人工湿地污水处理技术概况

闫栋华

摘 要：人工湿地是一种较为传统的废水处理技术，由于其成本较低的特点被广泛应用于废水处理之中，其替代技术已被应用于多种废水的处理，本文叙述了人工湿地污水处理技术的概念、人工湿地组成要素、分类、特点、原理及其在国内外的研究应用现状，阐述了污水在湿地中的处理过程及净化机理及当前人工湿地在技术方面的缺陷，对人工湿地的发展进行了展望，可为人工湿地污处理技术的应用研究提供参考。

关键词：人工湿地 污水处理 类型 机理

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（a）-0106-04

1 人工湿地概念

湿地广义上指长年积水和过湿的土地，是陆生和水生生态系统之间的过渡性地带，广泛分布于世界各地不仅拥有着丰富的生物多样应，还具有显著的生态净化作用，是地球上一种独特的、多功能的生态系统被称为“地球之肾”。湿地是地球上生产力最高的生态系统之一。湿地提供水和初级生产力，成为了很多鸟类、哺乳类动物、鱼类、爬行类动物以及其他水路两栖类动物赖以生存的环境，是植物遗传物质的重要储存地。湿地已经成为了影响珍稀禽类繁殖和生存的关键因素，所以，湿地也成为了鸟类优质的生活环境。

按《国际湿地公约》定义，湿地系指不问其为天然或人工、长久或暂时之沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带，带有静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水水体者，包括低潮时水深不超过6m的水域。由于人类的不合理开发，湿地资源在我国受到很大破坏。在特殊时期和环境条件下，研究和建立人工湿地生态系统是对自然湿地生态系统的适度补充，也是对其功能退化的恢复性建设[1]。

人工湿地是近些年发展起来的一种新型污水处理生态系统，传统的污水生物处理方法能对清除一些有机物能产生非常明显的效果，但是却无法实现对氮磷的有效去除；一些化学技术能在很大的程度上将氮磷去除，但是需要耗费较高的费用，还能大大提高二次污染的可能性。在这个方面，人工湿地具有较为明显的优势，其无需耗费大量的成本，方便人工对其进行管理和维护并且其运行的成本较低，对氮磷的去除效果也比较明显，能尽快适应符合的变化，也能在很大的程度上起到使环境更加美观的作用[2]。与自然湿地相比而言，人工湿地在承载负荷量，地点选择，污水处理能力及可控性上具有较大优点。

人工湿地是一种由人工建造和监督控制的，与沼泽地类似的湿地生态系统[3]。人工湿地污水处理技术是指将污水、污泥经过一定比例调配投入到人为建造的湿地当中，使污水与污泥形成流动的状态，关键在于利用土壤、植物、人工以及微生物在物理、化学以及生物3个方面形成协同的效应，从而实现对污水以及污泥的处理。

2 人工湿地国内外研究应用现状

人工湿地在污水处理方面最早的应用是1903年建在英国约克郡Ear by的人工湿地，其被认为世界上第一处用于处理污水的人工湿地。而人工湿地生态理论是在20世纪70年代由学者Kickuth提出根区法（The root-Zone-Method）理论之后逐步发展起来的[4]。根区法是由一种有芦苇的矩形池子组成，选择含有钙、铁、铝添加剂的土壤，得以改善土壤结构和对P的沉淀性能，水以地下潜流水平流过芦苇根，污水流过芦苇床，有机物降解，N经过硝化、反硝化作用被去除，P与Ca、Fe、Al共沉淀，积累于土壤中。同时，“厌氧微生物和芦苇处理污水”復合系统在美国的国家空间技术实验室研发成功，随后人工湿地的污水处理技术日益完善，在欧洲、美国、加拿大、日本等地广泛地被利用。

我国对人工湿地的研究进程应该追溯到“七五”期间，目前仍然处于初级探索阶段。天津市环保所建成了我国第一个芦苇湿地工程，随后相继于1898年和1990年在北京昌平区、深圳白泥坑建成了效果良好的湿地处理系统示范工程。1990年国家环保局华南环保所与深圳东深供水局共同建立的人工湿地示范工程的出水结果达到了二级处理水平。2002年，建立于江苏泅洪县的人工湿地污水处理厂日处理污水量可达50000m3。近年来，人工湿地处理污水技术在我国积极发展，现阶段人工湿地已经可以用来处理生活污水、养殖废水、橡胶废水、油田废水、造纸废水、啤酒废水等。

3 人工湿地组成要素

人工湿地基本上是由具有各种透水性的基质；适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物；在基质表面下或上流动的水体；无脊椎或脊椎动物以及好氧或厌氧微生物种群五部分组成。

3.1 湿地基质

湿地的机制可以为土壤、砂、砾石、沸石、灰岩、石灰石、炉渣等，这些基质为湿地植物提供生活环境和物理支撑，使微生物附着其上，是湿地中化学物质反应的场所。湿地中水体除了为各种复杂离子、化合物提供反应界面外，还可以提供营养物质给湿地植物与湿地微生物[5]。研究表明矿渣和粉煤灰等钙素含量较高的碱性基质影响磷素吸附净化效果的主要因素是基质的全钙含量，碱性条件下基质全钙含量越高其吸附的磷素越多，净化磷素污染的效果越好。砂子、沸石、下蜀黄土、黄褐土和蛭石等活性胶体氧化铁铝含量较多的中性基质，影响其磷素吸附净化效果的主导因素是其胶体氧化铁的含量，胶体氧化铁能促进基质吸附磷素效应，提高磷素净化能力。人工湿地生态系统处理污水过程中，湿地植物与湿地微生物发挥了巨大作用。

3.2 湿地植物

人工湿地植物主要分为3部分：浮游植物、沉水植物和挺水植物。概括来说植物主要能起到3个方面的作用：将污水中的营养物质直接转换为生长所需的营养成分，将一些重金属物质以及一些有害物质进行集中和吸收并将其转化成为生长所需的物质；为一些以氧气作为生存必需元素的微生物提供氧气，从而维持其正常生长、繁殖以及降解对氧气的刚性需求；植物的根部能在很大的程度上提高基质对于水力的传输效率[6]。湿地植物从上半部分运输氧气到下半部分，在根部形成对氧气的需求环境，从而实现分解有机物以及促进消化细菌生长的目标，同时达到去除一系列污染物的目标[7]。

3.3 湿地微生物

湿地植物的根际周围分布有大量的微生物，这些微生物能对土壤有机质进行分解，转化无机质，促进氮的固定以及为植物提供营养。吸收有机污染物是在植物与微生物的协调作用下实现的，植物主要从3个方面实现对一些有机污染物的降解，即转化、结合与分离[8]。

4 人工湿地类型

4.1 按湿地职能分类

从湿地的职能角度对其进行分类，主要可以分为：第一类生境类，主要作用在于对天然湿地形成辅助作用，从而维持生物品种的多样化；第二类抗洪类，主要的作用是抵御洪水以及防止泄洪带来的危害；第三类水产类，主要应用于农业方面以及水产品的养殖；第四类处理类，主要应用于对污水以及污染物进行处理。

4.2 按湿地植物分类

人工湿地按照湿地内主要植物分为浮游植物系统，沉水植物系统和挺水植物系统。

4.2.1 浮游植物系统

浮游植物是指漂浮在水体之中的微小植物，一般情况下浮游植物按其粒径可分为3类：即小型浮游植物（20～200μm）、微型浮游植物（3～20μm）和超微型浮游植物（0.7～3μm）。常规用于评价水体质量的标准是浮游植物的种类。当水体质量受到污染后，浮游植物的种类会出现一定程度的减少，而一些抗性能力较强的个体数量会出现快速增长的趋势，从而破坏浮游植物的多样性，所以，浮游植物的多样性能作为反映水体质量的指标，指标的数值越大，说明水质污染的情况越轻。水体中的物理（温度、光），化学（有机质、营养盐、毒素）和生物（竞争、捕食）等因素都会影响浮游植物在水体中的分布以及种类。浮游植物多为单细胞或群体，形态结构简单，处于食物链的开始端，对水环境的变化反应较敏感，其优势种群和密度，对水体的营养程度有指示作用，是国内外进行水环境监测的首选项目。

4.2.2 沉水植物系统

沉水植物指的是根、根须或叶状体固着在水下基质上并且其叶片也在水面下生长的大型植物。湿地植物的繁殖器官有两种情况：沉水或挺出水面。湿地植物的植物体能够被充分利用其各部分都可吸收水分和养料。

沉水植物在湿地生态系统中有着不可替代作用，它给水生生物提供更多的生活栖息和隐蔽场所，使水中溶解氧含量增加，同时还可以使水质得以净化，为水生动物提供食物来源等，改善了整个生态系统。董悦等（2013）利用5种不同沉水植物群落系统对中国2010上海世博区后滩湿地底泥进行生态修复，于2009年8月）2010年8月对沉水植物覆盖度与生物量，以及底泥有机质（OM）、总氮（TN）、总磷（TP）的分布与变化进行动态监测。结果表明：沉水植物群落覆盖度、生物量有明显的季节变化，总体呈升高趋势且与底泥OM、TN、TP呈正相关；底泥经修复后，OM质量分数、TN和TP质量比分别比背景值降低61.9%～79.7%、78.7%～83.9%、32.3%～42.7%；底泥有机指数从IV级（有机污染）降至II级（较清洁），降低了水体富营养化的风险。马剑敏等（2009）研究在长江中游地区、面积为0.66km2、水质为劣Ⅴ类的重富营养湖泊武汉月湖重建了以菹草和伊乐藻为优势种的沉水植物先锋群落，2005年春季的沉水植物盖度达到45%，提高了透明度。冬季是相对适合种植伊乐藻以及菹草的季节，因为冬季的水位相对较低，透明度较高，在这个季节建立伊乐藻与菹草等适合在动机和春季生长的沉水植物使其逐渐成为一个先锋群落是一种效率较高的方法；污染情况比较严重且水质不透明的情况能在很大程度上阻碍先锋群落的形成，如果在水位较低，或者使水质透明度较高的阶段，水生植物可以承受一定的污染负荷，而且在水位能降低时，能在很大程度上提高重新形成的沉水植被成活的几率。

4.2.3 挺水植物系统

挺水植物主要指的是植物的根以及根茎生长在地步的泥土之中，但是茎与叶却能生长在水面之上。在0～1.5m的浅水处较为常见或者生长于潮湿的岸边。挺水植物在水面之上生长的部分，与陆生植物的某些特点是十分相似的；而在水面之下生长的部分则与水生植物的某些特点是相似的。芦苇是典型的挺水植物，张葆华等研究了两种水深条件（2cm浅水位和15cm深水位）下芦苇湿地对模拟太湖水中氮磷的净化能力。研究结果显示，芦苇能在很大的程度上提高湿地对氮磷的去除能力。湿地内反硝化过程为主要脱氮途径。芦苇对湿地反硝化过程的促进作用主要是通过提供有机碳源实现的。沉水植物系统目前处于实验室研究阶段，其主要应用领域在于初级处理和二级处理后的精处理。浮游植物主要用于N、P去除和提高传统稳定塘效率。现在一般所指人工湿地系统是指挺水植物系统。挺水植物系统根据废水流经的方式，可分为表面流湿地、潜流湿地、立式流湿地。

4.3 按水体流动方式分类

4.3.1 表面流湿地

污水从湿地表面漫流经过长方形构筑物，其结构简单造价低；因为污水在填料表面漫流，易滋生蚊蝇，对周围环境会产生恶劣影响，其处理效率较低。表面流人工湿地中氧主要来源于水体表面扩散、在植物根系中传输和植物光合作用。由于传输能力有限，故人工湿地一般不会采用。

4.3.2 潜流湿地

污水从填料的之间的缝隙渗透下去，在很大的程度上使填料以及植物根部的生物膜发挥处理污水的作用，提高出水的质量。与表面流湿地相比，潜流人工湿地对水力的负荷程度更大，对BOD、COD、TSS、TP、TN、藻类、石油类等能产生比较明显的去除效果。

4.3.3 垂直流湿地，

污水沿垂直方向流动，硝化作用充分，氧供应能力强，占地面积小，可使水力负荷长期运行。垂直流湿地可采用工程手段对系统的供氧状况进行改善，可提高布水均匀性，更加有利于硝化和反硝化的发生。但是垂直流湿地对于污水中的有机物的处理能力弱，控制比较复杂，夏季蚊蝇滋生。

5 人工湿地污水净化机理

人工湿地生态系统在基质-微生物-植物复合生态系统的物理、化学和生物的共同作用下实现对污水进行高度净化的目标。污水净化的物理作用是之水体中的可沉固体，难溶有机物等的沉淀作用，湿地中的植物根系与填料可對污染物进行吸附和过滤，化学作用则为污染物在水体中化学作用沉淀，离子交换或发生氧化还原反应，生物作用指的是湿地中经过微生物的代谢，植物的吸收与生长使污染物质减少。使污染物质从系统中去除的方式有定期更换湿地填料，定期对湿地植物进行收割。其对BOD5的去除率可达85%～95%，COD的去除率可达80%以上，处理出水中的BOD5<10mg/L，SS<20mg/L，氮和磷的去除率也达到50%左右。

5.1 人工湿地对有机物的去除机理，

污水中的有机物可分为不溶性有机物与可溶性有机物，微生物对湿地中有机物的去除起到重要作用。在湿地生态系统中土壤具有巨大比表面积，污水流经颗粒表面时，不溶性的有机物经沉淀、过滤、吸附作用快速地被截留，随之为微小生物利用；可溶性有机物通过微生物的代谢被去除。植物可向土壤中传输氧气，因而土壤中好氧菌、厌氧菌和兼性菌共同存在。好氧菌将有机物分解为二氧化碳和水；厌氧菌发酵将有机物分解为二氧化碳和甲烷。谢龙等（2009）研究以总有机碳（TOC）作为模型参数，建立了1个水平潜流人工湿地有机物去除机理模型，种植花叶芦竹的水平潜流人工湿地和空白湿地对生活污水中总有机碳的去除率分别为92%和91%，去除的主要途径为生物降解作用，生物降解量占进水总有机碳的84%；植物对总有机碳去除有促进作用，但影响不大。

5.2 人工湿地对N的去除机理

卢少勇等（2006）研究表明，通常情况下，常用的去除氮的方法是在人工湿地中进行硝化以及反硝化，在pH值低于7.5的情况下，可以将氨的挥发现象忽略不计；在pH值高于9.3的情况下，氨的挥发作用非常明显。当植物处于各项指标都比较适中的条件下，可以通过收割植物实现去除氮的目标。天然湿地对于氮的去除效果要远远低于人工湿地。

5.3 人工湿地对P的去除机理

人工湿地中磷主要以有机磷（生物态和非生物态的）、磷酸、可溶性磷酸盐和不溶性磷酸盐的形态存在。卢少勇等（2006）研究了人工湿地中的磷去除机理，在防渗人工湿地系统中，主要的磷去除机理包括化学作用（如沉淀作用和吸附作用）；生物作用（如植物吸收作用和微生物吸收与积累作用）和物理作用（如沉积作用）；在未防渗的人工湿地系统中，湿地系统和周围水体（如地下水）的交换量对湿地的磷去除有重要的影响。通常情况下，物理作用和化学作用是人工湿地中最主要的磷去除途径。人工湿地中利用微生物去除磷的效果与环境中氧气的状态具有非常密切的关系，通过植物的吸收来去除磷的作用的大小和收割频率与时期、进水负荷、植物物种和气候条件等有关。蛭石磷素吸附能力较强，酸碱性适中，可以作为磷素吸附剂掺加到沙子、沸石或者土壤基质中，提高其磷素等污染物的净化能力[5]。

5.4 人工湿地对重金属的去除机理

通过土壤或填料对重金属的吸附和反应达到湿地对重金属的去除目的，吸附分为离子交换吸附同专性吸附。因为污水中重金属离子浓度一般不高，重金属离子便不能与土壤中无机阴离子形成沉淀，可与土壤中的有机质络合。微生物也可去除重金属，微生物为固定重金属可发生胞外络合作用、胞外沉淀作用，或者把重金属转化为低毒状态，但也有可能转化为毒性更强的物质。植物也可对重金属进行积累，溶解性的重金属可被植物吸收，茎以上部分可通过收割最终从湿地中去除，不溶性重金属被介质过滤截留。密集的植株形成活性高的根区网络系统，减慢了湿地污水流速，使污水中悬浮颗粒沉降。

6 人工湿地污水处理系统问题及展望

人工湿地现可有效地作为传统污水处理的一种替代，可达到节省资金、保护水环境实施生态恢复目的。现已广泛地应用在生活污水、工业废水、养殖废水等水体的处理。但人工湿地在运行过程中存在着一定问题。

人工湿地在北方寒冷地区存在越冬和运行问题，人工湿地的运行受温度影响较大，随着温度的变化，污染物的去除效果也随之变化，因为污水处理中水生植物与微生物起重要作用，它们的生命状态与温度息息相关。研究表明，在4℃以下时湿地中的硝化作用趋于停止。聂志丹等（2002）研究表明各人工湿地随季节的变化去除效率排序为夏季>秋季>春季>冬季。TP的去除率随季节变化相对比较平稳，TN次之，NH3-N、COD、Mn变化较大，冬季去除率下降尤为明显。针对该问题可采用植物覆盖、地膜覆盖、冰雪覆盖等方法。

人工湿地运行中的堵塞问题，由于在预处理的过程中存在一些工作上的失误或者不到位的地方，污染程度过于严重时很多无法相溶的有机物的出现就会使湿地无法承受，从而产生了无法在一定时间内净化的容量。不合理的基质选择也是造成堵塞的原因，在特定情况下比表面积大和孔隙率高的基质为较优选择。过大的水力负荷使有机物在短时间内聚积，湿地水流短路进而堵塞。因为垂直潜流类的湿地其结存在一定的差异，在对湿地进行设计的过程中对于其长度和宽度并没有形成具体的硬性规定，主要利用多孔管道水运输到湿地的身处，这样才能使水力能够均匀开来，从而实现无论进水速度如何，都不会造成管道堵塞的问题发生。

湿地中表层土壤往往易被污染物吸附饱和，开发当地吸附能力较强的人工湿地基质或者利用吸附能力较强的无污染的工业副产物作为人工湿地基质或者添加剂是解决人工湿地基质净化能力低下的首选措施[5]。但是在湿地中要谨慎使用化学凝聚剂和沉淀剂，以免对环境造成二次污染。

人工湿地需要科学的规划与设计，人工湿地主要分为两个部分，即预处理系统和配水系统。其中，预处理的部分的主要组成结构是沉淀池等，主要用于去除存在于污水中体积较大的物质，从而降低湿地系统的处理压力，配水系统中的进水排水网状结构是人工湿地系统的关键，主要的用途是将存在于污水中的不同类型的污染物去除掉，从而达到净化污水的作用[2]。人工湿地污水处理系统需以长远运行为目标，因此，在对湿地进行设计以及实际建造时一定要对建造区域的地域特点以及植被覆盖的情况和天气等因素进行仔细的考量，可利用地形差是湿地中进出水自流尽可能地降低使用水泵提水减少费用。

我国人工湿地资源丰富，现阶段十分有必要对湿地进行科学化与规范化的管理，使湿地能够展现出多样性的生态服务功能，创造更高的景观价值与经济价值。人工湿地技术目前发展还不成熟，需要编制一套能运用到实际的工作的技术，来实现对人工湿地污水处理技术的科学应用和管理。人工湿地运行过程中尚有未解决的问题，所以推广应用时需谨慎，避免盲目推广带来不利影响。国家相关部门要在政策、技术上提供支持与保障，加强宣传与推广，促进国家间关于人工湿地的信息交流工作。现阶段人工湿地处理污水技术日益完善，人们环保意识逐渐提高，人工湿地在废水处理方面会发挥越来越大的作用。

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