王江輝 郭 威 王鵬飛 郝曉旭

河南建筑材料研究設(shè)計(jì)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(jì)建造的，是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)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(lái)處理廢水，一般由人工基質(zhì)（一般碎石）和生長(zhǎng)在其上的水生植物（如蘆葦、香蒲等）組成，是一個(gè)獨(dú)特的土壤（基質(zhì)）—植物微生物生態(tài)系統(tǒng)。

從工程設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)方式可分為兩種類型:水面式人工濕地（簡(jiǎn)稱FWS）、潛流型人工濕地（簡(jiǎn)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(duì)特征污染物的去除效果不同，具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。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(jì)、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(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但占地面積較大，水力負(fù)荷率較小，去污能力有限。自由表面流人工濕地中氧的來(lái)源主要靠水體表面擴(kuò)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(yùn)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(huì)結(jié)冰，還會(huì)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(jī)物的去除是由長(zhǎng)在植物水下莖、桿上的生物膜來(lái)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(guò)填料床而得名，它由一個(gè)或多個(gè)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(fù)荷和污染負(fù)荷大，對(duì)BOD、COD、SS和重金屬等污染指標(biāo)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(guó)、日本、澳大利亞、德國(guó)、瑞典、英國(guó)、荷蘭和挪威等國(guó)家廣泛使用。這種類型人工濕地的缺點(diǎn)是控制相對(duì)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(guò)大氣擴(kuò)散和植物傳輸進(jìn)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(diǎn)是對(duì)有機(jī)物的去除能力不如水平潛流人工濕地系統(tǒng),落干淹水時(shí)間較長(zhǎng)，控制相對(duì)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(zhǎng)的植物，如蘆葦；③水體（在基質(zhì)表面下或上流動(dòng)的水）；④好氧或厭氧微生物種群；⑤無(wú)脊椎或脊椎動(dòng)物。

1）水生植物

植物是濕地中必不可少的一部分。它通過(guò)自身的生長(zhǎng)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。植物還可以延長(zhǎng)水在濕地內(nèi)的停留時(shí)間，沉淀懸浮顆粒，為微生物的生長(zhǎng)提供可依附的表面，同時(shí)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(zhǎng)濕地使用壽命，污水凈化率也會(huì)提高。不同的植物對(duì)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?、土壤等性質(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(yíng)養(yǎng)物的能力。

2）微生物

人工濕地處理污水時(shí)，有機(jī)物的降解和轉(zhuǎn)化也主要是由植物根區(qū)微生物活動(dòng)來(lái)完成的。人工濕地中微生物的活動(dòng)是廢水中有機(jī)物降解的主要機(jī)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(xì)菌和反硝化細(xì)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(xì)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(dú)特的性能，近年來(lái)成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

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

3 人工濕地降解機(jī)理

人工濕地處理污水的原理較為復(fù)雜，其去除機(jī)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(gè)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(guò)過(guò)濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物分解來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水的高效凈化，同時(shí)通過(guò)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分的生物地球化學(xué)循環(huán)，促進(jìn)綠色植物生長(zhǎng)并使其增產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)廢水的資源化與無(wú)害化。

1）SS 去除

SS中含有有機(jī)物和無(wú)機(jī)物，但主要含有糞便有機(jī)質(zhì)和有機(jī)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(jī)理和路徑。在人工濕地中SS的去除是相當(dāng)迅速的物理過(guò)程，主要去除機(jī)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(jī)物主要是通過(guò)濕地的沉淀、過(guò)濾作用而被截留在濕地中；可溶性的有機(jī)物則通過(guò)植物根系生物膜的吸附、吸收及生物降解過(guò)程而被分解去除。生物降解過(guò)程主要是通過(guò)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(jī)氮、溶解有機(jī)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(guò)程。這些過(guò)程是物質(zhì)平衡過(guò)程，N在同一個(gè)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(guò)程，從而致使N從系統(tǒng)中得到去除。

4）磷的去除

無(wú)機(jī)磷是濕地植物必需的養(yǎng)分。腹水中無(wú)機(jī)磷在植物吸收及同化作用下可變成植物的DNA、RNA等有機(jī)成分，通過(guò)植物收割而去除。物理化學(xué)作用包括填料對(duì)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(duì)無(wú)機(jī)磷的去除會(huì)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(yíng)建功能，篩選凈化能力強(qiáng)、抗逆性相仿、生長(zhǎng)量較小的植物，減少管理上尤其是對(duì)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(qiáng)生命力和旺盛生長(zhǎng)的植物，具有以下特點(diǎn):①抗凍、抗熱能力；②抗病蟲(chóng)害能力；③對(duì)周圍環(huán)境的適應(yīng)能力。

3）所引種的植物必須具有較強(qiáng)的耐污染能力。水生植物對(duì)污水中的BOD5、COD、TN、TP主要是靠附著生長(zhǎng)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(dá)，對(duì)污水承受能力強(qiáng)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(yáng)防曬。總之要根據(jù)實(shí)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(guò)控制濕地的水位，促使植物根莖向下生長(zhǎng)。

3）做好日常護(hù)理防止其他雜草滋生和及時(shí)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(shí)扶培，排除積水。

5）對(duì)不耐寒的植物在冬季來(lái)臨之前要做好防凍措施或及時(shí)收割掉，降低負(fù)荷。

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