浅析潜流湿地在北方尾水净化中的应用

刘志军 彭传国 孙 康

（武汉泽水生态环境科技有限公司 湖北武汉 430070）

引言

随着环境保护重要性的持续凸显，国家对水污染的治理力度不断加大，排放标准日趋严格。许多污水处理厂需要通过尾水深度净化来实现提标，工程出水水质要求达到 《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）V 类，甚至IV 类标准。人工湿地因具有运行费用低、维护管理简单方便、生态景观效果好等优点，成为了尾水深度净化的热门工艺[1]，得到了国家和地方的大力支持，比如《山西省水环境质量巩固提升2021 年行动计划》中就明确提出要“推动城镇污水处理厂出口人工湿地建设”。我国北方地区气候寒冷，尾水人工湿地必须具备良好的保温性以保证冬季净化效果，因此以保温性能好的潜流型为主。

1 潜流人工湿地的定义及形式

人工湿地是指通过工程化模拟自然湿地，人为设计、建造的由“基质填料-水生植物-微生物-水体”组成的四位一体复合水体净化生态系统，依靠系统内物理、化学和生物的三重协同效应，通过过滤、吸附、共沉、离子交换、化学转化、植物吸收和微生物降解等作用，并利用流体动力学原理，实现对污水的高效净化[2]。人工湿地按照水流型态，分为表面流人工湿地和潜流人工湿地。其中表面流人工湿地是指水面在表层填料以上，污水从池体进水端水平流向出水端的人工湿地。潜流人工湿地是指水面在表层填料以下，污水垂直或水平流过填料的人工湿地，潜流人工湿地又可分为水平和垂直潜流人工湿地两种类型[3]。

水平和垂直潜流人工湿均由进水系统、填料床、湿地植物、出水系统几部分组成。来水通过进水系统进入填料床，被填料及填料床内的植物根系净化后由出水系统排出。水平和垂直潜流人工湿地主要区别在于进水和出水系统不同，水平潜流人工湿地是沿填料床水平方向一侧进水另一侧出水，水在填料床中沿水平方向流动；而垂直潜流人工湿地是从填料床顶部或底部进水，另一侧出水，水在填料床中沿竖直方向流动。

2 潜流人工湿地对污染物的净化原理

潜流人工湿地对污染物的净化包括物理、化学和生物的三种作用。填料床内充满了颗粒状填料以及湿地植物的根系，比表面积大，为微生物提供了良好的生长繁殖场所。污水在填料床内流动过程中，水中污染物会被填料的物理、化学吸附作用，以及微生物的吸收、同化及异化作用共同去除。植物、填料、微生物的具体作用如下。

（1）植物的作用

湿地植物对填料床表面的覆盖以及植物根系的固定作用能有效提升填料床的稳固性，在一定程度上对湿地进行保温，促进填料的物理、化学吸附以及填料床内生物膜的生长。植物还能起到调节污水流速的作用，提升配、收水均匀性，避免湿地短流。

除此之外，植物还能通过植物机体对氧的传导作用将光合作用产生的氧气传导、释放至植物根系周边区域，形成氧传导通道。由于潜流湿地填料床位于地下而且填料厚度较深，床内容易缺氧，而植物对氧的传导能有效提升填料床内的氧浓度，为硝化细菌等好氧微生物的生长提供条件，提高根际生物量，促进硝化反应的进行，提升湿地对COD 和氨氮的处理能力。

对于冬季寒冷的北方地区来说，植物还有一个非常重要的作用，就是防止人工湿地系统结冰。已经死亡的挺立植物与冬季降雪起到保温层作用，防止人工湿地系统对污染物的去除能力大幅度降低。

（2）填料的作用

填料是潜流人工湿地的核心组成部分，被称作高效的“活过滤器”，潜流湿地系统中大部分的物理、化学和生物反应都在填料中进行。填料在污水净化过程中起到重要作用，一是为水生植物提供载体，使得植物根系对污染物质进行有效地吸收、转化、降解；二是为净水微生物提供稳定的依附表面，使微生物能快速生长，大量繁殖，促进污水中污染物质的分解、转化和生物固定化；三是利用填料的吸附作用，以及填料中的无机、有机胶体的络合和沉淀作用来净化水体。

（3）微生物的作用

潜流湿地污水处理系统对污染物的净化是依靠植物、填料以及微生物三者共同实现的。其中，微生物在对污染物的吸附和降解中起着核心的作用。在填料床不同区域，生长着各种好氧、兼氧及厌氧微生物。

在削减有机物方面，微生物可将一部分有机物氧化分解，进而产生CO2和H2O 等稳定的无机物，并从中获取新细胞物质所需的能量，另一部分有机物则被微生物利用，合成代谢为新细胞组织。在削减氮方面，微生物则主要依靠氨化、硝化和反硝化作用来去除。在削减磷方面，微生物主要依靠自生的同化作用将水体中的含磷污染物转化为微生物机体，但因为磷无法转化为气态，除磷不能像除氮那样通过硝化和反硝化作用转化为气态实现完全去除，避免二次污染，在微生物死亡后，富集于微生物体内的磷还会再次回到水环境中。即便如此，微生物能通过体内酶促反应，将难降解的有机磷转化分解为容易被填料化学吸附以及根系吸收的无机磷，提升填料及植物的除磷能力，促进植物的生长。

3 潜流湿地的设计要点

（1）北方地区应结合实际气候合理设计填料厚度

北方地区冬季气候寒冷，冻土层厚度普遍较厚，冬季潜流人工湿地的填料床有效填料厚度会受到较大影响，在设计时需充分考虑此不利影响，适当加深填料床厚度，保证冬季湿地的处理规模和出水水质满足设计目标需求。

（2）潜流湿地必须做好填料选择

填料床是潜流湿地的工程核心，填料的选择尤为重要。填料应具有较高的强度和耐磨损能力，保证湿地使用寿命，同时还要比表面积大，生物亲和性好，能让微生物快速形成生物膜，保证净化能力。除此之外，填料还要性质稳定，不能释放污染物，避免因填料选材不当造成二次污染，主要技术指标应符合相关规范规定。填料选择在保证处理效果的前提下，应兼顾当地资源状况，选用砾石、碎石、卵石、沸石、火山岩、陶粒、石灰石、矿渣、炉渣、蛭石、高炉渣、页岩或钢渣等材料，也可采用经过加工和筛选的碎砖瓦、混凝土块材料或对生态环境安全的合成材料。

（3）湿地植物的选择必须兼顾功能性、景观性和安全性，适宜本地气候

适宜本地气候是潜流湿地植物选择的前提，若植物无法正常生长，植物的净化能力和景观效果均无从谈起。在保证适宜本地气候的前提下，去污效果好则是湿地植物选择的首要原则，为了提高湿地的去污能力，在选择植物时应选择根系发达、生物量大、单位面积污染物去除率高的植物。

在湿地公园理念逐渐深入人心的当下，湿地的设计普遍需要融入园林景观设计元素，因此湿地植物不能片面追求功能性，还必须兼顾景观性。除此之外，湿地植物应优先选用本土植物，慎重引入外来植物，避免引发生物安全性问题。

（4）必须做好布水和收水系统设计

布水和收水系统直接关系湿地是否会出现短流，水流是否通畅，对湿地的处理效率有重要影响。设计时必须保证布水和集水的均匀性和可调性。潜流人工湿地应设置防止水量冲击的溢流或分流设施；分区设计时，应考虑分水井、分水闸门、溢流堰等分流设施。当处理规模波动较大时，应考虑水量调节或溢流设施。为保证湿地水位可调性，出水处应设置可调节水位的弯管、阀门等。为防止短流、布水收水不均，布收水系统在布置时可考虑采取多点布水、湿地单元间设可切换的连通管渠，设置排空设施、拦水及超越管，设置消能、防冲刷设施等方法。

（5）必须充分考虑应急工程

尾水人工湿地处理对象为污水处理厂尾水，当污水处理厂进水异常或运行出现问题时可能会导致湿地进水水质严重超标，进而伤害湿地植物，影响填料使用寿命。因此必须考虑必要的应急工程，比如增加进水水质在线监测设施，在湿地进水处设超越管、事故池等设施。

（6）湿地必须做好防洪设计

尾水净化湿地多修建于临水区域，普遍存在一定防洪风险，而洪水会严重破坏潜流湿地，造成填料堵塞，影响湿地使用寿命，因此必须做好防洪设计，潜流人工湿地的防洪标准不宜低于20 年一遇。

4 潜流湿地的施工要点

（1）必须保证潜流人工湿地填料床内填料的清洁

未经清洁的填料会造成湿地的填料床出现堵塞、板结、短流等一系列问题，还可能影响湿地配水和收水系统的正常运行，严重影响湿地的处理效果和使用寿命。因此在选料、洗料、堆料与撒料的过程中必须保证填料清洁。

（2）湿地底部必须做好防渗

潜流人工湿地普遍面积较大，防渗工程面积也相应较大，加之湿地工程水力停留时间长，若未做好防渗，可能出现工程漏水严重，出水水量锐减，湿地植物因缺水大片死亡等严重事故，因此必须做好底部防渗。

（3）必须做好植物种植

北方地区气候寒冷，必须选择合适的时间段种植植物，应合理安排起苗时间和栽种时间，水生植物自起苗开始暴露时间不宜超过8h，起苗数量不宜超过当日能完成的种植量。植物种植前宜清洗种苗，灭杀有害生物，防止外来入侵物种。水生植物种植前应对植物种苗分散整理，选用生长状态良好、茎叶壮硕的植株。植物运输过程需做保湿处理。水生植物种植前，应合理修剪植株茎叶。水生植物种植时，应保持填料湿润，种植密度应符合设计要求，种植方式应采取等间距错行种植。水生植物种植后，应及时提升并保持一定水位，水面宜高出填料表面10-15cm，然后视植物根系生长状况，逐渐恢复正常运行水位。

5 潜流湿地运维要点

（1）北方地区冬季寒冷，需要采取合理的保温措施保证冬季潜流湿地的正常运行

北方寒冷地区冬季采取的保温措施一般包括湿地植物覆盖、地膜覆盖和提高运行水位三种。其中植物覆盖是将潜流湿地顶部收割的植物残体进行二次利用，将其均匀覆盖于潜流湿地表面以此来对湿地填料层进行保温，待解冻之后需将覆盖的植物残体外运，防止腐烂于湿地床内。地膜覆盖是将农用塑料薄膜覆盖填料层表面进行保温。提高运行水位是在冬季提升潜流湿地的运行水位，使湿地填料层表面形成一层冰封保温层，以此来保证下层填料温度。

这三种方式可以单独实施，也可根据项目实际情况，选择性地结合实施。通过合理选取冬季保温方式，能有效提升冬季填料层内温度，提升冬季湿地处理效率。除此之外，冬季还需要定期做人工湿地的冻土深度测试，掌握人工湿地系统的运行状况，以此来调整保温方式。

（2）及时处理填料堵塞问题

尽管污水处理厂尾水SS 浓度较低，但由于湿地填料内生物膜的代谢依然会在一定程度上导致湿地堵塞。潜流湿地填料堵塞可分为轻度堵塞、中度堵塞及严重堵塞三种，应对不同的堵塞有不同的处理方式。

当某块湿地分区出水水量明显小于其它分区，但填料层表面还未出现明显积水时，则此湿地分区可判断为轻度堵塞。在湿地出现轻度堵塞时，需先判断是配水管堵塞还是填料堵塞，若是配水管堵塞则需要对管道配水孔进行清理，若是填料堵塞则将此分区进行放空，空床期一般为1-2 周，具体放空时间根据气温、水质以及填料表面生物膜生长情况，植物生长情况等因素综合确定。

当某块湿地分区不仅出水水量明显小于其它分区，填料床表面还出现明显积水时，则此湿地分区可判断为中度堵塞。当湿地出现中度堵塞时，一般需要同时清理配水管道及填料。对管孔进行疏通，清理管道内积泥及植物根系残体，保证配水畅通。将填料床中上层填料进行翻动，清除板结区域，保证填料恢复疏松离散状态，并对此湿地分区进行放空，空床期一般为1-3 周，并在恢复运行后进行重点观察，一方面关注堵塞恢复情况，排水是否顺畅；一方面关注微生物膜及植物生长状况，保证湿地整体得到良好恢复。

当某块湿地分区出水严重变小甚至断流，配水渠及填料床壅水严重，填料板结区面积大、深度厚时，则此湿地分区可判断为严重堵塞。当湿地出现严重堵塞时，依靠放空已很难恢复填料床透水性，此时除需要清理配、收水管外，还须将堵塞区填料挖出进行清洗晾晒后回填或是直接更换新填料。

（3）尾水人工湿地须加强与污水处理厂联动管理

当污水处理厂尾水排放超标，严重超过人工湿地设计进水水质标准时，来水可能对潜流湿地的填料和植物造成不可逆的严重毒害，会严重影响湿地使用寿命，因此必须加强两者的联动管理，特别是在尾水人工湿地与污水处理厂归属不同运营单位时。在污水处理厂出水水质超出人工湿地处理能力时，通过超越管排入事故池或回流，避免直接进入潜流湿地内。若严重超标污水进入了人工湿地系统，应及时对湿地进行排空，并对填料床进行晒床1－2 天，严重时需更换填料。

（4）需要保证科学合理的湿地植物管理

由于潜流湿地填料床透水性强，在湿地植物种植后，为保证植物正常生长，必须第一时间对填料床通水并保证填料床内水位，可适当使水位超出填料层高度，并保持一段时间，待植物根系稳固后再恢复正常水位运行。植物初次种植后往往会出现一些死亡现象，需要及时进行补种以保证湿地运行效果，除此之外还需要做好清杂及病虫害防治工作，在植物密度过高时应对植物进行适当收割处理，保证植物密度在合理区间范围内。由于湿地工程主要目的是净化污水，为了避免影响出水水质，在维护湿地植物时应尽量避免使用农药、化肥。

6 潜流湿地的优势

潜流湿地处理北方地区污水处理厂尾水具备以下优势。

（1）北方地区气候较为寒冷，冬季植物难以生长，相较于生态塘、表面流人工湿地等土地处理工艺，潜流湿地保温性能好，受气温影响小，能保证冬季运行效果[4]。

（2）潜流湿地因填料及配水管较易堵塞，对进水SS 浓度要求较高，而污水处理厂尾水一般经过二沉池沉淀，SS 浓度很低，能满足潜流湿地进水要求，使得潜流湿地不易堵塞且不需额外修建进水预处理设施。

（3）污水处理厂尾水中污染物浓度相对较低，潜流湿地综合了物理、化学和生物三种净化方式，在低浓度进水条件下对污染物具备良好的去除效果，运行效果好，而且较低浓度的进水能保证湿地具备较长的使用寿命[5]。

（4）潜流湿地不容易滋生蚊蝇，卫生状况较好，能呈现自然生态的湿地景观，而且运行能耗低，维护管理方便。

7 潜流湿地的不足

潜流湿地处理北方地区污水处理厂尾水具有以上诸多优势，但还存在以下问题和不足。

（1）潜流人工湿地虽然相较于生态塘、表面流人工湿地等土地处理工艺的单位面积处理能力更强，但整体用地面积依然偏大，在土地资源紧缺的城镇地区受到的制约较大。

（2）潜流人工湿地的核心是填料床，填料床由碎石、火山岩、沸石等填料填充而成，填料用量较大。北方地区由于冬季气温低，冻土层较厚，为保证湿地运行效果，填料床普遍较深，这又进一步加大了填料用量。近年来，随着石料开采的管控越来越严，填料价格快速上涨，潜流湿地造价越来越高。

（3）洪水泥沙量普遍较大，潜流湿地为避免填料堵塞，对防洪要求较高，而污水处理厂为了排水方便，普遍修建于河渠周边，此区域存在一定防洪风险。潜流湿地的建设必须考虑工程防洪，既需要保证湿地本身不受洪水影响，又不能因湿地工程的建设影响河道行洪，威胁周边区域的防洪安全，这在一定程度上限制了尾水人工湿地的实施，增加了工程难度。

（4）北方地区气候寒冷，尽管潜流湿地保温性较好，但是许多湿地植物冬季依然难以生长，而且冬季微生物生长代谢比较缓慢。植物和微生物净化能力的降低在一定程度影响了潜流湿地冬季运行效果。除此之外，为了保证湿地净化能力和生态景观效果，北方地区潜流湿地在春季往往还面临植物补种等工作[6]，这又会增加工程运行成本。

8 潜流湿地的发展方向

采用潜流湿地处理北方地区污水处理厂的尾水有优势也存在一些问题和不足，未来可以从以下几方面入手，作为发展及提升方向。

（1）开发新型湿地填料，提升单位体积填料的净化能力，减少工程填料用量，以此来减少工程用地面积，降低工程建设成本。

（2）开发新型潜流湿地型式，提升湿地冬季处理能力，抗堵塞能力，使湿地具备良好的反冲洗能力，提升湿地使用寿命。

（3）驯化培养耐寒性好、净化能力强的湿地植物，改善湿地冬季处理能力减弱的问题，从而提升冬季湿地景观。

（4）开发新型组合工艺，将潜流湿地与膜处理、生物滤池、生态塘等工艺相结合，提升工程总体净化能力和耐冲击能力，保证出水水质稳定达标。

结语

随着对环境的要求不断提高，污水处理厂尾水深度净化需求越来越多，而人工湿地是此领域的主流工艺之一。潜流湿地因其具有保温强、易运维、景观好等优点，在北方地区有良好的应用前景，但也存在工程面积大、建设成本较高、冬季运行效果相对较差等一系列问题需要克服。未来潜流湿地还会在新型填料、新型湿地等方向进一步深化发展，来契合北方地区污水处理厂尾水深度净化的需求。