人工濕地在污水回用中的應用及發展趨勢

劉江紅，石風華, 潘 陽

(1.東北石油大學 化學化工學院，黑龍江 大慶 163318；2.邯鄲鋼鐵集團能源中心， 河北 邯鄲056105)

0 引言

近幾年來，污水回用成為了解決我國城市水資源短缺問題的一個重要途徑而日益受到人們的重視。利用人工濕地法提高污水回用效率是目前國際污水處理研究領域的熱點，該方法利用生態系統中物質循環的原理，使用生物方法去除污染物質。人工濕地是指人工建造的、可控制的和工程化的濕地系統，其設計和建造是通過對濕地自然生態系統中的物理、化學和生物作用的優化組合來進行廢水處理。人工濕地處理系統是結合了生態學原理與工程學方法而形成的生態工程污水處理技術，是一個綜合的生態系統,它利用生態系統中的整體優化、循環再生、區域分異等原理，結構與功能協調原則,在促進污染物質良性循環的前提下，充分發揮資源的生產潛力,防止環境的再污染,達到污水處理與回用的最佳效益。該技術簡便易行，工藝先進，運行可靠，操作簡單，運行管理費用低廉，并且不會對環境產生影響。

1 人工濕地凈化機理

1.1 人工濕地去除污染物的機制

人工濕地處理系統是一個獨特的土壤、植物、微生物綜合生態系統，其對污水的凈化有著非常復雜的機理過程。水體、基質、水生及濕生的植物和微生物是構成人工濕地污水處理系統的4個基本要素。植物吸收、微生物代謝以及基質的吸附、過濾、沉淀等過程在人工濕地污染物(有機污染物、氮、磷、重金屬等)的去除中起著關鍵作用，其中包含了物理、化學和生物三重共同作用的效果。

1)物理作用機制：包括兩個方面即沉降和過濾。

2)化學作用機制：指廢水中的污染物通過化學反應發生轉化然后被去除的過程。包括沉淀、吸附和分解。

3)植物作用機制：濕地植物是水陸交錯地帶中的一個重要部分，在水體修復，維持生態平衡和生物多樣性上具有重要作用。

4)微生物作用機制：微生物是生態系統中的分解者，在自然界的物質循環和轉化過程中起著重要的作用。

5)原生動物作用機制：對污染物的去除以及人工濕地系統的運行也起到一定的作用。

1.2 基質在去污過程中的作用

基質是污水處理的主要場所，也是微生物的主要載體，同時又可以為水生植物提供支持載體和生長所需的營養物質。

1.3 人工濕地對污染物的去除效果

1)BOD5及SS的去除：主要依靠人工濕地中填料的吸附、過濾功能和不溶性BOD及SS自身的沉淀[1]。

2)氮的去除：對氮的去除包括基質的吸附和過濾、植物的吸收和微生物硝化、反硝化作用、氨自身的物理揮發作用等。濕地微生物的硝化和反硝化作用是氮素凈化的主要途徑，濕地植被根系微生物能增強其作用，是提高人工濕地的氮素凈化效率的主要途徑。

3)磷的去除：對磷的去除主要是通過水生植物、填料以及微生物的共同作用來完成的。包括化學沉淀，藻類吸收和磷細菌去除等作用[2]。

4)重金屬離子的去除：重金屬離子在濕地系統中可通過植物的富集和微生物的轉化來降低其毒性。遷移途徑有兩種：①質體流作用；②擴散作用。利用濕地處理含Cr時，Cr的去除率同進水中Cr含量及停留時問沒有直接關系，污水中大部分Cr在濕地的前段就已經處理完成。

2 環境因子對濕地系統處理功能的影響

1)溫度：植物與微生物的生長與繁殖能力受溫度的變化影響較大，造成濕地系統在不同的季節有不同的生長量，人工濕地對污染物和氮磷的去除作用夏季明顯強于冬季[3]。

2)pH值：微生物受pH值的影響較大，如在低pH值條件下，濕地中真菌類微生物的活性較強，而高PH值條件下會影響濕地系統對氮磷的去除。

3)溶解氧與CO2濃度：濕地系統中的氧氣和CO2濃度的變化會影響植物的光合作用的速率，從而影響植物對有機污染物的去除。

3 人工濕地應用于污水回用的優點及存在的問題

3.1 人工濕地應用于污水回用的優點

1)高效率：對有機物有較強的降解能力。

2)低投資、低運行費、低維持技術、低投資、低運行費用和低維護技術將使我國大范圍采用人工濕地進行污水回用成為可能。

3)低能耗：人工濕地基本上不耗能。

4)處理量靈活：人工濕地根據污水處理廠的規模，可大可小、就地利用。

5)處理效果好：處理后的水可用于飲用水水源和景觀用水的湖泊、水庫或河流、沖廁、洗車、灌溉、綠化及工業回用等。

3.2 人工濕地技術所存在的問題

1)水力負荷小，占地面積大。

2)堵塞問題：不僅影響到濕地系統的水力負荷，也會影響濕地系統的壽命，使系統喪失功能。

3)寒冷地區冬季運行問題：氣溫的降低會影響人工濕地的正常運行，使污染物的去除率降低，因此，在冬季濕地需要覆蓋隔離這樣的保溫措施或增加人工濕地的構筑深度來達到保溫的效果。

4 人工濕地污水處理系統工藝設計關鍵

目前系統水力停留時間、水傳導、表面負荷率、系統深度、處理單元長寬及其比例、進出水系統布置、防滲材料等七點是人工濕地污水處理系統設計的技術關鍵[4-5]。

4.1 水力停留時間

水力停留時間對磷、氮的去除有很大的影響，通常處理初級和二級出水時，6～7d的停留時間較好。停留時間太短，會使污染物降解不夠充分，同時造成流速大于0.7m/s，水流破壞植物的生長；停留時間過長，造成水流停滯和大面積的厭氧區，影響處理效果。

4.2 水傳導

1)水力坡度：人工濕地水力坡度一般取1%～8%，潛流濕地水力坡度取0.5%～1%。

2)孔隙度：指濕地土壤中孔隙占濕地總容積的比。孔隙度一般在0.65～1.00之間[6]。

4.3 表面負荷率

指單位面積濕地對特定污染物所能承受的最大面積負荷。設計過程中，利用表面負荷率可以計算濕地處理工程的面積。

4.4 系統深度

系統深度是人工濕地污水處理設計、運行和維護的重要參數，水深調節是濕地運行維護、調節濕地處理性能的可用手段之一。為了在最小單位面積濕地內達到最有效地處理污水的目的，在要求的水力停留時間條件下，濕地處理系統深度在理論上應該是越深越好。

4.5 處理單元長寬及其比例

人工濕地床長度通常應為20～50m。過長，易造成濕地床中的死區，且使水位難以調節，不利于植物的栽培。

4.6 進出水系統布置

進出水控制裝置對于人工濕地的處理效果和運行可靠性非常重要。濕地床進水系統的設計應盡量保證配水的均勻性，一般多采用多孔管或三角堰等。

4.7 防滲材料

人工濕地污水處理的運行過程中必須防止污水污染地下水的發生，因此防滲材料的選擇是濕地系統的技術關鍵問題。一些滲透率低于10～6cm/s的天然物質可用于防滲材料，如膨潤土、瀝青、毛氈等。

5 我國人工濕地污水處理系統的發展趨勢

人工濕地污水處理系統是一種集環境效益、經濟效益及社會效益于一體的污水處理方式，具有建造成本低、運行成本低、出水水質好、操作簡單等優點，同時如果選擇合適的植物品種還有美化環境的作用，是一種適合我國國情的一項污水處理新興工藝，尤其適用于解決廣大農村地區、中小城鎮地區的水質問題，因而有著廣闊的應用前景。我國人工濕地技術起步較晚。1990年，國家環保總局華南環保所在深圳建造的白泥坑人工濕地工程(日處理污水3100t)，可以看作是首次實踐。目前我國少數城市已經開始著手應用工作；2002年，日處理污水50000t的人工濕地污水處理廠在江蘇泗洪縣竣工，以后深圳、成都、沈陽、上海等市相繼開展積極的設計、規劃工作。目前我國人工濕地工藝的作用及發展趨勢主要集中在以下幾個方面。

5.1城市人工濕地生態公園

城市人工濕地生態公園能夠為城市中的鳥類、人工飼養的魚類等生物提供豐富的食物和良好的生存繁衍空間，對物種保存和保護城市物種多樣性發揮著重要作用。與天然濕地相比，人工濕地具有更高的凈化能力，若在城市景觀構建中以處理廢水為目的建造人工濕地，則能夠使整個污水處理融入到城市生態之中。此外，還可在暴雨和河流漲水期儲存過量的降水、調節流量、增加城市用水來源，補給地下水，緩解目前城市用水過度而引發的地面下沉問題。在減少城市“熱島”和“干島”效應，調節城市小氣候，改善城市空氣質量，降低噪聲等方面發揮作用[7]。

5.2小型人工濕地分散式污水處理

以小區的污水為中心，利用小型人工濕地，形成一個生態系統，就地凈化處理污水達到回用標準。由于小型的人工濕地占地面積不大，施工不復雜，投資較小，大大節省了城市污水收集管網的建設費用和污水處理費用，還可使污水處理的投資主體由政府轉變為房地產開發商和居民。回用水可直接用于小區內沖洗、澆綠地、景觀用水等。可以做到每開發一個小區，就凈化一個小區，克服了城市建設中“先污染后治理”的弊病。將水平流與垂直流濕地系統組合成復合式人工濕地系統，在停留時間為5d時，其對化糞池出水中COD、BOD、TP、TN、SS的平均去除率分別為72%、80%、83%、33%和60%以上[8]。

5.3非點源污染處理

5.3.1農田徑流

約有150個人工水塘的巢湖小流域，面積僅占不到5%，但可截留該區徑流中90%的氮及磷。實踐表明，在大片農田景觀中，設置適當面積的池塘、洼地、人工河等濕地景觀，可有效地截留來自農田地表和地下徑流中固體顆粒物、氮、磷和其它化學污染物，降低非點源污染形成的危險。通過連續流試驗，潛流濕地床和表面流濕地床最佳停留時間分別為5d和2d。在最佳停留時間下，蘆葦潛流濕地床、茭草潛流濕地床以及表面流濕地床對總氮的去除率分別為75.6%、63.5%和85%；對總磷的去除率可分別達到86%、73%和80%以上。對總氮的平均面積去除負荷分別為1593mg·d-1m-2、1569 mg·d-1m-2和1440 mg·d-1m-2；對應總磷面積去除負荷為208 mg·d-1m-2、180 mg·d-1m-2和128mg·d-1m-2[9]。

5.3.2城區湖泊徑流

運用杭州當地生長周期長、生物量高的植物，如美人蕉作為人工濕地中的植被，處理西湖非點源污染源，對污染物有明顯的凈化效果，對總氮的去除率在73%以上，總磷的去除率為49%～71%，出水水質總體達到國家Ⅱ～Ⅲ類地表水標準[10]。

5.3.3景觀小區

很多小區的景觀水體水質日益惡化，可以采用人工濕地對這種小型的封閉性水體進行修復保護。南京聚福園，通過對雨水的回用凈化處理，全年節約水資源235550m3，節約水費29.26萬元，取得了良好的環境效益和經濟效益。武漢麗水佳園5000m2和浙江溫嶺錦園15000m2的人工濕地及相應的輔助設施，高效低耗地控制非點源污染，有效降解去除水體中氮、磷等營養元素及有機污染物，長效保持景觀水體水質維持在國家Ⅱ～Ⅲ類地表水標準[11]。

5.3.4利用人工濕地建城市內河和人工濕地島

利用河道連通公園湖泊、水位落差較大的優勢，建造人工濕地系統，以凈化為主、景觀為輔，以有效改善河湖水質。將景觀設計與人工濕地技術相結合。景觀型濕地采用貫流形式，不僅解決死水問題，水質較好，同時為河水提供了凈化途徑。人工濕地島是以人工濕地形式構筑的人工島嶼，它省略進出水系統，直接利用水體流動和污染物濃度滲透作用更新水體，以潛流或立式流結構構筑。可以構筑成集生態、觀賞、教育為一體的人文環境景觀，營造獨特的綠色生態園林。

5.3.5處理啤酒廢水

啤酒廢水經酸化預處理后進入人工濕地，床體中充填適量石灰石，調節pH值和提高氧化還原電位的作用。在進水12 h，排水12h，水力停留時間4 d的條件下，面積負荷1080kgCOD·hm-2d-1，有效容積負荷0.092kgCOD·m-3d-1，系統出水COD濃度小于100 mg·L-1；在進水6h，排水6h，水力停留時間2d，周期處理水量不變，面積負荷2160 kgCOD·hm-2d-1，有效容積負荷0.18kgCOD·m-3d-1，系統出水COD濃度小于100 mg·L-1。采用間歇流方式進出水可以最大程度地利用床體上層的大氣復氧，緩解水生植物根系放氧不足的矛盾。適當縮短間歇流周期，可以提高系統處理廢水的能力[12]。

5.3.6處理采油廢水

采用氣浮、生化技術與人工濕地相結合的處理工藝，對采油廠采油廢水進行處理，其化學需氧量去除率達到86.8%，石油類物質去除率達到83.8%，而且具有較強的耐沖擊負荷能力。當進水COD在500mg·L-1以下且有大幅度波動時，該系統仍可穩定運行[13]，生物氧化段沉淀池出水水質達到污水綜合排放標準。油田采出水中的主要污染物是高分子聚合物、表面活性劑、無機鹽以及油水分離后剩余的原油，通常采用隔油、浮選、過濾等物理化學方法處理后回注地下或通過二級生化處理達標后排放。但是對于特稠油乳化段廢水，由于水包油、氮磷含量非常低，且含有大量難生物降解的高分子化合物和膠質瀝青，使得普通活性污泥工藝難以有效降解COD，采出水的含油量和COD分別高達10000mg·L-1和30000mg·L-1，BOD∶COD僅為0.018∶0.088，可生化性極差。經過了復合人工濕地塘床系統處理后，特稠油采出水可以實現達標排放[14]。

5.3.7處理小城鎮生活污水

降流式厭氧生物濾池(DAF)啟動快，不需回流，水力停留時間3 h時，容積負荷為1.12～1.38 kgCOD·m-3d-1，COD去除率為60%左右，其后續人工濕地對COD進一步去除，能有效的脫氮、除磷。經DAF+CW組合，出水水質達到國家一級A標準，并能回用[15]。

5.3.8建水庫

潛流人工濕地系統處理水庫水的試驗研究表明，在水力負荷為0.15～0.45m·d-1時，夏季CODMn和NH4—N的去除率分別為50%和70%，冬季，分別可達到15%和50%，對TN、TP的去除率分別為20%～60%和30%～45%，去除率隨水力負荷率的提高和水溫的下降而降低，該系統在冬季低溫條件下仍可以正常運行。將物理過濾和生物處理相結合的水生植物濾床(APFB)技術在太湖入湖口處處理河水，APFB的最佳水力負荷為4.0m·d-1，總氮、總磷和葉綠素a的去除負荷分別為1.3 g·m-2d-1、0.25g·m-2d-1和170μg·m-2d-1，相應的去除率分別為28%、50%和73%，APFB的硝化作用高于反硝化作用，凈化富營養化地表水具有高效、低成本的特點[16]。

5.3.9城市污水回用

我國大多數的二級污水處理廠出水中N、P的含量較高，濕地對N、P有很高的去除率。二級處理后的污水中不溶性有機物通過濕地的沉淀、過濾作用，可以很快地被截留并被微生物利用。污水中可溶性有機物可通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解過程而被分解去除。

6 結語

人工濕地技術簡便易行，工藝先進，運行可靠，操作簡單，運行管理費用低廉，并且不會對環境產生影響。該技術在城市污水回用中通過物理作用、化學作用、植物作用、微生物作用幾個方面實現了高效的污水處理率，使得凈化后的污水能夠充分回收利用。

近年來，我國人工濕地污水處理技術的研究已經積累了一定的實驗數據與理論基礎，但是對于濕地內部機理和運行模型等仍然把握不夠。因此，深入研究植物和基質的篩選與組合、探討污染物凈化機理、優化水力學模型與降解動力學模型、建立人工濕地數據庫，將有利于提高我國人工濕地技術的設計水平和人工濕地系統的處理能力。人工濕地作為一種處理污水的新技術有待于廣大環境工作者結合各個地區的實際情況，積累設計經驗,制定出一定的設計規范,以促進它的推廣和應用。

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