人工湿地的发展分类及机理

人工湿地

1人工湿地概念及其开展

一、人工湿地的概念

人工湿地是人们有目的地建立一种与天然湿地相似的人工生态系统，水特征为水饱和或淹水状态，植物是具有耐湿或水生植物，土为水成土。人工湿地有狭义和广义两种概念。根据?湿地公约?，广义的人工湿地包括：①养殖池塘；②池塘：小水塘、灌溉池塘，面积<8hm2；③灌溉土地：灌渠、水稻田；④季节性泛滥的农田：湿草地、牧场；⑤盐业用地：盐生洼地、盐田等；⑥蓄水用地：水库、水坝、库区、河堰，面积>8hm2；⑦低洼地：泥土、砖块、砾石等洼地、矿区池塘；⑧废水处理区：沉淀池、氧化塘等；⑨运河、水沟等。狭义的人工湿地是指用于降解污染物的人工湿地。本文设计的湿地为此类湿地。

狭义的人工湿地依据不同的分类方式和理解角度，所产生的人工湿地概念也不尽一样。功能上概念：人工湿地是依据土地处理系统级水生植物处理污水的原理，由人工建立的具有湿地性质的污水处理生态系统。构造组成上概念：人工湿地是由独特的土壤〔基质〕和生长在其上的耐湿或水生植物组成，是一个有人为参与的基质—植物—微生物的生态系统。净化机理上概念：人工湿地利用基质—植物—微生物间的物理、化学和生物三重协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解实现对污水的净化。

二、人工湿地的开展

最早的人工湿地是1903年建在英国约克郡Earby的湿地系统，该系统一直持续运行到1992年，但这只是人工湿地的雏形。1953年德国的Dr. Kathe Seidel 在其研究工作中发现芦苇能去除大量有机和无机物，随着这一现象的发现，在60 年代中期，Dr. Seidel与Dr. Kichuth合作并由Dr. Kichuth 开发了“根区法〞〔RZM〕——在水平潜流湿地中种植芦苇，降解有机物，通过硝化反硝化去除氮，通过沉淀作用去除磷。“根区法〞理论的提出，标志着人工湿地污水处理机理的初步萌芽。与此同时，出现了“厌氧微生物和芦苇处理污水〞复合系统，由美国的国家空间技术实验室研究开发。自西德1974 年建成第一座完整的人工湿地以来，人工湿地在20世纪80年代得到了迅速的开展。我国在“七五〞期间开场人

工湿地的研究。天津市环保所在1987年建立了我国第一个芦苇湿地工程，随后，北京昌平于1989 年建立了自由水面流人工湿地，1990 年，国家环保局华南环境科学研究所与深圳东深供水局在深圳白泥坑建成了湿地处理系统示范工程。目前，人工湿地正在向景观、绿化、资源与污水深度处理相结合的方向开展，国内最典型的实例是四川成都活水公园。人工湿地正作为一种独具特色的新型污水处理技术正式进入水污染控制领域。

2人工湿地的分类

根据水的流动状态，人工湿地系统分为自由水面系统，又称外表流湿地；潜流系统，又称潜流湿地，分为水平潜流系统和垂直潜流系统。

一、外表流湿地

污水从系统外表流过，氧通过水面扩散补给。这种类型的人工湿地具有投资少、操作简单、运行费用低等优点，而且该湿地系统与自然湿地最为类似，具有较高的生态效益。但这种湿地系统占地面积大，水力负荷率较小，去污能力有限，运行受气候影响较大，夏季有孳生蚊蝇的现象。

图3-1 外表流人工湿地构造简图〔a〕主视图〔b〕剖面图

二、水平潜流湿地

水平潜流人工湿地污水从进口经由砂石等系统介质，以近水平流方式在系统外表以下流向出口，在此过程中，污染物得到降解。介质通常选用水力传导性良好的材料，氧主要通过植物根系释放。水平潜流湿地的水力负荷和污染负荷较大，对污染物去除效果好；缺点是系统内氧含量较少，硝化效果不如垂直

图3-2水平潜流人工湿地构造简图〔a〕平面图〔b〕剖面图

三、垂直潜流湿地

垂直潜流人工湿地系统该系统通常在整个外表设置配水系统，污水从外表纵向流向填料床底部，氧可以通过大气扩散和植物传输进入人工湿地。该系统有较高的好氧处理能力，因此硝化能力强。为防止堵塞，填料级配复杂，建造要求高，落干/淹水时间长，操作相对复杂。

图3-3 垂直流人工湿地构造简图〔a〕平面图〔b〕剖面图

三种类型人工湿地比拟

人工湿地对污水处理及水质净化的应用很广泛，主要应用在以下方面：

①雨水径流和农业径流净化；

②乡城镇农村生活污水处理和住宅中水回用；

③城镇污水处理厂尾水深度处理；

④工业废水处理；

⑤入湖、入江、入海河道末端处理；

⑥湖泊、池塘、公园和生活小区富营养化水体处理。

人工湿地建立以后，除了人工栽培的高等植物外，野生动植物也会明显增多，首先是昆虫，随后是鸟类和爬行动物，再后是哺乳动物，逐渐成为一个完善的生

态系统。人工湿地植物一般为常绿植物，周年郁郁葱葱，人工湿地中又有欣赏植物，花红柳绿，还有各种花草，所以很多人工湿地可以兼做公共娱乐区、生态公园、吸引游客和附近的居民，是人们休闲娱乐的好地方。

3人工湿地的去污机理

人工湿地利用基质—植物—微生物间的协同作用实现净化污水的目的。人工湿地被用于去除污水中的SS、有机物、氮、磷、有毒重金属离子、病原微生物等。前四项是人工湿地主要的去除对象，也是目前人工湿地领域研究的热点。

一、人工湿地对悬浮固体物的去除机理

悬浮固体物质在流经湿地过程中，会因填料的截留和植物的阻隔而沉积，从污水中去除。在外表流人工湿地中，水流流速较缓慢，使悬浮固体物质有足够时间同污水在湿地运移过程中发生沉积、截留和再悬浮。为尽量减小污水处理过程中再悬浮现象的发生，设计湿地的流速不宜过大，应根据湿地的摩擦特征、颗粒的沉淀特征和颗粒的扰动临界剪切力来确定。湿地植物及其散落物和根系构成了湿地的过滤床，该过滤床具有较大的孔隙度，通过惯性沉积、流线截留和扩散沉积过滤悬浮物质，并在一定程度上可限制再悬浮现象的发生。

在潜流湿地中，水体不与植物的散落物直接接触，与外表流湿地形成的过滤床所产生的沉积过程不同，而且湿地外表的风和动物也不会再引起再悬浮现象的发生。潜流湿地对悬浮固体物质的去除是通过介质过滤作用，颗粒沉积在水滞留的孔隙中，发生着颗粒化过程。

二、人工湿地对有机物的去除机理

碳化合物与每个生命过程息息相关，拥有动物、植物和微生物的湿地生态系统中的碳循环很活泼。在污水处理领域，BOD5、COD、DC、TC、VOC、TOC等是表征有机物的主要指标，其中前两个指标最为常用。

有机物分为不溶性有机物和可溶性有机物。不溶性有机物在湿地中的去除主要是通过湿地基质的吸附和过滤，在基质中沉积从而被分解或者利用。可溶性有机物主要利用的是微生物作用——植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解而被分解去除。最终污水中的有机物是被异样微生物转化为CO2、H2O和微生物体，微生物体的最终去除需要通过定期地更换填料和收割植物。

基质对有机物的去除主要通过吸附和离子交换作用。在适宜的条件下，一些阳离子，如：Ca2+、Mg2+等，与CO32-结合形成沉淀，包括有碳酸钙、碳酸镁、白云石等。人工湿地系统会经过一个成熟的过程，在到达成熟后，填料外表和植物根系周围将生长大量的微生物而形成生物膜，生物膜对流过的有机物可吸附、吸收，从而被微生物代谢过程分解。

三、人工湿地对N的去除机理

人工湿地对污水中的含氮污染物的去除主要依靠填料基质中的微生物〔硝化细菌与反硝化细菌等〕的氨化、硝化和反硝化作用来实现的。氮在湿地系统中循环变化包括了7种化合价态〔-3、0、+1、+2、+3、+4、+5价〕，并且在多种有机形式与无机形式之间转换。市政污水中的氮主要以氨氮和有机氮两种形式存在。大局部有机氮都可以被微生物降解成为氨氮，因此研究中对于无机氮的去除更为关注。污水中的无机氮也可作为湿地植物生长过程中不可缺少的营养物质直接被吸收并通过植物的收获与再种植从整个湿地系统中去除，但植物直接吸收只能局部降低氮元素的浓度，其在整个氮循环过程中只占小局部份额，不能够成为氮元素去除的主体。

含氮污染物主要的去除途径是通过硝化细菌以及反硝化细菌等微生物的硝化、反硝化作用来完成的。人工湿地中的溶解氧随填料基质的高度不同呈现出区域性变化，从床体底部到顶部连续呈现出富氧、缺氧及厌氧三种不同的状态，这相当于许多串联或并联了A/O〔Anoxic/Oxic〕污水处理单元，从而使硝化和反硝化作用可以有条不紊地进展。在这种条件下，NH4+被氧化成NO2-和NO3-等离子，然后再被复原为N2。

其根本过程是硝化细菌首先通过硝化作用先将氨氮氧化成亚硝酸盐与硝酸盐，之后反硝化细菌通过反硝化作用将硝酸盐复原成气态氮，最后氮气从水中逸出。硝化作用在好氧环境下由自养型好氧微生物〔硝化细菌〕完成，它包括两个生化过程：首先由亚硝酸菌〔自养型好氧菌〕将氨氮转化为亚硝酸盐；然后那么由硝酸菌〔自养型好氧菌〕将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐。在硝化反响中起作用的亚硝酸菌、硝酸菌被合称为硝化细菌。反硝化作用在缺氧或厌氧环境下进展的，其机理是反硝化细菌〔多为异养、兼性厌氧细菌〕利用硝酸盐中的氧进展呼

吸作用，氧化分解有机物为其新陈代谢提供养分，同时将硝酸盐复原为N2，最后超过饱和度的N2并从污水中逸出，从而离开整个系统。

因此，人工湿地比无法进展反硝化反响的传统活性污泥或者生物膜处理系统具有更强的氮处理能力；比人工的A/A/O〔Anoxic/Anoxic/Oxic〕系统在操作上要简单，在工序上要节省，在费用上要低廉。为了提高人工湿地氨氮的去除效率，通常会采用人工曝气的方法来增加系统中的溶解氧含量，以此提高好氧细菌的硝化能力，其实际效果是很大程度上提高了氨氮的去除效率，但同时为反硝化细菌的活性带来了抑制作用，这是因为反硝化反响需要一个缺氧〔或厌氧〕环境，而溶解氧的增加，抑制了反硝化作用的进展，从而使硝态氮的去除效果有所降低。如何在提高氨氮的去除率的同时增加硝态氮的去除率是保证人工湿地脱氮效果的一个难点。与有机污染物〔COD与BOD〕的去除相比，人工湿地中的硝化过程速度比拟缓慢，当BOD和COD值较高时，有限的溶解氧常被其他好氧异养菌用于去除有机污染物的反响中，而硝化反响只有在有机物浓度降低到一定程度才能开场。同时反硝化作用又需要从有机质中获取碳源用以维持正常的新陈代谢；当污水有机物浓度很低时，反硝化过程不易进展从而影响整个系统的脱氮效率。解决这一矛盾是提高人工湿地对含氮污染物的去除率的另一难点。

四、人工湿地对P的去除机理

人工湿地对磷的去除是通过湿地填料基质的理化反响、植物根的系吸收以及微生物的积累等几方面共同作用完成的。

进水中的无机磷酸盐在水生植物的吸收和同化作用下，被合成为供能物质〔ATP和ADP〕与遗传物质〔DNA 和RNA〕等有机成份，在季末通过人工对植物的收获将磷元素从整个系统中去除，但是植物的吸收作用只占很少的一局部。研究中发现污水在人工湿地系统中的流动与循环时，进入系统中的磷主要存留在填料基质中，留存于植物体和凋落叶中的很少。而且植物不同器官对于磷的吸收量也有很大不同。

磷的另一去除途径是通过微生物对磷的正常同化吸收以及聚磷菌对磷的过量积累，通过对湿地床的定期更换而将其从系统中去除。在传统的两级污水处理工艺中，普通的微生物对磷的正常同化吸收一般只能去除进水中磷含量的％～19％，因而，微生物对磷去除主要是通过聚磷菌与嗜磷菌的大量摄取磷元素作用

来实现的。但是由于这局部被微生物吸收的磷元素在被不断吸收和释放的动态循环中，而且组成微生物细胞体的磷〔主要存在于遗传物质与功能物质中〕会在聚磷菌与嗜磷菌死亡后几乎全部被迅速分解无机磷然后释放到环境中，所以一般认为微生物的活动与总磷的去除效率之间并无显著相关。

而磷最主要的去除方式还是离子交换。理化作用包括填料基质对磷的吸附及填料基质与磷酸根离子的化学反响，其去除机理为填料基质中Al3+、Ca2+、Fe3+等离子可与PO43--P发生吸附和反响而沉淀去除PO43+，其中PO43+于与Ca2+在碱性条件下发生作用，而与Al3+、Fe3+主要是在中性或酸性环境条件下发生反响，一般认为磷酸根离子主要通过配位体交换而被吸附到Al3+、Fe3+外表。与此同时，大量的研究还发现废水中的磷酸根只是被吸附停留在填料基质的外表，这种吸附沉淀反响也不是永久地沉积在填料基质里，如果长期进水中磷元素的浓度较低，填料基质中被吸附的磷就会局部被重新释放到污水环境中，填料基质的作用在某种程度上是在作为一个“磷缓冲器〞来调节水中磷的浓度，那些吸附磷最少的填料基质最容易释放磷。

4人工湿处理污水的优点

一、高效

人工湿地系统的显著特点之一就是其对污染物有较强的降解能力，它对污水中的COD、BOD、SS、N、P都有很好的去除效果。有研究说明，对某些进水浓度较高的废水，人工湿地对BOD5与COD的去除率仍可分别到达90％左右。人工湿地对氮和磷的去除率可分别到达60％和90％以上，而城市二级污水处理厂对氮和磷的去除效率仅有20％—40％。且人工湿地对负荷的变化有着极强的适应力，当污染物的有机负荷和水力负荷在一定范围内波动时，人工湿地都有很好的适应性。

二、经济

尽管不同的人工湿地系统因地而异，差异较大，但总体来看，湿地系统的基建和运行费用一般仅为传统二级处理厂的l/10至l/2。对我国己建成或正在兴建的人工湿地系统进展分析，可看出人工湿地的投资远低于常规二级污水处理设施。且由于人工湿地根本上无机电设备，故其能耗极低，维护方便，不需专业的技术

人才管理整个系统的运转，因此节约了大批运行费用和人工费用。

三、美观

人工湿地作为一种“自然〞的处理技术，在其具有显著的生态环境效益的同时，也有着较强的欣赏性，它可以与大都市风景园林建立相结合，建立集欣赏、娱乐和污水处理厂于一体的旅游景点，而且对充分利用和节约淡水资源有着更深层次的意义。目前国内已有这方面的成功应用。

自然条件下的生物处理法不但费用低廉、运用管理简便，而且对难生化降解有机物、氮磷营养物和细菌的去除率略高于常规二级处理，到达局部三级处理的效果，而其基建费用和处理本钱只分别为二级处理厂的1/5至1/3和1/20至1/10。此外，在一定条件下，自然处理法还可以获得除害兴利、一举两得的效果。