抗热能力；②抗病虫害能力；③对周围环境的适应能力。

3）所引种的植物必须具有较强的耐污染能力。水生植物对污水中的BOD5、COD、TN、TP主要是靠附着生长在根区表面及附近的微生物去除的，因此应选择根系比较发达，对污水承受能力强的水生植物。

5 人工湿地的日常管理

1）人工湿地植物栽种初期的管理主要保证其成活率。湿地植物栽种最好在春季，植物容易成活。如果不是在春季，在冬季应做好防冻措施，如在夏季应做好遮阳防晒。总之要根据实际情况采取措施确保栽种的植物能成活。

2）控水。植物栽种初期为了使植物的根扎得比较深，需要通过控制湿地的水位，促使植物根茎向下生长。

3）做好日常护理防止其他杂草滋生和及时清除枯枝落叶，防止腐烂污染。

4）暴风雨后，湿地床上植物发生歪倒，要及时扶培，排除积水。

5）对不耐寒的植物在冬季来临之前要做好防冻措施或及时收割掉，降低负荷。

[1]刘恩玲,谢拾冰.人工湿地污水处理技术研究[J].河北农业科学,2008(12).

[2]曹波,袁凤辉,等.广昌县人工湿地污水处理模型[J].福建林业科技,2008,35(1).

[3]肖恩荣,梁威,等.污水处理中的人工湿地强化技术研究[J].环境污染治理技术与装备,2006,7(7).