人工湿地技术在生活污水处理中的应用研究进展

张雪梅　闫忠诚　勾雅东　王飞腾　朱锦　舒友光

摘要：人工濕地是一种人工、可处理的工程湿地系统，它是在土壤、基质、植物、微生物等物理、化学、生物协同作用下，以污水和污泥为原料。本文研究了“水解沉淀-接触氧化-人工湿地”等组合工艺来处理生活污水，并对其处理效果和优缺点进行了讨论。

关键词：人工湿地;生活污水;处理效果

1引言

近年来，人工湿地技术日趋成熟，已成为一种低成本的污水处理方法，并在世界各地得到广泛应用。其通过土壤、基质、植物和微生物等物理、化学和生物协同作用，将污水和污泥按一定的方向匹配而成。本系统的主要功能包括：吸附、截留、过滤、氧化-还原、沉淀、微生物分解、养分积累等，进入人工湿地的污水既可以暂存在于基质和土壤的裂缝中，也可流经基质的表面，能最大限度的对污水进行处理。因此，本文将对人工湿地技术及其组合技术进行分析探论，为后续的学术研究和工程应用提供理论依据。

2人工湿地系统

2.1自由水面人工湿地系统

自由水面人工湿地系统是一种污水流经水面的自然湿地系统。在提高出水水质的同时，还有助于防洪和控制岸线侵蚀。自由水面人工湿地系统中的植物种类繁多，主要为挺水植物（香蒲、芦苇、水曲柳）、沉水植物和漂浮植物。对铁、铜、铅等去除率分别为53%、45%、52%、52%，对BOD和COD的去除率为50%～60%、对TSS的去除率为70%～80%，对氮的去除率为50%～65%。

2.2水平流人工湿地系统（HFCW）

水平流人工湿地系统又称芦苇床系统，所需土地面积为5～10 m2/PE。污水在人工湿地床层中水平流动，并会在系统中经过好氧和厌氧处理。HFCW可有效去除污水中的BOD、COD、氨氮、磷酸盐、TSS等污染物，并且可应用于不同类型的污水处理，如工业污水、农业污水、矿山污水等。HFCW比垂直流人工湿地需要的土地面积更多，但脱氮效果也会更好。

2.3垂直流人工湿地系统（VFCW）

垂直流人工湿地系统是一种污水从湿地顶部进入，从底部排出的湿地系统。污水能够垂直流过床层，提供了较好的好氧条件，实现了高硝化的处理效果，对BOD、COD等污染物的去除效果较好。VFCW的占地面积大约为1～3m/PE，虽然与HFCW相比较小，但比HFCW需要更多的维护管理。

2.4法国垂直流人工湿地系统

法国垂直流人工湿地是一种两级垂直流形式的人工湿地，采用并联布置，串联运行的模式。该系统的土地面积要求为2.0～2.5 m2/PE，与传统垂直流人工湿地相比，具有相近的处理效果，但可以大大节约建设成本。

2.5复合人工湿地系统

复合人工湿地系统是一种具有多级处理的系统，采用HFCW和VFCW进行组合。与其它类型的人工湿地系统相比，复合人工湿地系统的去除效率更高。不同类型的人工湿地系统在好氧或厌氧条件下的去除效率不同，因此可根据污水水质特点，进行复合式人工湿地单元的布置。

2.6折流式人工湿地系统

折流式人工湿地系统的主要特点是具有一系列的垂直折流板，这些折流板主要沿湿地宽度方向进行布置，引导污水向上或向下流经湿地床层。该系统提供了一条较长的污水流经路径，使得污水与介质之间的接触时间增长，大大提高了处理效果。

2.7曝气人工湿地系统

为了满足植物及微生物的氧气需求，可以采用曝气人工湿地系统。由于氧气利用率低，使得有机物的分解速度较低，因此可以在湿地中加入曝气器以提高水中的溶解氧，进而提高了湿地系统的处理效率。

2.8多热带自由流工程湿地系统

湿地中使用的漂浮植物主要为凤眼莲、柠檬等，这些漂浮植物可以有效地去除污水中的氮和磷。为使自由流工程湿地的处理效率始终保持在较高水平，需要对漂浮植物进行定期收割，收割所得的漂浮水生植物，可进一步用作燃料、肥料、动物饲料添加剂等，降低了湿地的运行成本。

3人工湿地的优缺点

人工湿地是一种低成本的污水处理工艺，其运行和维护成本约占植物成本的1%-2%。能有效处理各种污水，如农业污水、工业乳品污水、工业制革污水、工业纺织污水、制浆造纸污水、酸性矿山污水等，人工湿地处理后的水可以用作休闲和园艺用途。人工湿地对于BOD、COD和TSS都具有较高的去除率，分别为80%～90%、80%～90%、80%～95%。人工湿地也有助于去除水中的磷、氨氮、硫酸盐等，其中芦苇和香蒲作为湿地植被，对氮和磷的去除率较高;LECA、大理石粉尘、锯末、零价铁和砾石等介质可有效去除污水中的硫酸盐、砷酸盐和磷，并为湿地中的细菌提供良好的活动场所。人工湿地是一种分散式污水处理技术，可以将社区污水集中处理，具有较高的去除率。

每一种污水处理技术都有其局限性，而人工湿地的缺点是：在湿地中的植物会导致生物量增加，增加了湿地的维护成本;不同物种对污染物的去除率各不相同，只有少数几种能够在现场种植，这也是人工湿地不可能去除所有污染物的原因，所以要结合其他技术，才能实现更好的去除效果;人工湿地处理工艺会因污水水质的不同而有所差异，在自由水面人工湿地系统中，重金属等污染物对水生植物的损害作用较大，同时也会产生蚊虫滋生等棘手的问题，因此，人工湿地中受污染的植物必须以适当的方式进行处理。相较于其他工艺，人工湿地处理过程耗时较长，且具有较强的季节特征，一般在夏季的去除效果比冬季高。

4人工湿地组合技术

组合工艺采用了“水解沉淀+接触氧化法+人工湿地”的方法来对生活污水进行处理。在水解沉淀池中，借助酸水解和厌氧期的微生物，降解了污水中的大分子和难降解的固体有机物，并使其转化为小分子有机物，可减少后续供氧设备能耗并缩短停留时间;在生物接触氧化法中，将生物膜以及活性污泥结合起来，使得池中的生物固体浓度为5～10 g/L，大大超过活性污泥法和生物滤池中的浓度，并具有较高的体积负荷2.0～3.0 kgBOD5/m d。同时，该工艺对水质和水量都具有较强的抗冲击负荷能力;人工湿地采用了两个湿地串联，分别为HFCW和VFCW。结果表明，人工湿地组合技术对污水的处理效果较好，对COD、BOD5、TP、SS、NH-N的去除率分别为：77.8%、83.3%、87%、80%、67%。经过人工湿地处理后的出水水质达到城市污水排放标准（DB44/56-2003）一级标准。

另一种组合工艺采用电化学氧化与人工湿地联用，用于处理冷却塔水，以“电化学氧化、掺硼金刚石、混合金属氧化物和垂直流人工湿地”的组合工艺去除冷却塔水中的有机化合物。VFCW能有效地去除特定的污染物，如苯并三唑等;有研究还对“浮式、垂直流人工湿地和水平流水煤浆混合系统”处理城市污水的性能进行了评估，为提高磷的去除率，还开发了一种可移除的吸附屏障与观赏植物混养，增大了景观优势。其评估结果表明，该复合系统对污染物具有良好的去除效能，对TP、NH−N、TN、DOC、BDO5、COD及浊度的平均去除率分别为94.0%、93.8%、93.8%、80.0%、84.0%、77.0%、99.7%，整体去除效果较好。

针对纺织污水所设计的人工湿地系统，采用了“VFCW和HFCW”组成的系统进行试验，在VFCW中使用的介质为1.4米深的甘蔗渣，在HFCW中使用的介质为0.65m深的种植芦苇和沙芥，并种植了芦苇、沙芥和无芒草。VFCW对可生物降解有机物的去除率较高，而HFCW对色度的去除效率较高。水力负荷较低（556～2 830 mm/d）的系统对NH-N、浊度和悬浮物的去除率较高，而水力负荷较高的系统对NO-N、BOD5和COD的去除率较高，水力负荷对亚硝酸盐氮没有影响。水力负荷较低和较高时，浊度、NH-N、NO-N、NO-N、COD、BOD和TSS的去除率分别为89.7%和80.5%、86.5%和72.1%、88.6%和95.0%、62.5%和82.7%、69.9%和86.6%、76.6%和89.3%、96.6%和37.7%。

5.结论：

通过本文的分析与评价，对人工湿地技术中植物的选择提出了一些建议。其植物选择主要包括以下幾个方面：（1）植物必须具邮良好的生态适应性和生态建设功能。（2）植物必须具有强大的生命力和旺盛的生长潜力;（3）引进人工湿地的植物必须具有很强的抗污染能力，水生植物要依靠微生物的作用才能去除污水中BOD5、COD、TN、TP等污染物，为使微生物能在植物根部生长或附着于植物表面，因此要选择具有较强根系和抗污染的特种水生植物。（4）由于需要长时间连续运行，且人工湿地的植物在冬季会出现枯萎、死亡或休眠等现象，故选择常青或冬季长势较好的植物;（5）在生态安全方面，所使用的植物不得对生态环境构成隐患或威胁;（6）植物应具有一定的经济、文化、景观和综合利用价值。

参考文献

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