人工湿地系统的性能研究及应用分析

田林青

摘要：简述了人工湿地系统的构造及其分类，分析了填料、植物和微生物的除污作用，并说明了湿地系统对氮、磷以及有机物的协同去除机理。通过郑东新区CBD人工湿地系统对如意湖水系的显著处理效果的案例分析，阐明了人工湿地的生态、环境和经济效益。

关键词：人工湿地；污水处理；除污机理；郑东新区

前言：

湿地是生物多样性的摇篮，对维持区域的生态平衡起了重要作用。人工湿地的建造，既能够有效的解决一些环境问题，又能起到景观美化作用。人工湿地能够融入到城市区域环境之中，有着净化和景观两大功能，成为了城市建设发展和人类生活的重要组成部分。目前，国内外利用人工湿地系统处理水质已有数百个案例，人工湿地作为一种新型水处理技术，已经正式进入了水污染控制领域。

一、人工湿地以及人工湿地的分类

（1）人工湿地及其构造

人工湿地即由人工建造的、工程化的并且可控的湿地系统。是一种人为地将基质（土壤）、植物和微生物按照一定的方式配置而成的复合生态系统。人工湿地系统是利用生态系统中物理、化学、生物的三重协调来净化水质，通过过滤、吸附、沉淀、植物吸收和微生物降解等方法，实现了对污染物的分解和净化。需要处理的污水经过人工湿地系统后，污水中的污染物以及营养物质能够被生态植物所吸收、转化和分解，从而能够使水质得到净化。

人工湿地的构造为：在一定尺寸的洼地中，将土壤以及一定级别的填料，按照一定比坡度填充为填料床，污水便可在填料或者床体表面流动。同时，许多成活率高、抗水性能强、污水处理性能好、生长周期较长、美观并且具有经济价值的水生植物种植在填料的表层土壤中。以上各部分的有机组合便形成了人工湿地生态系统。随着现代技术的发展，目前的人工湿地系统能够集多种性能和功能于一体，是生态处理污水的发展新方向。

（2）人工湿地的分类

按照水流方式的差异可将人工湿地分类为以下三类：

①潜流湿地（SSFW）。水在填料表面下渗流，可充分利用填料表面及植物根系上的生物膜等处理废水。环境卫生条件优良，已被广泛采用。

②地表流湿地（SFW）。废水在填料表面漫流，接近自然的湿地系统。绝大部分有机物的去除是由生物膜来完成。此种湿地系统不能够充分利用填料层丰富的植物根系，环境卫生条件较差，目前鲜有应用。

③垂直流湿地（VFW）。建造成本高，易滋长蚊、蝇等生物，未被广泛采用。

按照功能与性质的不同，亦可将人工湿地分为：改善水质型（净化城市雨水、污水，属于工业湿地）、维系水平衡型（防洪调蓄，调节区域气候等，属于水库类湿地）、综合型（综合生态、环境和经济等多种功能，属于城市湿地公园）、生态型、生态保育型、景观型和生态补偿型。

二、人工湿地处理污水的机理

（1）人工湿地各部分的作用

填料：填料主要是土壤。人工湿地采用的填料一般为：土壤，砂，石等用来构成湿地的虑床，作为承载植物的媒介，是构成湿地的基本组成部分。为植物的生长提供基质的同时，又能吸附并过滤掉部分污染物。此外，土壤能够通过影响植物或者微生物的代谢、生长，间接地影响湿地的污水处理效果。

植物：植物有直接净化和间接净化作用。前者是指植物通过吸收、富集等作用，直接将污水中的污染物去除，主要去除污水中的氮磷和重金属等。后者是指植物能为湿地系统中其他去除污染物的过程提供环境，如为植物根区供氧，通气和水力传导等。在人工湿地中，为了体现湿地的景观效果，一般在湿地公园中种植有景观美化功能的水生草本植物，它们的处理效果好，吸收性强，耐污性能好，并且生长周期很长，茎叶繁茂以及具有很好的抗病抗虫性能。一般较常见的人工湿地植物有：凤眼莲、芦苇、香蒲、美人蕉、菖蒲、浮萍、马蹄莲、伞草、睡莲、灯心草、水竹、水葱、苍蒲等等，既有净化作用，又能够带来景观效果。目前，人工湿地多以芦苇作为湿地植物，芦苇具有广泛的适应性和极强的抗逆性，集观赏价值和净化作用与一身。

微生物：微生物在不同环境中对有机物的降解方式不尽相同，有同化、异化、氨化、硝化和反硝化等作用。各种微生物在滤料的承载层中呈现不用的存在方式存在于植物根系，它们吸收并降解污染物，并利用其中的成分与植物互利共生。

藻类：当污水中养分含量高时，藻类能够起短息吸收固定、其后缓慢释放的循环功能。丝状藻类控制了水体中的溶解氧和二氧化碳浓度的变化，使水体PH值发生改变，影响植物生长和对污水的处理效果。

（2）氮、磷以及有机物的去除机理

人工湿地系統综合了物理、化学、生物的三重作用，其除氮磷及有机物的原理如下：

污水中氮的去除：通过植物的吸收，微生物的硝化和反硝化作用以及吸附等作用去除氮。通过沉积和挥发等物理作用去除氮效果较小；通过化学吸附作用去除氮的缺点是一般相关化学反应都可逆，故效果并不显著；通过微生物作用对氮的去除有着显著效果。

污水中磷的去除：通过基质的吸附作用，植物的吸收和同化作用以及微生物的固定和同化吸收作用去除磷。与去除氮的方式不同的是，磷的去除主要通过土壤的吸附实现，其作用使磷的去除率大于90%。

污水中有机物的去除：填料以及植物根系能够截留不溶性的有机物，进而被微生物降解；植物根系及填料表层的生物膜能够吸附溶解型有机物，进而被生物代谢降解。

三、人工湿地系统在郑州市的应用

位于郑州市的郑东新区CBD人工湿地占地4万m²，内含1个温室，1个控制室，16个碎石床以及16个生物塘。该人工湿地系统用于处理郑东新区如意湖内的湖水，设计处理量大约为10000m？/d，最大处理量可达20000m？/d。目前，该人工湿地是城市生态湿地水体处理系统中处理能力最大的工程之一。如意湖可收纳郑东新区CBD内的雨水，再经人工湿地的生态处理后重新流入如意湖水系。该生态处理系统的处理效果非常理想，经其处理过的如意湖水可达到GB3838-2002Ⅱ类水质。该人工湿地成功地完成了生态用水的循环以及利用，使如意湖内水体可常年保持为三类水质的标准，高效的保证了如意湖内水体的质量，并且节水效果非常显著，每年节约用水量相当于该区域三分之一的自来水总量，约为300万m。

郑东新区人工湿地系统继承了环境可持续发展的要求，体现了生态保护和循环利用。利用湿地完成对水质的净化，优于传统的污水处理技术，如过滤撒药等，而是利用了植物的生物化学作用和物理作用、利用了微生物的降解，吸收或分解污水中的污染物等，以达到净化水质的目的。集保护环境、处理污水、景观美化、教育科普于一身的人工湿地系统，还具有建造成本低，运行管理方便等优点。CBD如意湖水质的净化效果达到了人们的要求，同时湿地公园也成为了郑东新区的靓丽景观之一，它具有很大的社会效益：合理利用雨水作为如意湖的补充水源，节约水资源的同时，又减轻了排水系统的压力，改善了生态环境。此湿地系统投资成本为1200万元左右，大大低于其他污水处理工艺成本。且人工湿地运行中不需要耗电，年运行费仅为二级污水处理厂的12.5%。

总结：

人工湿地系统在不断的研究发展下，受到了广泛的关注和重视。人工湿地系统能够节约大量水资源，节省能源的消耗，并且具有令人心旷神怡的生态景观功能。湿地系统与城市环境融为一体，为城市带来了极大的生态、环境和经济效益，集多种功能于一身，促进了可持续的生态建设与发展，拥有美好的发展前景。