人工濕地的發展與應用探討

王話翔

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

根據住房和城鄉建設部公布的數據顯示，由于中國城鎮人口數量逐漸增加、居民用水需求上升，中國污水年排放量逐年增長，并在2019年達到554.65億m3。雖然年污水處理量達到了525.85億m3，但城鎮污水處理廠處理后的尾水仍存在氮(N)磷(P)濃度高、濁度低等特點，對地表水水環境仍存在一定的威脅，而在源頭污水處理與尾水處理上人工濕地的地位逐漸凸顯，被廣泛應用在各類污水處理工程中。《國際濕地公約》中濕地指那些長期或暫時的具備水淹條件的沼澤地、泥炭地等，即水陸之間過渡帶[1]。而人工濕地(Constructed Wetland, CW)則是由人工建造、運行管理，通過土壤或基質、植物、微生物等之間的物理、化學、生物的協同作用，從而凈化污水的處理系統[2]。

2 人工濕地的發展歷程

目前國際上關于人工濕地的研究越來越多，在Web of Science上檢索主題“(constructed wetland*)or(artificial wetland*)”，截至2020年有多達1萬余篇英文文獻，且文獻數量逐年呈指數增長，其中我國發文數量躍居首位，美國則為第二大研究國(圖1)。

圖1 人工濕地英文文獻數量及全球分布

2.1 形成與探索

1903年世界上首座用于處理污水的人工濕地建立在英國約克郡[3]，1953年德國Max Planck研究所的著名學者Dr.Kathe Seidel研究發現，在去除污水中的有機物與無機物上，蘆葦具有顯著的效果，后經深入試驗發現蘆葦可很好的吸收污水中的沙門氏菌、大腸菌等多種細菌，研究同時建立了“Max-planck Institute-Process”系統[4]。1966年Dr.Kathe Seidel又首次發現水蔥在處理污水上也能起到顯著的效果，漸漸地許多專家學者開始展開濕地對污水的處理研究[5]。

人工濕地真正形成生態理論是在20世紀70年代，由當時的學者Kickuth提出，并被命名為“根區理論”，即通過矩形蘆葦種植床，結合添加有鈣、鐵等元素的土壤，將污水中含有的N、P等物質去除[6]。在根區理論形成后，人工濕地正式踏進污水生態處理的大門，各個國家及地區開始展開污水的生態處置，并相繼建立起大大小小的人工濕地。21世紀前，美國處理廢水所用的人工濕地已達600余座[7]，丹麥、英國等國家也分別建造了200余座人工濕地[8]，到2006年歐洲所建設的人工濕地已經突破1萬座，北美更是突破了2萬座[9]。

2.2 國內發展狀況

我國在人工濕地方面的研究相對較晚，起步于“七五”期間。我國第一個蘆葦人工濕地1987年由天津環保所建造。1990年前后，北京、深圳相繼又建造了人工濕地的示范工程[3]。根據《中國統計年鑒》(2020)中資料顯示，在2009～2013年第二次濕地調查中，中國除港、澳、臺地區的人工濕地面積已超過67000 km2，江蘇是擁有人工濕地面積(8740 km2)最大的省，其次是湖北省(6808 km2)、山東省(6345 km2)和廣東省(5953 km2)[10]。到2020年，中國約有150座處理能力在30000 m3/d的人工濕地，主要分布在華東地區，經濟的快速發展導致以上地區水污染壓力較大，從而也使得人工濕地的發展速度較其他區域高[11]。

3 人工濕地的組成與分類

3.1 人工濕地的組成

構成人工濕地的3個要素是濕地中透水的填料基質、適宜的濕地植物以及微生物群。污水經過三者的協同作用，以沉淀、吸附、植物吸收轉化、微生物分解等途徑達到凈化水質的目的[12]。

3.1.1 基質

有研究發現大部分污染物的去除都在人工濕地的基質中進行[13]。基質，也就是填料，主要作用有：①為水生植物提供生長條件及支撐；②提供微生物附著生長的場所；③作為各類離子以及各種化合物化學反應的平臺；④攔截、吸附水中雜質及部分污染物[14]。

目前主流的基質填料有土壤、砂、石灰石、沸石、礫石、爐渣、灰巖等，也是目前國內人工濕地主要的填料來源，但在過去10年，對基質的種類研究一直在進行，新出現的一些基質如牡蠣殼、建筑垃圾、輪胎碎片、生物炭、濾網、聚乙烯塑料、鋼渣、稻草等，也在去除污染物上發揮一定的作用[15]。基質物化特性的不同在實際選用上需加以斟酌，如含鈣、鐵、鋁的基質(如礦渣、石灰石、鋁泥等)在除P元素方面具有較好的性能[15]，而高爐渣在去除N、P污染物方面有較好的性能，泥炭則對五日生化需氧量(BOD5)、懸浮物(SS)含量高的污水處理效果較好[16]。此外基質的孔隙率、粒徑大小不同對微生物掛膜有一定影響，一般情況粒徑越小比表面積越大，膜附著面積越大，處理效果越好，但過小的粒徑會一定程度上影響水力傳導，造成短流或堵塞現象，通常所用到的基質粒徑為5～18 mm，在不同的使用場景下所選擇的粒徑大小會有所不同[13,17]。為解決上文中可能出現的堵塞，通常可通過預沉淀、不同粒徑大小的基質組合布設、合理選擇進水有機負荷、沖洗、加藥生化處理等方法緩解堵塞情況[15,18]。

3.1.2 水生植物

人工濕地所常用的植物主要分為挺水植物、沉水植物以及浮水植物。濕地植物在人工濕地中擔任重要的角色，其主要作用為：①吸附污水中N、P等元素，富集污水中重金屬等有害物質；②植物根區為好氧微生物提供氧氣，并為其提供生長繁殖場所；③植物根系的通氣組織可維持和提高基質的水力傳導性能，并防止土壤板結[14,19]。當然隨著近現代人工濕地對景觀效果上的要求，適宜的濕地植物搭配對美化生境、打造附屬旅游經濟等方面均有較好的效果。

常見的挺水植物有蘆葦、香蒲、水蔥、菖蒲等，其主要特征是根系與根莖可生長在水面以下的基質中，而莖葉部分生長在水面以上，一般生長在0～1.5 m的淺水區域或岸邊；沉水植物主要有苦草、黑藻、金魚藻等，呈帶狀或絲狀，其主要特征是整體浸于水體之中，對含N、P物質有較好的吸附作用；浮水植物主要有浮萍、鳳眼蓮等[3,14,20]。在設計和建造濕地的時候，甄選濕地植物除了要考慮當地氣候與地形，還要考慮針對不同污染物的去除效果適當選擇。

3.1.3 微生物

微生物是系統中主要的分解者，微生物的多樣性在濕地運行中有著重要的作用，污水中的N元素需通過微生物的作用發生氨化、硝化及反硝化反應去除，有機污染物的去除也需要微生物的參與[21]。早期的人工濕地的研究主要集中在植物的選取、基質的篩選等方面，隨著人們對人工濕地的認識愈發的全面，在微生物方面的研究越來越多。

濕地微生物群落一般主要有細菌、放線菌、真菌。研究表明：群落中細菌數量最多，真菌數量最少，而在細菌中數量較高的是具有脫氮功能的細菌。一般情況下細菌主要是負責有機物到無機物的轉化，放線菌則是其中的重要參與者，而真菌主要是分解枯萎腐敗的植物，為濕地植物提供碳源、營養物質[21,22]。

3.2 人工濕地的分類

目前人工濕地主要分為表面流人工濕地(SFCW)、水平潛流人工濕地(HFCW)、垂直流人工濕地(VFCW)。在實際的人工濕地運行中也存在一些組合式人工濕地，可更好地去除水體中的污染物。

3.2.1 表面流人工濕地

SFCW比較接近自然濕地，一般水深在0.1～0.6 m，水體沿濕地緩慢向前推進，污水漫流沉降、聚集，能有效去除水體中的固體懸浮物，而有機物則通過植物的根系與附著在植物體上的生物膜去除。雖然SFCW建設結構要求與成本相對較低，運行管理相對方便，但是由于污水不能在SFCW中與基質充分接觸，對含N、P物質的去除效果欠佳，且其占地面積較大，易受自然因素影響，管理不當還會大量的孳生蚊蟲[23]。

3.2.2 水平潛流人工濕地

廢水水平流入HFCW的多孔基質，能與好氧區、缺氧區、厭氧區緊密接觸，充分利用基質、植物根系以及生物膜去除水體中的污染，特別是對N的去除效果比較明顯，而適當的選擇吸附性較高的基質填料也可以達到高效除P，一般情況下處理效果好于表面流人工濕地[24]。雖然HFCW的脫N效果較好，并且具有一定的保溫性能，不易孳生蚊蟲，但其系統供氧受植物根系影響較大，冬季植物枯萎期間供氧能力下降，易影響硝化反應的進行[25]。

3.2.3 垂直流人工濕地

VFCW運行模式是污水通過濕地表面自上而下流入基質，然后通過底部污水收集系統收集后排出，其除污機理與HFCW基本相同，但在其進水的間歇期，可以將空氣輸送到基質中，所以其處理耗氧污染物能力與硝化能力相較HFCW強。VFCW的缺點就是不易操作管理，對SS的去除效果不是很好，并易發生堵塞現象[26]。

4 人工濕地的應用

目前人工濕地主要用于處理各類污水，主要去除水中的N、P物質、有機污染物、重金屬離子、SS以及一些特定化合物等。

4.1 污水廠尾水

雖然目前有很多較為成熟的技術處理城鎮污水，如混凝沉淀、膜分離、化學氧化等[27]，但常規城鎮污水廠出水N、P含量仍相對較高，加上水量較大，對環境有一定的威脅，所以在污水廠出水末端加設尾水處理裝置是現在許多國家和地區采取的方法，而人工濕地處理尾水便逐漸被采納。深度凈化尾水除能緩解入河污染壓力，并且能回補地表水水源[28]。王楠等[29]利用復合的HFCW與SFCW對污水廠尾水進行處理，能除去47.4%的BOD5、35.7%的化學需氧量(COD)、58.3%的SS、52.8%的TN和53.6%的TP。曹大偉等[30]利用VFCW—HFCW—氧化塘的形式處理了廣西省某污水廠的尾水，測得復合濕地對尾水中BOD5、COD、TN、TP、NH3-N的去除率可分別達到59.53%、58.28%、49.90%、51.86%、46.33%。

4.2 河流治理

近年來由于國家逐步重視河流的生態環境，人工濕地在河流修復與治理方面的作用逐漸凸顯，河流治理由開始的截污納管、黑臭整治，到現在的逐步向生態修復方向發展，2012年1月我國發布了《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》，強調推進河流水生態修復，相關水生態治理技術被逐漸納入河流治理工程范圍內。人工濕地在山東省的海子河、遼寧省的條子河[31]以及長江經濟帶沿線水系等地均有應用，王堅等[32]就在山西省沁河采用了復合型潛流人工濕地達到了較好的除P效果，劉晶等[33]通過SFCW+HFCW的復合濕地形式使得永定河懷來段COD去除率達到20%～43%，氨氮(NH3-N)去除率達到11%～43%。

4.3 農村生活污水

目前中國自然村超過250萬個，人口數量龐大，但截至2017年時污水處理率不到30%[34]，農村污水面臨的問題有源頭分散難收集、污水中有機物與氮磷含量高且不穩定、管網建設不健全、運營成本較高等，如2015年就因管網不成熟、資金匱乏等問題，北京房山區58.3%的農村濕地處理點無法達到預期效果[35]。

中國專家學者也一直在探究人工濕地用于處理農村生活污水的相關技術，如江蘇地區所運用的發酵及跌水加人工濕地的處理方法，使得TN、TP、COD、NH3-N去除率超過了80%[36]。楊鳳飛等[37]組合運用生態濾池、人工濕地與穩定塘，將農村生活出水處理后達到了一級B的排放標準，而蘭書煥等[38]運用接觸氧化與蔬菜形人工濕地處理的川渝地區農村生活污水達到了一級A標準。國外對于農村生活污水處理方面相對較為成熟，2002年美國便頒布了《分散式污水處理系統應用手冊》，僅肯塔基州就有4000多座潛流濕地用于處理獨戶污水處理。2003年德國也在分散式污水處理上做出了要求，其中便有濕地處理方式。英國在農村生活污水處理上廣泛采用人工濕地，并組建了900余座濕地的數據庫。法國也有500余座VFCW用于處理農村生活污水[39,40]。21世紀以來，波蘭開始研究改進的濕地系統，2000～2015年，共建成了5600座采用細沙等過濾，通過SFCW與凈化塘組合處理家庭生活污水的系統，實現了“零排放技術”[41]。

4.4 海綿城市建設

海綿城市主要是通過自身的特性實現對抗洪澇現象、雨水的凈化或雨水回用等，人工濕地在海綿城市的建設中主要可以實現雨洪管理及節水治污，同時也具備一些景觀、休閑娛樂效果[42]。

4.5 工業廢水

工業廢水一般情況下污染物濃度較高，包括紡織染料廢水、石油廢水、皮革廢水、食品加工廢水等，適當的采用人工濕地技術能有效的去除廢水中的污染物。除此之外還有炸藥行業、木業、花卉業、釀酒業等均涉及到人工濕地的使用[24]。

紡織業中染整等過程所產生的廢水對環境危害很大，近年來國內也大力整治違規排污的紡織印染行業，對相關企業作出處罰、關停等處理。在國外研究中，Hussein等[46]通過種植蘆葦的VFCW，使得混合染料去除率達到85%～100%。Mbuligwe等[47]運用HFCW處理蠟染廢水得到硫酸鹽、COD的去除率分別為53%、68%。意大利普拉托2003 年所建造的180 m2的HFCW，用以處理紡織廢水。2006～2010年間，測得廢水中的總鉻和六價鉻的去除率分別為40%～50%和67%～71%[48]。皮革行業是用水量較大的行業，廢水中有機物、SS、有機氮、氨、鉻等濃度很高[49]。葡萄牙一家制革公司利用水平潛流濕地有效去除65%的COD、75%的凱氏氮(TKN)、83%的TP、65%的TSS[50]。坦桑尼亞的一家制革廠通過水平潛流濕地將Cr 濃度降低了 99.8%，濁度降低了 71%[51]。食品加工業涉及的范圍較廣，有肉類加工、牛奶行業、制糖行業等[24]。厄瓜多爾早在1999年投入使用的HFCW，就去除了屠宰場廢水中98%的COD、99%的TSS、82%的NH3-N[51]。意大利某奶酪工廠用兩個平行的VFCW處理廢水，其COD、TN、TP、TSS 的處理效率分別為60%、72%、50%、37%[52]。

4.6 養殖廢水

近年來中國養殖逐漸集約化，規模也在快速增長，其廢水中NH3-N、有機物、氮磷、重金屬等含量較高，并存在大量的致病菌[53]。我國2014年8月才開始對畜禽養殖污染開展專項行動，治理體系相對不完善，而國外在20世紀前后便開始利用人工濕地處理養殖廢水，2001年加拿大圣費迪南德的某個鱒魚養殖場采用了2個串聯的HFCW處理養殖廢水，TSS、TP的去除率分別超過了95%和80%[54]。Pelissari等[55]利用人工濕地處理奶牛養殖廢水，HFCW中TN、NH3-N的去除率分別是59%、58%，而VFCW中TN、NH3-N的去除率分別是23%、80%。Feng等[56]利用人工濕地處理養豬廢水，COD、TN、NH3-N的去除率分別可達63.06%～77.18%、40.83%～48.70%、87.19%～96.54%。

4.7 其它特定污染物

人工濕地除在常見的工業污水、生活污水、養殖污水等方面的應用，還被用來去除一些特定的污染物，如一些可生化學較差的新型污染物、具有放射性的污染物等。成水平等[57]對相關文獻進行統計，總結了人工濕地在新興污染物去除方面的作用，人工濕地對聚酯類殺蟲劑(去除率約為100%)、草甘膦(75%～99%)、二嗪農(68%～94%)等農藥均有較好的去除效果。Zhang等[58]發現濕地植物能大量吸收水體中咖啡因，從而降低其污染。在核燃料燃燒、核工業等過程中會產生一些放射性的重金屬，而利用復合人工濕地能去除約60%以上的含Sr2+、Cs+廢水[59]，為人工濕地處理放射性廢水提供參考依據。

5 結論與展望

人工濕地是由基質、水生植物、微生物組合而成的具有凈化水質的系統，一般分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地、垂直流人工濕地，在工業污水、生活污水、養殖廢水、河湖治理等方面均有應用。相較于傳統的污水處理方式，人工濕地的投資建設、運行管理費用較少，操作模式較為簡易，但是人工濕地的建設占地面積較大，管理不善容易造成水質變差，在部分區域的應用效果不佳。過去30年來，人工濕地從一開始的目標污染物的去除、目標植物去除污染物效果研究，到逐步向機理研究，再到通過科學研究以及工程實踐的經驗積累發展壯大，其在處理污、廢水方面還有較為廣闊的前景。

5.1 加強人工濕地的科學建設與管理

在建設人工濕地的過程中，由于建造不合理或管理維護不當等原因，出現過植物大面積死亡、水質異常等現象。在建設人工濕地時首先要分析當地地形、溫度等因素，其次要嚴格把控植物的種類選擇、植物種植密度、植物搭配比例，同時要根據水質特性選擇合適的基質，為避免經常性大范圍堵塞可適當控制基質粒徑，或選擇組合式粒徑搭配。在人工管理上要有明確的規章制度與操作規范，定時檢修維護，及時收割與清理枯萎腐敗植物。

5.2 特殊區域的人工濕地應用

目前在人工濕地的研究中，處理效果相對較好的區域一般為溫度適宜、地理位置優越的區域，隨著相關技術的成熟，人工濕地也被應用在高寒、高海拔區域。在今后的研究中，可將研究方向側重篩選適宜的耐寒、耐鹽堿、耐毒性污染等濕地植物，選擇性能較好的基質，以及研究培養適宜的微生物群，應用于高寒、高海拔以及常年干旱等特殊區域，以更好地發揮人工濕地在不同地理位置與污水性質方面的應用。

5.3 推進農村區域人工濕地建設

在我國農村地區，多數區域沒有完善的污水收集處理系統，人工濕地處理污水的相關技術沒有全面推廣，建有人工濕地污水處理系統的部分農村區域，也由于管理不善或資金支持不到位等問題達不到預期的處理效果，而歐美國家早在21世紀初便將人工濕地技術廣泛的應用在農村生活污水處理方面。2019年中央農辦、生態環境部等九大部門聯合印發的《關于推進農村生活污水治理的指導意見》中指出對農村生活污水散排、亂排等現象要逐步加強管控，所以在今后的研究與工程實踐中，可側重研究適合農村濕地建設的方案，借鑒國外“獨戶式”人工濕地，開發小型人工濕地，優化社區管理模式。