人工濕地系統(tǒng)及其在河流污染治理中的應(yīng)用研究

王曉曲媛媛鄧忠偉（煙臺(tái)市環(huán)保工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)院山東煙臺(tái)264000）

人工濕地系統(tǒng)及其在河流污染治理中的應(yīng)用研究

王曉曲媛媛鄧忠偉
（煙臺(tái)市環(huán)保工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)院山東煙臺(tái)264000）

人工濕地污染處理系統(tǒng)作為一項(xiàng)完整的生態(tài)系統(tǒng)，在河流污染治理等方面得到了廣泛的應(yīng)用。本文著重從人工濕地的種類、系統(tǒng)的構(gòu)造以及污染物的去除機(jī)理等方面進(jìn)行了闡述，并對(duì)影響人工濕地效果影響因素的分析，結(jié)合案例，提出了人工濕地系統(tǒng)在河流污染治理中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和下一步研究重點(diǎn)。

人工濕地；河流污染；應(yīng)用

由于城市化、工業(yè)化進(jìn)程的加快，大量的污水未經(jīng)妥善處置便被直接排入到水體，導(dǎo)致了水環(huán)境遭到了破壞。根據(jù)《第一次全國(guó)水利普查公報(bào)》公布的數(shù)據(jù)顯示，截止2011年底，我國(guó)流域面積50km2及以上的河流4.5萬條，我國(guó)十大流域的水質(zhì)總體呈現(xiàn)出輕度污染，一類省界水質(zhì)斷面比例占63.6%，但局部地區(qū)、局部水域的水質(zhì)環(huán)境污染情況較為嚴(yán)重，為此，2015年1月，被稱為“史上最嚴(yán)”的新《環(huán)境保護(hù)法》正式實(shí)施，同年4月，《水十條》正式出臺(tái)，社會(huì)各界對(duì)環(huán)境污染尤其是水環(huán)境污染問題更為關(guān)切。

根據(jù)《2015年全國(guó)地表水水質(zhì)月報(bào)（12月份）》公布的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)380條河流的672個(gè)斷面中，Ⅴ類和劣Ⅴ類的水質(zhì)分別占到了5.4%、10.4%，Ⅴ類和劣Ⅴ類斷面比例均較上個(gè)月升高了1.5%。黃河流域和淮河流域總體呈輕度污染，遼河流域呈中度五日，海河流域總體為重度污染。主要的污染指標(biāo)為氨氮、化學(xué)需氧量、總磷、五日生化需氧量和高錳酸鉀指數(shù)。在51個(gè)重點(diǎn)湖泊、水庫中，滇池等4個(gè)湖泊為重度污染，巢湖、洞庭湖等4個(gè)湖泊為中度污染，河流水質(zhì)整體狀況應(yīng)給予關(guān)注，切實(shí)采取措施防止污染擴(kuò)大。

1　人工濕地系統(tǒng)概述

人工濕地的原理是結(jié)合了物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)調(diào)作用，構(gòu)建起基質(zhì)-微生物-植物的人工復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。通過系統(tǒng)中的過濾、吸附、沉淀等等多道工序?qū)崿F(xiàn)對(duì)污水的高效凈化效果。此外，在人工濕地系統(tǒng)中所營(yíng)造出的生態(tài)環(huán)境，能夠促進(jìn)各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水生生物的地球化學(xué)循環(huán)，也能很好的促進(jìn)濕地系統(tǒng)中的綠色植物和微生物的生長(zhǎng)，構(gòu)建起良好的生態(tài)效果。

1.1人工濕地系統(tǒng)分類

隨著人工濕地系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的日益廣泛，各種類型的人工濕地被探索出來，依據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，人工濕地大體可以分為：（1）根據(jù)人工濕地中植物形式的不同，人工濕地系統(tǒng)可以分為浮游植物系統(tǒng)、挺水植物系統(tǒng)和沉水植物系統(tǒng)。目前，應(yīng)用較多的是挺水植物系統(tǒng)和浮游植物系統(tǒng)，沉水植物系統(tǒng)目前還主要在實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)驗(yàn)階段，尚未被大范圍的推廣和應(yīng)用。（2）根據(jù)污水在濕地中的水面位置的不同，人工濕地系統(tǒng)又被劃分為潛流型和表面流人工濕地系統(tǒng)兩種。其中，表面流人工濕地系統(tǒng)是在濕地中種植大量水生植物，然后將污水引入到濕地系統(tǒng)中，當(dāng)污水從濕地的表面通過時(shí)，污水中的污染物會(huì)被濕地中的植物根莖攔截，從而達(dá)到去污效果。表面流人工濕地系統(tǒng)管理起來十分簡(jiǎn)便，造價(jià)較低，但不足之處是處理污水時(shí)，異味難以有效去除，尤其是在夏天容易滋生蚊蠅，因此，在實(shí)際中推廣較少。潛流人工濕地系統(tǒng)，主要是將污水引入濕地后，讓污水在濕地床中流過，由于濕地中預(yù)先設(shè)有良好的填料等物質(zhì)，對(duì)污染物攔截具有良好效果，衛(wèi)生條件要好于表面流人工濕地。（3）根據(jù)污水在濕地中水流方向的不同，人工濕地又被分為水平流人工濕地系統(tǒng)（HSFCW）和垂直流人工濕地系統(tǒng)（VSFCW）。

1.2人工濕地系統(tǒng)構(gòu)造

（1）填料。人工濕地系統(tǒng)是在一定長(zhǎng)度比及底面坡度的洼地中，填充一定的填料（如土壤、礫石等）形成填料床，在床表面種植具有處理性能好、抗水性強(qiáng)、生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、成活率高又有一定美觀和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的植物（如蘆葦?shù)龋?，?gòu)成獨(dú)特的動(dòng)植物生態(tài)系統(tǒng)。（2）植物。植物是人工濕地系統(tǒng)重要組成部分。可用于人工濕地的植物有蘆葦、香蒲、燈芯草、風(fēng)車草、水蔥、浮萍等等，其中，應(yīng)用較為廣泛的是蘆葦。水生植物在人工濕地中的作用主要是將污水中的部門污染物作為其生長(zhǎng)的養(yǎng)料而誒吸收，植物還可以把一些有毒物質(zhì)的重金屬富集、轉(zhuǎn)化、分解成無毒物質(zhì)。人工濕地系統(tǒng)中選用的植物應(yīng)選取適合當(dāng)?shù)鼗虮緟^(qū)域天然濕地存在的植物，以保證植物適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境的適應(yīng)性。

1.3人工濕地系統(tǒng)去除污染物機(jī)理

（1）去除有機(jī)污染物。人工濕地系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物具有較強(qiáng)的降解能力，污水中不溶性有機(jī)物通過濕地的沉淀、過濾之后被截留而被微生物利用，可溶性有機(jī)物則直接被植物根系和生物膜吸附、吸收和代謝而去除。去除有機(jī)污染物的作用機(jī)理是利用物理的截留沉淀和生物的吸收降解。（2）對(duì)氮的去除。污水中氮的去除主要是通過濕地微生物的硝化和反硝化作用，對(duì)氮的去除作用包括基質(zhì)的吸附、過濾、沉淀以及氨的揮發(fā)等。（3）對(duì)磷的去除。人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水中含磷污染物的去除是由植物吸收、微生物去除以及基質(zhì)的物理化學(xué)作用完成，生物對(duì)磷的去除包括對(duì)磷的正常同化作用和對(duì)磷的過量積累，主要是通過強(qiáng)化后對(duì)磷的過量積累來完成。（4）對(duì)懸浮物和病原菌的去除。對(duì)潛流式的人工濕地，對(duì)懸浮物的去除主要通過濕地填料的吸附和截流。

2　人工濕地處理效果影響因素

對(duì)濕地處理效果影響的因素主要有溫度、溶解氧、植物以及水文因素等。

2.1溫度

人工濕地系統(tǒng)中的有機(jī)物去除主要靠生化反應(yīng)，與其他生物法處理污染物一樣，溫度會(huì)直接影響系統(tǒng)中的生物活性，從而影響系統(tǒng)的污染降解效率，在人工濕地中，進(jìn)水溫度、表面流式都會(huì)受到溫度的較大影響。通常情況下，水溫越高，生化反應(yīng)的效率就會(huì)越大，因此，到了嚴(yán)寒冬季時(shí)，人工濕地系統(tǒng)由于較低的水溫，處理效率將會(huì)大為降低。

2.2溶解氧（DO）

污水進(jìn)入人工濕地系統(tǒng)后主要有兩個(gè)需氧因素：碳化需氧量和硝化需氧量，而水中的復(fù)氧的途徑主要包括大氣復(fù)氧和通過植物莖葉傳到輸送。因此，人工濕地系統(tǒng)中的植物稠密度會(huì)對(duì)濕地中的氧源具有較大影響，稠密的綠色植物在光合作用下會(huì)向四周釋放氧氣，增加濕地水面局部氧分壓，提升大氣復(fù)氧量。此外，植物的根系也會(huì)不同程度地向四周釋放多余的氧氣，因植物不同其釋放的氧氣量也有較大差異（見表1）。

表1　不同水生植物的輸氧速率

2.3植物

濕地處理系統(tǒng)主要利用各種植物實(shí)現(xiàn)去污效果，因此，各種水生植物構(gòu)成了濕地系統(tǒng)的主要特征。大量水生植物對(duì)于污水處理中的污染物去除的機(jī)理主要是為微生物生長(zhǎng)提供了介面，尤其是那些挺水植物的莖稈還為冰層形成提供了支撐，為水中大量野生生物提供了棲息地，濕地系統(tǒng)本身也是對(duì)環(huán)境起到了很好的保護(hù)作用。

2.4水文因素

人工濕地系統(tǒng)區(qū)域較大，濕地處理系統(tǒng)中無論是地上還是地下水流變化也較大，濕地地上植物與腐殖層的水力傳導(dǎo)能力和地下土壤的水力傳到能力相差很大，水流的基本規(guī)律不同，呈現(xiàn)出水流阻力通過水深會(huì)影響到其接觸時(shí)間，水流阻力增大，會(huì)延長(zhǎng)污水的停留時(shí)間[1]，對(duì)于去污效果產(chǎn)生直接影響。

3　人工濕地在河流污染治理中的應(yīng)用

人工濕地系統(tǒng)在我國(guó)河流處理中的應(yīng)用最早可以追溯到上個(gè)世紀(jì)90年代的深圳市白泥坑人工濕地處理系統(tǒng)，經(jīng)過20余年來的應(yīng)用和發(fā)展，人工濕地系統(tǒng)得到了大范圍的應(yīng)用，在河流污染治理中發(fā)揮著越來越重要的作用。

3.1白泥坑人工濕地處理系統(tǒng)

白泥坑人工濕地污水處理系統(tǒng)位于深圳寶安，占地面積189畝，日處理量為3100m3/d廢水，這也是我國(guó)第一個(gè)人工濕地污水處理工程（見圖1）。經(jīng)過近年來的不斷試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)和完善，出水效果較好，達(dá)到了國(guó)家規(guī)定的二級(jí)處理排放標(biāo)準(zhǔn)。該工程不需要?jiǎng)恿ο?，管理也較為簡(jiǎn)便，除做好日常水質(zhì)監(jiān)測(cè)外，不需要其他額外的管理，從河流處理的外觀效果來看，進(jìn)水水質(zhì)略顯渾濁，無色無臭，對(duì)BOD的去除年均達(dá)到90%，COD年均達(dá)到80.47%[2]，運(yùn)行的費(fèi)用約為0.02元/m3，約為傳統(tǒng)活性污泥法的處理成本的10%左右。

圖1　白泥坑人工濕地處理系統(tǒng)

3.2膠南污水處理廠

山東膠南市排水系統(tǒng)采用雨污分流制，工業(yè)廢水和生活污水量為1:4，工業(yè)廢水主要來源于造紙、化工、印染、紡織、食品加工、橡膠、熱電等企業(yè)，建成的膠南污水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理規(guī)模為60000m3/d，占地面積為76.7km2，全部為鹽堿荒灘。經(jīng)過對(duì)運(yùn)行情況的分析發(fā)現(xiàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到甚至優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

表2　預(yù)處理后蘆葦濕地進(jìn)、出水指標(biāo)mg/L

4　結(jié)語

人工濕地系統(tǒng)具有自然濕地系統(tǒng)所具有的各種生態(tài)系統(tǒng)功能[3]。人工濕地系統(tǒng)在河流污水處理中的眾多成功案例表明，人工濕地系統(tǒng)在河流污水處理領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。人工濕地處理系統(tǒng)具有污水處理效果好、操作簡(jiǎn)單易管理、投資少見效快，后期維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用低，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。隨著人工濕地系統(tǒng)在河流污染治理中得到的廣泛應(yīng)用，對(duì)其研究也日漸成為熱門。下一步，除了對(duì)現(xiàn)有人工濕地系統(tǒng)研究以進(jìn)一步改良和優(yōu)化工程設(shè)計(jì)參數(shù)之外，也盡可能地模仿自然濕地，著重對(duì)水生植物的生理生態(tài)、種類篩選以及有毒有害污染廢水凈化等方面進(jìn)行研究。

[1]張丹,高麗雙.人工濕地系統(tǒng)在我國(guó)河流流域治理中的應(yīng)用[J].中國(guó)資源綜合利用,2014,32（2）：56-58.

[2]王久賢.白泥坑人工濕地水力學(xué)計(jì)算研究[J].廣東水利水電, 1997（6）：50-52.

[3]高侃，范旭.人工濕地污水處理技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景展望[J].吉林林業(yè)科技,2014,43（3）：38-41.

王曉（1982—），男，漢族，山東煙臺(tái)人，本科，工程師，主要從事河流生態(tài)治理研究。