人工濕地污水處理技術及其發展應用

周克成，梁 敏，饒利軍

（大冶特殊鋼有限公司，湖北 黃石 435000）

人工濕地是經過人工設計的一項工程化濕地系統，處于水陸交接的狀態，因此生態系統相對復雜，而人工濕地由于所處環境及處理物所存在的差異性，使得濕地的種類也豐富多樣。其主要的運作方式是利用自然植被、生物以及土壤來處理廢水，所處理的污染物范圍也較廣，且凈化技術結合了物理、化學以及生物三種技術體系。人工濕地作為一種環保效果好且能耗低的處理技術，已經得到廣泛應用。

1 人工濕地污水處理技術發展概述

人工濕地系統主要由五部分組成，一是基質；二是植物；三是水體；四是動物；五是微生物。而污水處理的主要技術也是依靠人工選擇的自然資源通過互相作用的方式，凈化污水中的污染物。此項技術最早出現在德國，我國在1988年正式引入人工濕地技術并開始了相關研究，經過30多年的發展，部分技術已經實現了彎道超車，領先于世界水平。

人工濕地污水處理技術不僅可以應用于環境治理，還在農業、工業、醫療、城市發展等方面發揮著重要作用。國外部分研究人員利用人工濕地污水處理技術，有效處理了醫療廢水中所含有的13種抗生素，其中5種抗生素的清除率可達到97%。

部分城市在凈化過程中，常會使用殺蟲劑，對周圍地表溪流會造成極大的影響。通過人工濕地污水技術處理，能夠分解地表溪流中的多種有害化學物質，保證了人們的生活安全。

北京大學部分科研人員利用人工濕地污水處理技術，將農業中所排放的畜牧廢水進行了凈化，其中TOC清除率可達到95%，對實現我國農業經濟的可循環發展起到了重要作用；在工業中使用人工濕地污水處理技術，可以將其中的化學用品去除，例如氯化石蠟等，降低了工業生產所產生危害物的潛伏性以及傳播性[1]。

2 人工濕地污水處理技術機理分析

2.1 處理技術類型

人工濕地類型的不同也決定了處理技術的差異性，當前人工濕地類型主要分為三種：（1）表流人工濕地。水面和空氣直接接觸，污水在土上層流動是此種濕地的主要特征，適合處理污染物含量較低的廢水，在處理的過程中部分污染物會受到阻截，而水中所含有的有機物則會被生物膜降解。（2）潛流人工濕地。此種濕地的運作模式是當污水進入濕地后，由于受流動方向的影響，會均勻分布于濕地基料底部，在內部經過處理反應之后，再向外排出。此種濕地依照水流方向可分為水平潛流與垂直潛流[2]。（3）潮汐人工濕地。此種運作模式主要是通過利用提升濕地基料傳氧量以及氧利用率的方式，使污水中的污染物質得到降解。在運行過程中，水進入濕地床體達到飽和狀態，經降解處理將空氣帶入到基料中。

2.2 處理技術的優劣勢

2.2.1 優勢

（1）具備經濟性。根據資料顯示，投資建設加后期運營維護人工濕地污水處理系統的費用，不到傳統二級污水處理廠的1/10～1/2，出水還能夠滿足規定的污水排放標準。基于其成本較低的特點，隨著近幾年科學技術的進步，也得到了廣泛應用[3]；另外人工濕地污水處理技術的負荷變化適應能力較強，在北方等較為寒冷的地區也不易結冰，因此在維修管理上也較為便利。

（2）具備環保性。隨著我國人工濕地污水處理技術的研發力度不斷加大，其技術越來越成熟，應用范圍也越來越廣，在面源污染、城市污水處理、飲用水源、景觀用水以及資源化利用方面都有著出色的表現，可以貫穿于環保節能作業的全過程。加之其產生物質——能源植物的研發具有很大潛力，未來人工濕地污水處理技術能為我國生態環保帶來更加寬廣的工作思路。

2.2.2 劣勢

（1）工藝問題。污水中所含有的污染物大多是未經預處理直接進入到濕地當中的。人工濕地在運行初期，植物根莖還不具備較強的去懸浮物能力，這使得運行過程中易發生淤堵現象。部分濕地的進水水力負荷大，容易對床體造成沖擊進而形成堵塞。

（2）客觀條件問題。土地資源的可利用性和氣候條件也是制約人工濕地污水處理技術發展的重要因素。在通常情況下，人工濕地處理系統的負荷能力較低，因此要滿足處理標準，其面積就要擴大。而近幾年自然氣候的不穩定，強降水的頻發也導致了處理單元發生改變。

（3）規范問題。我國人工濕地處理技術起步較晚，在其快速成長階段，缺乏技術數據的規范及統一性。主要表現在投入實驗的處理系統較少，在設計、建設、運營以及維護方面缺乏規范化的理論與數據統計支持，對管理十分不利。

2.3 處理內容分析

2.3.1 懸浮物處理

懸浮物處理是污水進入到人工濕地污水處理系統中的首個處理環節，也可被視為整個系統的預處理環節。在此期間主要是利用物理去除方式，處理的主要單元是基質以及濕地植物根莖。基質可以通過吸附的方式將污水與懸浮物進行有效分離，而植物根莖主要是通過攔截的方式，使得污水中的懸浮物固體得到有效沉降，最終通過微生物的作用，將其去除。而在人工濕地污水處理系統建設初期，如果部分植物的根莖不夠發達，會造成系統堵塞現象，對后期的運作處理效率有著較大影響，因此要加強對這方面的重視與治理。由此可知，懸浮物處理環節的影響因素包括三部分：（1）污水與基質的接觸程度；（2）污水與植物根莖的接觸程度；（3）污水與微生物的接觸程度。

2.3.2 氮、磷處理

人工濕地污水處理，主要是通過凈化、阻隔、分解等形式處理污水中的污染物，從而使污水達到排放的標準，而污水中所含有的氮和磷是主要的危害物，因此系統會采用吸附、沉淀、轉化等形式完成對二者的處理。

（1）氮處理。在氮處理環節的主要處理介質是微生物，進入到濕地以后會通過氨化、硝化以及反硝化反應，將污水中的氮去除[4]。進入到濕地污水處理體系之中氧化狀態的氮越少，則系統去除氮的效果就會越好，而影響氨氮處理的主要因素為季節變化。

（2）磷處理。在磷處理環節主要是依靠基質和植物為處理介質，進入到濕地以后通過基質吸附、植物吸收的形式，使得濕地處理單元達到飽和狀態，通過水體釋放的方式去除。在進行相關處理時，要重視基料的定期更換，否則就會出現淤堵情況。

2.3.3 有機物處理

部分污水中的有機物質具有較強的不溶性，因此系統中的處理單元會通過沉降以及過濾等方式，將其逐一分解。當前污水中所存在的主要污染有機物是OCPs（氯農藥）與PPCPs（有機氯）等，這一類污染物與微生物之間能夠產生一定的化學反應，微生物可以起到抑制污染物傳播的作用。而分解污染物的微生物類型分為兩種，一種是好氧微生物，另一種是厭氧微生物，二者通過降解的方式能夠將有機污染物進行有效根除。在此環節的處理過程中，部分可溶解的有機物會通過植物表面以及根莖和基質，利用生物膜吸附功能，最后完成微生物的降解工作。由此可以看出人工濕地污水處理技術中，去除污水污染有機物的關鍵就在于微生物的降解作業。

2.4 處理技術影響因素

2.4.1 基質

基質是整個處理系統的支撐部分，在選擇時要考慮到基質的生物性、化學性以及孔隙率等因素。只有較好的透水性，才能保證植物的聲場，從而形成良好的吸附凈化機制。

2.4.2 植物

植物在整個系統中除了要完成簡單的吸附與吸收任務，還要起到輸送養分以及促進微生物增長的作用。由于濕地處于一個長期潮濕的環境中，因此部分植物還要抑制藻類的生長。

2.4.3 微生物

微生物在系統化學處理過程中起到了重要的作用，其具備同化、轉化以及循環、排放污水內有害物質的功能。根據相關資料顯示，不同基質結構和微生物群落之間有著相互影響的作用，而多層結構的處理效果最佳。

2.4.4 其他因素

根據上述內容不難看出，水力負荷對人工濕地污水處理系統的影響較大，水力的過度沖擊會對系統造成一定的破壞；在標準狀況下，水力停留的時間越長，則系統的處理效果也會越好。此外，溫度因素對系統處理效果的影響也較大。

3 人工濕地污水處理技術的實際應用

3.1 應用技術的意義

3.1.1 調節城市氣候

人工濕地污水處理技術在生活中的實際應用，能夠使得區域氣候得到有效調節，可以進一步促成低碳生活理念的落地。人工濕地不僅能夠依靠內部的組織運作機制實現污水凈化，還可以通過多種轉換形式，使得系統中的水分得到有效利用，以水蒸氣的形式排放于大氣之中。這樣區域內空氣的濕度也會增加，有利于形成降雨云層，解決干旱等自然災害問題，對氣候進行進一步優化。調查研究表明，濕地水分的蒸發量是陸地的2～3倍左右，這種通過人工馴化，從而調節自然生態平衡的方式，使得區域內的氣溫、光合作用以及水動態等都得到有效的調節。在當前氣候經濟的影響下，人工濕地污水處理技術的應用，能夠進一步帶動地區經濟的發展，實現可循環經濟目標[5]。

3.1.2 提升資源利用率

我國淡水資源較為匱乏，如何實現資源可持續發展，并加強綠色生態建設，成為了較為嚴峻的課題。通過人工濕地污水處理技術，可以使得水資源得到有效利用，解決由于人類活動增加對氣候及生態造成的破壞。當前造成我國淡水資源遭到破壞的主要原因是水體富營養化的差異性，造成了地區水系統的不良狀況。如污水中含有大量的氮磷成分，而傳統污水處理方式不僅對相關有害物質的處理率較低，而且投資較大。通過人工濕地污水處理技術，使得污水之中的氮與磷能夠被有效分解和吸附，并將之轉化成適宜系統內植物生長的微量元素，可以實現廢物的再次回收利用。就當前人工濕地污水處理技術發展來看，其中的氮、磷生態工程技術已較為成熟，取得了一定的成效，這為凈化水源提供了全新的途徑。

3.2 應用于景區用水

當前在景區中設置人工濕地污水處理技術系統具有較強的天然性和適應性，一是景區通常開發面積較大，能夠滿足人工濕地建設需求；二是景區中設置的景觀較多，其澆水需求量也較大，使用人工濕地處理系統能夠實現資源的可持續利用，對城市公園的建設以及綠地景觀用水具有降低成本的作用。最初，由于受到場地的限制，我國主要將人工濕地污水處理應用于生活污水和工業廢水的處理當中，對于商用人工濕地污水處理系統的研發程度較低。進入到20世紀末期，我國許多城市景觀以及景區都開始使用人工濕地污水處理技術，并廣泛應用于活水公園體系之中。這種依靠人工馴化，從而實現自然效果的污水處理體系，使得景區環境得到了極大的改善。尤其是在人造園林等的設計上，在美化景區環境的同時，更能促成城市自然生態的經濟效益。

3.3 處理養殖廢水

我國是農業大國，農業是國家的第一產業，在農業生產的過程中會產生廢水、污水，其中以畜牧業為主的廢水排放尤為嚴重。主要是因為養殖的牲畜排泄出的廢物會與沖洗水融合，這種合成形式會使污水中的污染有機物含量變高，并且高懸浮物、氮、磷等成分也高居不下，且伴隨著較強的刺激性氣味，對周圍環境影響較大。當前，我國通過使用復合性垂直人工濕地，將畜牧廢水進行了有效處理，這使得水中的氮磷高濃度含量被進一步瓦解，而養殖場中的污水也被妥善解決，降低了污水處理系統成本的投入，實現了農民經濟利益的提升。據資料顯示，養殖廢水在經過硝化反應之后，水中的酸堿值也得到了有效平衡；將氧氣引入濕地以后，循環出水可延續污染物與植物根莖的接觸時長，有效提升污水處理效果。

3.4 應用于污水分類

基于我國現代化建設的飛速發展，當前人們生活中所產生的廢水種類也不斷增多。污水是一種較為復雜的化合物，包括生活污水、農業廢水、工業廢水、城市污水等，其中工業廢水以及城市污水的總量呈現出不斷上漲的趨勢，這與人類活動的增多有著密不可分的關系。為進一步解決相關部門的污水分解壓力，可通過人工濕地污水處理技術將其有效化解，其理論依據在于不同的污水類型存在不同的污染物以及排水量，元素的組成也具有較強的差異性，而人工濕地污水處理技術中的各個處理單元具有可調配性。通過加大對區域內類型污水排放的研究，可以根據污水特性在系統中投放不同的基質、植物以及微生物等，使得污水處理作業更具有科學性，并且也異于機械化作業，不存在能源消耗過量等問題，進一步降低了污水分類治理成本。

3.5 優化應用的方式

當前，雖然人工濕地污水處理技術已經有了較大的發展，但仍然存在占地面積較大、系統投入運營時間較長、易受環境波動影響、填料堵塞以及管理機制不健全等問題。為能夠進一步優化應用形式，本文就當前應用問題提出以下幾點建議：

（1）合理規劃人工濕地土地面積，根據建設區域特點，選擇合適的形態。像較為偏遠的地區，可以考慮擴大人工濕地面積；而在城區人口較為密集的地區，一是要注重面積的設置，二是要注重外形的美觀，以此達到美化環境的目的。（2）在建設之前要加大地區內水文地質的勘查工作，選擇適合地區溫度、氣候生長的植物，保證系統運作的可循環能力。針對部分較為寒冷的地區可適當采取一些保溫措施，從而提高植物的存活率。（3）為減少基質堵塞等情況的發生，在污水排放之前進行適度的預處理，過濾掉較大的懸浮顆粒物，從而保證基質的穩定性。（4）加強對于濕地狀態的檢測與維護，并制定相應的管理措施。

4 結語

綜上所述，人工濕地污水處理技術的發展與創新，對于生態保護和綠色環保工作有著深遠的意義。我國人工濕地污水處理技術雖然起步較晚，但在短時間內得到了快速發展，并且隨著科研人員的不斷深入研究，應用范圍也逐步擴大。針對當前我國自然資源分布不均，部分地區生態環境脆弱等問題，應加大人工濕地污水處理技術的應用，從而推動氣候經濟的可持續發展。