王江輝 郭 威 王鵬飛 郝曉旭

河南建筑材料研究設(shè)計院有限責(zé)任公司（450002）

1 人工濕地系統(tǒng)組成

人工濕地是一種由人工建造和監(jiān)督控制的，與沼澤地類似的地面。人工濕地是為處理污水而人為設(shè)計建造的，是20世紀70年代發(fā)展起來的新型廢水處理工藝。它根據(jù)自然濕地生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)、生化反應(yīng)的協(xié)同作用來處理廢水，一般由人工基質(zhì)（一般碎石）和生長在其上的水生植物（如蘆葦、香蒲等）組成，是一個獨特的土壤（基質(zhì)）—植物微生物生態(tài)系統(tǒng)。

從工程設(shè)計的角度出發(fā)，按照系統(tǒng)布水方式的不同或在系統(tǒng)中流動方式不同一般可分為自由表面流人工濕地、水平潛流人工濕地和垂直流人工濕地。從水力學(xué)角度劃分，人工濕地分為水面濕地和滲濾濕地兩種類型。人工濕地按污水在其中的流動方式可分為兩種類型:水面式人工濕地（簡稱FWS）、潛流型人工濕地（簡稱SFS）。人工濕地根據(jù)濕地中主要植物形式可分為:浮水植物系統(tǒng)、挺水植物系統(tǒng)、沉水植物系統(tǒng)。

不同類型人工濕地對特征污染物的去除效果不同，具有各自的優(yōu)缺點。表面流濕地是廢水在填料表面漫流，它與自然濕地最為接近。但自由表面流人工濕地是人工設(shè)計、監(jiān)督管理的濕地系統(tǒng),去污效果優(yōu)于自然人工濕地系統(tǒng)。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。自由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，但傳輸能力十分有限,這種類型的濕地系統(tǒng)的運行受氣候影響較大，夏季滋生蚊蠅的現(xiàn)象，冬季北方表面會結(jié)冰，還會有臭味。這種濕地不能充分利用填料及豐富的植物根系。其絕大部分有機物的去除是由長在植物水下莖、桿上的生物膜來完成。表面流人工濕地示意圖如圖1所示。

水平潛流人工濕地，這種類型的人工濕地因污水從一端水平流過填料床而得名，它由一個或多個填料床組成，床體填充基質(zhì)，床底設(shè)有防滲層，防止污染地下水，與自由表面流人工濕地相比，水平潛流人工濕地的水力負荷和污染負荷大，對BOD、COD、SS和重金屬等污染指標的去除效果好，且很少有惡臭和滋生蚊蠅現(xiàn)象。目前，水平潛流人工濕地已被美國、日本、澳大利亞、德國、瑞典、英國、荷蘭和挪威等國家廣泛使用。這種類型人工濕地的缺點是控制相對復(fù)雜，脫磷除氮的效果不如垂直潛流人工濕地。水平潛流人工濕地示意圖如圖2所示。

垂直潛流人工濕地，污水從濕地表面縱向流向填料床的底部，床體處于不飽和狀態(tài)，氧可通過大氣擴散和植物傳輸進入人工濕地系統(tǒng)，垂直流入人工濕地的硝化能力高于水平潛流濕地，可用于處理氨氮含量較高的污水，其缺點是對有機物的去除能力不如水平潛流人工濕地系統(tǒng),落干淹水時間較長，控制相對復(fù)雜，夏季有滋生蚊蠅的現(xiàn)象。垂直潛流濕地系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

2 人工濕地功能

絕大多數(shù)自然和人工濕地由五部分組成:①具有各種透水性的基質(zhì)，如土壤、砂、礫石；②適于在飽和水和厭氧基質(zhì)中生長的植物，如蘆葦；③水體（在基質(zhì)表面下或上流動的水）；④好氧或厭氧微生物種群；⑤無脊椎或脊椎動物。

1）水生植物

植物是濕地中必不可少的一部分。它通過自身的生長及協(xié)助濕地內(nèi)的物理、化學(xué)、生物等作用去除濕地中的營養(yǎng)物質(zhì)。植物還可以延長水在濕地內(nèi)的停留時間，沉淀懸浮顆粒，為微生物的生長提供可依附的表面，同時還有輸送氧氣到根區(qū)和提高水在土壤中的傳導(dǎo)能力等作用。植物的選擇應(yīng)盡量考慮增加系統(tǒng)的生物多樣性。生態(tài)系統(tǒng)的物種越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，則其穩(wěn)定性越高，也能延長濕地使用壽命，污水凈化率也會提高。不同的植物對濕地內(nèi)污染物的去除率是不同的，去除率的不同還和濕地內(nèi)廢水的性質(zhì)、當(dāng)?shù)氐臍夂颉⑼寥赖刃再|(zhì)有關(guān)。季節(jié)性和挺水植物比一年生植物和沉水植物具有更高的去除營養(yǎng)物的能力。

2）微生物

人工濕地處理污水時，有機物的降解和轉(zhuǎn)化也主要是由植物根區(qū)微生物活動來完成的。人工濕地中微生物的活動是廢水中有機物降解的主要機制。

人工濕地中的微生物是極其豐富的，這為人工濕地污水處理系統(tǒng)提供了足夠的分解者。不同的環(huán)境，人工濕地微生物群落結(jié)構(gòu)和活力也不一樣。污水中的BOD和COD的去除率與微生物的數(shù)目都有較明顯的相關(guān)性；污水NH3-N的去除率與根區(qū)的硝化細菌和反硝化細菌數(shù)量的相關(guān)性極顯著；而磷元素的去除率則與根際中的磷細菌數(shù)目呈正相關(guān)。

3）基質(zhì)

目前,廣泛應(yīng)用的人工濕地基質(zhì)主要有沙粒、沙子、土壤、石塊。新型填料也在不斷地得到研究和應(yīng)用，特別是沸石，由于其獨特的性能，近年來成為了國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。

這些基質(zhì)一方面為微生物的生長提供穩(wěn)定依附表面,同時也為水生植物提供了載體和營養(yǎng)物質(zhì)。當(dāng)污水流經(jīng)人工濕地時，基質(zhì)通過一些物理的和化學(xué)的途徑（如吸附、吸收、過濾、離子交換、絡(luò)合反應(yīng)等）來凈化除去污水中的N、P等營養(yǎng)物質(zhì)。

3 人工濕地降解機理

人工濕地處理污水的原理較為復(fù)雜，其去除機理和去除途徑和自然濕地相同。多年的研究表明，人工濕地能夠利用基質(zhì)—微生物—植物這個復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用,通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現(xiàn)對廢水的高效凈化，同時通過營養(yǎng)物質(zhì)和水分的生物地球化學(xué)循環(huán)，促進綠色植物生長并使其增產(chǎn)，實現(xiàn)廢水的資源化與無害化。

1）SS 去除

SS中含有有機物和無機物，但主要含有糞便有機質(zhì)和有機顆粒物，如病菌。顆粒的密度和大小變化很大，不同密度、大小的顆粒物具有不同的去除機理和路徑。在人工濕地中SS的去除是相當(dāng)迅速的物理過程，主要去除機理為沉淀、聚集和表面粘附。

2）BOD、COD 的去除

濕地中的不溶性的有機物主要是通過濕地的沉淀、過濾作用而被截留在濕地中；可溶性的有機物則通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物降解過程而被分解去除。生物降解過程主要是通過好氧和厭氧代謝得到降解，從而降低污水的BOD、COD。

3）氮的去除

大多數(shù)污水中N是主要成分，N在環(huán)境中以多種形式存在，有復(fù)雜的循環(huán)路徑。TN由不同比例的顆粒有機氮、溶解有機氮、氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮構(gòu)成。N2和N2O在N循環(huán)中很重要。礦化、生物吸收、硝化和異化（硝態(tài)氮到氨氮DNRA）是使氮的一種形式轉(zhuǎn)到另一種形式的過程。這些過程是物質(zhì)平衡過程，N在同一個系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)。反硝化和氨氮的揮發(fā)是物質(zhì)去除的過程，從而致使N從系統(tǒng)中得到去除。

4）磷的去除

無機磷是濕地植物必需的養(yǎng)分。腹水中無機磷在植物吸收及同化作用下可變成植物的DNA、RNA等有機成分，通過植物收割而去除。物理化學(xué)作用包括填料對磷的吸附及填料與磷酸根離子的化學(xué)反應(yīng)，這種作用對無機磷的去除會因填料中A13+、Ca2+、Fe2+可與 P發(fā)生吸附和反應(yīng)而沉淀去除。

4 人工濕地植物的選擇

1）人工濕地所選植物應(yīng)具有良好的生態(tài)適應(yīng)能力和生態(tài)營建功能，篩選凈化能力強、抗逆性相仿、生長量較小的植物，減少管理上尤其是對植物體后處理上的許多困難。一般應(yīng)選用當(dāng)?shù)鼗虮镜貐^(qū)天然濕地中存在的植物。

2）應(yīng)選用強生命力和旺盛生長的植物，具有以下特點:①抗凍、抗熱能力；②抗病蟲害能力；③對周圍環(huán)境的適應(yīng)能力。

3）所引種的植物必須具有較強的耐污染能力。水生植物對污水中的BOD5、COD、TN、TP主要是靠附著生長在根區(qū)表面及附近的微生物去除的，因此應(yīng)選擇根系比較發(fā)達，對污水承受能力強的水生植物。

5 人工濕地的日常管理

1）人工濕地植物栽種初期的管理主要保證其成活率。濕地植物栽種最好在春季，植物容易成活。如果不是在春季，在冬季應(yīng)做好防凍措施，如在夏季應(yīng)做好遮陽防曬。總之要根據(jù)實際情況采取措施確保栽種的植物能成活。

2）控水。植物栽種初期為了使植物的根扎得比較深，需要通過控制濕地的水位，促使植物根莖向下生長。

3）做好日常護理防止其他雜草滋生和及時清除枯枝落葉，防止腐爛污染。

4）暴風(fēng)雨后，濕地床上植物發(fā)生歪倒，要及時扶培，排除積水。

5）對不耐寒的植物在冬季來臨之前要做好防凍措施或及時收割掉，降低負荷。

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