人工濕地處理生活污水的研究進展

金偉

（中國環(huán)境管理干部學院，河北 秦皇島 066102）

人工濕地處理生活污水的研究進展

金偉

（中國環(huán)境管理干部學院，河北 秦皇島 066102）

人工濕地在處理生活污水方面的應用主要為三種人工濕地的復合組合應用和生物處理+人工濕地的組合應用兩大類。三種人工濕地的復合組合工藝，提高了氮磷的去除率，明顯優(yōu)于單一類型的人工濕地工藝。而生物處理+人工濕地的組合工藝不僅提高了氮磷的去除率，而且生物處理作為預處理，降低了濕地的負荷，減少了濕地的堵塞。另外，針對人工濕地的堵塞、管理等問題，提出來了相關的解決措施及未來的發(fā)展方向。

人工濕地；表面流；水平潛流；垂直潛流；堵塞；管理

1 人工濕地的分類及凈化機理

1.1 人工濕地的分類

按水面位置及流向不同人工濕地可分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地三種[1]。

1.1.1 表面流人工濕地

表面流人工濕地從生態(tài)結構、內部構造以及外觀方面都與天然濕地比較相似，其水面位于濕地基質以上，污水以表面推流的形式流過濕地，污染物通過植物的攔截、土壤的吸附過濾等達到去除污染物的目的，出水經(jīng)溢流口流出，如圖1所示[2]。

表面流人工濕地運行費用低、操作簡單，但水力負荷低，氧傳輸能力有限，COD、BOD去除效率不高。另外，表面流人工濕地蚊蟲多，臭味大，影響周圍的環(huán)境衛(wèi)生，而且保溫效果差，去除效果不穩(wěn)定。

1.1.2 水平潛流人工濕地

水平潛流人工濕地結構如圖2所示，污水從一端進入濕地后，在基質表面以下以水平方向流過濕地，從另一端流出，水平潛流人工濕地因其在基質表面以下流動，所以保溫效果好，重金屬、BOD和COD去除率高[3]。

圖1 表面流人工濕地示意圖[1]

圖2 水平潛流人工濕地示意圖[1]

1.1.3 垂直潛流人工濕地

垂直潛流人工濕地如圖3所示。與水平潛流人工濕地一樣，污水在濕地基質以下流動，不同的是垂直向上或垂直向下流過填料，因填料床體為不飽和狀態(tài)，氧氣通過植物傳輸和大氣擴散進入濕地內部，所以垂直流人工濕地復氧能力強，總氮和總磷的去除率優(yōu)于水平潛流人工濕地，但投資費用較高，系統(tǒng)復雜[4]。

圖3 垂直流人工濕地示意圖[1]

1.2 人工濕地的凈化機理

人工濕地是經(jīng)過精心設計施工，具有圍堤和防滲層的溝狀、塘狀或床型的濕地系統(tǒng)，污水沿一定方向流動的過程中，通過植物、基質和微生物等的物理、化學、生物三重協(xié)同作用得到處理。詳見表1：

表1 人工濕地的凈化過程

2 人工濕地在生活污水處理中的應用現(xiàn)狀

2.1 復合人工濕地的應用

單一類型的人工濕地已有幾十年的應用歷史。但是，在實際應用中，單一類型的人工濕地存在進水要求較高，溫度對處理效果影響較大以及運行壽命短等問題。因此，對人工濕地的研究由單一類型轉向復合類型。因為三種人工濕地系統(tǒng)各具備優(yōu)缺點，學者針對三種濕地系統(tǒng)的優(yōu)勢互補，建立了復合人工濕地系統(tǒng)。

帖靖璽等[7]采用水平潛流+上行垂直流人工濕地組合處理生活污水，綜合了水平潛流對有機物去除率效果好，無臭味和垂直流人工濕地組合對氮、磷去除效果好的優(yōu)點，其結果表明NH4+-N、TN、TP的平均去除率分別為95.0%、79.1%、81.2%，相比較于傳統(tǒng)的單級人工濕地處理系統(tǒng)，去除率顯著提高。

Zemanova等[8]采用垂直流+水平潛流人工濕地組合工藝，污水首先通過垂直流人工濕地，充分利用垂直流人工濕地對氨氮去除效果好的優(yōu)點，將氨氮在垂直流人工濕地中進行充分的硝化，然后進入水平潛流人工濕地進行反硝化，這樣綜合的結果是能將氮的去除率提高至82.6%。明顯優(yōu)于單一類型的人工濕地工藝。

2.2 生物處理+人工濕地組合系統(tǒng)的應用

生物處理+人工濕地組合是另一種組合方式，這種組合方式中的前段生物處理主要去除有機物和一部分營養(yǎng)物質，后續(xù)人工濕地處理則是對前序單元出水進一步脫氮除磷。目前主要的組合工藝有“厭氧懸浮填料床—人工濕地”、“厭氧接觸氧化池—垂直流人工濕地”、ABR—人工濕地組合系統(tǒng)”等。

何成達等[9]采用厭氧懸浮填料床和人工濕地組合工藝處理村鎮(zhèn)生活污水。污水首先進入?yún)捬鯌腋√盍洗?，生活污水中的懸浮態(tài)物質被厭氧反應器內懸浮填料截留，顆粒有機物轉化為溶解性有機物，有機氮轉化為氨氮，然后進入人工濕地處理單元，有利于氮的去除，大大減輕人工濕地處理的負荷，有效克服人工濕地淤堵的弊端，充分發(fā)揮人工濕地系統(tǒng)降解污染物的能力，氨氮和總磷的去除率分別可以達到60%和90%以上。

陳和平等[10]利用厭氧接觸氧化池+垂直流人工濕地處理農村生活污水，充分結合了厭氧接觸氧化池與垂直流人工濕地各自的優(yōu)點，通過厭氧接觸氧化池預處理，極大地降低了人工濕地進水有機負荷及SS濃度，避免人工濕地的堵塞問題，延長濕地使用壽命，并使出水COD、TN、TP去除率分別達92.2%、75.6%、93.3%。

李軍幸[11]采用ABR—人工濕地組合系統(tǒng)處理農村生活污水，污水經(jīng)過ABR處理后，去除部分有機物，污水中的懸浮物大幅度降低，大大降低了進入人工濕地的負荷，同時，減少人工濕地的堵塞現(xiàn)象。然后進入人工濕地后，進一步去除氮磷，提高濕地處理效率。結果表明，在ABR—人工濕地組合處理系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，冬季COD、NH3-N和TP平均去除率分別為56.6%、47%、83.6%；夏秋季COD、NH3-N平均去除率為分別為78.9%、89.29%，夏秋季TP去除率高達92.3%。因此該系統(tǒng)也表現(xiàn)出了對溫度的敏感性，溫度是影響處理效果的主要因素。

3 人工濕地在處理生活污水中存在的問題及措施

人工濕地因其運行費用低、高效、穩(wěn)定、能耗少、不需要化學試劑而得到了廣泛應用，但是在應用過程中也暴露了很多問題，包括易受氣候、溫度影響，占地面積大，基質易堵塞等問題，這些問題都在一定程度上影響了人工濕地的運行、限制其發(fā)展，那么針對相應的問題給出相應的解決措施將是未來研究發(fā)展的方向[12]。

3.1 人工濕地存在的問題

3.1.1 受溫度影響大

水生植物和微生物的生長繁殖受溫度的影響較大，進而影響人工濕地的處理效果。當水溫低于10℃，水生植物和微生物的生長繁殖速度會大大降低，微生物對有機物的氧化分解能力也會下降，因而人工濕地的處理效果也會因受到影響而明顯下降，這也是夏季的處理效果往往好于冬季的原因。特別是對于表面流人工濕地而言，受溫度影響最大。

3.1.2 占地面積大

人工濕地的凈化過程決定其占地面積大，大概是傳統(tǒng)污水處理工藝所需占地面積的2～3倍。有些情況下為了保證人工濕地的運行效果，需要平行濕地輪流運作，這就使得利用人工濕地進行污水處理時需要占用更大的土地面積，這嚴重限制了其在用地緊張地區(qū)的應用。

3.1.3 人工濕地中基質堵塞現(xiàn)象

人工濕地在運行一段時間后，微生物的繁殖、植物的腐敗加上基質吸附的飽和會引發(fā)淤積和堵塞現(xiàn)象。一旦堵塞出現(xiàn)，不僅處理效率會降低，而且人工濕地的運行壽命也會受到影響。另外，長時間的堵塞會引發(fā)厭氧反應，加速系統(tǒng)的堵塞。

3.1.4 管理問題

人工濕地運行一段時間后，植物的生長后期需要收割和清理殘枝落葉，保證人工濕地的污水處理能力，但大多數(shù)人工濕地缺乏后期的維護管理。有些人工濕地建成后不久因為無人管理而結板與荒廢[15]，失去了應有的價值。

3.1.5 沒有完整規(guī)范的設計、施工與管理體系

人工濕地是一個復雜生態(tài)系統(tǒng)，涉及學科多樣，包括水力學、生物學、水文學和化學等。目前，其設計多數(shù)基于假設條件和經(jīng)驗公式，而且，國內只有一套國家環(huán)保部2010年12月7日頒發(fā)的《人工濕地污水處理工程技術規(guī)范》，于2011年開始實施，此規(guī)范是參照美國國家環(huán)保署關于人工濕地的相關規(guī)范制定的，我國還沒有一部國家正式承認的濕地設計手冊供設計所用。

3.2 相應的措施

3.2.1 保溫措施

3.2.1.1 濕地類型的選擇

潛流人工濕地與大氣之間有覆蓋層隔斷，相對于表面流人工濕地而言，保溫效果好，在寒冷的北方地區(qū)應優(yōu)選潛流人工濕地。

3.2.1.2 覆蓋層保溫

張顯龍等[13]將濕地植物蘆葦、美人蕉、燈心草等收割后鋪在人工濕地表面，再在上面覆蓋一層薄膜，被處理的污水水溫能保持在15～18℃，但為防止植物腐爛造成二次污染需在第二年開春前將覆蓋層清除。雒維國等[14]將多層PVC透氣薄膜覆蓋在人工濕地的植物表面，覆蓋薄膜后有效提高了濕地內溫度，除氮效果也得到提高。但存在薄膜鋪設復雜和費用高的缺點。

3.2.2 合適的濕地類型組合

可以通過工藝組合的方式減少占地面積，如水平潛流人工濕地占用面積大，可以采取將水平潛流人工濕地和其他構型的人工濕地或是其他的污水處理組合的工藝，這樣既可以減少濕地的占用面積，還可以提高污水的處理效果。

3.2.3 預防堵塞措施

在人工濕地前加格柵、厭氧沉淀、混凝沉淀等預處理工藝去除進水中的懸浮物，減少懸浮物對濕地的堵塞，這種方法只能延緩堵塞的發(fā)生，不能從根本上杜絕堵塞；而選擇合適的濕地植物，如根際復氧能力強、分泌難降解物質較少的植物可以從根本上減輕濕地的堵塞現(xiàn)象，并且能提高污染物的去除率；另外，選擇粒徑大、空隙率高的基質，同時在濕地系統(tǒng)中安裝清淤裝置或反沖洗裝置等也能達到預防基質堵塞的目的；間歇運行，停床休整與輪作，在休整期不僅可以使大氣中的氧進入濕地內部，加快降解基質中截留的有機物；而且由于無進水，無營養(yǎng)物質的供給，微生物的生長會受到抑制，但這種措施需要多個平行濕地輪流運作，系統(tǒng)的投資費用會增加；投加蚯蚓可以改善人工濕地的堵塞現(xiàn)象，而且費用低。

3.2.4 加強人工濕地的管理

定期對植物進行收割，防止因植物的死亡引起的二次污染，同時有些植物（如蘆葦）的收割也能去除大量的N、P；培養(yǎng)一批人工濕地管理員對人工濕地進行管理。

3.2.5 人工濕地系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立

將已有的正在運行的人工濕地系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中整理，建立相關的數(shù)據(jù)庫，為今后人工濕地的設計、施工提供依據(jù)，并逐步建立相關的管理體系，加強人工濕地的維護管理。

4 未來的發(fā)展趨勢

解決人工濕地的堵塞問題，除了增加預處理，間歇運行等措施之外，還應該在今后的設計中充分考慮各種預防堵塞輔助性設計，如基質的選擇、安裝清淤裝置和反沖洗裝置等。在人工管理方面，要培養(yǎng)一批具備一定管理經(jīng)驗的人工濕地管理者。另外，建立完整、規(guī)范的設計、施工、管理體系也將是未來研究的方向與重點。

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（編輯：程 ?。?/p>

A Review of Constructed Wetland for Sewage Treatment

Jin Wei
（Environmental Management College of China,Qinhuangdao Hebei 066102,China）

Described the classification and purification mechanism of constructed wetland.Application of constructed wetland for sewage treatment were classified into two types:three types of constructed wetland complex combination,and biological treatment+constructed wetland combination.Three types of constructed wetland complex combination improved the removal of nitrogen and phosphorus,and were much better than a single type of constructed wetland.Biological treatment+constructed wetland combination not only improved the removal of nitrogen and phosphorus,but also reduced loading for constructed wetland because of pretreatment of biological treatment.Moreover,for wetland clogging,management and other issues,related solutions and the future direction of constructed wetland development were proposed.

constructed wetland,surface flow,horizontal subsurface flow,vertical subsurface flow,clogging,management

X703

A

1008-813X（2015）05-0082-04

10.13358 /j.issn.1008-813x.2015.05.22

2015-08-12

金偉（1981-），湖北荊州人，畢業(yè)于荷蘭聯(lián)合國教科文組織國際水教育學院（UNESCO-IHE）給水工程專業(yè)，碩士，講師，主要從事水處理技術方面的研究工作。