人工湿地生态系统污水净化机理与构建技术研究

　　人工湿地是为处理污水而人为设计建造的，是本世纪七八十年展起来的新型废水处理工艺。它根据自然湿地生态系统中物理、化学、生化反应的协同作用来处理废水，一般由人工基质(一般为碎石)和生长在其上的水生植物(如芦苇、茳芏等)组成，是一个独特的土壤—植物—微生物生态系统。人工湿地可以促进废水中植物营养素的循环，使废水中所含的有用物质以作物生产形式再利用，能绿化土地，改善区域气候，促进生态环境的良性循环[1]。

　　人工湿地作为一种新型生态污水处理技术,具有投资和运行费用低(仅为传统二级污水厂的1/10至1/2)、抗冲击负荷、处理效果稳定、出水水质好,芦苇可以利用(作为造纸原料)等诸多优点,特别是其在脱氮、降磷方面的应用逐步为人们所重视,因此在我国经济尚欠发达、地理条件相对宽裕的广大中小城镇、居民小区具有很广阔的应用前景。特别是表面流人工湿地在外观形式和功能结构上都十分类似于自然湿地系统。在天然沼泽、河湖岸带湿地退化严重，自然湿地面积大幅减少的情况下，利用这些资源以及各种荒滩地重建、改建为人工湿地处理生活污水，既可为退化湿地提供稳定的水源和营养元素，又可为自然湿地的保护和退化湿地的恢复、重建提供一个新的方案，并能为城市居民提供一个良好的休闲娱乐场所。

　　2人工湿地的定义及分类

　　2.1湿地及人工湿地的定义

　　目前一般采用《国际湿地公约》中对湿地(Wetland)的定义，即湿地是指天然或人工，长久或暂时的沼泽地、泥炭地或水域地带，静止或流动，淡水、半咸水、咸水体，包括低潮位时水深不超过6m的水域。它具有如下三基本特征：

　　2.1.1地表水多，水是导致湿地形成、发展、演替、消亡与再生的关键，无水不成湿地。地表过湿，有季节性或常年性积水、淡水、半咸水或咸水;

　　2.1.2水导致了土壤潜育化，有明显的潜育层;有的有泥炭层，为水成土;

　　2.1.3受水的影响，生长有湿生植物、沼生植物或喜湿的盐生植物[1][2]。

　　2.2人工湿地分类

　　人工湿地因水流方式差异可分为以下3类[3]：

　　2.2.1表面流湿地(SurfaceFlowWetlands缩写为SFW)：水在填料表面漫流，它与自然湿地最为接近，绝大部分有机物的去处是由长在植物水下茎、杆上的生物膜来完成。这种湿地不能充分利用填料层极丰富的植物根系，卫生条件也不好，故设计中一般不采用。

　　2.2.2潜流湿地(SubsurfaceFlowWetlands缩写为SSFw)：水在填料表面下渗流，因而可充分利用填料表面及植物根系上生物膜及其他各种作用处理污水，而且卫生条件较好，故被广泛采用[4]。

　　2.2.3立式流湿地(VerticalFlowWetlands缩写为VFW)：水流动况综合了SFW和SSFW的特点，但其建造要求高，易滋长蚊蝇，目前亦不多用[5]。

　　3人工湿地原理

　　人工湿地对废水的处理综合了物理、化学和生物3种作用。它成熟后，填料表面和植物根系中生长了大量的微生物形成生物膜，废水流经时，SS被填料及根系阻挡截留，有机质通过生物膜的吸附及同化、异化作用而得以去除。湿地床层中因植物根系对氧的传递释放，使其周围的微环境中依次呈现出好氧、缺氧和厌氧状态，保证了废水中的氮、磷不仅能被植物及微生物作为营养成分直接吸收，还可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用从废水中去除，最后通过湿地基质的定期更换或收割使污染物质最终从系统中去除[6]。

　　研究发现人工湿地对污染物的去除主要是通过水生植物、基质以及微生物的共同作用来完成的。

　　3.1去除有机物的机理

　　人工湿地显著特点之一是对有机物有较强的处理能力。不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤可以很快从废水中截留下来，被微小生物加以利用;可溶性有机物则可通过生物膜的吸附及微生物的代谢过程被去除。研究表明：在进水浓度较低情况下，人工湿地对以BOD的去除率可达85%~95%。COD去除率可大于80%，城市污水通过湿地处理后，出水BOD在10mg/L左右。废水中大部分有机物的最终归宿是被异养微生物转化为微生物体及CO2和H2O，这些新生的有机体可以通过填料定期更换最终从系统去除。

　　3.2氮的去除机理

　　人工湿地去除氨氮的机理是通过硝化反应先将氨氮氧化成硝酸氮，再通过反硝化反应将硝酸氮还原成氮气而从水中逸出。硝化反应在好氧环境下由自养型好氧微生物完成，它包括3个步骤：第1步由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝酸盐氮;第2步则由硝酸菌将亚硝酸盐氮进一步氧化为硝酸氮;第3步由反硝化菌在无氧而有硝酸氮存在的条件下，利用硝酸氮中的氧进行呼吸，氧化分解有机物，将硝酸盐氮还原为氮气或N2O。

　　3.3磷的去除机理

　　人工湿地对磷的去除是植物吸收、微生物去除及物理化学作用3方面共同作用的结果。如同无机氮一样，无机磷也是湿地植物必需的养分。废水中无机磷在植物吸收及同化作用下可变成植物的ATP，DNA及RNA等有机成分，通过植物的收割而去除。在一般二级污水处理系统中，当进水磷含量为10mg/L时，微生物对磷的同化吸收去除仅是进水总磷量的4.5%~19%，所以，微生物除磷主要是通过强化后对磷的过量积累来完成的。由于湿地中植物光合作用光反应、暗反应交替进行，根毛输氧多少的交替出现，以及系统内部不同区域对氧消耗量的差异，导致了系统中厌氧、好氧的交替出现，使磷的过量释放和过量积累得以完成。这是常规二级处理方式所难以满足的。

　　4建立人工湿地系统的技术

　　人工湿地的构造可简述为：在一定长宽比及底面坡降的浅池内或低洼地中，按一定的坡度填充选定级配的填料(如碎石)，在填料表层土壤中种植一些处理性能好、成活率高、生长周期长、根系发达、美观及具有经济价值的水生植物(如水葫芦、菹草、芦苇等)，构成一个湿地生态系统。在湿地处理系统设计中，应尽可能增加水流在其中流动的曲折性，以增加该系统的稳定性、对外界环境的抗性、延长该湿地的使用寿命及处理能力。一般而言，其设计过程中应充分考虑以下几个因素。

　　4.1污水量和污水水质确定

　　进行污水量的调查和污水水质分析，确定处理的规模以及有针对性地去除有关污染物，设计处理后的污水必须达到一定的污水排放标准。

　　4.2污水处理工艺选择

　　人工湿地系统去除的污染物种类广泛，包括BOD，COD(Chemicaloxygendemend)，SS(Suspendedsolid)，氮，磷，钾，微量金属，病原体等.为减免经常性的清污、降低人工湿地的作业困难，污水的前期处理十分必要。此外，应根据不同的污水来源选择不同的处理工艺。

　　4.3人工湿地的植物选择

　　应选择耐污、净化、抗逆能力强的乡土植物作为人工湿地的种植植物。成都活水公园选择了凤眼莲、浮萍、芦苇、香蒲、马蹄莲、野芋、伞草、菖蒲、灯心草、睡莲、金鱼藻、眼子菜、菹草等。黄时达等人对芦苇、香蒲和灯心草的对比实验结果表明，在四川地区三种水生植物的污水处理能力都较强，但以灯心草最为显著。

　　有关的水生植物去污的报道中，还包括挺水植物，如茭白、慈姑等;浮叶及漂浮植物还有满江红、水花生、菱、水鳖、荇菜等;沉水植物有伊来藻、轮叶黑藻等。在人工湿地的设计中，湿地的长宽值可按下式计算：W=Q/Ks×S×d.其中：W表示湿地宽(m);Q表示湿地平均处理流量(m3/d);d表示湿地深(m);KS表示填料导水率[m3/(m2xd)];S表示湿地床坡度。人工湿地的深度一般是按水生植物根系自然扩展的深度来设计的，多数为0.6~0.7m。

　　5结束语

　　人工湿地是一个综合的生态系统，它应用生态系统中物种共生、物质循环再生原理、结构与功能协调原则，在促进废水中污染物质良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防止环境的再污染，获得污水处理与资源化的最佳效益，是一种较好的生态废水处理方式，比较适合于处理水量不大、水质变化较小、管理水平不高的城镇污水和较分散的污水的处理。经过20多年的研究,人工湿地污水净化技术的研究已经取得了许多经验参数和理论数据，但是还有许多工作有待于进一步开展：

　　5.1实际应用中，人工湿地系统的工艺设计常常是与其他系统相结合，构成多水塘处理系统，共同实现污水净化的目标。目前最常见的多水塘组合是人工湿地与好氧塘、厌氧塘以及兼性塘进行多级串联组合，其目的是为了保证湿地处理系统具有更高的处理效率，使出水水质更趋稳定。但是其组合方式、组合次序都会影响到系统出水的水质。因此，与人工湿地组成的多水塘污水复合处理系统也将是今后的热点研究之一。

　　5.2农业面源污染的研究和治理。目前，面源污染已经远远超过点源污染，用传统的点源污染控制技术很难治理面源的污染，而人工湿地在这方面具有很明显和独特的优势和潜力。

　　参考文献

　　[1]Hammer,D.A.Constructedwetlandsforwastewatertreatment[M].Micahigan:LewisPublisherInc,1989.

　　[2]夏汉平等。人工湿地处理污水机理与效率[J]。生态学杂志，2002，21(4)：51～59。

　　[3]高拯民等。城市污水土地处理利用设计手册[M]。北京：中国标准出版社，1990。

　　[4]崔玉波，韩相奎，宋铁红。潜流人工湿地污水处理技术的效能与设计[J]。环境科学动态，2003，2：23~25。

　　[5]吴振斌，任明迅，付贵萍，贺锋。垂直流人工湿地水力学特点对污水净化效果的影响[J]。环境科学，2001，22(5)：45~49。

　　[6]贺锋等。复合构建湿地运行初期理化性质及氮的变化[J]。长江流域资源与环境，2002，11(3)：279~283。