人工濕地污水處理技術(shù)及其發(fā)展應(yīng)用

周克成，梁 敏，饒利軍

（大冶特殊鋼有限公司，湖北 黃石 435000）

人工濕地是經(jīng)過(guò)人工設(shè)計(jì)的一項(xiàng)工程化濕地系統(tǒng)，處于水陸交接的狀態(tài)，因此生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，而人工濕地由于所處環(huán)境及處理物所存在的差異性，使得濕地的種類(lèi)也豐富多樣。其主要的運(yùn)作方式是利用自然植被、生物以及土壤來(lái)處理廢水，所處理的污染物范圍也較廣，且凈化技術(shù)結(jié)合了物理、化學(xué)以及生物三種技術(shù)體系。人工濕地作為一種環(huán)保效果好且能耗低的處理技術(shù)，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

1 人工濕地污水處理技術(shù)發(fā)展概述

人工濕地系統(tǒng)主要由五部分組成，一是基質(zhì)；二是植物；三是水體；四是動(dòng)物；五是微生物。而污水處理的主要技術(shù)也是依靠人工選擇的自然資源通過(guò)互相作用的方式，凈化污水中的污染物。此項(xiàng)技術(shù)最早出現(xiàn)在德國(guó)，我國(guó)在1988年正式引入人工濕地技術(shù)并開(kāi)始了相關(guān)研究，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，部分技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了彎道超車(chē)，領(lǐng)先于世界水平。

人工濕地污水處理技術(shù)不僅可以應(yīng)用于環(huán)境治理，還在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療、城市發(fā)展等方面發(fā)揮著重要作用。國(guó)外部分研究人員利用人工濕地污水處理技術(shù)，有效處理了醫(yī)療廢水中所含有的13種抗生素，其中5種抗生素的清除率可達(dá)到97%。

部分城市在凈化過(guò)程中，常會(huì)使用殺蟲(chóng)劑，對(duì)周?chē)乇硐鲿?huì)造成極大的影響。通過(guò)人工濕地污水技術(shù)處理，能夠分解地表溪流中的多種有害化學(xué)物質(zhì)，保證了人們的生活安全。

北京大學(xué)部分科研人員利用人工濕地污水處理技術(shù)，將農(nóng)業(yè)中所排放的畜牧廢水進(jìn)行了凈化，其中TOC清除率可達(dá)到95%，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的可循環(huán)發(fā)展起到了重要作用；在工業(yè)中使用人工濕地污水處理技術(shù)，可以將其中的化學(xué)用品去除，例如氯化石蠟等，降低了工業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生危害物的潛伏性以及傳播性[1]。

2 人工濕地污水處理技術(shù)機(jī)理分析

2.1 處理技術(shù)類(lèi)型

人工濕地類(lèi)型的不同也決定了處理技術(shù)的差異性，當(dāng)前人工濕地類(lèi)型主要分為三種：（1）表流人工濕地。水面和空氣直接接觸，污水在土上層流動(dòng)是此種濕地的主要特征，適合處理污染物含量較低的廢水，在處理的過(guò)程中部分污染物會(huì)受到阻截，而水中所含有的有機(jī)物則會(huì)被生物膜降解。（2）潛流人工濕地。此種濕地的運(yùn)作模式是當(dāng)污水進(jìn)入濕地后，由于受流動(dòng)方向的影響，會(huì)均勻分布于濕地基料底部，在內(nèi)部經(jīng)過(guò)處理反應(yīng)之后，再向外排出。此種濕地依照水流方向可分為水平潛流與垂直潛流[2]。（3）潮汐人工濕地。此種運(yùn)作模式主要是通過(guò)利用提升濕地基料傳氧量以及氧利用率的方式，使污水中的污染物質(zhì)得到降解。在運(yùn)行過(guò)程中，水進(jìn)入濕地床體達(dá)到飽和狀態(tài)，經(jīng)降解處理將空氣帶入到基料中。

2.2 處理技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)

2.2.1 優(yōu)勢(shì)

（1）具備經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)資料顯示，投資建設(shè)加后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)人工濕地污水處理系統(tǒng)的費(fèi)用，不到傳統(tǒng)二級(jí)污水處理廠的1/10～1/2，出水還能夠滿足規(guī)定的污水排放標(biāo)準(zhǔn)?；谄涑杀据^低的特點(diǎn)，隨著近幾年科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，也得到了廣泛應(yīng)用[3]；另外人工濕地污水處理技術(shù)的負(fù)荷變化適應(yīng)能力較強(qiáng)，在北方等較為寒冷的地區(qū)也不易結(jié)冰，因此在維修管理上也較為便利。

（2）具備環(huán)保性。隨著我國(guó)人工濕地污水處理技術(shù)的研發(fā)力度不斷加大，其技術(shù)越來(lái)越成熟，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣，在面源污染、城市污水處理、飲用水源、景觀用水以及資源化利用方面都有著出色的表現(xiàn)，可以貫穿于環(huán)保節(jié)能作業(yè)的全過(guò)程。加之其產(chǎn)生物質(zhì)——能源植物的研發(fā)具有很大潛力，未來(lái)人工濕地污水處理技術(shù)能為我國(guó)生態(tài)環(huán)保帶來(lái)更加寬廣的工作思路。

2.2.2 劣勢(shì)

（1）工藝問(wèn)題。污水中所含有的污染物大多是未經(jīng)預(yù)處理直接進(jìn)入到濕地當(dāng)中的。人工濕地在運(yùn)行初期，植物根莖還不具備較強(qiáng)的去懸浮物能力，這使得運(yùn)行過(guò)程中易發(fā)生淤堵現(xiàn)象。部分濕地的進(jìn)水水力負(fù)荷大，容易對(duì)床體造成沖擊進(jìn)而形成堵塞。

（2）客觀條件問(wèn)題。土地資源的可利用性和氣候條件也是制約人工濕地污水處理技術(shù)發(fā)展的重要因素。在通常情況下，人工濕地處理系統(tǒng)的負(fù)荷能力較低，因此要滿足處理標(biāo)準(zhǔn)，其面積就要擴(kuò)大。而近幾年自然氣候的不穩(wěn)定，強(qiáng)降水的頻發(fā)也導(dǎo)致了處理單元發(fā)生改變。

（3）規(guī)范問(wèn)題。我國(guó)人工濕地處理技術(shù)起步較晚，在其快速成長(zhǎng)階段，缺乏技術(shù)數(shù)據(jù)的規(guī)范及統(tǒng)一性。主要表現(xiàn)在投入實(shí)驗(yàn)的處理系統(tǒng)較少，在設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)以及維護(hù)方面缺乏規(guī)范化的理論與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)支持，對(duì)管理十分不利。

2.3 處理內(nèi)容分析

2.3.1 懸浮物處理

懸浮物處理是污水進(jìn)入到人工濕地污水處理系統(tǒng)中的首個(gè)處理環(huán)節(jié)，也可被視為整個(gè)系統(tǒng)的預(yù)處理環(huán)節(jié)。在此期間主要是利用物理去除方式，處理的主要單元是基質(zhì)以及濕地植物根莖。基質(zhì)可以通過(guò)吸附的方式將污水與懸浮物進(jìn)行有效分離，而植物根莖主要是通過(guò)攔截的方式，使得污水中的懸浮物固體得到有效沉降，最終通過(guò)微生物的作用，將其去除。而在人工濕地污水處理系統(tǒng)建設(shè)初期，如果部分植物的根莖不夠發(fā)達(dá)，會(huì)造成系統(tǒng)堵塞現(xiàn)象，對(duì)后期的運(yùn)作處理效率有著較大影響，因此要加強(qiáng)對(duì)這方面的重視與治理。由此可知，懸浮物處理環(huán)節(jié)的影響因素包括三部分：（1）污水與基質(zhì)的接觸程度；（2）污水與植物根莖的接觸程度；（3）污水與微生物的接觸程度。

2.3.2 氮、磷處理

人工濕地污水處理，主要是通過(guò)凈化、阻隔、分解等形式處理污水中的污染物，從而使污水達(dá)到排放的標(biāo)準(zhǔn)，而污水中所含有的氮和磷是主要的危害物，因此系統(tǒng)會(huì)采用吸附、沉淀、轉(zhuǎn)化等形式完成對(duì)二者的處理。

（1）氮處理。在氮處理環(huán)節(jié)的主要處理介質(zhì)是微生物，進(jìn)入到濕地以后會(huì)通過(guò)氨化、硝化以及反硝化反應(yīng)，將污水中的氮去除[4]。進(jìn)入到濕地污水處理體系之中氧化狀態(tài)的氮越少，則系統(tǒng)去除氮的效果就會(huì)越好，而影響氨氮處理的主要因素為季節(jié)變化。

（2）磷處理。在磷處理環(huán)節(jié)主要是依靠基質(zhì)和植物為處理介質(zhì)，進(jìn)入到濕地以后通過(guò)基質(zhì)吸附、植物吸收的形式，使得濕地處理單元達(dá)到飽和狀態(tài)，通過(guò)水體釋放的方式去除。在進(jìn)行相關(guān)處理時(shí)，要重視基料的定期更換，否則就會(huì)出現(xiàn)淤堵情況。

2.3.3 有機(jī)物處理

部分污水中的有機(jī)物質(zhì)具有較強(qiáng)的不溶性，因此系統(tǒng)中的處理單元會(huì)通過(guò)沉降以及過(guò)濾等方式，將其逐一分解。當(dāng)前污水中所存在的主要污染有機(jī)物是OCPs（氯農(nóng)藥）與PPCPs（有機(jī)氯）等，這一類(lèi)污染物與微生物之間能夠產(chǎn)生一定的化學(xué)反應(yīng)，微生物可以起到抑制污染物傳播的作用。而分解污染物的微生物類(lèi)型分為兩種，一種是好氧微生物，另一種是厭氧微生物，二者通過(guò)降解的方式能夠?qū)⒂袡C(jī)污染物進(jìn)行有效根除。在此環(huán)節(jié)的處理過(guò)程中，部分可溶解的有機(jī)物會(huì)通過(guò)植物表面以及根莖和基質(zhì)，利用生物膜吸附功能，最后完成微生物的降解工作。由此可以看出人工濕地污水處理技術(shù)中，去除污水污染有機(jī)物的關(guān)鍵就在于微生物的降解作業(yè)。

2.4 處理技術(shù)影響因素

2.4.1 基質(zhì)

基質(zhì)是整個(gè)處理系統(tǒng)的支撐部分，在選擇時(shí)要考慮到基質(zhì)的生物性、化學(xué)性以及孔隙率等因素。只有較好的透水性，才能保證植物的聲場(chǎng)，從而形成良好的吸附凈化機(jī)制。

2.4.2 植物

植物在整個(gè)系統(tǒng)中除了要完成簡(jiǎn)單的吸附與吸收任務(wù)，還要起到輸送養(yǎng)分以及促進(jìn)微生物增長(zhǎng)的作用。由于濕地處于一個(gè)長(zhǎng)期潮濕的環(huán)境中，因此部分植物還要抑制藻類(lèi)的生長(zhǎng)。

2.4.3 微生物

微生物在系統(tǒng)化學(xué)處理過(guò)程中起到了重要的作用，其具備同化、轉(zhuǎn)化以及循環(huán)、排放污水內(nèi)有害物質(zhì)的功能。根據(jù)相關(guān)資料顯示，不同基質(zhì)結(jié)構(gòu)和微生物群落之間有著相互影響的作用，而多層結(jié)構(gòu)的處理效果最佳。

2.4.4 其他因素

根據(jù)上述內(nèi)容不難看出，水力負(fù)荷對(duì)人工濕地污水處理系統(tǒng)的影響較大，水力的過(guò)度沖擊會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成一定的破壞；在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，水力停留的時(shí)間越長(zhǎng)，則系統(tǒng)的處理效果也會(huì)越好。此外，溫度因素對(duì)系統(tǒng)處理效果的影響也較大。

3 人工濕地污水處理技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

3.1 應(yīng)用技術(shù)的意義

3.1.1 調(diào)節(jié)城市氣候

人工濕地污水處理技術(shù)在生活中的實(shí)際應(yīng)用，能夠使得區(qū)域氣候得到有效調(diào)節(jié)，可以進(jìn)一步促成低碳生活理念的落地。人工濕地不僅能夠依靠?jī)?nèi)部的組織運(yùn)作機(jī)制實(shí)現(xiàn)污水凈化，還可以通過(guò)多種轉(zhuǎn)換形式，使得系統(tǒng)中的水分得到有效利用，以水蒸氣的形式排放于大氣之中。這樣區(qū)域內(nèi)空氣的濕度也會(huì)增加，有利于形成降雨云層，解決干旱等自然災(zāi)害問(wèn)題，對(duì)氣候進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。調(diào)查研究表明，濕地水分的蒸發(fā)量是陸地的2～3倍左右，這種通過(guò)人工馴化，從而調(diào)節(jié)自然生態(tài)平衡的方式，使得區(qū)域內(nèi)的氣溫、光合作用以及水動(dòng)態(tài)等都得到有效的調(diào)節(jié)。在當(dāng)前氣候經(jīng)濟(jì)的影響下，人工濕地污水處理技術(shù)的應(yīng)用，能夠進(jìn)一步帶動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)可循環(huán)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)[5]。

3.1.2 提升資源利用率

我國(guó)淡水資源較為匱乏，如何實(shí)現(xiàn)資源可持續(xù)發(fā)展，并加強(qiáng)綠色生態(tài)建設(shè)，成為了較為嚴(yán)峻的課題。通過(guò)人工濕地污水處理技術(shù)，可以使得水資源得到有效利用，解決由于人類(lèi)活動(dòng)增加對(duì)氣候及生態(tài)造成的破壞。當(dāng)前造成我國(guó)淡水資源遭到破壞的主要原因是水體富營(yíng)養(yǎng)化的差異性，造成了地區(qū)水系統(tǒng)的不良狀況。如污水中含有大量的氮磷成分，而傳統(tǒng)污水處理方式不僅對(duì)相關(guān)有害物質(zhì)的處理率較低，而且投資較大。通過(guò)人工濕地污水處理技術(shù)，使得污水之中的氮與磷能夠被有效分解和吸附，并將之轉(zhuǎn)化成適宜系統(tǒng)內(nèi)植物生長(zhǎng)的微量元素，可以實(shí)現(xiàn)廢物的再次回收利用。就當(dāng)前人工濕地污水處理技術(shù)發(fā)展來(lái)看，其中的氮、磷生態(tài)工程技術(shù)已較為成熟，取得了一定的成效，這為凈化水源提供了全新的途徑。

3.2 應(yīng)用于景區(qū)用水

當(dāng)前在景區(qū)中設(shè)置人工濕地污水處理技術(shù)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的天然性和適應(yīng)性，一是景區(qū)通常開(kāi)發(fā)面積較大，能夠滿足人工濕地建設(shè)需求；二是景區(qū)中設(shè)置的景觀較多，其澆水需求量也較大，使用人工濕地處理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)資源的可持續(xù)利用，對(duì)城市公園的建設(shè)以及綠地景觀用水具有降低成本的作用。最初，由于受到場(chǎng)地的限制，我國(guó)主要將人工濕地污水處理應(yīng)用于生活污水和工業(yè)廢水的處理當(dāng)中，對(duì)于商用人工濕地污水處理系統(tǒng)的研發(fā)程度較低。進(jìn)入到20世紀(jì)末期，我國(guó)許多城市景觀以及景區(qū)都開(kāi)始使用人工濕地污水處理技術(shù)，并廣泛應(yīng)用于活水公園體系之中。這種依靠人工馴化，從而實(shí)現(xiàn)自然效果的污水處理體系，使得景區(qū)環(huán)境得到了極大的改善。尤其是在人造園林等的設(shè)計(jì)上，在美化景區(qū)環(huán)境的同時(shí)，更能促成城市自然生態(tài)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 處理養(yǎng)殖廢水

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)是國(guó)家的第一產(chǎn)業(yè)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生廢水、污水，其中以畜牧業(yè)為主的廢水排放尤為嚴(yán)重。主要是因?yàn)轲B(yǎng)殖的牲畜排泄出的廢物會(huì)與沖洗水融合，這種合成形式會(huì)使污水中的污染有機(jī)物含量變高，并且高懸浮物、氮、磷等成分也高居不下，且伴隨著較強(qiáng)的刺激性氣味，對(duì)周?chē)h(huán)境影響較大。當(dāng)前，我國(guó)通過(guò)使用復(fù)合性垂直人工濕地，將畜牧廢水進(jìn)行了有效處理，這使得水中的氮磷高濃度含量被進(jìn)一步瓦解，而養(yǎng)殖場(chǎng)中的污水也被妥善解決，降低了污水處理系統(tǒng)成本的投入，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)民經(jīng)濟(jì)利益的提升。據(jù)資料顯示，養(yǎng)殖廢水在經(jīng)過(guò)硝化反應(yīng)之后，水中的酸堿值也得到了有效平衡；將氧氣引入濕地以后，循環(huán)出水可延續(xù)污染物與植物根莖的接觸時(shí)長(zhǎng)，有效提升污水處理效果。

3.4 應(yīng)用于污水分類(lèi)

基于我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展，當(dāng)前人們生活中所產(chǎn)生的廢水種類(lèi)也不斷增多。污水是一種較為復(fù)雜的化合物，包括生活污水、農(nóng)業(yè)廢水、工業(yè)廢水、城市污水等，其中工業(yè)廢水以及城市污水的總量呈現(xiàn)出不斷上漲的趨勢(shì)，這與人類(lèi)活動(dòng)的增多有著密不可分的關(guān)系。為進(jìn)一步解決相關(guān)部門(mén)的污水分解壓力，可通過(guò)人工濕地污水處理技術(shù)將其有效化解，其理論依據(jù)在于不同的污水類(lèi)型存在不同的污染物以及排水量，元素的組成也具有較強(qiáng)的差異性，而人工濕地污水處理技術(shù)中的各個(gè)處理單元具有可調(diào)配性。通過(guò)加大對(duì)區(qū)域內(nèi)類(lèi)型污水排放的研究，可以根據(jù)污水特性在系統(tǒng)中投放不同的基質(zhì)、植物以及微生物等，使得污水處理作業(yè)更具有科學(xué)性，并且也異于機(jī)械化作業(yè)，不存在能源消耗過(guò)量等問(wèn)題，進(jìn)一步降低了污水分類(lèi)治理成本。

3.5 優(yōu)化應(yīng)用的方式

當(dāng)前，雖然人工濕地污水處理技術(shù)已經(jīng)有了較大的發(fā)展，但仍然存在占地面積較大、系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)、易受環(huán)境波動(dòng)影響、填料堵塞以及管理機(jī)制不健全等問(wèn)題。為能夠進(jìn)一步優(yōu)化應(yīng)用形式，本文就當(dāng)前應(yīng)用問(wèn)題提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）合理規(guī)劃人工濕地土地面積，根據(jù)建設(shè)區(qū)域特點(diǎn)，選擇合適的形態(tài)。像較為偏遠(yuǎn)的地區(qū)，可以考慮擴(kuò)大人工濕地面積；而在城區(qū)人口較為密集的地區(qū)，一是要注重面積的設(shè)置，二是要注重外形的美觀，以此達(dá)到美化環(huán)境的目的。（2）在建設(shè)之前要加大地區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)的勘查工作，選擇適合地區(qū)溫度、氣候生長(zhǎng)的植物，保證系統(tǒng)運(yùn)作的可循環(huán)能力。針對(duì)部分較為寒冷的地區(qū)可適當(dāng)采取一些保溫措施，從而提高植物的存活率。（3）為減少基質(zhì)堵塞等情況的發(fā)生，在污水排放之前進(jìn)行適度的預(yù)處理，過(guò)濾掉較大的懸浮顆粒物，從而保證基質(zhì)的穩(wěn)定性。（4）加強(qiáng)對(duì)于濕地狀態(tài)的檢測(cè)與維護(hù)，并制定相應(yīng)的管理措施。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，人工濕地污水處理技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新，對(duì)于生態(tài)保護(hù)和綠色環(huán)保工作有著深遠(yuǎn)的意義。我國(guó)人工濕地污水處理技術(shù)雖然起步較晚，但在短時(shí)間內(nèi)得到了快速發(fā)展，并且隨著科研人員的不斷深入研究，應(yīng)用范圍也逐步擴(kuò)大。針對(duì)當(dāng)前我國(guó)自然資源分布不均，部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱等問(wèn)題，應(yīng)加大人工濕地污水處理技術(shù)的應(yīng)用，從而推動(dòng)氣候經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。