人工濕地在污水處理中的作用

邱慧哲

（遼寧省朝陽市環(huán)境科學研究院，遼寧 朝陽 122000）

1 引言

濕地是指潮濕或淺積水地帶發(fā)育成水生生物群和水成土壤的地理綜合體，包括陸地上天然的和人工的，永久的和臨時的各類沼澤、泥炭地、咸、淡水體，以及低潮位時6m水深以內(nèi)的海域。

濕地與森林、海洋并稱全球3大生態(tài)系統(tǒng)，也是價值最高的生態(tài)系統(tǒng)。濕地具有涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)、調(diào)蓄洪水、控制土壤侵蝕、補充地下水、美化環(huán)境、調(diào)節(jié)氣候、維持碳循環(huán)和保護海岸等極為重要的生態(tài)功能，是生物多樣性的重要發(fā)源地之一，因此被譽為“地球之腎”、“天然水庫”和“天然物種庫”［1］。

2 人工濕地的概念及類型

濕地的類型通常分為自然和人工兩大類。自然濕地包括沼澤地、泥炭地、湖泊、河流、海灘和鹽沼等，人工濕地主要有水稻田、水庫、池塘等。目前一般所指人工濕地系統(tǒng)都是指挺水植物系統(tǒng)。挺水植物系統(tǒng)根據(jù)污水流經(jīng)的方式，可分為表面流濕地、潛流濕地。表面流濕地是指廢水在填料表面漫流，它與自然濕地最為接近，絕大部分有機物質(zhì)的去除，是由長在水中的植物莖、桿上的生物膜來完成。潛流濕地是指水在填料表面下滲流，因而可充分利用填料表面及植物根系上的生物膜及其他各種作用處理污水，而且衛(wèi)生條件較好。

2.1 表面流人工濕地

在表面流人工濕地中，污水從濕地表面流過，系統(tǒng)中氧的來源主要靠水體表面擴散、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，水力負荷率較小，去污能力有限，且運行受氣候影響較大，夏季易滋生蚊蠅。

2.2 潛流人工濕地

潛流人工濕地由一個或多個填料床組成，床體填充基質(zhì)，床底設有防滲層，污水從一端水平流過填料床。這種類型的人工濕地的水力負荷比自由表面流人工濕地大，對BOD、COD、SS、重金屬等污染指標的去除效果好，而且很少有惡臭和孳生蚊蠅現(xiàn)象，但控制相對復雜。

3 人工濕地在污水處理中的作用

濕地在污水凈化方面具有強大的生態(tài)功能，被稱為“天然的污水凈化器”。天然濕地雖然具有高效強大的污水處理能力，但污水中的有毒物質(zhì)和病菌會對濕地生物多樣性帶來損害，且長期高負荷地承載污水將導致濕地功能的衰退甚至消亡。因此，為了保護天然濕地，用于污水凈化的人工濕地便應運而生了。人工濕地處理系統(tǒng)作為一種成本低廉、節(jié)能降耗、簡單易行、效果顯著、無二次污染的污水處理技術越來越顯示出強大的生命力和優(yōu)越性。

人工濕地是一種類天然的污水處理技術，以太陽能為驅(qū)動力，在植物、微生物和介質(zhì)共同作用下達到凈化水質(zhì)的目的［2］。與傳統(tǒng)污水處理工藝相比，人工濕地作為一種自然生態(tài)處理系統(tǒng)，其基建投資少、運行費用低、節(jié)約能源（除水泵外，基本無需用電）、去除有機污染物能力強、管理維護簡單方便，可以調(diào)節(jié)微氣候、改善城市環(huán)境，具有良好的景觀效應、可持續(xù)的經(jīng)濟效益等［3］。

目前人工濕地在國際上已經(jīng)得到了廣泛的應用。2008年，整個歐洲約有1萬處以上、北美約有2萬處以上人工濕地污水處理系統(tǒng)［4］。

人工濕地是一種正在不斷進行研究、應用的污水處理技術。運用人工濕地來處理工業(yè)廢水、生活污水、農(nóng)業(yè)廢水等方面的研究已有60年的歷史。采用人工濕地技術凈化污水始于1953年德國的Max Planck研究所，他們在研究中發(fā)現(xiàn)蘆葦能去除大量有機物和無機物。到20世紀70年代末期，人工濕地技術逐漸發(fā)展成為一種新型污水處理技術。

國內(nèi)有關學者對人工濕地凈化城市污水的研究表明，在進水濃度較低的情況下，人工濕地對BOD5的去除率可達85%～95%，對COD的去除率可達80%，處理出水BOD5的濃度在10mg／L左右，SS小于20mg／L［5～7］。

不同類型的人工濕地，對不同污染物的去除效率有差異。水平潛流濕地對BOD、COD等有機物和重金屬的去除效果較好，垂直流濕地對氮、磷的去除效果較好，表面流型濕地的處理效果一般。但如果將表面流型與潛流型、表面流型與垂直流型結合起來，去污效率會進一步提高［8］。

浙江嘉興桐鄉(xiāng)大麻村建成一個占地8000m2的人工濕地，總投資近100萬元。附近200戶居民的生活污水通過污水管道可以直接排放到人工濕地系統(tǒng)。通過三級潛流濕地后，大部分污染物得到有效去除。通過人工濕地處理后的出水，流入生態(tài)塘處理系統(tǒng)再次除污后，完全達到排放標準［9］。

4 人工濕地的凈化機理

4.1 人工濕地對有機物的去除

人工濕地對污水具有較強的有機物去除能力，主要是通過濕地床的物理截留沉淀和生物吸收降解作用來去除有機物。一方面，污水中的不溶性有機物通過濕地床中填料床的沉淀、過濾等物理沉積作用很快地被截留下來，并可為部分兼性或厭氧微生物所利用；另一方面，污水中的溶解性污染物，則通過植物根系及填料表面生物膜的吸附、吸收及生物代謝作用而被降解去除。污水中大部分有機物最終被異養(yǎng)微生物轉(zhuǎn)化為微生物體及CO2和H2O，這些新生的有機體可通過填料定期更換，最終從濕地系統(tǒng)去除。

4.2 人工濕地對氮的去除

人工濕地對氮的去除主要靠微生物的氨化、硝化和反硝化作用。微生物中的氮基本以有機氮和氨氮兩種形式存在。有機氮一般情況下在處理過程中被異養(yǎng)微生物分解成氨氮，氨氮在硝化菌的作用下被轉(zhuǎn)化為無機的亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮，最后通過反硝化以及植物根系的吸收作用而從濕地系統(tǒng)中去除。為此，人工濕地對氮的去除主要是無機氮的去除。污水中無機氮的一小部分作為植物生長過程中不可缺少的物質(zhì)，可以直接被植物吸收并通過植物的收割從污水和濕地中去除。而大部分無機氮的去除是通過微生物的硝化和反硝化作用來完成的。人工濕地中的溶解氧呈區(qū)域性變化，連續(xù)呈現(xiàn)好氧、缺氧及厭氧3種狀態(tài)，相當于許多串聯(lián)或并聯(lián)A2／O處理單元，使硝化和反硝化作用可以同時進行；在這種環(huán)境下，首先通過硝化作用先將氨氮氧化成硝酸鹽，再通過反硝化作用將硝酸鹽還原成氣態(tài)氮從水中逸出。

4.3 人工濕地對磷的去除

人工濕地對磷的去除是通過植物的吸收、微生物的積累及濕地床的物理化學等幾方面共同作用完成的。污水中的小部分無機磷在植物的吸收和同化作用下，被合成為ATP、DNA和RNA等有機成分，通過對植物的收割而將磷從系統(tǒng)中去除；而大部分是通過微生物對磷的正常同化吸收以及聚磷菌對磷的過量積累，定期更換濕地床而將其從系統(tǒng)中去除。此外，濕地的土壤對污水具有一定的凈化作用。土壤是濕地的基質(zhì)與載體，濕地土壤主要是通過離子交換、專性與非專性吸附、整合作用、沉降反應等過程來實現(xiàn)凈化作用。

4.4 人工濕地處理污水的技術特點

人工濕地用于生活污水的處理，對化學需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、固體懸浮物（SS）等的去除效率均可以達到90%，對總氮也能達到很好的去除效果。人工濕地污水處理技術與常規(guī)污水處理技術相比有如下幾個優(yōu)勢:可保持較高的水里負荷；處理效果穩(wěn)定可靠，出水BOD5、SS、大腸桿菌數(shù)明顯優(yōu)于二級生化處理，在某些場合可替代三級生化處理；基建投資低，運行費用低；運行操作簡單，不需要復雜的自控系統(tǒng)；適宜處理間歇排放的生活污水，耐污能力及水力負荷強，抗沖擊性能好；具有生態(tài)服務功能，有景觀效應［10］。人工濕地處理污水技術尚存在占地面積大、難降解的固體懸浮物堵塞人工濕地處理系統(tǒng)、脫氮除磷效率不穩(wěn)定等問題。

［1］國家林業(yè)局.中國濕地保護行動計劃［M］.北京:中國林業(yè)出版社，2000.

［2］宋鐵紅.冬季人工濕地內(nèi)微生物活性和除污效率分析［J］.水處理技術，2008（9）:68.

［3］遲延智，陳風倫.人工濕地處理污水的實踐［J］.中國廢水排水，2003（4）:78～79.

［4］吳春英.吉林市人工濕地生態(tài)環(huán)境規(guī)劃的設想［J］.環(huán)境科學與管理，2008，33（5）:140.

［5］李章成，許紅艷，丁德蓉.香根草應用研究進展［J］.四川草原，2004（7）:23～24.

［6］卞有生，金冬霞.規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場污染防治技術研究［J］.中國工程科學，2004（3）:43～45.

［7］吳 平.小城鎮(zhèn)污水處理生態(tài)技術及應用［J］.黃河水利職業(yè)技術學院學報，2004（1）:88～89.

［8］楊曉忠.人工濕地脫氮除磷研究進展［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2007（4）:56～57.

［9］林文周，劉海波，左文武，等.人工濕地在城鎮(zhèn)生活污水治理中的應用［J］.環(huán)境保護與循環(huán)經(jīng)濟，2008（4）:27～28.

［10］李曉東.聚焦人工濕地技術［J］.環(huán)境保護與循環(huán)經(jīng)濟，2008（4）:27～28.