浅谈污水处理与水环境保护中人工湿地技术应用

周海洋

（廊坊市生态环境局，河北 廊坊 065000）

1 人工湿地污染物净化原理

1.1 人工湿地的定义

人工湿地是指为了创造湿地环境或人为控制湿地生态学环境的功能而使用人工手段去建成的湿地，其主要通过土壤、植物、微生物和人工介质处理废水和污泥，为水域提供氧气。一般情况下，湿地建设技术会利用吸附、滞留、过滤、氧化还原和沉淀等许多环节中的材料循环和再生原理相结合。湿地可以很好地贮藏水，调节气候，可以为所有动植物提供栖息地，大部分美丽的湿地被用作池塘，以提供观赏，且还能用作蓄水池或充当灌溉区。所以，无论是自然湿地还是人工建设的湿地，都在废水处理和生态环境保护中起着重要作用。

在20世纪50年代，人工湿地建造技术问世。近年来，中国大力研发相关的湿地建设技术和环境净化工程，使湿地建设技术在各种产业中得到了越来越多的应用。在实际建设中，人工建成的湿地一般适用于人口稀少的偏远乡村以及污染比较轻微的地区。在实际应用中，人工建成的湿地一般使用微生物处理废水，这样会使污水处理得更加彻底和清洁，和传统的污水处理工程来对比，人工湿地的处理方式对于劳动力和材料资源需求较少，而且能够在很大程度可以节约成本，让人们可以方便地进行维护管理[1]。

1.2 具体的净化原理

一般来说，人工湿地技术是根据水体、基质、水生植物、微生物和各种腐殖质的生物作用，通过沉淀、过滤和吸附等多种方式综合去除水中大量的有机悬浮物和重金属阳离子的复杂有机反应。在一个综合系统中，悬浮固体的去除主要是通过物理过程在人工湿地完成。例如，当这些悬浮固体与湿地基质、植物的根茎和水草茎之间发生强烈碰撞时，已经被过滤[2]，因此，可以快速去除悬浮固体。而溶解颗粒有机物通常被认为是水中一种可被微生物直接降解的颗粒固体有机物。在实际运行中，在进水系统中经过沉淀或进行过滤后，溶解的颗粒有机物将直接传输出水到周围的诸如植物的块茎或者草根生长区域以及植物基质细胞表面的其他生物细胞膜。根据需要溶解的过氧化物浓度的不同，可通过溶解好氧、缺氧和厌氧三种生物降解。

由于湿地中的氮或氨氮结合存在，所以用于脱硝的氮主要通过水中微生物氨化、硝化和磷的反惰性作用来直接实现。与以往的水利污水处理技术工艺系统相比，湿地处理技术系统在一定程度上能有效去除不易发生降解的杂质有机物，这些研究结果表明，水生植物的消化代谢和直接利用吸收杂质对于难降解杂质有机物的湿地去除过程会有一定抑制作用。因此，湿地处理系统可以在一定的程度上有效处理各种水利工业的废气和生活废水。

2 人工湿地技术的实际应用及问题

（1）对农村地区而言，有不少土地资源可使用，如使用化便器、沉淀罐、厌氧水解池、生物滤池等，处理生活污水十分简单。目前，人工湿地管理技术已成为我国村镇污水处理的主要技术手段之一。而生活污泥的处置通常使用潜流式人工湿地，其不同于面流式人工湿地。潜流人工湿地技术对于氮、磷和悬浮液的去除能力较强，去除率分别可达40%、40%和70%。

（2）在我国，河道、湖泊、公园等城市水域已广泛遭受环境污染，而土与水体的富营养化现象更严重。因此，使用人工湿地技术，能高效解决上述水域的环境污染问题。其中，还有些居住区利用小型人工湿地处理带有污染的雨水。同时他们还能够贮存经处理后的雨水，并将其回收用于社区绿化。此外，还可以利用人工湿地技术处理污泥处理厂的尾水[3]。

（3）人工湿地技术可以修复污染水体，可将城市中的污染水体泵入面流人工湿地进行净化，或者在污染水体周围建立潜流人工湿地，以去除氮、磷和有机物，最后流回地表水体。

（4）人工湿地技术不但能净化本地空气，还能够调控自然天气。根据相关调查发现，在实际应用中，湿地蒸发的水分较多。因此，人工技术培育的植物，增加了湿地的供水能力，这样不但可以合理调控城市的环境温度，还可以合理调控城市附近的天然湿地，从而减少了人工湿地对城市的热岛效应，以此提高了城市空气质量。

（5）人工湿地技术能有效去除污水中的氮、磷。由于大部分地区水体富营养化问题严重，所以污水中含有大量的磷和氮。根据相关研究，传统的污水处理方法虽然能有效处理氮、磷，但会加剧地表水的富营养化[4]。同时，传统脱氮除磷技术的投资成本和使用成本较高，且二次污染明显。但通过借助湿地植物，能高效消除城市污水中的氮、磷等物质，提升了本地饮用水水源的水质。此外，人工湿地技术还有助于补给地下水。目前，由于地下水开发利用空间的逐步拓展，导致地下水资源逐渐减少，使部分区域水位降低的问题更加严峻。但使用人工湿地技术能有效补给地下水，从而避免了地面的沉降。

（6）一般来说，人工湿地系统可以采用多种方式将系统内的自然水转化而成为蒸汽，以增加系统局部空气中的湿度，并通过降雨将其减少到周围区域，从而调节周围气候。相应的科学研究结果表明，湿地面积蒸发热容量通常大约是人工水面蒸发热容量的2～3倍。同时，人工湿地种植的各类湿地各种植被和自然环境驯化的水生生物促进了湿地热容的不断优化，这是人工种植湿地面积蒸发热容量大的主要影响因素，同时，湿地的局部气候调节适应能力强于人工水面也是主要影响因素之一。因此，人工湿地不但可以有效降低一个区域湿地温度，还可以有效改善一个区域湿地空气中的湿度，从而有效缓解湿热岛效应，改善湿地空气质量。同时，通过人工湿地各种植物的水生光合作用和湿地呼吸作用以及地球大气中二氧化碳的动态交换，可有效实现大气中湿地二氧化碳和湿地水的一种动态平衡，从而有效降低了湿地温室极性气体及其二氧化碳的排放含量，这对当地区域的经济发展非常有利。可具体表现出，人工湿地在调节一个区域局部的气候、促进当地经济低碳化和社会发展等多方面具有重要作用。

（7）在实际应用中，如果人工智能湿地保护系统想要达到最优化的效率，至少需要连续两到三个月的生长周期，才能有效保证其稳定正常运行。但目前总体来看，人工利用湿地最主要的技术问题仍然集中在长期优化运行系统设施，除需要对于人工利用湿地系统设施进行长期优化系统设计以及技术研究外，还需要对其长期的系统运行管理能力与运营等问题进行深入研究。

3 人工湿地去污技术原理

3.1 去掉污泥中的矿物质

在人工湿地中，污泥中会存在着许多污染物，而氮肥就是其中一类。污泥中产生的氮肥，主要分为有机氮和无机氮。有机氮主要包括尿素、嘧啶以及嘌呤等，而无机氮则主要包括氨氮、硝酸盐和亚硝酸盐等。所以，许多细菌可以吸附淤泥中的氮。而湿地中的植物在吸收氮肥的同时，也会对土壤起到相应的保护功能，同时，氮肥在实际循环中也会自动溶解并挥发。当这些过程完成后，污泥中的大部分氮肥被吸附并消除[5]。

3.2 去除污水中的磷化合物

污水中的磷是以正磷酸盐、聚磷酸盐以及有机磷的形态共存。人工湿地去除污泥中含磷物质的方式较多，主要分为水生植物吸附、基质植被吸附和土壤吸收、生物同化光合作用、微生物累积光合作用等。大量的实验结果证实，茭白和芦苇结合后能产生较好的除磷效应，除磷概率约在55%～66%之间。

3.3 降解污泥中的有机污染物

人工湿地有很强的降解有机污染物的能力。在城市污水中，其固体有机物主要包括三部分：不溶性污水有机物、可溶污水有机物，以及细粒状污水有机物。这些污染物中的有机污染物，通常直接会被植物的根部或其微生物所吸收，然后作为不溶性水的有机物，再通过有机硝化和其他反应性硝化作用的相互作用，最后通过过滤和沉淀释放出来，再被其他微生物直接分解。而其他可溶性有机物一般直接被植物和其他微生物吸收和综合利用，再进一步转化为氮、二氧化碳和水等无机物。

3.4 去除污水中的悬浮固体

在实际应用中，因污水中含有大量悬浮固体，其中，大部分会含有某些化学污染物，很有可能含有许多致病细菌，会给人类和自然环境带来一定危害。但人工湿地技术可以通过过滤、沉淀和吸附等方式去除细菌和悬浮物，有效提升了污水了净化效率。

4 人工湿地去污技术存在的问题

4.1 脱氮效率较低

在人工湿地系统中，除氮机制有挥发、氨化、硝化与反硝化、植物摄取和基质吸附等作用。在这些方法中，微生物硝化与反硝化是最主要的去除方法。在实际应用中，除氮机制因人工湿地不同种类会有很大差异，所以，除氮效率的差异也就很大。目前，人工湿地的基质大多数使用矿渣、土壤、砂砾和石灰岩，但这些材料去除氮一般没有特别理想的效果。

由于生物脱氮的制约因素为生物反硝化过程，因此，通过为反硝化细菌提供适当的生长环境，就可以促进脱氮工艺的进行，在理论上能够使所在区域达到预定的期望目标。在实际处理过程中，为了提高人工湿地去除氮的生物学能力，最常用的方法之一就是补充液体和固体碳源。但考虑到经济方面的制约问题，天然纤维素和人造高聚物等固体碳源的再生，在节约成本和资源使用方面都是更好的方法，这也是未来的重要研究领域。

4.2 除磷效果不稳定

在人工湿地系统中，除磷主要是通过微生物和植物的吸附过程来进行，因此，基质的选择和基质中的吸附程度对磷的去除效率有显著影响。在实际应用中，沙子和底层土壤对污染物的净化能力和其成分一般是相关的，其成分在大多数情况下影响最大的是活性钙、胶体氧化铁和铝，而沙子和土壤基质中的此类物质通常含少量较少，这就导致这类材质限制了消毒的能力，而人工湿地的吸收又很容易饱和，最终导致去除污染物的效率降低，甚至会失去基质有限的吸附能力，所以，寻找能够高效除磷的特殊填料是当务之急。

4.3 出现堵塞问题

堵塞是人工湿地的常见问题。潮湿的人工湿地表面可以认为是填充基质后的生态过滤器，在其工作过程中，悬浮固体的去除和沉积以及生物的过度生长都会导致湿地堵塞。而湿地堵塞会导致人工湿地系统中出现小面积的环境失衡或死域，导致蚊虫滋生和气味蔓延，从而降低了污染物的去除效率，限制了湿地寿命，甚至本身也会发生环境污染。因此，基质堵塞问题严重影响了人工湿地系统在污水处理领域的推广应用，所以，必须要确定基质堵塞的原因和因素，并根据存在问题找到有效的疏通和防止堵塞的工艺技术。

4.4 运营成本过高

在实际应用中，基质的成本是由湿地单位中填料的体积、质量和高度决定的。总的来说，填料的总成本是建设湿地过程中所有成本中最高的，需要占用总成本的50%左右，数量非常惊人。且当湿地的基质达到饱和阶段，就需要对基质进行替换，就成本而言，这在资源、经济、工程、环境等方面都有一定的限制。一是替换要消耗大量材料，二是运行成本会大幅增加，除此之外，更换不当还会导致整个人工湿地系统的破坏甚至崩溃，因此，基质的选择应基于材料的可用性高、效率好、成本小和无毒的原则。在设计人工湿地时，选择的基质应首先考虑当地的高性能材料，且在可以去除污染物的同时，还要考虑到改善人工湿地的废水处理成本和降低其他后续成本的问题，尽可能的要延长生态工程系统的使用寿命。

5 结语

综上所述，人工湿地处理系统的具体实施模式是一种集湿地环境效益、经济效益和其他社会效益于三位一体的湿地污水综合处理系统模式，其投资少，日常管理运行维护成本低。此外，人工湿地处理污水具有脱氮效果好、除氮和磷净化能力强、对湿地负荷温度变化大的适应性强等几大特点。因此，更适用于处理技术低和管理水平低、处理水量小的城市污水工程。