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來源：環(huán)保小蜜蜂

摘要：人工濕地系統(tǒng)具有高效、節(jié)能、基建和運行費用低、操作與維護簡單等優(yōu)點，是一種高效的污水生態(tài)處理技術，其去除機理錯綜復雜。本文綜述了人工濕地的系統(tǒng)構造、分類和凈化機理，并通過其影響因素的分析，提出了人工濕地污水處理系統(tǒng)在設計、建設和運行管理中應注意的問題。

1. 前言

濕地是地球上一種重要的生態(tài)系統(tǒng)，享有“地球之腎”的美譽。它以復雜而微妙的方式扮演著自然凈化器的角色，顯示了地球生態(tài)系統(tǒng)的嚴謹、完善和神奇。正是認識到了濕地的作用，人們根據(jù)不同污染物類型以及當?shù)刈匀粭l件，有目的地構建起不同類型的人工濕地，模擬自然生態(tài)系統(tǒng)的運作機理，人工濕地作為一種新型的污水處理技術被國內外學者深入研究并廣泛應用。

2. 人工濕地概述

人工濕地是為處理污水而人為地在有一定長寬比和底面坡度的洼地上用土壤和填料( 如礫石等)混合組成填料床，使污水在床體的填料縫隙中流動或在床體表面流動，并在床體表面種植耐污能力強，較高污染物去除能力，成活率高，抗水性強，生長周期長，美觀及具有經(jīng)濟價值的水生植物( 如蘆葦，蒲草等) 形成一個獨特的動植物生態(tài)體系［1］。

人工濕地是20 世紀70 年代末發(fā)展起來的一種新型污水生態(tài)處理技術，以其投資少、建設運營成本低; 凈化效果好、有較強的氮、磷去除能力; 工藝簡單、組合多樣化，在世界各地得到了廣泛的應用。目前，普遍認為構成人工濕地污水處理系統(tǒng)的4 個基本組成要素是水體、基質、水生植被和微生物［2］。

(1) 基質。人工濕地的基質用來支撐濕地植物、蓄納污水和為污染物提供物理、化學和生物轉化場所。常用的人工濕地基質主要包括礫石、碎石、砂、土壤等。

(2) 植被。植被是人工濕地的重要組成部分，它最主要的功能就是向基質輸送氧氣，為微生物降解污染物創(chuàng)造好氧微環(huán)境。另一方面，植物的生長吸收污水及填料表面吸附的氮、磷、有機物等營養(yǎng)物質，達到削減污染物的作用。另外，某些植物對特定重金屬有較強的吸收能力，因此人工濕地也用于某些工業(yè)污水的處理。最常用的人工濕地植物是自然濕地中的挺水植物，如蘆葦和香蒲等。

(3) 水體。水文系統(tǒng)是控制濕地生態(tài)、物理和化學特征的最重要的因素。濕地中水的運動受降雨、蒸發(fā)、基質的性質及植物的影響。對人工濕地而言，這些因素將以各種方式影響污水處理的效果。

(4) 微生物。人工濕地的許多功能是由微生物及其代謝作用調節(jié)的。人工濕地中的微生物包括細菌、酵母菌、真菌、原生動物和藻類，它們是凈化廢水的主要貢獻者。濕地凈化污水就是濕地中的基質、植物和微生物相互關聯(lián)，物理、化學、生物過程協(xié)同作用的結果。

3. 人工濕地分類

人工濕地系統(tǒng)根據(jù)濕地中主要植物類型可分為浮生植物系統(tǒng)、挺水植物系統(tǒng)和沉水植物系統(tǒng)。沉水植物( 如狐尾藻、金魚藻) 系統(tǒng)主要應用于初級處理和二級處理后的精處理。浮水植物( 如浮萍、鳳眼蓮) 主要用于N、P 去除和提高傳統(tǒng)穩(wěn)定塘效率［3］。

通常采用的分類方式是根據(jù)水在濕地中流動的方式不同分為3 種類型: 表面流人工濕地( SFCW，Sur Flow Constructed Wetland) 、水平流人工濕地( HFCW，Horizontal Flow Constructed Wetland)和垂直流人工濕地( VFCW，Vertical FlowConstructed Wetland) 。

3. 1 表面流人工濕地

表面流人工濕地( SFCW) 類似于自然濕地，污水以較慢的速度從濕地表面流過，污水中有機物的去除主要依靠生長在水下的植物的莖和桿上的生物膜來完成，濕地中的氧主要來自于水體表面擴散、植物根系的傳輸和植物的光合作用。這種類型的人工濕地具有投資少、操作簡單、運行費用低等優(yōu)點，但占地面積較大，水力負荷較小，去污能力有限; 而且系統(tǒng)的運行受氣候影響較大，水面冬季易結冰，夏季易生蚊蠅，散發(fā)臭氣。

3. 2 水平流人工濕地

水平潛流人工濕( HFCW) 地因污水水平流過填料床而得名，它由一個或多個填料床組成，床體填充基質，床體設有防滲層以防止污染地下水。與表面人工濕地相比，水平流保證人工濕地具有較大的水力負荷和污染負荷。在潛流型濕地系統(tǒng)中，污水在濕地床的內部流動，一方面可以充分利用填料表面生長的生物膜，分布的植物根系及表層填料截留等的作用，以提高其處理效果和處理能力; 另一方面，由于水流在地表以下流動，故其具有保溫性較好、處理效果受氣候影響小、衛(wèi)生條件較好的特點。

3. 3 垂直流人工濕地

垂直流人工濕地( VFCW) 的水流情況綜合了表面流濕地和水平流濕地的特性，水流在填料床中基本上呈由上向下的垂直流，床體處于不飽和狀態(tài)，氧可通過大氣擴散和植物傳輸進入人工濕地系統(tǒng)。垂直流人工濕地的硝化能力高于水平潛流濕地，可用于處理氨氮含量較高的污水，但對有機物的去除能力不如水平流濕地，控制相對復雜，基建要求較高，夏季有孳生蚊蠅的現(xiàn)象。

4. 人工濕地的污染物去除機理

人工濕地與傳統(tǒng)的污水處理方法( 活性污泥法和穩(wěn)定塘法等) 相比，其處理效果較好。其對BOD5的去除率可達85 % ～ 95 % ，COD 的去除率可達80 %以上，處理出水中的BOD5小于10 mg /L，SS 小于20 mg /L［4］，氮和磷的去除率也達到50%左右［5］。

人工濕地系統(tǒng)對水體的凈化機理十分復雜，但一般認為，凈化過程綜合了物理、化學和生物的三重協(xié)同作用。物理作用，主要是對可沉固體、BOD5、氮、磷、難溶有機物等的沉淀作用，填料和植物根系對污染物的過濾和吸附作用; 化學作用是指人工濕地系統(tǒng)中由于植物、填料、微生物及酶的多樣性而發(fā)生的各種化學反應過程，包括化學沉淀、吸附、離子交換、氧化還原等; 生物作用則主要是依靠微生物的代謝( 包括同化、異化作用) 、細菌的硝化與反硝化、植物的代謝與吸收等作用，達到對污染物的去除。最后通過對濕地填料的定期更換或對栽種植物的收割，而使污染物質最終從系統(tǒng)中去除。

4. 1 人工濕地對有機物的去除

污水中的有機物包括不溶性有機物和可溶性有機物。前者通過沉淀和過濾可迅速去除，而后者則通過植物根系和生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解過程被分解而去除。濕地對有機物的去除是物理的截留沉淀和生物的吸收降解共同作用的結果。水中大部分有機物最終是被異氧微生物轉化為微生物自身物質及CO2和H2O，以及通過對基質的定期更換及對濕地植物的收割而將新生的有機體從系統(tǒng)中去除。人工濕地系統(tǒng)雖然對有機物的去除率較高，但是隨著系統(tǒng)的運行時間增加會出現(xiàn)有機物的積累現(xiàn)象，而影響凈化效果。研究表明，水體在植物床填料內流動時，隨著遷移距離的延長，COD 的降解速率呈現(xiàn)減慢的趨勢［6］。

4. 2 人工濕地對氮的去除

氮在人工濕地內的轉化途徑包括基質的吸附、過濾、沉淀和離子交換、水生植物吸收、微生物的氨化、硝化、反硝化以及氨的揮發(fā)［7］等。

氮在廢水中以4 種形態(tài)存在: 有機氮、氨態(tài)氮( NH3-N)、硝態(tài)氮( NO－3 -N) 和亞硝態(tài)氮( NO－2 -N)。

經(jīng)過微生物的氨化、硝化和反硝化過程最終變成氣態(tài)氮從濕地中去除是氮的主要去除途徑。其基本條件是存在大量的氨化菌、硝化菌、反硝化菌和適當?shù)臐竦赝寥拉h(huán)境條件［8］。人工濕地作為一個獨立的生態(tài)系統(tǒng)，水體表面充氧和根系的輸氧形成好氧環(huán)境，而非根系區(qū)就形成厭氧環(huán)境，這樣在同一系統(tǒng)內形成不同的溶氧環(huán)境，使根系周圍連續(xù)呈現(xiàn)好氧、厭氧、缺氧的狀態(tài)，相當于許多串聯(lián)或并聯(lián)的A2O 處理單元［9］。不同形態(tài)的氮在人工濕地中會發(fā)生轉化，有機氮在氨化細菌的氨化作用下轉變?yōu)镹H3-N，再通過硝化作用，硝化細菌把NH3-N 轉化為NO －2 -N 和NO －3 -N，最后通過反硝化過程，細菌在厭氧或缺氧環(huán)境中利用有機物產(chǎn)能，將NO －2 -N和NO －3 -N 代替O2作為電子受體，最終使氮以N2O和N2形式從系統(tǒng)中根本去除。有研究表明，人工濕地進水氮的主要形態(tài)為硝態(tài)氮時，硝態(tài)氮在人工濕地內的主要去除途徑為直接反硝化過程，進水氮的主要形態(tài)為氨氮時，氨氮在人工濕地內主要去除途徑為植物吸收、吸附和硝化、氨化過程［10］。而N2O 是一種溫室氣體，過度排放可能會導致全球溫室效應。也有研究表明當pH 值較低時，N2的產(chǎn)生受到抑制，此時所有的N 將以N2O 的形式排放到大氣中。從環(huán)保的角度看來，濕地土壤的pH 值應該保持在6. 0 以上，這樣很大比例的廢水中的N將會以氣態(tài)形式去除［5］。

另外，濕地中的填料也可通過一些物理和化學的途徑如吸收、吸附、過濾、離子交換等去除一部分污水中的氮。沸石對氨態(tài)氮具有一定的吸附功能，并且大多都用此填料來處理含氮廢水的試驗［11］。還有研究表明，蛭石對氨氮的去除要好過沸石，其主要是通過離子交換作用來去除污水中氨氮，物理吸附作用相對很少，并且陽離子交換反應速度快，飽和吸附量可達20. 83mg /L。因此，強化濕地內部填料層的作用，有利于提高系統(tǒng)的硝化能力［12］。

4. 3 人工濕地對磷的去除

污水中磷的存在形式常見的有磷酸鹽、聚磷酸鹽和有機磷酸鹽等。人工濕地對磷的去除主要是通過基質物理化學作用、植物吸收、與有機物結合、微生物的正常同化和過量積累等，而磷最終從系統(tǒng)中去除是依賴于濕地植物的收割和飽和基質的更換。

廢水中的無機磷跟無機氮一樣在植物吸收及同化作用下，變成植物的有機成分( 如ATP 和核酸等) ，最終通過植物的收割而得以去除。

微生物對磷的去除主要包括對磷的正常同化和過量積累。濕地系統(tǒng)中植物光合作用的光反應、暗反應交替進行，形成根毛輸氧的交替出現(xiàn)，以及系統(tǒng)內部不同區(qū)域對氧消耗量的差異，導致了系統(tǒng)中厭氧、好氧環(huán)境的交替出現(xiàn)。在好氧區(qū)微生物的作用下將磷以磷酸鹽的形成釋放出來，通過水生植物吸收去除［13］。

基質對磷的物理化學作用被認為是人工濕地除磷最有效的機制，一方面，填料為濕地生物膜的形成提供了可依附的表面; 另一方面，基質可以通過吸附沉淀作用將廢水中的含磷污物去除?；|對磷素的吸附主要為化學吸附，即可溶性磷與基質中的Ca、Al、Fe 和土壤顆粒吸附、絡合，形成難溶性物質沉淀去除［14］，但這個吸附沉淀并不是永久的，而是有限和部分可逆的。實驗表明，基質對磷的吸附過程存在著積累現(xiàn)象，當達到飽和狀態(tài)后，會降低對磷的去除率［15］，當污水中磷的濃度過低時，填料中有部分被吸附的磷會重新回到水中［16］。

基質的物理化學作用、水生植物的吸收和微生物的作用是廢水中除磷的3 條平行的途徑，3 者對除磷的作用各不相同。植物直接吸收的磷量最小;基質吸附對除磷起的作用最大，但基質單獨的凈化作用是有限的。因此，只有把植物和基質結合為一個整體的濕地系統(tǒng)，才可能對污水中的磷起最有效長久的凈化作用。

4. 4 人工濕地對重金屬及病原菌的去除

人工濕地對重金屬也有很強的去除能力。金屬離子去除機理主要有: 植物的吸收和富集作用、土壤膠體顆粒的吸附、懸浮顆粒的過濾和沉淀，人工濕地對污水中重金屬去除是通過植物、微生物、土壤基質等組成成分共同起作用的。

研究發(fā)現(xiàn)，像大多數(shù)自然處理技術一樣，人工濕地可以去除污水中的病原菌，其原理尚不清楚，去除率不確定，但很有效。

5. 人工濕地的影響因素

5. 1 基質和植物

不同的基質含有不同的礦物元素、具有不同的孔隙度、復氧能力; 不同的植物對特定的元素吸收量以及根系的供氧能力也不同，這些都影響著對廢水的凈化。正如前面所說，Ca、Al、Fe 含量較高的基質對磷的去除率較高，沸石和蛭石對氮的去除也有較好的效果; 也有研究表明濕地植物吸收營養(yǎng)物的能力與植物的根系深度及生活形態(tài)相關，那些根系易暴露于污水中的植物比根系深但分布于基質中的植物具有更好的吸收能力［17］。

5. 2 溫度和pH

溫度的變化直接影響N 的氨化、硝化與反硝化過程，從而影響人工濕地對N 的去除。低溫下微生物基質酶的活性將受到抑制，導致酶促反應速度很慢，進而影響到硝化和含氮有機物的降解。除此外，隨著季節(jié)氣溫的變化，植物不斷生長，植物在不同生長時期對氮磷的吸收能力也是不同的，一般在春季和夏季，植物生長迅速，生物量增加，對氮磷的吸收增加，出水中氮磷含量較少，在秋季植物枯萎后，吸收速度放慢，而冬季死亡的植株甚至會釋放磷到濕地中，致使出水中磷含量上升，無機磷含量甚至高于進水。因此，對植物的及時收割和填料的定期更換有助于延長濕地系統(tǒng)的處理壽命。pH 值對人工濕地磷的去除影響較大。因為廢水中磷的去除主要是靠基質的物理化學作用，這與介質的酸堿環(huán)境有關。這主要和基質中的金屬離子有關，一般認為其中Ca2 + 易于在堿性或中性環(huán)境條件下發(fā)生反應，而與A13 +、Fe2 + 主要是在中性或酸性環(huán)境條件下發(fā)生反應。污水在經(jīng)過濕地系統(tǒng)時，會引起系統(tǒng)的pH 值的變化，過長的水力停留時間會導致系統(tǒng)的pH 值的降低。

5. 3 DO 值

DO 對氮的硝化、反硝化及磷的生物吸收和同化具有很大的影響。DO 值過低是，出現(xiàn)缺氧狀態(tài)抑制了硝化作用的進行，不能產(chǎn)生大量的亞硝酸鹽和硝酸鹽，繼而使反硝化過程不能進行。DO 值的提高可以有效增強微生物的代謝能力，促進微生物對磷的吸收和同化，也使硝化細菌的呼吸活動加強，對有機物的降解起到了促進作用。

為提高人工濕地中的DO，我們可以通過優(yōu)化設計改善系統(tǒng)充氧能力，如曝氣、分段進水、多點布水、出水循環(huán)，改善基質狀況，增加植物密度［18］。

6. 人工濕地工程實踐中的問題和不足

近年來隨著對循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展重要性的認識，污水生態(tài)處理工藝受到越來越多的重視，人工濕地污水處理技術作為一種新型的生態(tài)型污染治理技術，得到越來越廣泛的應用，但是人工濕地技術在工程應用中仍然存在諸多問題，如: 污染負荷較低，占地面積大; 填料易堵塞; 污染物負荷易飽和，難以長期穩(wěn)定運行等。

6. 1 占地面積相對較大

人工濕地凈污的效果與污水在濕地中流動的時間和空間充足與否有著很大的相關關系。其次，當系統(tǒng)中的填料和植物納污達到飽和程度時需要用備用池來交替運行。另外，為防止淤積，往往建造預處理池對污水進行先期處理。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，一般認為大約是傳統(tǒng)污水處理廠的2 ～ 3倍左右。其中，表面流濕地由于水力負荷小，需要較大的占地面積。因此，人工濕地系統(tǒng)的選址問題要考慮到環(huán)境、經(jīng)濟效益綜合最優(yōu)化、規(guī)模化的因素，尤其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，而且還可以減輕風沙等對市區(qū)的環(huán)境影響。

6. 2 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物、懸浮物、TN、TP、SS、重金屬、病原體等污染物質。但是隨著時間的推移，部分營養(yǎng)物質會逐漸地積累、濕地中的微生物相應地繁殖，如果維護不當，便很容易產(chǎn)生淤積、阻塞現(xiàn)象，使水力傳導性、濕地處理效果和運行壽命降低。隨著污水處理過程的不斷運行，數(shù)年內基質的吸附能力通常會趨于飽和，也會影響濕地的處理效果。排除淤積、飽和現(xiàn)象的最佳途徑是要在有備用池的前提下，定期地對基質進行去淤更換，對植物進行收割。此外，人工濕地中栽培的植物還易受到病蟲害、火災的威脅以及自身生長周期的影響，也是應該加以重視的問題。

從上述分析來看，人工濕地污水處理系統(tǒng)的優(yōu)勢仍然占據(jù)著主要層面。其巨大的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益促使許多國家都在積極地克服困難，不斷地去研究、應用。

7. 人工濕地技術進一步研究建議 

目前，人工濕地系統(tǒng)在許多國家已被用來處理各類受污染水體，包括家畜與家禽的糞水、尾礦排出液、工業(yè)污水、農(nóng)業(yè)廢水、垃圾場滲濾液、暴雨徑流、生活污水、富營養(yǎng)化湖水等。但縱觀國內外研究現(xiàn)狀，我們也注意到，人工濕地污水處理技術還有很多問題有待進一步研究，其急待解決的問題主要表現(xiàn)在以下幾方面。

7. 1 人工濕地對污染物去除機理有待進一步研究

人工濕地除污機理相當復雜，很多化學過程與生物化學過程至今尚未完全弄清或存在不同觀點，主要包括有有機物、磷素、氮素等去除的主要機理尚不明確。例如，關于除磷的主要機理尚存在爭議，一些人認為是植物的吸收作用，另一些人則認為是基質的吸附作用。另外，不同類型的人工濕地對污染物的去除效果亦存在差異，如水平潛流人工濕地除總氮效果較好、而硝化效果較差，垂直潛流人工濕地落空運行條件下硝化效果較好但總氮去除率不高等，有必要進一步研究其各自人工濕地內部氮素的遷移轉化規(guī)律，從而提高各種人工濕地對氮素的去除效果。

7. 2 人工濕地構造需進一步研究

根據(jù)需凈化污染水體的種類不同，如何選擇濕地類型、基質種類、基質粒徑和組配、植物種類及搭配有待進一步的研究。不同的人工濕地類型對各種污染物有著不同的去除效果，針對特定的污染水體，如何選擇合適的人工濕地類型，目前沒有統(tǒng)一的原則和標準。同樣，不同基質對污水中污染物的去除效果也是有差異的，如何通過基質種類選擇及其組配來提高人工濕地對污染物的去除效果，亟待進一步研究; 另外，基質粒徑的選擇對于人工濕地能否長久持續(xù)運行、污染物去除效果等起著至關重要的作用，亦需開展此方面的研究工作。

人工濕地能否有效處理污水的一個重要因素是選擇合適的植物種類。目前，全球發(fā)現(xiàn)的濕地高等植物多達6700 余種，而已被用于處理濕地且具有處理效果的不過幾十種，很多植物從未使用過。一些地處熱帶和亞熱帶的發(fā)展中國家，有豐富的濕地物種。但由于受經(jīng)費限制，無力開展觀測研究，通常照搬發(fā)達國家的成果，包括在物種的利用上，而對本國本地區(qū)很有凈化潛力的植物視而不見，又因為使用和管理水平有限，其處理效果較差。因此，今后開展?jié)竦丶夹g時，選擇合適的植物種類，特別是通過試驗觀測，從當?shù)氐奶烊粷竦刂羞x擇抗污力強、凈化效果好的物種是一項優(yōu)先考慮的工作。另外，在植物選擇方面，還應考慮多個物種的合理搭配，單一物種的凈化能力總是有限的。

7. 3 運行和管理需進一步研究

人們建造濕地處理污水的原因之一是因為人工濕地往往比天然濕地有更高的凈化能力，但人工濕地的處理功能并不是長久保持的，幾年之后就可能演變成自然濕地特性。如新建造的濕地通常具有較高滯留磷的能力，而隨著運行時間的延長，其滯留磷的能力也逐漸下降。另外，如果人工濕地運行管理不當，容易造成堵塞、表面積水等現(xiàn)象，從而直接影響人工濕地的運行壽命。因此，如何長久保持人工濕地的處理能力是值得研究的一個課題。

8. 人工濕地在設計、運行中應注意的問題

人工濕地具有運行成本較低，操作簡單等優(yōu)點，是一種適合我國國情的污水處理工藝，尤其適用于廣大農(nóng)村、中小城鎮(zhèn)及城市分散型的污水處理，因而有著廣闊的應用前景。不過人工濕地是個復雜的污水處理生態(tài)系統(tǒng)，其中的很多機理目前還處于實驗室研究階段。因此今后還要深入地開展研究工作，取得相關的實用數(shù)據(jù)，以促進其在我國適當?shù)貐^(qū)的推廣應用。 在設計和管理運行人工濕地應該做到以下幾點:

( 1) 人工濕地在建造之前，應詳細考慮整個環(huán)境地理條件，規(guī)劃設計濕地的水利工程及后續(xù)管理維護。使進水有效地流經(jīng)整個濕地，得以提高效率，減少濕地所需的面積。

( 2) 根據(jù)所在地的氣候條件選擇一些凈化能力強，具抗逆性，且有一定觀賞價值的濕地植物。同時也要選擇表面積大，吸附性強，孔隙分布均勻，且富含Ca、Fe、Al 等的基質。

( 3) 制定完善的管理方法，例如調節(jié)最佳的曝氣時間，水流時間以提高DO 值等，另外還要定期對濕地系統(tǒng)中的植物和基質進行收割以及替換，這都可以大大提高系統(tǒng)對氮磷的去除率。

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