人工湿地污水处理技术研究进展

杜娟娟 李荣峰 李 扬 胡 焱 王 坚

（山西省水利水电科学研究院 山西太原 030002）

湿地是一种被喻为“地球之肾”的综合生态系统，其中常见的两类湿地是自然湿地和人工湿地[1]。人工湿地作为污水处理技术是从20世纪70年代发展起来的，其主要通过模拟天然湿地净化污水的原理，加以适当的人工建造与监督，从而利用湿地自然生态系统中的物理、化学、生物三者之间的协同作用达到净化水质的目的[2]。人工湿地具有工艺简单、处理效果好、运行费用较低等优势，是目前较为广泛利用的生态污水处理技术。

1 人工湿地的组成及分类

1．1 人工湿地的组成

人工湿地主要是由基质、水生植物、水体、微生物及中低等动物等五部分组成，其中基质、水生植物以及微生物在水质净化中起着主导作用。基质一般由砾石、细沙、土壤、沸石等构成，是植物生长以及微生物依附的主要载体；湿地水生植物是去除污染物过程中的核心部分，包括挺水植物、沉水植物和浮水植物，常见的水生植物有芦苇、香蒲、浮萍、睡莲、苦草等。一般来说植物的生长状况越好，污水净化能力越强；微生物是人工湿地去除污染物的过程中较为重要的组成部分，在有机物质和氮的去除上发挥着重要的作用。

1.2 人工湿地分类

按污水在湿地中水流运动方式的不同，将人工湿地分为三种：表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地[3]。不同类型的人工湿地具有不同的结构及特征，且对污水的处理效果亦有差异。表面流相对而言，投资少、操作简单，但易受气候影响、负荷较低且占地面积大；水平潜流对有机物和重金属去除效果好，受气候影响较小，是目前应用较为广泛的一种系统；垂直流综合了表面流和水平潜流的特点，但其基建费用高、操控不便，仍未得到广泛的应用。不同类型人工湿地污水处理系统具有不同的结构及特征。

表面流人工湿地与天然湿地类似，污水在湿地表面流动，水力负荷较低，污水与根系和基质不能得到充分的接触，因此表面流人工湿地对污染物的去除主要依靠植物在水下部分的茎、杆上的生物膜来实现的，相对来说对污水的去除能力较低且对氮、磷的处理效果欠佳。表面流人工湿地易受气候的影响，在污水的处理过程中容易产生蚊蝇滋生等问题，但因其投资少、操作简单，在部分河流和湖泊得到了使用；水平潜流人工湿地的污水一般沿着配水系统进入湿地内部，水力负荷高，一方面污水与基质以及植物根系得到了充分的接触，通过基质表面生物膜的吸附、植物根系的降解以及基质截留等作用，可以有效地去除污水中的有机物、重金属等物质；另一方面污水在基质内部流动，因而水平潜流人工湿地受气候影响较小且保温性相对较好，不易产生蚊蝇滋生等问题。与表面流人工湿地相比较，存在投资高、管理相对复杂等缺点。就目前而言，水平潜流人工湿地已经在工业、生活废污水中得到了广泛的应用；垂直流人工湿地综合了表面流人工湿地和水平潜流人工湿地污水处理技术的特点，水流在基质内沿垂直方向流动，水力负荷高，占地面积相对较小，对氮、磷的处理效果较好，但因其易堵塞、蚊蝇滋生以及基建费用高、操控不便等问题，一般不单独使用[3]。

2 人工湿地污染物去除机理

人工湿地是由基质、水生植物、微生物等组成的共生系统，利用其自然生态系统中的一系列物理、化学、生物反应，通过沉积、过滤、吸附、挥发、分解、植物吸收、微生物分解代谢等途径达到对水中有机物、营养物质、悬浮物、有毒物以及难降解有机物等污染物的净化，其去污机理较为复杂，下面以常见的污染物为例介绍人工湿地污染物去除机理。

（1）悬浮物：在表面流、水平潜流、垂直流人工湿地系统中，悬浮物的去除主要是在人工湿地的进口5～10 m之内完成的，悬浮物的去除主要依靠物理作用，通过沉淀、过滤作用从污水中得以去除。污水与人工湿地中基质、植物根系及茎部的接触程度是悬浮污染物去除率高低的主要影响因素。

（2）有机物：人工湿地对有机物有较强的去除能力，其中有机物主要分为可溶性和不溶性两大类。可溶性有机物主要是通过基质及植物茎部和根部表面附着的生物膜对污水中的可溶性的有机物进行吸附、吸收及生物代谢降解；不溶性有机物主要是通过物理作用去除，利用沉淀、植物拦截、基质过滤等作用从污水中分离出去[4]。

（3）营养物质氮磷：人工湿地系统对含氮污染物的去除的途径是微生物的氨化、硝化、反硝化作用、填料的吸附、氨的挥发以及植物的吸收，其中微生物的氨化、硝化、反硝化作用是对含氮污染物去除的主要途径；人工湿地系统对含磷污染物的去除主要是通过填料的吸附、金属离子的化学沉淀、微生物的吸收与转化以及植物的吸收与同化，其中微生物吸收的部分磷在一定条件下又会释放出来，对磷的去除意义不大。

3 人工湿地及其组合技术的研究及应用

人工湿地污水处理技术的发展主要分为三个阶段，第一阶段为探索阶段，主要是在20世纪初到20世纪50年代，首次使用人工湿地进行污水处理；第二阶段是对人工湿地的机理进行研究，并在欧洲、加拿大、日本等地得到了广泛的研究与应用，主要集中在20世纪50年代到20世纪90年代；第三阶段是人工湿地进入大规模研究和应用阶段，到目前为止，人工湿地已经作为一种新型的生态污水处理技术得到了广泛的推广和应用。我国的人工湿地污水处理技术研究起步较晚，但目前建成的人工湿地也已有近千处。

为了充分发挥各个湿地的优势及提高污染物的去除效率，复合垂直流、复合潜流、组合流以及人工湿地与其他污水处理系统的联合应用成为了目前的研究热点。除了应用于城市污水处理外，还在工业废水、农业面源污染、暴雨径流等多方面得到了应用。针对不同的污染物来源以及出水水质的要求等，国内各地均有不同的人工湿地污水处理技术应用，既有单一类型，也有组合形式，选择应用时主要应考虑实际情况以及预期效果。蟠龙[5]研究了不同的人工湿地对生活污水的处理效果，构建了以黏土、碎石为填料的规模为6.2m×2m×0.5m的水平潜流人工湿地以及5.2m×1m×1.2m的垂直流人工湿地，水力停留时间都为5d，结果表明水平潜流对总氮、总磷、COD的去除率可达90.58%、82.9%、87.32%；垂直流对总氮、总磷、COD的去除率可达75.83%、83.98%、83.79%。李建娜[6]研究了组合人工湿地（表面流人工湿地＋水平潜流人工湿地）对生活污水中污染物的去除，讨论了组合人工湿地对污水的处理效果，研究表明组合人工湿地对COD、氨氮、总氮、总磷的去除率为77.5%、72.0%、71.5%、74.0%。李剑波[7]对组合人工湿地（水平潜流人工湿地＋垂直流人工湿地）处理城镇生活污水的效能进行了研究，并对湿地的脱氮除磷途径进行了分析，研究表明组合系统对COD、氨氮、总氮、总磷的最高的去除率分别可达为94%、72%、71%、98%。应俊辉等人[8]研究了潜流人工湿地系统对合成革废水的污染物的处理效果，研究表明系统对合成革废水中COD、总磷、总氮的去除率分布为83.68%、64.04%、69.01%。谢文熙[9]利用复合型人工湿地（机械曝气＋人工湿地＋生物墙）对制浆造纸废水进行处理，表明系统对不同浓度的污染物的去除效果较好，对COD、SS的去除率在60%以上，对氨氮和总磷的去除率在55%以上。李玉丞[10]将曝气生物池（ABFT）及潜流人工湿地组合工艺技术应用于污水处理站，研究表明该组合工艺对污水处理效果明显。杨荣伟[11]将活性污泥生物膜及潜流湿地组合工艺应用于污水处理厂，研究确定不同的污水厂进水水质条件下的组合工艺的处理效果，并研究确定组合工艺的最佳工矿的运行参数。王洪涛等[12]人研究了组合人工湿地系统（表面流人工湿地＋水平潜流人工湿地）对受污染的汾河水体的污染物去除效果，研究表明湿地系统对COD、氨氮的总去除率为88.1%、92.61%。张振华[13]研究了两种填料（炉渣、沸石）对人工湿地系统处理污水效果的影响，并就组合人工湿地对河水水质变化的适应性进行了分析，研究表明炉渣对硝态氮、总磷、氨氮的去除率分别达到79.79%、91.92%、69.19，沸石去除率分别达到70.81%、80.89%、76.63%。刘锐[14]研究了人工湿地中不同的水生植物对污水的处理效果，研究表明以美人蕉为主要水生植物的人工湿地对河道中的 COD、总氮、总磷、氨氮的平均去除率为57.58%、32.89%、55.15%、36.64%；芦苇分别为50.56%、29.88%、52.41%、32.57%。

4 人工湿地的功能效应及成本分析

4.1 人工湿地的功能效应

与天然湿地系统类似，人工湿地对环境的反馈效应也是多方面的，在环境净化、区域气候调节、地下水补给、调蓄洪水、景观效应等不同方面都发挥着重要的功效。①环境净化功能：人工湿地是由水生植物-基质-微生物组成的共生系统，植物可以有效地降解、吸收污染物，并将其转化为自身生长需要的元素或被植物根系微生物分解利用，同时可以有效地去除病原微生物，净化环境；②气候调节功能：人工湿地可以有效地将系统内的水分转化为水蒸气，增加区域内的空气湿度，同时湿地水生植物的生长，提高了系统的热容量且植物的光合作用和呼吸作用对大气中的碳-氧平衡起到了一定的作用，从而达到区域气候调节的作用；③景观效应：人工湿地污水处理系统不仅可以净化水体，同时也可以美化环境，改善城市景观，提供休闲娱乐场所，提高城市的生态环境品质；从湿地渗入到蓄水层的水也可以起到有力补充地下水的作用，同时，人工湿地作为一个巨大的蓄水库，可以起到调蓄洪水的作用。

4.2 人工湿地成本分析

人工湿地能否得到广泛的推广也取决于其工程造价和运行费用，在中国，据专家估算，人工湿地的投资费用在150～800元/t，与传统污水处理厂投资费用相比较，可节省1/3～1/2。在处理过程中，人工湿地基本无能耗，运行费基本为0.1～0.2元/t，一般的污水处理厂处理每吨废污水的价格在1元左右，而人工湿地一般在0.2元左右，因此，人工湿地比传统污水处理厂更加经济；人工湿地建设周期短，一般在3个月以内，而建设一座传统污水处理厂一般需要一年以上，因此相对来说人工湿地见效更快。

5 建议与展望

随着环境问题的日益突出，对污水处理提出了更高的要求。人工湿地与传统污水处理工艺相比有着不可比拟的优势，如污染物去除率高、建设成本低、运行费用少等，在实际应用中可以针对不同的污染物种类进行多种系统的组合。目前，人工湿地在我国应用前景广阔，但仍存在一些问题需要在逐步应用中得到进一步研究，主要有：

（1）目前，人工湿地的研究与应用多集中于气候较为温和的地区，北方寒冷地区的长期净化效果、冬季植物的选取及配置等问题尚缺乏系统的研究。

（2）人工湿地在净化水质的过程中会对温室气体的源汇项有影响，整个生命周期的成本及环境影响研究尚未进行系统开展。

（3）针对不同的污染物来源、气候以及出水水质的要求，单一的人工湿地有可能达不到预期的效果，因此组合人工湿地系统将成为未来湿地系统研究与应用的热点。

[1]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.

[2]邹友琴．人工湿地及其构建方法研究［J］．科技广场，2004（10）：85－86.

[3]彭 恋．复合型人工湿地在不同季节对生活污水的处理及脱氮机理的研究［D］．华中农业大学，2007.

[4]US Environmental Protection Agency．Manual －constructed wetlands treatment of municipal wastewaters［R］．1999.

[5]蟠 龙．三种人工湿地处理校园生活污水的实验研究［J］．绿色科技，2014（5）：175－179.

[6]李建娜．组合人工湿地污水处理系统实践研究［D］．中南林业科技大学，2007.

[7]李剑波．强化垂直流－水平流组合人工湿地处理生活污水研究［D］．同济大学，2008．

[8]应俊辉，王东明等．人工湿地处理合成革废水的试验研究［J］．湖北农业科学，2013，52（17）：4090－4093.

[9]谢文熙．复合型人工湿地对造纸废水深度处理的研究［J］．黑龙江环境通报，2014，38（1）：65－67.

[10]李玉丞．ABFT＋潜流人工湿地技术在清河南七家污水处理站的应用［J］．北京水务，2014，1（5）：32－34.

[11]杨荣伟．活性污泥生物膜一体化工艺与人工湿地组合系统运行性能研究［D］．重庆大学，2013.

[12]王红涛，王增长．人工湿地对汾河污染水处理试验研究［J］．科技情报开发与经济，2007，17（31）：128－131.

[13]张振华．组合潜流人工湿地对轻污染河水中营养物质去除效果研究［D］．中国海洋大学，2013.

[14]刘 锐．表面流人工湿地和强化生态塘组合工艺净化市区河水研究［D］．哈尔滨工业大学，2012.