人工濕地污水處理技術及其發展

呂夢華?王夢悅?王小任

摘 要：人工濕地作為一種新型的污水處理技術，正在不斷地受到全球各地的重視。本文簡要介紹了人工濕地的概念、分類及組成，詳細闡述了人工濕地污水處理的機理，最后對人工濕地在我國的發展方向進行了預測，為人工濕地污水處理的應用研究提供了有益的參考.

關鍵詞：人工濕地；污水處理機理；環境效益；經濟效益；發展趨勢

人工濕地是20世紀70年代發展起來的一種新興污水處理技術，美國Hammer博士將人工濕地定義為”為了人類的利用和利益通過模擬自然濕地，人為設計與建造的由飽和基質、挺水植物與沉水植物、動物和水體組成的復合體”[1]。人工濕地將污水處理和園林綠化合二為一，具有很好的景觀效果和應用價值。與傳統污水處理技術相比，人工濕地具有運行費用低，設備工藝簡單，具有凈化效果好，去除N、P 能力強等優點，適用于適合于水量和水質不大且管理水平不很高的城鎮的污水處理。近年來人工濕地在國內外得到了廣泛的應用，具有非常好的應用前景。

1 人工濕地概述

1。1 人工濕地的分類

根據污水在濕地床中流動的方式可將人工濕地分為3種類型： 表面流人工地、潛流式人工濕地、垂直流人工濕地[2]。表面流人工濕地污水從濕地表面流過，水深一般為0。1-0。6米，水流呈推流方式前進。近水面部分為好氧層，較深部分及底部通常為厭氧層。表面流人工濕地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、運行費用低等優點，但其缺點是占地面積較大，水力負荷率較小，易受季節影響，去污能力有限。潛流式人工濕地污水在填料表面下從一端水平流過。潛流式人工濕地由一個或多個填料床組成，床體填充基質，床底設有防滲，防止污染地下水。它的水力負荷大，對BDD5、CODCr、懸浮物、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象，但控制相對復雜，脫氮除磷效果欠佳。垂直流人工濕地污水從濕地表面縱向流向填料床的底部，其水流方向與根系層垂直，氧可通過大氣擴散和植物傳輸進入人工濕地系統。垂直潛流人工濕地硝化能力強，可用于處理氨氮較高的污水，其缺點是對有機物的處理能力不如潛流式人工濕地系統，落干/ 淹水時間較長，控制相對復雜，夏季有孳生蚊蠅的現象。

1。2 人工濕地的組成

人工濕地污水處理系統由四部分組成：水體（在基質表面下或上流動的水）；具有各種透水性的基質，如土壤、砂礫；適于在飽和水和厭氧基質中生長的植物，如蘆葦；好氧或厭氧微生物種群[4]。

水體是人工濕地處理的對象，為動植物，微生物提供營養物質，它在人工濕地系統中具有很重要的意義。

基質是指人工濕地池床中填充的沙礫、碎石或土壤，是人工濕地凈化污水處理系統的主要組成成分之一，具有支撐高等植物生長的作用。基質既可為微生物的生長提供穩定的依附表面，也可為水生植物提供支持載體和生長所需的營養物質。當污水流經人工濕地時，基質通過一些物理和化學途徑，如吸附、過濾、絡合反應等，來凈化污水中的有機污染物。

濕地植物指濕地中生長的植物，一般多采用挺水植物，具有吸收與富集碳、氮、磷等污染物元素的作用，植物通過根系，吸收富集污水中的自身生長所需要的污染物元素；濕地植物還具有增強和維持基質的水力傳輸的作用，植物根系對基質的穿透作用使在基質中形成微小氣室或者間隙，增強了基質水力傳輸能力；濕地植物還可以為微生物提供棲息生長的附著面，吸附水中的部分懸浮物。

微生物是系統中的主要分解者，承擔著水中污染物特別是有機污染物的降解任務。人工濕地中的微生物主要包括細菌、真菌和放線菌等。其中，細菌作為濕地微生物中數量最多的一個類群，能使復雜的含氮有機物轉化成利用的無機氮化合物。真菌能促進纖維素、木質素、果膠等的分解，并能將蛋白質最終分解釋放出氨。放線菌能比真菌更強烈地分解氨基酸等蛋白物質，還能形成抗生物質維持濕地生物群落的動態平衡。原生動物攝食一些微生物和碎屑，起到調節微生物群落的動態平衡和清潔水體的作用。它們協作構成了互利共生的有機系統，來完成污水凈化的任務[5]。

2 人工濕地污水處理機理

人工濕地污水處理是一個集化學、物理和生物處理協同作用的過程。通過化學處理中的氧化分解，物理處理中的沉積過濾，生物處理中的吸收分解，協同完成處理系統中的污染物的任務。人工濕地污水處理系統中的污染物主要為氮、磷、懸浮物、有機物和重金屬。

2.1 氮的去除機理

濕地中的氮去除機理包括揮發、硝化反硝化、植物攝取等。在Santee[6]的報道中，硝化反硝化去氮量占氮去除總量的60 %～86 %。根據 R。Kickuth 的根區法理論，濕地中的植物將氧氣從上部輸送至主根部， 從而在植物根區附近形成一個好氧區域，離根區較遠的地方形成缺氧區域， 更遠的區域則形成厭氧區域，使硝化和反硝化作用可以同時進行。硝化作用在好氧環境下由自養型好氧微生物完成， 它包括由亞硝酸菌將NH4+-N 轉化為NO2-和由硝酸菌將NO2-進一步氧化為NO3-兩個步驟。反硝化作用在厭氧缺氧條件下進行， 反硝化菌氧化分解有機物， 將NO3-還原為N2、NO2，使氮以N2和NO2的形式從濕地系統中根本去除。

2.2 磷的去除機理

磷在污水中常以磷酸鹽、聚磷酸鹽和有機磷形式存在。磷是植物生長所必需的，人工濕地中磷通過植物， 微生物和基質三個方面共同作用去除。其中， 基質是人工濕地除磷的主要途徑。 王世和等[7]對潛流人工濕地除磷效果進行了研究， 得出三種植物除磷效率高低順序為美人蕉富貴竹蘆葦。但是， 植物對磷的吸收是有限的， 即植物對磷的吸收和儲存只占磷去除的一小部分。熊國祥，羅建中等[8]的研究表明，用碎石和細砂作為填料除磷效果較果好，而且有相當一部分分磷是通過植物， 微生物和基質的協同作用去除的。

2.3 懸浮物的去除機理

污水中懸浮物質包括如粘土、沙粒、植物顆粒以及微生物等一些非溶解性物質。懸浮物的去除主要通過過濾沉淀、水生植物和微生物等的協同作用來實現的。過濾就是指以石英砂等粒狀濾料層截留水中懸浮雜質的過程；沉淀為水中懸浮顆粒物質依靠重力從水中分離出來的過程；吸附就是當兩相組成一個體系時，處在兩相界面處的成分產生濃縮的現象；水生植物能直接吸附富集一些有毒有害物質；微生物能從懸浮物中獲取所需要的養分，從而把污水中顆粒物質和其他物質去除，使污水得到凈化。

2.4 有機物的去除機理

濕地有機物的來源主要由進入水中的有機物、濕地植物的生物產物、水中大分子的碳水化合物白質等有機物的降解產物組成。按溶解性可分為不溶性有機物和可溶性有機物。其中，不溶性的有機物主要通過物理反應，如濕地的沉淀過濾作用而被截留；可溶性的有機物則通過系統填料及植物根系表層所衍生的生物膜的吸附及生物降解過程而被分解去除。

2.5 重金屬的去除機理

人工濕地對重金屬有著很好的去除效果。污水中的重金屬離子主要通過物理作用（沉淀和過濾）化學作用（化學吸附）和生物作用（微生物的交互作用和植物的吸收）而被固定或轉化，以達到凈化污水的目的。其中，植物的吸收富集作用、填料的吸附沉淀作用和硫化物沉淀是人工濕地去除重金屬的主要方式[9]。研究[10]表明風車草（ Cyperus alternifolius） 能吸收富集水體中30 %的銅和錳，對鋅、鎘、鉛的富集也在5 % - 15 %。

3 人工濕地發展的預測

3.1 增加人工濕地的應用領域

在處理的污水方面，可嘗試處理農業污水。在外國已有采用人工濕地處理農業污水，如在美國，一個有500頭豬的農場建立了一座帶有蘆葦床處理養豬污水的示范工程[11]。中國是一個農業大國，若人工濕地處理農業污水的技術發展完善，將會大大改善廣大農村的水質狀況從而提高農村的整體衛生水平。還可用于特殊工業廢水的處理中，最近發達國家已將重點轉移到應用人工濕地處理特殊工業廢水。一些學者在淀粉工業、制糖工業、食品加工和奶制品加工廢水的處理中，或者經過工藝改進或者與其他系統進行組合后用于農業面源污染、城市或公路徑流等非點源污染的治理、垃圾場滲出液，均得到了很好的凈化效果，為類似廢水的處理提供了一條新途徑[12]。

3.2 擴大人工濕地的應用地域

在改進人工濕地技術研究方面， 我國的研究重點主要局限于研究生物因子（植物、微生物），卻很少將目光聚集在研究人工濕地的應用地域的問題上。目前，我國內人工濕地技術主要應用于南方，而人工濕地在北方寒冷地區的應用案例卻非常少。人工濕地未來的發展方向應該是加強對中國北方濕地處理系統在冬季運行的可行性研究，改進濕地結構，加強濕地系統的防凍保溫技術措施，保證冬季處理效果，提高小城鎮低溫污水的處理效率[13]。

參考文獻

[1] Hammer，D。A。Constructed wetlands for wastewater treatment。Michigan：lewis publishers Inc，1989。5-20。

[2] 楊峰。人工濕地污水處理技術[J]。科學論壇，2012：49

[3] 孫桂琴，等。人工濕地污水處理技術及其在我國的應用[J]。環境科學與技術， 2006，29。

[4]張奎，等。人工濕地污水處理技術的研究[J]。工業水處理， 2007，27（8）。

[5]梁威，胡洪營人工濕地凈化污水過程中的生物作用。中國給水排水， 2003，19（10）。

[6] US EPA。 “Design manual of constructed wetlands and aquatic plant systems for municipal wastewater treatment”， 1988 ， EPA 625P1288P022 ：23～25。

[7]王世和，等。潛流型人工濕地除磷效果研究[J]。安全與環境工程，2004，11（4）：21-25。

[8]熊國祥，羅建中，馮愛坤。人工濕地中磷的行為及去除方法研究[J]。環境科學與管理， 2006，31（9）。

[9]吳長淋。人工濕地處理含重金屬廢水的研究現狀及展望[J]。 化學工程師，2009，162（3）。

[10]Cheng S ， Grosse W， Karrenbrock F ， et al。 Efficiency of constructed wetlands in decontamination of water polluted by heavy metals。 Ecol Eng ， 2001 ， 18（3） ：317 - 325。

[11]張健美。人工濕地污水處理技術[J]。污染防治技術，2010，23（5）。

[12]黃朝君。 人工濕地技術在中國水處理領域的應用[J]。江西科學，2006，24（6）。

[13]周國新。 人工濕地污水處理技術的探索[J]。科苑觀察，2010（9）：58-59。