人工濕地污水處理技術(shù)綜述

龔 帆， 王文成， 趙吉?jiǎng)?/p>

1.中海船研科技股份有限公司 環(huán) 境工程事業(yè)部，上海200135；2.營(yíng)口港務(wù)集團(tuán)有限公司，遼寧 營(yíng) 口115007

0 引 言

近年來(lái)水污染日益嚴(yán)重，現(xiàn)有常規(guī)水處理工藝已難以適應(yīng)復(fù)雜的水質(zhì)狀況。因此，尋找一種高效、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的水處理技術(shù)十分必要。人工濕地作為一種正在發(fā)展的廢水處理工藝，已經(jīng)在歐洲得到推廣應(yīng)用。但是在國(guó)內(nèi)，相關(guān)的研究尚處在研究階段。因此，深入研究和掌握人工濕地處理技術(shù)并設(shè)法將其應(yīng)用到污水處理工程中，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 人工濕地的定義

人工濕地是由人工建造和控制運(yùn)行的與沼澤地類似的地面。美國(guó)Hammer博士將其定義為“為了人類的利用和利益，通過(guò)模擬自然濕地，人為設(shè)計(jì)與建造的由飽和基質(zhì)、挺水植物與沉水植物、動(dòng)物和水體組成的復(fù)合體”［1］。在設(shè)計(jì)和建造人工濕地過(guò)程中，可以在進(jìn)水方式、填料及植物等方面進(jìn)行選擇和搭配，來(lái)優(yōu)化人工濕地生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物作用，通過(guò)3個(gè)方面的協(xié)同作用來(lái)去除污水中的污染物，使水質(zhì)得到凈化［2］。

運(yùn)用人工濕地處理污水可追溯到1903年，建在英國(guó)約克郡Ear by的人工濕地，被認(rèn)為是世界上第一個(gè)用于處理污水的人工濕地，連續(xù)運(yùn)行直到1992年。而人工濕地生態(tài)系統(tǒng)在世界各地逐漸受到重視并被運(yùn)用，還是在20世紀(jì)70年代德國(guó)學(xué)者Kichunt h提出根區(qū)法（t he root－zone－met hod）理論之后開(kāi)始的。根區(qū)法理論強(qiáng)調(diào)高等植物在濕地污水處理系統(tǒng)中的作用：

1.能夠?yàn)槠涓鶉漠愷B(yǎng)微生物供應(yīng)氧氣，從而在還原性基質(zhì)中創(chuàng)造一種富氧的微環(huán)境，微生物在水生植物的根系上生長(zhǎng)，就與較高的植物建立了共生合作關(guān)系，增加廢水中污染物的降解速度；在遠(yuǎn)離根區(qū)的地方為兼氧和厭氧環(huán)境，有利于兼氧和厭氧凈化作用。

2.水生植物根的生長(zhǎng)有利于提高床基質(zhì)層的水力傳導(dǎo)性能［12］。

2 人工濕地的組成

人工濕地由以下五部分組成：（1）各種透水性的基質(zhì)，如土壤、砂、礫石；（2）在飽和水和厭氧基質(zhì)中生長(zhǎng)的植物，如蘆葦；（3）水體（在基質(zhì)表面下或表面上流動(dòng)的水）；（4）好氧或者厭氧微生物種群；（5）無(wú)脊椎或脊椎動(dòng)物。其中微生物、水生植物以及基質(zhì)是人工濕地的主要組成部分，也是影響污染物去除率的重要因素［3］。

3 人工濕地的污染物去除機(jī)理［6－7］

人工濕地可通過(guò)水體、基質(zhì)、水生植物、微生物和腐殖化碎屑之間一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)和生化反應(yīng)，通過(guò)沉淀、過(guò)濾、吸附、離子交換、植物吸收和微生物分解、轉(zhuǎn)化及吸收途徑實(shí)現(xiàn)對(duì)水中諸如懸浮物、有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)元素、金屬離子、病原體和難降解有機(jī)物等污染物的去除。

1.人工濕地對(duì)懸浮物的去除主要是通過(guò)物理過(guò)程進(jìn)行，如沉淀和過(guò)濾作用。

2.人工濕地對(duì)一部分有機(jī)物的去除是通過(guò)植物的吸收作用，但不是最主要的；微生物生長(zhǎng)和基質(zhì)形成的生物膜對(duì)污水有機(jī)物的降解才起主要作用。根據(jù)生物膜溶解氧濃度的不同，分為好氧、缺氧和厭氧進(jìn)行降解。

3.人工濕地對(duì)氮的去除主要是通過(guò)基質(zhì)的吸附、過(guò)濾、沉淀、揮發(fā)、植物的吸收和微生物的硝化、反硝化作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.人工濕地對(duì)磷的去除作用包括基質(zhì)的吸收和過(guò)濾、植物吸收、微生物去除及物理化學(xué)作用。

5.人工濕地對(duì)金屬離子的去除途徑主要有植物的吸收、生物富集作用、基質(zhì)的吸附沉淀作用和硫化物沉淀作用。

6.人工濕地對(duì)病原體的驅(qū)逐主要靠植物根系分泌物對(duì)病原體的滅活作用、基質(zhì)層的沉淀和過(guò)濾作用以及紫外線的照射作用。

7.人工濕地對(duì)難降解有機(jī)物的去除主要靠水生植物的代謝作用和直接吸收，此外還與濕地中存在的種類繁多、數(shù)量巨大的微生物群落有關(guān)。

4 人工濕地的類型［4－5］

按照工程設(shè)計(jì)和水體流態(tài)的差異，人工濕地污水處理系統(tǒng)可以分為表面流濕地、水平流濕地和垂直流濕地3種主要類型（圖1）。各類型在運(yùn)行、控制等方面的諸多特征存在著一定的差異。

圖1 人工濕地的類型及其構(gòu)造

4.1 表面流人工濕地

表面流人工濕地類似天然沼澤，水面暴露于大氣，污水在人工濕地基質(zhì)表面漫流，水位較淺，為0.1～0.6 m。表面流濕地不需要砂礫等物質(zhì)作填料，造價(jià)較低、操作費(fèi)用較低，但水力負(fù)荷較低、占地面積大。其中絕大部分有機(jī)物的去除是由生長(zhǎng)在植物水下部分的莖、桿上的生物膜來(lái)完成，所以這種系統(tǒng)難以充分利用生長(zhǎng)在基質(zhì)表面的生物膜和生產(chǎn)豐富的植物根系對(duì)污染物進(jìn)行降解。其處理能力較低，對(duì)氨氮的去除率偏低。冬季北方地區(qū)表面會(huì)結(jié)冰，影響處理效果。

4.2 水平流人工濕地

水平流濕地系統(tǒng)中，污水由一端進(jìn)入，經(jīng)過(guò)配水系統(tǒng)（一般由卵石構(gòu)成）均勻進(jìn)入基質(zhì)層，基質(zhì)層一般由土壤和礫石構(gòu)成。表層土壤上栽種耐水植物，通常是蘆葦，這些植物有發(fā)達(dá)的根系，可以深入到表土以下0.6～0.7 m的基質(zhì)層中。根系交織成網(wǎng)，與基質(zhì)一起構(gòu)成1個(gè)透水的系統(tǒng)。同時(shí)，根系具有輸氧功能，在根的周圍水中溶解氧濃度較高，適宜好氧微生物的活動(dòng)，對(duì)BOD、COD等有機(jī)物和重金屬等去除效果好。在水平流人工濕地中，污水在濕地床的內(nèi)部流動(dòng)，因而一方面可以充分利用基質(zhì)表面生長(zhǎng)的生物膜、豐富的植物根系及表層土和基質(zhì)發(fā)揮截留作用，另一方面由于水流在地表以下流動(dòng)，故具有保溫性好、處理效果受氣候影響小、衛(wèi)生條件好的特點(diǎn)。這也是目前研究最為廣泛的一種人工濕地系統(tǒng)。

4.3 垂直流人工濕地

在垂直流濕地系統(tǒng)中，污水水流方向和床區(qū)垂直，其水流綜合了前兩者的特點(diǎn)。污水被投配到床區(qū)表面后，淹沒(méi)整個(gè)表面，隨后逐步垂直滲流到底部，由底部的集水系統(tǒng)收集后排放。但其建造要求較高，至今尚未廣泛使用。

5 人工濕地與傳統(tǒng)水處理工藝的優(yōu)缺點(diǎn)比較［8－10］

與傳統(tǒng)污水處理手段相比，人工濕地污水處理技術(shù)有著自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也存在一定的不足。

5.1 優(yōu)勢(shì)

1）投資少，建設(shè)、運(yùn)營(yíng)成本低廉

國(guó)內(nèi)外研究實(shí)踐表明，人工濕地處理污水的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本低廉，并且易于維護(hù)，其建設(shè)成本（噸污水投資）和運(yùn)營(yíng)成本（噸污水處理費(fèi)）約為傳統(tǒng)污水處理廠成本的10%～20%，從而能夠節(jié)省大量的資金，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2）污水處理系統(tǒng)組合的多樣性、針對(duì)性

人工濕地污水處理系統(tǒng)一般由人工基質(zhì)和水生植物兩部分組成。人工基質(zhì)又稱為填料，一般由土壤、細(xì)沙、粗砂、礫石、灰渣及石灰石、沸石等組成。不同的基質(zhì)對(duì)同種污染物質(zhì)的處理能力是不同的，并且某些基質(zhì)的組合要優(yōu)于單一基質(zhì)的處理能力。因此，根據(jù)污水中污染物的種類、特征可以選取不同的基質(zhì)或采取幾種基質(zhì)的組合。如以石灰石作為基質(zhì)可以有效地去除P，而要去除TN、TP最好采用沸石與石灰石組合的基質(zhì)。

水生植物的類型也是多種多樣的，一般以挺水植物為主。目前研究、運(yùn)用較多的水生植物有蘆葦、燈心草、寬葉香蒲、茭白、浮萍、美人蕉、紅楓、鳳眼蓮、茳芏等。研究表明，不同的植物類型對(duì)污染物質(zhì)具有一定的針對(duì)性。如茭白、蘆葦對(duì)N、P污染物有較好的去除作用，寬葉香蒲對(duì)Pb、Zn、Cd等重金屬有較好的去除作用。植物的選取還要參考成活率（當(dāng)?shù)氐闹参镱愋统苫盥矢撸?、?jīng)濟(jì)價(jià)值、衍生的微生物種群等。

由此可見(jiàn)，人工濕地污水處理系統(tǒng)組合的多樣性、針對(duì)性可以使我們根據(jù)需要靈活地進(jìn)行選擇。

3）處理污水的高效性

人工濕地處理污水的效果優(yōu)于傳統(tǒng)的污水處理工藝。在進(jìn)水濃度較低的情況下，一般對(duì)污水中BOD的去除率在85%～95%；COD去除率＞80%；對(duì)N的去除率可達(dá)60%；對(duì)P的去除率＞90%；對(duì)農(nóng)藥類，細(xì)菌總數(shù)等去除率＞90%；對(duì)重金屬如Fe、Cu、Pb、Zn等的去除率也很高，大都＞90%。但是由于濕地類型、基質(zhì)和植物的選取、氣候、污染物的濃度等方面的差異，污染物的去除率具有一定的波動(dòng)范圍。

人工濕地使用純生物技術(shù)進(jìn)行水質(zhì)凈化，而污水處理廠則使用化學(xué)方法。因此，污水處理廠在處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量富含有害化學(xué)成分的淤泥、廢渣影響環(huán)境，而人工濕地則不存在二次污染。

4）獨(dú)特的綠化環(huán)境功能

人工濕地同自然濕地一樣，由于栽種有大量的水生植物，所以對(duì)環(huán)境起到了綠化的作用。成規(guī)模的人工濕地不但可以迅速增加綠地面積、消除城市熱島效應(yīng)，還能為人們提供一個(gè)優(yōu)美的、新型的城市生態(tài)景觀。

5.2 不足

1）受氣候條件限制較大

人工濕地栽種的植物類型恰當(dāng)與否，直接關(guān)系著系統(tǒng)處理污水的效率和經(jīng)濟(jì)效益。而植物類型的選取受到了氣候條件的限制。在我國(guó)北方，冬季氣溫低，此種氣候條件不適合美人蕉等熱帶植物的正常生長(zhǎng)和污水處理功能的正常發(fā)揮，只能選取溫帶或部分亞熱帶植物作為凈污植物。此外，冬季地表水結(jié)冰，抑制了水的流動(dòng)，所以表面流濕地在北方城市的冬季是不可行的，只宜采用潛流濕地。

2）占地面積相對(duì)較大

人工濕地凈污的效果與污水在濕地中流動(dòng)的時(shí)間和空間充足與否有著很大的關(guān)系。其次，當(dāng)系統(tǒng)中的填料和植物納污達(dá)到飽和程度時(shí)需要用備用池來(lái)交替運(yùn)行。另外，為防止淤積，往往建造預(yù)處理池對(duì)污水進(jìn)行先期處理。所以，與傳統(tǒng)的污水處理廠相比，人工濕地污水處理系統(tǒng)需要較大的占地面積，一般認(rèn)為約為傳統(tǒng)污水處理廠的2～3倍。其中表面流濕地由于水力負(fù)荷小，需要較大的占地面積。因此，人工濕地系統(tǒng)在選址時(shí)要考慮到環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益綜合最優(yōu)化、規(guī)模化的因素，尤其是在空置土地比較少的大城市。最佳的解決辦法就是將工程選址在市郊區(qū)域，這樣不但不占用寶貴的市區(qū)土地資源，而且還可以減輕風(fēng)沙等對(duì)市區(qū)環(huán)境的影響。

3）容易產(chǎn)生淤積、飽和現(xiàn)象

人工濕地能有效地去除污水中的有機(jī)物、懸浮物、TN、TP、SS、重金屬、病原體等污染物質(zhì)。但是隨著時(shí)間的推移，部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)逐漸地積累，濕地中的微生物相應(yīng)地繁殖，如果維護(hù)不當(dāng)，便很容易產(chǎn)生淤積、阻塞現(xiàn)象，使水力傳導(dǎo)性、濕地處理效果和運(yùn)行壽命降低；隨著污水處理過(guò)程的不斷運(yùn)行，數(shù)年內(nèi)基質(zhì)的吸附能力通常會(huì)趨于飽和，也會(huì)影響濕地的處理效果。排除淤積、飽和現(xiàn)象的最佳途徑是，在有備用池的前提下，定期地對(duì)基質(zhì)進(jìn)行去淤、更換，對(duì)植物進(jìn)行收割。此外，人工濕地中栽培的植物還易受到病蟲(chóng)害、火災(zāi)的威脅以及自身生長(zhǎng)周期的影響，也是應(yīng)該加以重視的問(wèn)題。

4）見(jiàn)效慢

據(jù)已有數(shù)據(jù)，當(dāng)上下表面植物密度增大時(shí)，人工濕地系統(tǒng)處理效率提高，在達(dá)到其最優(yōu)效率時(shí)，需2～3個(gè)生長(zhǎng)周期，所以建成幾年后才能完全穩(wěn)定地運(yùn)行。

6 人工濕地在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用前景

人工濕地是一個(gè)綜合的生態(tài)系統(tǒng)，它根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)中物種共生、物質(zhì)循環(huán)再生原理，結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)原則，在促進(jìn)廢水中污染物質(zhì)良性循環(huán)的前提下，充分發(fā)揮資源的再生潛力，防止環(huán)境的再污染，獲得污水處理與資源化的最佳效益。這是一種較好的生態(tài)廢水處理方式，比較適合于處理水量不大、管理水平不高的城鎮(zhèn)污水和較分散的污水的處理［11］。

在我國(guó)近年來(lái)廢水排放量日益增加，水污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，城市污水處理主要采用傳統(tǒng)的二級(jí)活性污泥處理工藝，其工程投資高、耗能大、運(yùn)行管理要求高。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有限、能源短缺，許多地方尤其中小城市和鄉(xiāng)村缺乏具有一定操作管理水平的人員。對(duì)于這些資金少、技術(shù)力量薄弱的中小城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)，無(wú)力拿出太多的資金用于污水處理廠的建設(shè)和運(yùn)行。而人工濕地作為一種天然的“污水處理廠”，其高效、簡(jiǎn)易、低耗的特點(diǎn)就顯得意義重大。在人口密度較低、污染排放較少的農(nóng)村地區(qū)，“人工濕地”生活污水處理設(shè)施有很多優(yōu)點(diǎn)，該處理設(shè)施充分利用農(nóng)戶住房周邊的地形特點(diǎn)，因地制宜、實(shí)施簡(jiǎn)單，可造在住宅旁的空地上，也可利用水塘以及景觀池改造；規(guī)?？纱罂尚?，如20～30戶家庭共用一塊，或每戶造一塊；投資少，維護(hù)方便，且占地面積小，可配合種植水生植物，還可達(dá)到美化景觀的效果。

7 結(jié) 語(yǔ)

人工濕地污水處理廢水具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益，在污水處理的同時(shí)能獲得資源化，是正在不斷得到研究、應(yīng)用和發(fā)展的污水處理實(shí)用技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)符合我國(guó)國(guó)情，尤其適合于廣大農(nóng)村、中小城鎮(zhèn)的污水處理，具有極其廣闊的應(yīng)用前景。然而國(guó)內(nèi)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的研究應(yīng)用尚處于起步階段，有關(guān)工藝設(shè)計(jì)資料和應(yīng)用實(shí)例還不多見(jiàn)。

人工濕地系統(tǒng)是一項(xiàng)新興的廢水處理技術(shù)，其中有許多不足或需改進(jìn)之處，但是隨著時(shí)間的推移，在廣大科研工作者和其他社會(huì)力量的共同努力下，這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)日趨成熟，造福于人類。

［1］ Hammar D A.Constructed wetland for wastewater treat ment［M］.Michigan：Lewis Publishers lnc.1989.

［2］ US EPA.Constr ucted wetlands treat ment of municipal wastewaters manual［M］.Cincinnati Ohio，2000.

［3］ 沈耀良，楊銓大.新型廢水處理技術(shù)——人工濕地［J］.污染防治技術(shù)，1996，9（1－2）：1－8.

［4］ 王世和，王薇.潛流人工濕地的運(yùn)行特性研究［J］.中國(guó)給水排水，2003，19（4）：9－11.

［5］ 莫鳳鸞.高效垂直流人工濕地污水處理系統(tǒng)實(shí)踐研究［D］.中南林學(xué)院碩士論文，2004.

［6］ 吳獻(xiàn)花，侯長(zhǎng)定，王林，等.人工濕地處理污水的機(jī)理［J］.玉溪師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，18（1）：103－105.

［7］ 吳曉磊.人工濕地廢水處理機(jī)理［J］.環(huán)境科學(xué)，1995，16（3）：83－86.

［8］ 彭英超，朱國(guó)洪，尹國(guó)，等.人工濕地處理污水的研究［J］.重慶環(huán)境科學(xué)，2000，22（6）：43－45.

［9］ 項(xiàng)學(xué)敏，宋晨，周集體，等.人工濕地水處理技術(shù)研究進(jìn)展存在問(wèn)題與改進(jìn)［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2006（10）：101－102.［10］ 姚枝良，聞岳，李劍波，等.人工濕地處理系統(tǒng)的運(yùn)行管理與維護(hù)［J］.四川環(huán)境，2006（5）：41－44.

［11］ 于榮麗，李亞峰，孫鐵珩.人工濕地污水處理技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2006（9）：29－31.

［12］ 徐琦.人工濕地—污水處理新出路［J］.環(huán)境經(jīng)濟(jì)：中國(guó)環(huán)境報(bào)社，2005（z1）：78－80.