人工濕地研究進展綜述

李忠民

(吉林大學環境與資源學院，吉林 長春 130012)

1 引言

隨著經濟社會的發展、全球人口急劇膨脹及人們生活水平的進一步提高，人均需水量和總需水量均大幅增加，淡水資源的缺乏嚴重影響到了人類的生存和發展，改善水質和水生生態系統的恢復是當前極為緊迫的任務。據報道，2010年我國廢污水排放總量達750億t，河流水質不達標率近40%，其中喪失利用價值的劣Ⅴ類水占20%。“三河三湖”(黃河、淮河、遼河、太湖、巢湖、滇池)嚴重污染問題遲遲的不到有效解決。截止2010年底，我國26個國控重點湖泊(水庫)中，水質為Ⅴ類的有6個，占23.1%，劣Ⅴ類的10個，占38.5%［1］。反映了我國污水處理能力依然嚴重不足。常規的污水生物處理技術能有效地去除有機物，但對氮磷的去除效率不高;化學方法能去除氮磷，但成本高而且容易造成二次污染。人工濕地具有成本低、運轉維護方便、運行費用低、氮磷去除能力強、對負荷變化適應性強，以及兼具美學價值等優點［2］，因而受到了越來越多地關注。目前，人工濕地已在發達國家得到廣泛的應用，主要用于處理來自化糞池、養殖場、造紙廠、油田、煤礦、富營養化湖泊及城市生活污水等。

濕地是陸生生態系統和水生生態系統之間的過渡性地帶，一般包括河流、湖泊、水庫、沼澤、灘涂、低潮時的淺海區等。國際濕地公約中對濕地的定義為:“濕地系指不論其為天然或人工、長久或暫時之沼澤地、泥炭地或水域地帶，帶有或靜止或流動、或為淡水、半咸水或咸水水體者，包括低潮時水深不超過6m的區域”［3］。濕地被稱為“地球之腎”，具有強大的生態凈化作用，是人類最重要的生存環境之一。

2 人工濕地的概念與組成

人工濕地(constructed wetland)是20世紀70年代發展起來的一種廢水處理技術［4］，是人工設計建造的由填料(石、砂、土壤、煤渣等)、植物(沉水植物、浮水植物和挺水植物)和微生物組成的可控制、工程化的污水處理生態系統。

人工濕地主要是由預處理系統、配水系統和濕地處理系統組成。其中，預處理系統主要由沉淀池等組成，去除污水中粒徑較大的顆粒物，以減輕濕地處理系統的負荷。配水系統主要由進水、排水管網組成。人工濕地處理系統是人工濕地的核心部分，用于去除污水中的各種污染物，凈化污水。

基質是人工濕地中不可缺少的組成部分，大部分物理、化學和生物反應等都在基質中進行。基質不但支持濕地植物的生長、為生物膜提供附著體，還可以通過阻力截留過程直接去除污染物。多種材料包括土壤、砂子、礦物、有機物料及工業副產品如爐渣、鋼渣和粉煤灰等都可作為人工濕地的基質［6］。

3 人工濕地的類型

3.1 自由水面人工濕地

自由水面人工濕地與天然濕地相似，污水在基質表面漫流，依靠浸沒在水面下的植物莖稈表面的生物膜來去除污染物。這種濕地不需要考慮基質種類和結構，因而投資少、運行費用較低，缺點是不能充分利用植物根莖來去除污染物，去污效率低。另外，自由水面人工濕地的保溫性能差，冬天容易結冰，夏天又容易滋生蠅蚊，散發惡臭，影響衛生狀況。

3.2 潛流式人工濕地

潛流式人工濕地中，污水在基質表面下的空隙中流動，不但可以通過植物根系和填料來截留污水中的懸浮顆粒物，還可以通過植物根系直接吸收污染物。此外，由于污水在基質表面下流動，所以保溫性能好，受氣候的影響較小，且衛生狀況好。缺點是這種模式的投資較高，且容易發生堵塞。

3.3 垂直水流型人工濕地

垂直水流型人工濕地結合了自由水面人工濕地和潛流式人工濕地的特點，污水在填料床層間做豎向運動，延長了污水在填料中的停留時間，去污能力更強。缺點是這種模式對配水系統的要求更高、投資高［5］，因而應用較少。

4 人工濕地植物的選擇

4.1 濕地植物的作用

濕地植物是人工濕地中的重要組成部分，其種類選擇和數量決定了人工濕地的功能發揮，同時也影響著污水處理效率和景觀效應。對于植物吸收污染物的作用，有兩種不同的說法，有些學者認為植物的吸收具有高效的去污能力，靖元孝等［7］研究了潛流型海桑人工濕地、桐花樹人工濕地和木欖人工濕地對污水的凈化效果。結果表明，3種紅樹植物人工濕地對BOD5、CODCr、TP、TN、－N和－N的平均去除效率分別達到了83%、74%、41%、50%和84%以上。但也有學者認為植物的主要作用并不在吸收污染物方面，李林峰等［8］研究發現，濕地植物吸收的TN和TP中有相當一部分是存儲在地下部，通過刈割而被去除的TN和TP只占人工濕地TN和TP去除量的0.3% ～14.1%和 0.8% ～19.6% ，認為濕地植物的直接吸收在人工濕地系統氮、磷去除中不占重要地位，而在其生態效應的發揮。

4.2 濕地植物的選擇原則

4.2.1 生長適地性

植物的生長受到氣候、地形、水文等條件的限制，因此，應當選擇能夠在當地正常生長的植物，優先考慮當地的物種。某些外來物種可能具有高效的去污能力，但須慎重選擇，以免發生生物入侵。

4.2.2 耐污能力強

不同植物的耐污能力不同，選擇濕地植物時，應當優先選擇耐污能力強的植物，使得植物在污染物濃度較高時仍能正常生存，并能有效地凈化吸收污水中的有害物質。例如，鳳眼蓮、滿江紅、水浮蓮對鱉池中的亞硝態氮、氨態氮、硝態氮的去除率分別達到了57.5% 、74.3% 和 66.5% ，具有較好的去污效果［9］。

4.2.3 多種植物配合

人工濕地是一種人工構建的生態系統，而生物多樣性是維持生態系統穩定的必要條件之一，將多種合適的植物組合種植在人工濕地中，可以維持系統的高效去污能力。

4.2.4 與基質和濕地類型相適應

基質為植物和微生物提供了生長空間，同時為氧的傳遞提供了必需條件［10］。基質的 pH值、含鹽量、孔隙度等影響濕地植物的生長，濕地植物應當與基質相適應。濕地類型也決定了某種植物能否用于該濕地。例如，適合北方人工潛流濕地的植物為蘆葦、茭白、香蒲、水燭、藨草，適合表流濕地的植物是水葫蘆、大薸、菱角［11］。

4.2.5 美學價值

選擇濕地植物時，還應考慮濕地植物的景觀效果，濕地植物是營造濕地景觀的自然材料，在濕地中將沉水植物、浮水植物、挺水植物合理搭配，并在岸邊種植樹木，構建園林景觀。

5 人工濕地的去污機理

5.1 基本去污機制

人工濕地作為一種高生產力的新型污水處理系統，通過濕地中基質、植物和微生物相互關聯，物理、化學、生物學工程協同作用凈化污水［12］。成熟的人工濕地中，微生物大量繁殖，在填料表面形成生物膜，植物根系廣泛分布，通過吸附、過濾、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解等過程來達到水質凈化的目的。

5.2 對各種污染物的去除機制

5.2.1 氮的去除機理

人工濕地具有氮去除效果好、耐沖擊負荷能力強、投資低和生態環境友好等優點。一般情況下，人工濕地的脫氮途徑主要有3種:植物和其他生物的吸收作用、微生物的氨化、硝化和反硝化作用以及氨氣的揮發作用［13］。其中，硝化/反硝化是最主要的氮去除機理，占濕地氮去除總量的60% ～86%［14］，其次是通過植物吸收和積淀物的積累去除，污水的pH值較低時，氨氣的揮發作用可以忽略。決定人工濕地脫氮效率的因素有植物的耐污能力、溶解氧含量、污染物負荷及水力停留時間等，見表1。［14］

表1 濕地中的氮去除機理

(1)微生物的除氮機理。人工濕地中的氮有兩種存在形式，即無機氮和有機氮，無機氮主要有氨態氮、硝態氮和亞硝態氮。微生物的脫氮作用主要包括氨化、亞硝化、硝化和反硝化等階段，需要氨化細菌、硝化細菌和反硝化細菌的共同作用。硝化作用在有氧狀態下進行，而反硝化作用在厭氧狀態下進行。由于人工濕地中污水表面的復氧作用和植物向根系的輸氧作用，在污水中形成了無數有氧—缺氧—厭氧的微環境，使得硝化菌和反硝化菌在人工濕地中同時作用，因而具有高效的處理能力。反應機理見表2。

表2 濕地微生物脫氮反應機理

(2)植物除氮機理。無機氮是植物正常生長所必需的營養物質，污水中的無機氮可直接被植物吸收，最終通過收割而從濕地中去除。另一方面，植物龐大的根系為微生物提供了生存的附著體，并提供微生物所需的碳源［13］。

(3)氨氣的揮發。微生物的脫氮作用主要發生在人工濕地中的氧化還原層、植物根系與土壤的界面層以及挺水植物的地下部分［13］。氨氣的揮發受污水pH值的影響大，一般情況下，通過氨氣揮發而除去的氮的量很小，可忽略。

5.2.2 磷的去除機理

污水中的磷主要來源于生活污水、農田排水、工業廢水，主要形態有活性磷(正磷酸鹽)、非活性磷(聚磷酸鹽和有機磷等)，非活性磷有可溶性和顆粒性兩種存在形態。磷的去除主要通過植物吸收、土壤和填料吸附及微生物固定和沉降實現［15］，其存在形式和去除機理見圖1。

圖1 人工濕地中磷的存在形式和去除機理

5.2.3 有機物的去除機理

污水有機物的去除是由于植物的吸收利用、基質的吸附及微生物的氧化利用綜合作用的結果［16］。其中，微生物的氧化利用占主導作用，包括好養呼吸、無氧呼吸和發酵，其反應方程式見表3。

(1)植物除磷機制。植物根系可以直接吸收一部分磷，通過刈割而除去。另外，植物向根系輸送氧氣，支持微生物的生存，間接除去了污水中的磷。

(2)吸附沉淀除磷。化學作用(吸附和沉淀)是人工濕地的主要除磷機制。

(3)微生物脫磷機制。微生物以聚磷的形式在細胞中存貯磷，其含量可以超過生長所需。其主要反應過程如下:

表3 濕地微生物分解有機物機理

其中，以好氧降解為主［15］，因此，污水中的溶解氧含量是影響去污效果的主要因素。

污水中有機物的成分決定了哪些種屬的細菌占優勢，主要有動膠桿菌屬、假單胞菌屬(含糖、烴類污水)、產堿桿菌屬(蛋白質含量高的污水)、黃桿菌屬及大腸桿菌屬等。

6 存在的問題及展望

人工濕地的堵塞是其應用的最大障礙，堵塞是由沉降和被過濾的固體顆粒在微生物作用下累積而成［17］。潛流式人工濕地最容易發生堵塞。堵塞的主要原因是污水中的懸浮顆粒物在填料層不斷沉積而使孔隙逐漸減小，同時，微生物的代謝產物也不斷蓄積。人工濕地發生堵塞后，其去污能力大大降低。濕地填料粒徑、污水的有機物負荷、懸浮顆粒物粒徑大小等是影響堵塞的主要因素。

作為一種新興的污水處理技術，其對我國城市污水處理和新農村建設具有重要意義。我國正處在經濟高速發展階段，長期以來高投入、高污染的經濟發展模式給生態環境造成了極大的破壞，嚴重影響到了經濟社會的發展。人工濕地以其投資省、費用低的特點，已得到廣泛的應用，取得較好的效益。但同時，當前人工濕地的發展還存在許多的不足，需要進一步的研究和探索。

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