劉志軍 彭傳國 孫 康

（武漢澤水生態(tài)環(huán)境科技有限公司 湖北武漢 430070）

引言

隨著環(huán)境保護重要性的持續(xù)凸顯，國家對水污染的治理力度不斷加大，排放標準日趨嚴格。許多污水處理廠需要通過尾水深度凈化來實現(xiàn)提標，工程出水水質(zhì)要求達到 《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）V 類，甚至IV 類標準。人工濕地因具有運行費用低、維護管理簡單方便、生態(tài)景觀效果好等優(yōu)點，成為了尾水深度凈化的熱門工藝[1]，得到了國家和地方的大力支持，比如《山西省水環(huán)境質(zhì)量鞏固提升2021 年行動計劃》中就明確提出要“推動城鎮(zhèn)污水處理廠出口人工濕地建設(shè)”。我國北方地區(qū)氣候寒冷，尾水人工濕地必須具備良好的保溫性以保證冬季凈化效果，因此以保溫性能好的潛流型為主。

1 潛流人工濕地的定義及形式

人工濕地是指通過工程化模擬自然濕地，人為設(shè)計、建造的由“基質(zhì)填料-水生植物-微生物-水體”組成的四位一體復(fù)合水體凈化生態(tài)系統(tǒng)，依靠系統(tǒng)內(nèi)物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同效應(yīng)，通過過濾、吸附、共沉、離子交換、化學(xué)轉(zhuǎn)化、植物吸收和微生物降解等作用，并利用流體動力學(xué)原理，實現(xiàn)對污水的高效凈化[2]。人工濕地按照水流型態(tài)，分為表面流人工濕地和潛流人工濕地。其中表面流人工濕地是指水面在表層填料以上，污水從池體進水端水平流向出水端的人工濕地。潛流人工濕地是指水面在表層填料以下，污水垂直或水平流過填料的人工濕地，潛流人工濕地又可分為水平和垂直潛流人工濕地兩種類型[3]。

水平和垂直潛流人工濕均由進水系統(tǒng)、填料床、濕地植物、出水系統(tǒng)幾部分組成。來水通過進水系統(tǒng)進入填料床，被填料及填料床內(nèi)的植物根系凈化后由出水系統(tǒng)排出。水平和垂直潛流人工濕地主要區(qū)別在于進水和出水系統(tǒng)不同，水平潛流人工濕地是沿填料床水平方向一側(cè)進水另一側(cè)出水，水在填料床中沿水平方向流動；而垂直潛流人工濕地是從填料床頂部或底部進水，另一側(cè)出水，水在填料床中沿豎直方向流動。

2 潛流人工濕地對污染物的凈化原理

潛流人工濕地對污染物的凈化包括物理、化學(xué)和生物的三種作用。填料床內(nèi)充滿了顆粒狀填料以及濕地植物的根系，比表面積大，為微生物提供了良好的生長繁殖場所。污水在填料床內(nèi)流動過程中，水中污染物會被填料的物理、化學(xué)吸附作用，以及微生物的吸收、同化及異化作用共同去除。植物、填料、微生物的具體作用如下。

（1）植物的作用

濕地植物對填料床表面的覆蓋以及植物根系的固定作用能有效提升填料床的穩(wěn)固性，在一定程度上對濕地進行保溫，促進填料的物理、化學(xué)吸附以及填料床內(nèi)生物膜的生長。植物還能起到調(diào)節(jié)污水流速的作用，提升配、收水均勻性，避免濕地短流。

除此之外，植物還能通過植物機體對氧的傳導(dǎo)作用將光合作用產(chǎn)生的氧氣傳導(dǎo)、釋放至植物根系周邊區(qū)域，形成氧傳導(dǎo)通道。由于潛流濕地填料床位于地下而且填料厚度較深，床內(nèi)容易缺氧，而植物對氧的傳導(dǎo)能有效提升填料床內(nèi)的氧濃度，為硝化細菌等好氧微生物的生長提供條件，提高根際生物量，促進硝化反應(yīng)的進行，提升濕地對COD 和氨氮的處理能力。

對于冬季寒冷的北方地區(qū)來說，植物還有一個非常重要的作用，就是防止人工濕地系統(tǒng)結(jié)冰。已經(jīng)死亡的挺立植物與冬季降雪起到保溫層作用，防止人工濕地系統(tǒng)對污染物的去除能力大幅度降低。

（2）填料的作用

填料是潛流人工濕地的核心組成部分，被稱作高效的“活過濾器”，潛流濕地系統(tǒng)中大部分的物理、化學(xué)和生物反應(yīng)都在填料中進行。填料在污水凈化過程中起到重要作用，一是為水生植物提供載體，使得植物根系對污染物質(zhì)進行有效地吸收、轉(zhuǎn)化、降解；二是為凈水微生物提供穩(wěn)定的依附表面，使微生物能快速生長，大量繁殖，促進污水中污染物質(zhì)的分解、轉(zhuǎn)化和生物固定化；三是利用填料的吸附作用，以及填料中的無機、有機膠體的絡(luò)合和沉淀作用來凈化水體。

（3）微生物的作用

潛流濕地污水處理系統(tǒng)對污染物的凈化是依靠植物、填料以及微生物三者共同實現(xiàn)的。其中，微生物在對污染物的吸附和降解中起著核心的作用。在填料床不同區(qū)域，生長著各種好氧、兼氧及厭氧微生物。

在削減有機物方面，微生物可將一部分有機物氧化分解，進而產(chǎn)生CO2和H2O 等穩(wěn)定的無機物，并從中獲取新細胞物質(zhì)所需的能量，另一部分有機物則被微生物利用，合成代謝為新細胞組織。在削減氮方面，微生物則主要依靠氨化、硝化和反硝化作用來去除。在削減磷方面，微生物主要依靠自生的同化作用將水體中的含磷污染物轉(zhuǎn)化為微生物機體，但因為磷無法轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，除磷不能像除氮那樣通過硝化和反硝化作用轉(zhuǎn)化為氣態(tài)實現(xiàn)完全去除，避免二次污染，在微生物死亡后，富集于微生物體內(nèi)的磷還會再次回到水環(huán)境中。即便如此，微生物能通過體內(nèi)酶促反應(yīng)，將難降解的有機磷轉(zhuǎn)化分解為容易被填料化學(xué)吸附以及根系吸收的無機磷，提升填料及植物的除磷能力，促進植物的生長。

3 潛流濕地的設(shè)計要點

（1）北方地區(qū)應(yīng)結(jié)合實際氣候合理設(shè)計填料厚度

北方地區(qū)冬季氣候寒冷，凍土層厚度普遍較厚，冬季潛流人工濕地的填料床有效填料厚度會受到較大影響，在設(shè)計時需充分考慮此不利影響，適當(dāng)加深填料床厚度，保證冬季濕地的處理規(guī)模和出水水質(zhì)滿足設(shè)計目標需求。

（2）潛流濕地必須做好填料選擇

填料床是潛流濕地的工程核心，填料的選擇尤為重要。填料應(yīng)具有較高的強度和耐磨損能力，保證濕地使用壽命，同時還要比表面積大，生物親和性好，能讓微生物快速形成生物膜，保證凈化能力。除此之外，填料還要性質(zhì)穩(wěn)定，不能釋放污染物，避免因填料選材不當(dāng)造成二次污染，主要技術(shù)指標應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范規(guī)定。填料選擇在保證處理效果的前提下，應(yīng)兼顧當(dāng)?shù)刭Y源狀況，選用礫石、碎石、卵石、沸石、火山巖、陶粒、石灰石、礦渣、爐渣、蛭石、高爐渣、頁巖或鋼渣等材料，也可采用經(jīng)過加工和篩選的碎磚瓦、混凝土塊材料或?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境安全的合成材料。

（3）濕地植物的選擇必須兼顧功能性、景觀性和安全性，適宜本地氣候

適宜本地氣候是潛流濕地植物選擇的前提，若植物無法正常生長，植物的凈化能力和景觀效果均無從談起。在保證適宜本地氣候的前提下，去污效果好則是濕地植物選擇的首要原則，為了提高濕地的去污能力，在選擇植物時應(yīng)選擇根系發(fā)達、生物量大、單位面積污染物去除率高的植物。

在濕地公園理念逐漸深入人心的當(dāng)下，濕地的設(shè)計普遍需要融入園林景觀設(shè)計元素，因此濕地植物不能片面追求功能性，還必須兼顧景觀性。除此之外，濕地植物應(yīng)優(yōu)先選用本土植物，慎重引入外來植物，避免引發(fā)生物安全性問題。

（4）必須做好布水和收水系統(tǒng)設(shè)計

布水和收水系統(tǒng)直接關(guān)系濕地是否會出現(xiàn)短流，水流是否通暢，對濕地的處理效率有重要影響。設(shè)計時必須保證布水和集水的均勻性和可調(diào)性。潛流人工濕地應(yīng)設(shè)置防止水量沖擊的溢流或分流設(shè)施；分區(qū)設(shè)計時，應(yīng)考慮分水井、分水閘門、溢流堰等分流設(shè)施。當(dāng)處理規(guī)模波動較大時，應(yīng)考慮水量調(diào)節(jié)或溢流設(shè)施。為保證濕地水位可調(diào)性，出水處應(yīng)設(shè)置可調(diào)節(jié)水位的彎管、閥門等。為防止短流、布水收水不均，布收水系統(tǒng)在布置時可考慮采取多點布水、濕地單元間設(shè)可切換的連通管渠，設(shè)置排空設(shè)施、攔水及超越管，設(shè)置消能、防沖刷設(shè)施等方法。

（5）必須充分考慮應(yīng)急工程

尾水人工濕地處理對象為污水處理廠尾水，當(dāng)污水處理廠進水異?；蜻\行出現(xiàn)問題時可能會導(dǎo)致濕地進水水質(zhì)嚴重超標，進而傷害濕地植物，影響填料使用壽命。因此必須考慮必要的應(yīng)急工程，比如增加進水水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)施，在濕地進水處設(shè)超越管、事故池等設(shè)施。

（6）濕地必須做好防洪設(shè)計

尾水凈化濕地多修建于臨水區(qū)域，普遍存在一定防洪風(fēng)險，而洪水會嚴重破壞潛流濕地，造成填料堵塞，影響濕地使用壽命，因此必須做好防洪設(shè)計，潛流人工濕地的防洪標準不宜低于20 年一遇。

4 潛流濕地的施工要點

（1）必須保證潛流人工濕地填料床內(nèi)填料的清潔

未經(jīng)清潔的填料會造成濕地的填料床出現(xiàn)堵塞、板結(jié)、短流等一系列問題，還可能影響濕地配水和收水系統(tǒng)的正常運行，嚴重影響濕地的處理效果和使用壽命。因此在選料、洗料、堆料與撒料的過程中必須保證填料清潔。

（2）濕地底部必須做好防滲

潛流人工濕地普遍面積較大，防滲工程面積也相應(yīng)較大，加之濕地工程水力停留時間長，若未做好防滲，可能出現(xiàn)工程漏水嚴重，出水水量銳減，濕地植物因缺水大片死亡等嚴重事故，因此必須做好底部防滲。

（3）必須做好植物種植

北方地區(qū)氣候寒冷，必須選擇合適的時間段種植植物，應(yīng)合理安排起苗時間和栽種時間，水生植物自起苗開始暴露時間不宜超過8h，起苗數(shù)量不宜超過當(dāng)日能完成的種植量。植物種植前宜清洗種苗，滅殺有害生物，防止外來入侵物種。水生植物種植前應(yīng)對植物種苗分散整理，選用生長狀態(tài)良好、莖葉壯碩的植株。植物運輸過程需做保濕處理。水生植物種植前，應(yīng)合理修剪植株莖葉。水生植物種植時，應(yīng)保持填料濕潤，種植密度應(yīng)符合設(shè)計要求，種植方式應(yīng)采取等間距錯行種植。水生植物種植后，應(yīng)及時提升并保持一定水位，水面宜高出填料表面10-15cm，然后視植物根系生長狀況，逐漸恢復(fù)正常運行水位。

5 潛流濕地運維要點

（1）北方地區(qū)冬季寒冷，需要采取合理的保溫措施保證冬季潛流濕地的正常運行

北方寒冷地區(qū)冬季采取的保溫措施一般包括濕地植物覆蓋、地膜覆蓋和提高運行水位三種。其中植物覆蓋是將潛流濕地頂部收割的植物殘體進行二次利用，將其均勻覆蓋于潛流濕地表面以此來對濕地填料層進行保溫，待解凍之后需將覆蓋的植物殘體外運，防止腐爛于濕地床內(nèi)。地膜覆蓋是將農(nóng)用塑料薄膜覆蓋填料層表面進行保溫。提高運行水位是在冬季提升潛流濕地的運行水位，使?jié)竦靥盍蠈颖砻嫘纬梢粚颖獗貙?，以此來保證下層填料溫度。

這三種方式可以單獨實施，也可根據(jù)項目實際情況，選擇性地結(jié)合實施。通過合理選取冬季保溫方式，能有效提升冬季填料層內(nèi)溫度，提升冬季濕地處理效率。除此之外，冬季還需要定期做人工濕地的凍土深度測試，掌握人工濕地系統(tǒng)的運行狀況，以此來調(diào)整保溫方式。

（2）及時處理填料堵塞問題

盡管污水處理廠尾水SS 濃度較低，但由于濕地填料內(nèi)生物膜的代謝依然會在一定程度上導(dǎo)致濕地堵塞。潛流濕地填料堵塞可分為輕度堵塞、中度堵塞及嚴重堵塞三種，應(yīng)對不同的堵塞有不同的處理方式。

當(dāng)某塊濕地分區(qū)出水水量明顯小于其它分區(qū)，但填料層表面還未出現(xiàn)明顯積水時，則此濕地分區(qū)可判斷為輕度堵塞。在濕地出現(xiàn)輕度堵塞時，需先判斷是配水管堵塞還是填料堵塞，若是配水管堵塞則需要對管道配水孔進行清理，若是填料堵塞則將此分區(qū)進行放空，空床期一般為1-2 周，具體放空時間根據(jù)氣溫、水質(zhì)以及填料表面生物膜生長情況，植物生長情況等因素綜合確定。

當(dāng)某塊濕地分區(qū)不僅出水水量明顯小于其它分區(qū)，填料床表面還出現(xiàn)明顯積水時，則此濕地分區(qū)可判斷為中度堵塞。當(dāng)濕地出現(xiàn)中度堵塞時，一般需要同時清理配水管道及填料。對管孔進行疏通，清理管道內(nèi)積泥及植物根系殘體，保證配水暢通。將填料床中上層填料進行翻動，清除板結(jié)區(qū)域，保證填料恢復(fù)疏松離散狀態(tài)，并對此濕地分區(qū)進行放空，空床期一般為1-3 周，并在恢復(fù)運行后進行重點觀察，一方面關(guān)注堵塞恢復(fù)情況，排水是否順暢；一方面關(guān)注微生物膜及植物生長狀況，保證濕地整體得到良好恢復(fù)。

當(dāng)某塊濕地分區(qū)出水嚴重變小甚至斷流，配水渠及填料床壅水嚴重，填料板結(jié)區(qū)面積大、深度厚時，則此濕地分區(qū)可判斷為嚴重堵塞。當(dāng)濕地出現(xiàn)嚴重堵塞時，依靠放空已很難恢復(fù)填料床透水性，此時除需要清理配、收水管外，還須將堵塞區(qū)填料挖出進行清洗晾曬后回填或是直接更換新填料。

（3）尾水人工濕地須加強與污水處理廠聯(lián)動管理

當(dāng)污水處理廠尾水排放超標，嚴重超過人工濕地設(shè)計進水水質(zhì)標準時，來水可能對潛流濕地的填料和植物造成不可逆的嚴重毒害，會嚴重影響濕地使用壽命，因此必須加強兩者的聯(lián)動管理，特別是在尾水人工濕地與污水處理廠歸屬不同運營單位時。在污水處理廠出水水質(zhì)超出人工濕地處理能力時，通過超越管排入事故池或回流，避免直接進入潛流濕地內(nèi)。若嚴重超標污水進入了人工濕地系統(tǒng)，應(yīng)及時對濕地進行排空，并對填料床進行曬床1－2 天，嚴重時需更換填料。

（4）需要保證科學(xué)合理的濕地植物管理

由于潛流濕地填料床透水性強，在濕地植物種植后，為保證植物正常生長，必須第一時間對填料床通水并保證填料床內(nèi)水位，可適當(dāng)使水位超出填料層高度，并保持一段時間，待植物根系穩(wěn)固后再恢復(fù)正常水位運行。植物初次種植后往往會出現(xiàn)一些死亡現(xiàn)象，需要及時進行補種以保證濕地運行效果，除此之外還需要做好清雜及病蟲害防治工作，在植物密度過高時應(yīng)對植物進行適當(dāng)收割處理，保證植物密度在合理區(qū)間范圍內(nèi)。由于濕地工程主要目的是凈化污水，為了避免影響出水水質(zhì)，在維護濕地植物時應(yīng)盡量避免使用農(nóng)藥、化肥。

6 潛流濕地的優(yōu)勢

潛流濕地處理北方地區(qū)污水處理廠尾水具備以下優(yōu)勢。

（1）北方地區(qū)氣候較為寒冷，冬季植物難以生長，相較于生態(tài)塘、表面流人工濕地等土地處理工藝，潛流濕地保溫性能好，受氣溫影響小，能保證冬季運行效果[4]。

（2）潛流濕地因填料及配水管較易堵塞，對進水SS 濃度要求較高，而污水處理廠尾水一般經(jīng)過二沉池沉淀，SS 濃度很低，能滿足潛流濕地進水要求，使得潛流濕地不易堵塞且不需額外修建進水預(yù)處理設(shè)施。

（3）污水處理廠尾水中污染物濃度相對較低，潛流濕地綜合了物理、化學(xué)和生物三種凈化方式，在低濃度進水條件下對污染物具備良好的去除效果，運行效果好，而且較低濃度的進水能保證濕地具備較長的使用壽命[5]。

（4）潛流濕地不容易滋生蚊蠅，衛(wèi)生狀況較好，能呈現(xiàn)自然生態(tài)的濕地景觀，而且運行能耗低，維護管理方便。

7 潛流濕地的不足

潛流濕地處理北方地區(qū)污水處理廠尾水具有以上諸多優(yōu)勢，但還存在以下問題和不足。

（1）潛流人工濕地雖然相較于生態(tài)塘、表面流人工濕地等土地處理工藝的單位面積處理能力更強，但整體用地面積依然偏大，在土地資源緊缺的城鎮(zhèn)地區(qū)受到的制約較大。

（2）潛流人工濕地的核心是填料床，填料床由碎石、火山巖、沸石等填料填充而成，填料用量較大。北方地區(qū)由于冬季氣溫低，凍土層較厚，為保證濕地運行效果，填料床普遍較深，這又進一步加大了填料用量。近年來，隨著石料開采的管控越來越嚴，填料價格快速上漲，潛流濕地造價越來越高。

（3）洪水泥沙量普遍較大，潛流濕地為避免填料堵塞，對防洪要求較高，而污水處理廠為了排水方便，普遍修建于河渠周邊，此區(qū)域存在一定防洪風(fēng)險。潛流濕地的建設(shè)必須考慮工程防洪，既需要保證濕地本身不受洪水影響，又不能因濕地工程的建設(shè)影響河道行洪，威脅周邊區(qū)域的防洪安全，這在一定程度上限制了尾水人工濕地的實施，增加了工程難度。

（4）北方地區(qū)氣候寒冷，盡管潛流濕地保溫性較好，但是許多濕地植物冬季依然難以生長，而且冬季微生物生長代謝比較緩慢。植物和微生物凈化能力的降低在一定程度影響了潛流濕地冬季運行效果。除此之外，為了保證濕地凈化能力和生態(tài)景觀效果，北方地區(qū)潛流濕地在春季往往還面臨植物補種等工作[6]，這又會增加工程運行成本。

8 潛流濕地的發(fā)展方向

采用潛流濕地處理北方地區(qū)污水處理廠的尾水有優(yōu)勢也存在一些問題和不足，未來可以從以下幾方面入手，作為發(fā)展及提升方向。

（1）開發(fā)新型濕地填料，提升單位體積填料的凈化能力，減少工程填料用量，以此來減少工程用地面積，降低工程建設(shè)成本。

（2）開發(fā)新型潛流濕地型式，提升濕地冬季處理能力，抗堵塞能力，使?jié)竦鼐邆淞己玫姆礇_洗能力，提升濕地使用壽命。

（3）馴化培養(yǎng)耐寒性好、凈化能力強的濕地植物，改善濕地冬季處理能力減弱的問題，從而提升冬季濕地景觀。

（4）開發(fā)新型組合工藝，將潛流濕地與膜處理、生物濾池、生態(tài)塘等工藝相結(jié)合，提升工程總體凈化能力和耐沖擊能力，保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達標。

結(jié)語

隨著對環(huán)境的要求不斷提高，污水處理廠尾水深度凈化需求越來越多，而人工濕地是此領(lǐng)域的主流工藝之一。潛流濕地因其具有保溫強、易運維、景觀好等優(yōu)點，在北方地區(qū)有良好的應(yīng)用前景，但也存在工程面積大、建設(shè)成本較高、冬季運行效果相對較差等一系列問題需要克服。未來潛流濕地還會在新型填料、新型濕地等方向進一步深化發(fā)展，來契合北方地區(qū)污水處理廠尾水深度凈化的需求。