人工濕地系統(tǒng)的性能研究及應用分析

田林青

摘要：簡述了人工濕地系統(tǒng)的構造及其分類，分析了填料、植物和微生物的除污作用，并說明了濕地系統(tǒng)對氮、磷以及有機物的協(xié)同去除機理。通過鄭東新區(qū)CBD人工濕地系統(tǒng)對如意湖水系的顯著處理效果的案例分析，闡明了人工濕地的生態(tài)、環(huán)境和經(jīng)濟效益。

關鍵詞：人工濕地；污水處理；除污機理；鄭東新區(qū)

前言：

濕地是生物多樣性的搖籃，對維持區(qū)域的生態(tài)平衡起了重要作用。人工濕地的建造，既能夠有效的解決一些環(huán)境問題，又能起到景觀美化作用。人工濕地能夠融入到城市區(qū)域環(huán)境之中，有著凈化和景觀兩大功能，成為了城市建設發(fā)展和人類生活的重要組成部分。目前，國內(nèi)外利用人工濕地系統(tǒng)處理水質(zhì)已有數(shù)百個案例，人工濕地作為一種新型水處理技術，已經(jīng)正式進入了水污染控制領域。

一、人工濕地以及人工濕地的分類

（1）人工濕地及其構造

人工濕地即由人工建造的、工程化的并且可控的濕地系統(tǒng)。是一種人為地將基質(zhì)（土壤）、植物和微生物按照一定的方式配置而成的復合生態(tài)系統(tǒng)。人工濕地系統(tǒng)是利用生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學、生物的三重協(xié)調(diào)來凈化水質(zhì)，通過過濾、吸附、沉淀、植物吸收和微生物降解等方法，實現(xiàn)了對污染物的分解和凈化。需要處理的污水經(jīng)過人工濕地系統(tǒng)后，污水中的污染物以及營養(yǎng)物質(zhì)能夠被生態(tài)植物所吸收、轉(zhuǎn)化和分解，從而能夠使水質(zhì)得到凈化。

人工濕地的構造為：在一定尺寸的洼地中，將土壤以及一定級別的填料，按照一定比坡度填充為填料床，污水便可在填料或者床體表面流動。同時，許多成活率高、抗水性能強、污水處理性能好、生長周期較長、美觀并且具有經(jīng)濟價值的水生植物種植在填料的表層土壤中。以上各部分的有機組合便形成了人工濕地生態(tài)系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展，目前的人工濕地系統(tǒng)能夠集多種性能和功能于一體，是生態(tài)處理污水的發(fā)展新方向。

（2）人工濕地的分類

按照水流方式的差異可將人工濕地分類為以下三類：

①潛流濕地（SSFW）。水在填料表面下滲流，可充分利用填料表面及植物根系上的生物膜等處理廢水。環(huán)境衛(wèi)生條件優(yōu)良，已被廣泛采用。

②地表流濕地（SFW）。廢水在填料表面漫流，接近自然的濕地系統(tǒng)。絕大部分有機物的去除是由生物膜來完成。此種濕地系統(tǒng)不能夠充分利用填料層豐富的植物根系，環(huán)境衛(wèi)生條件較差，目前鮮有應用。

③垂直流濕地（VFW）。建造成本高，易滋長蚊、蠅等生物，未被廣泛采用。

按照功能與性質(zhì)的不同，亦可將人工濕地分為：改善水質(zhì)型（凈化城市雨水、污水，屬于工業(yè)濕地）、維系水平衡型（防洪調(diào)蓄，調(diào)節(jié)區(qū)域氣候等，屬于水庫類濕地）、綜合型（綜合生態(tài)、環(huán)境和經(jīng)濟等多種功能，屬于城市濕地公園）、生態(tài)型、生態(tài)保育型、景觀型和生態(tài)補償型。

二、人工濕地處理污水的機理

（1）人工濕地各部分的作用

填料：填料主要是土壤。人工濕地采用的填料一般為：土壤，砂，石等用來構成濕地的慮床，作為承載植物的媒介，是構成濕地的基本組成部分。為植物的生長提供基質(zhì)的同時，又能吸附并過濾掉部分污染物。此外，土壤能夠通過影響植物或者微生物的代謝、生長，間接地影響濕地的污水處理效果。

植物：植物有直接凈化和間接凈化作用。前者是指植物通過吸收、富集等作用，直接將污水中的污染物去除，主要去除污水中的氮磷和重金屬等。后者是指植物能為濕地系統(tǒng)中其他去除污染物的過程提供環(huán)境，如為植物根區(qū)供氧，通氣和水力傳導等。在人工濕地中，為了體現(xiàn)濕地的景觀效果，一般在濕地公園中種植有景觀美化功能的水生草本植物，它們的處理效果好，吸收性強，耐污性能好，并且生長周期很長，莖葉繁茂以及具有很好的抗病抗蟲性能。一般較常見的人工濕地植物有：鳳眼蓮、蘆葦、香蒲、美人蕉、菖蒲、浮萍、馬蹄蓮、傘草、睡蓮、燈心草、水竹、水蔥、蒼蒲等等，既有凈化作用，又能夠帶來景觀效果。目前，人工濕地多以蘆葦作為濕地植物，蘆葦具有廣泛的適應性和極強的抗逆性，集觀賞價值和凈化作用與一身。

微生物：微生物在不同環(huán)境中對有機物的降解方式不盡相同，有同化、異化、氨化、硝化和反硝化等作用。各種微生物在濾料的承載層中呈現(xiàn)不用的存在方式存在于植物根系，它們吸收并降解污染物，并利用其中的成分與植物互利共生。

藻類：當污水中養(yǎng)分含量高時，藻類能夠起短息吸收固定、其后緩慢釋放的循環(huán)功能。絲狀藻類控制了水體中的溶解氧和二氧化碳濃度的變化，使水體PH值發(fā)生改變，影響植物生長和對污水的處理效果。

（2）氮、磷以及有機物的去除機理

人工濕地系統(tǒng)綜合了物理、化學、生物的三重作用，其除氮磷及有機物的原理如下：

污水中氮的去除：通過植物的吸收，微生物的硝化和反硝化作用以及吸附等作用去除氮。通過沉積和揮發(fā)等物理作用去除氮效果較??；通過化學吸附作用去除氮的缺點是一般相關化學反應都可逆，故效果并不顯著；通過微生物作用對氮的去除有著顯著效果。

污水中磷的去除：通過基質(zhì)的吸附作用，植物的吸收和同化作用以及微生物的固定和同化吸收作用去除磷。與去除氮的方式不同的是，磷的去除主要通過土壤的吸附實現(xiàn)，其作用使磷的去除率大于90%。

污水中有機物的去除：填料以及植物根系能夠截留不溶性的有機物，進而被微生物降解；植物根系及填料表層的生物膜能夠吸附溶解型有機物，進而被生物代謝降解。

三、人工濕地系統(tǒng)在鄭州市的應用

位于鄭州市的鄭東新區(qū)CBD人工濕地占地4萬m²，內(nèi)含1個溫室，1個控制室，16個碎石床以及16個生物塘。該人工濕地系統(tǒng)用于處理鄭東新區(qū)如意湖內(nèi)的湖水，設計處理量大約為10000m？/d，最大處理量可達20000m？/d。目前，該人工濕地是城市生態(tài)濕地水體處理系統(tǒng)中處理能力最大的工程之一。如意湖可收納鄭東新區(qū)CBD內(nèi)的雨水，再經(jīng)人工濕地的生態(tài)處理后重新流入如意湖水系。該生態(tài)處理系統(tǒng)的處理效果非常理想，經(jīng)其處理過的如意湖水可達到GB3838-2002Ⅱ類水質(zhì)。該人工濕地成功地完成了生態(tài)用水的循環(huán)以及利用，使如意湖內(nèi)水體可常年保持為三類水質(zhì)的標準，高效的保證了如意湖內(nèi)水體的質(zhì)量，并且節(jié)水效果非常顯著，每年節(jié)約用水量相當于該區(qū)域三分之一的自來水總量，約為300萬m。

鄭東新區(qū)人工濕地系統(tǒng)繼承了環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的要求，體現(xiàn)了生態(tài)保護和循環(huán)利用。利用濕地完成對水質(zhì)的凈化，優(yōu)于傳統(tǒng)的污水處理技術，如過濾撒藥等，而是利用了植物的生物化學作用和物理作用、利用了微生物的降解，吸收或分解污水中的污染物等，以達到凈化水質(zhì)的目的。集保護環(huán)境、處理污水、景觀美化、教育科普于一身的人工濕地系統(tǒng)，還具有建造成本低，運行管理方便等優(yōu)點。CBD如意湖水質(zhì)的凈化效果達到了人們的要求，同時濕地公園也成為了鄭東新區(qū)的靚麗景觀之一，它具有很大的社會效益：合理利用雨水作為如意湖的補充水源，節(jié)約水資源的同時，又減輕了排水系統(tǒng)的壓力，改善了生態(tài)環(huán)境。此濕地系統(tǒng)投資成本為1200萬元左右，大大低于其他污水處理工藝成本。且人工濕地運行中不需要耗電，年運行費僅為二級污水處理廠的12.5%。

總結(jié)：

人工濕地系統(tǒng)在不斷的研究發(fā)展下，受到了廣泛的關注和重視。人工濕地系統(tǒng)能夠節(jié)約大量水資源，節(jié)省能源的消耗，并且具有令人心曠神怡的生態(tài)景觀功能。濕地系統(tǒng)與城市環(huán)境融為一體，為城市帶來了極大的生態(tài)、環(huán)境和經(jīng)濟效益，集多種功能于一身，促進了可持續(xù)的生態(tài)建設與發(fā)展，擁有美好的發(fā)展前景。