人工湿地污水处理技术综述

龚 帆， 王文成， 赵吉刚

1.中海船研科技股份有限公司 环 境工程事业部，上海200135；2.营口港务集团有限公司，辽宁 营 口115007

0 引 言

近年来水污染日益严重，现有常规水处理工艺已难以适应复杂的水质状况。因此，寻找一种高效、简单、经济的水处理技术十分必要。人工湿地作为一种正在发展的废水处理工艺，已经在欧洲得到推广应用。但是在国内，相关的研究尚处在研究阶段。因此，深入研究和掌握人工湿地处理技术并设法将其应用到污水处理工程中，具有很大的现实意义。

1 人工湿地的定义

人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面。美国Hammer博士将其定义为“为了人类的利用和利益，通过模拟自然湿地，人为设计与建造的由饱和基质、挺水植物与沉水植物、动物和水体组成的复合体”［1］。在设计和建造人工湿地过程中，可以在进水方式、填料及植物等方面进行选择和搭配，来优化人工湿地生态系统中的物理、化学和生物作用，通过3个方面的协同作用来去除污水中的污染物，使水质得到净化［2］。

运用人工湿地处理污水可追溯到1903年，建在英国约克郡Ear by的人工湿地，被认为是世界上第一个用于处理污水的人工湿地，连续运行直到1992年。而人工湿地生态系统在世界各地逐渐受到重视并被运用，还是在20世纪70年代德国学者Kichunt h提出根区法（t he root－zone－met hod）理论之后开始的。根区法理论强调高等植物在湿地污水处理系统中的作用：

1.能够为其根围的异养微生物供应氧气，从而在还原性基质中创造一种富氧的微环境，微生物在水生植物的根系上生长，就与较高的植物建立了共生合作关系，增加废水中污染物的降解速度；在远离根区的地方为兼氧和厌氧环境，有利于兼氧和厌氧净化作用。

2.水生植物根的生长有利于提高床基质层的水力传导性能［12］。

2 人工湿地的组成

人工湿地由以下五部分组成：（1）各种透水性的基质，如土壤、砂、砾石；（2）在饱和水和厌氧基质中生长的植物，如芦苇；（3）水体（在基质表面下或表面上流动的水）；（4）好氧或者厌氧微生物种群；（5）无脊椎或脊椎动物。其中微生物、水生植物以及基质是人工湿地的主要组成部分，也是影响污染物去除率的重要因素［3］。

3 人工湿地的污染物去除机理［6－7］

人工湿地可通过水体、基质、水生植物、微生物和腐殖化碎屑之间一系列复杂的物理、化学和生化反应，通过沉淀、过滤、吸附、离子交换、植物吸收和微生物分解、转化及吸收途径实现对水中诸如悬浮物、有机物、营养元素、金属离子、病原体和难降解有机物等污染物的去除。

1.人工湿地对悬浮物的去除主要是通过物理过程进行，如沉淀和过滤作用。

2.人工湿地对一部分有机物的去除是通过植物的吸收作用，但不是最主要的；微生物生长和基质形成的生物膜对污水有机物的降解才起主要作用。根据生物膜溶解氧浓度的不同，分为好氧、缺氧和厌氧进行降解。

3.人工湿地对氮的去除主要是通过基质的吸附、过滤、沉淀、挥发、植物的吸收和微生物的硝化、反硝化作用来实现。

4.人工湿地对磷的去除作用包括基质的吸收和过滤、植物吸收、微生物去除及物理化学作用。

5.人工湿地对金属离子的去除途径主要有植物的吸收、生物富集作用、基质的吸附沉淀作用和硫化物沉淀作用。

6.人工湿地对病原体的驱逐主要靠植物根系分泌物对病原体的灭活作用、基质层的沉淀和过滤作用以及紫外线的照射作用。

7.人工湿地对难降解有机物的去除主要靠水生植物的代谢作用和直接吸收，此外还与湿地中存在的种类繁多、数量巨大的微生物群落有关。

4 人工湿地的类型［4－5］

按照工程设计和水体流态的差异，人工湿地污水处理系统可以分为表面流湿地、水平流湿地和垂直流湿地3种主要类型（图1）。各类型在运行、控制等方面的诸多特征存在着一定的差异。

图1 人工湿地的类型及其构造

4.1 表面流人工湿地

表面流人工湿地类似天然沼泽，水面暴露于大气，污水在人工湿地基质表面漫流，水位较浅，为0.1～0.6 m。表面流湿地不需要砂砾等物质作填料，造价较低、操作费用较低，但水力负荷较低、占地面积大。其中绝大部分有机物的去除是由生长在植物水下部分的茎、杆上的生物膜来完成，所以这种系统难以充分利用生长在基质表面的生物膜和生产丰富的植物根系对污染物进行降解。其处理能力较低，对氨氮的去除率偏低。冬季北方地区表面会结冰，影响处理效果。

4.2 水平流人工湿地

水平流湿地系统中，污水由一端进入，经过配水系统（一般由卵石构成）均匀进入基质层，基质层一般由土壤和砾石构成。表层土壤上栽种耐水植物，通常是芦苇，这些植物有发达的根系，可以深入到表土以下0.6～0.7 m的基质层中。根系交织成网，与基质一起构成1个透水的系统。同时，根系具有输氧功能，在根的周围水中溶解氧浓度较高，适宜好氧微生物的活动，对BOD、COD等有机物和重金属等去除效果好。在水平流人工湿地中，污水在湿地床的内部流动，因而一方面可以充分利用基质表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和基质发挥截留作用，另一方面由于水流在地表以下流动，故具有保温性好、处理效果受气候影响小、卫生条件好的特点。这也是目前研究最为广泛的一种人工湿地系统。

4.3 垂直流人工湿地

在垂直流湿地系统中，污水水流方向和床区垂直，其水流综合了前两者的特点。污水被投配到床区表面后，淹没整个表面，随后逐步垂直渗流到底部，由底部的集水系统收集后排放。但其建造要求较高，至今尚未广泛使用。

5 人工湿地与传统水处理工艺的优缺点比较［8－10］

与传统污水处理手段相比，人工湿地污水处理技术有着自身独特的优势，同时也存在一定的不足。

5.1 优势

1）投资少，建设、运营成本低廉

国内外研究实践表明，人工湿地处理污水的建设和运营成本低廉，并且易于维护，其建设成本（吨污水投资）和运营成本（吨污水处理费）约为传统污水处理厂成本的10%～20%，从而能够节省大量的资金，经济效益显著。

2）污水处理系统组合的多样性、针对性

人工湿地污水处理系统一般由人工基质和水生植物两部分组成。人工基质又称为填料，一般由土壤、细沙、粗砂、砾石、灰渣及石灰石、沸石等组成。不同的基质对同种污染物质的处理能力是不同的，并且某些基质的组合要优于单一基质的处理能力。因此，根据污水中污染物的种类、特征可以选取不同的基质或采取几种基质的组合。如以石灰石作为基质可以有效地去除P，而要去除TN、TP最好采用沸石与石灰石组合的基质。

水生植物的类型也是多种多样的，一般以挺水植物为主。目前研究、运用较多的水生植物有芦苇、灯心草、宽叶香蒲、茭白、浮萍、美人蕉、红枫、凤眼莲、茳芏等。研究表明，不同的植物类型对污染物质具有一定的针对性。如茭白、芦苇对N、P污染物有较好的去除作用，宽叶香蒲对Pb、Zn、Cd等重金属有较好的去除作用。植物的选取还要参考成活率（当地的植物类型成活率高）、经济价值、衍生的微生物种群等。

由此可见，人工湿地污水处理系统组合的多样性、针对性可以使我们根据需要灵活地进行选择。

3）处理污水的高效性

人工湿地处理污水的效果优于传统的污水处理工艺。在进水浓度较低的情况下，一般对污水中BOD的去除率在85%～95%；COD去除率＞80%；对N的去除率可达60%；对P的去除率＞90%；对农药类，细菌总数等去除率＞90%；对重金属如Fe、Cu、Pb、Zn等的去除率也很高，大都＞90%。但是由于湿地类型、基质和植物的选取、气候、污染物的浓度等方面的差异，污染物的去除率具有一定的波动范围。

人工湿地使用纯生物技术进行水质净化，而污水处理厂则使用化学方法。因此，污水处理厂在处理过程中会产生大量富含有害化学成分的淤泥、废渣影响环境，而人工湿地则不存在二次污染。

4）独特的绿化环境功能

人工湿地同自然湿地一样，由于栽种有大量的水生植物，所以对环境起到了绿化的作用。成规模的人工湿地不但可以迅速增加绿地面积、消除城市热岛效应，还能为人们提供一个优美的、新型的城市生态景观。

5.2 不足

1）受气候条件限制较大

人工湿地栽种的植物类型恰当与否，直接关系着系统处理污水的效率和经济效益。而植物类型的选取受到了气候条件的限制。在我国北方，冬季气温低，此种气候条件不适合美人蕉等热带植物的正常生长和污水处理功能的正常发挥，只能选取温带或部分亚热带植物作为净污植物。此外，冬季地表水结冰，抑制了水的流动，所以表面流湿地在北方城市的冬季是不可行的，只宜采用潜流湿地。

2）占地面积相对较大

人工湿地净污的效果与污水在湿地中流动的时间和空间充足与否有着很大的关系。其次，当系统中的填料和植物纳污达到饱和程度时需要用备用池来交替运行。另外，为防止淤积，往往建造预处理池对污水进行先期处理。所以，与传统的污水处理厂相比，人工湿地污水处理系统需要较大的占地面积，一般认为约为传统污水处理厂的2～3倍。其中表面流湿地由于水力负荷小，需要较大的占地面积。因此，人工湿地系统在选址时要考虑到环境和经济效益综合最优化、规模化的因素，尤其是在空置土地比较少的大城市。最佳的解决办法就是将工程选址在市郊区域，这样不但不占用宝贵的市区土地资源，而且还可以减轻风沙等对市区环境的影响。

3）容易产生淤积、饱和现象

人工湿地能有效地去除污水中的有机物、悬浮物、TN、TP、SS、重金属、病原体等污染物质。但是随着时间的推移，部分营养物质会逐渐地积累，湿地中的微生物相应地繁殖，如果维护不当，便很容易产生淤积、阻塞现象，使水力传导性、湿地处理效果和运行寿命降低；随着污水处理过程的不断运行，数年内基质的吸附能力通常会趋于饱和，也会影响湿地的处理效果。排除淤积、饱和现象的最佳途径是，在有备用池的前提下，定期地对基质进行去淤、更换，对植物进行收割。此外，人工湿地中栽培的植物还易受到病虫害、火灾的威胁以及自身生长周期的影响，也是应该加以重视的问题。

4）见效慢

据已有数据，当上下表面植物密度增大时，人工湿地系统处理效率提高，在达到其最优效率时，需2～3个生长周期，所以建成几年后才能完全稳定地运行。

6 人工湿地在国内的应用前景

人工湿地是一个综合的生态系统，它根据生态系统中物种共生、物质循环再生原理，结构与功能协调原则，在促进废水中污染物质良性循环的前提下，充分发挥资源的再生潜力，防止环境的再污染，获得污水处理与资源化的最佳效益。这是一种较好的生态废水处理方式，比较适合于处理水量不大、管理水平不高的城镇污水和较分散的污水的处理［11］。

在我国近年来废水排放量日益增加，水污染问题日趋严重，城市污水处理主要采用传统的二级活性污泥处理工艺，其工程投资高、耗能大、运行管理要求高。由于经济发展水平有限、能源短缺，许多地方尤其中小城市和乡村缺乏具有一定操作管理水平的人员。对于这些资金少、技术力量薄弱的中小城市和乡镇，无力拿出太多的资金用于污水处理厂的建设和运行。而人工湿地作为一种天然的“污水处理厂”，其高效、简易、低耗的特点就显得意义重大。在人口密度较低、污染排放较少的农村地区，“人工湿地”生活污水处理设施有很多优点，该处理设施充分利用农户住房周边的地形特点，因地制宜、实施简单，可造在住宅旁的空地上，也可利用水塘以及景观池改造；规模可大可小，如20～30户家庭共用一块，或每户造一块；投资少，维护方便，且占地面积小，可配合种植水生植物，还可达到美化景观的效果。

7 结 语

人工湿地污水处理废水具有显著的经济效益、生态效益和社会效益，在污水处理的同时能获得资源化，是正在不断得到研究、应用和发展的污水处理实用技术。这项技术符合我国国情，尤其适合于广大农村、中小城镇的污水处理，具有极其广阔的应用前景。然而国内对这项技术的研究应用尚处于起步阶段，有关工艺设计资料和应用实例还不多见。

人工湿地系统是一项新兴的废水处理技术，其中有许多不足或需改进之处，但是随着时间的推移，在广大科研工作者和其他社会力量的共同努力下，这项技术将会日趋成熟，造福于人类。

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