人工湿地污水处理系统特点及其机理

刘西茹

(深圳市危险废物处理站有限公司，深圳 518049)

1 前言

湿地是地球上一种重要的生态系统，享有“地球之肾”的美誉。它以复杂而微妙的方式扮演着自然净化器的角色，显示了地球生态系统的严谨、完善和神奇。正是认识到了湿地的作用，人们根据不同污染物类型以及当地自然条件，有目的地构建起不同类型的人工湿地，模拟自然生态系统的运作机理，人工湿地作为一种新型的污水处理技术被国内外学者深入研究并广泛应用。

2 人工湿地概述

人工湿地是为处理污水而人为地在有一定长宽比和底面坡度的洼地上用土壤和填料 (如砾石等)混合组成填料床，使污水在床体的填料缝隙中流动或在床体表面流动，并在床体表面种植耐污能力强，较高污染物去除能力，成活率高，抗水性强，生长周期长，美观及具有经济价值的水生植物(如芦苇，蒲草等)形成一个独特的动植物生态体系［1］。

人工湿地是20世纪70年代末发展起来的一种新型污水生态处理技术，以其投资少、建设运营成本低;净化效果好、有较强的氮、磷去除能力;工艺简单、组合多样化，在世界各地得到了广泛的应用。目前，普遍认为构成人工湿地污水处理系统的4个基本组成要素是水体、基质、水生植被和微生物［2］。

(1)基质。人工湿地的基质用来支撑湿地植物、蓄纳污水和为污染物提供物理、化学和生物转化场所。常用的人工湿地基质主要包括砾石、碎石、砂、土壤等。

(2)植被。植被是人工湿地的重要组成部分，它最主要的功能就是向基质输送氧气，为微生物降解污染物创造好氧微环境。另一方面，植物的生长吸收污水及填料表面吸附的氮、磷、有机物等营养物质，达到削减污染物的作用。另外，某些植物对特定重金属有较强的吸收能力，因此人工湿地也用于某些工业污水的处理。

最常用的人工湿地植物是自然湿地中的挺水植物，如芦苇和香蒲等。

(3)水体。水文系统是控制湿地生态、物理和化学特征的最重要的因素。湿地中水的运动受降雨、蒸发、基质的性质及植物的影响。对人工湿地而言，这些因素将以各种方式影响污水处理的效果。

(4)微生物。人工湿地的许多功能是由微生物及其代谢作用调节的。人工湿地中的微生物包括细菌、酵母菌、真菌、原生动物和藻类，它们是净化废水的主要贡献者。湿地净化污水就是湿地中的基质、植物和微生物相互关联，物理、化学、生物过程协同作用的结果。

3 人工湿地的分类

人工湿地系统根据湿地中主要植物类型可分为浮生植物系统、挺水植物系统和沉水植物系统。沉水植物 (如狐尾藻、金鱼藻)系统主要应用于初级处理和二级处理后的精处理。浮水植物 (如浮萍、凤眼莲)主要用于N、P去除和提高传统稳定塘效率［3］。

通常采用的分类方式是根据水在湿地中流动的方式不同分为3种类型:表面流人工湿地 (SFCW，Surface Flow Constructed Wetland)、水平流人工湿地 (HFCW，Horizontal Flow Constructed Wetland)和垂直流人工湿地 (VFCW，Vertical Flow Constructed Wetland)。

3.1 表面流人工湿地

表面流人工湿地 (SFCW)类似于自然湿地，污水以较慢的速度从湿地表面流过，污水中有机物的去除主要依靠生长在水下的植物的茎和杆上的生物膜来完成，湿地中的氧主要来自于水体表面扩散、植物根系的传输和植物的光合作用。这种类型的人工湿地具有投资少、操作简单、运行费用低等优点，但占地面积较大，水力负荷较小，去污能力有限;而且系统的运行受气候影响较大，水面冬季易结冰，夏季易生蚊蝇，散发臭气。

3.2 水平流人工湿地

水平潜流人工湿 (HFCW)地因污水水平流过填料床而得名，它由一个或多个填料床组成，床体填充基质，床体设有防渗层以防止污染地下水。与表面人工湿地相比，水平流保证人工湿地具有较大的水力负荷和污染负荷。在潜流型湿地系统中，污水在湿地床的内部流动，一方面可以充分利用填料表面生长的生物膜，分布的植物根系及表层填料截留等的作用，以提高其处理效果和处理能力;另一方面，由于水流在地表以下流动，故其具有保温性较好、处理效果受气候影响小、卫生条件较好的特点。

3.3 垂直流人工湿地

垂直流人工湿地 (VFCW)的水流情况综合了表面流湿地和水平流湿地的特性，水流在填料床中基本上呈由上向下的垂直流，床体处于不饱和状态，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统。垂直流人工湿地的硝化能力高于水平潜流湿地，可用于处理氨氮含量较高的污水，但对有机物的去除能力不如水平流湿地，控制相对复杂，基建要求较高，夏季有孳生蚊蝇的现象。

4 人工湿地的污染物去除机理

人工湿地与传统的污水处理方法 (活性污泥法和稳定塘法等)相比，其处理效果较好。其对BOD5的去除率可达85% ～95% ，COD的去除率可达80%以上，处理出水中的BOD5小于10 mg/L，SS小于20 mg/L［4］，氮和磷的去除率也达到50%左右［5］。

人工湿地系统对水体的净化机理十分复杂，但一般认为，净化过程综合了物理、化学和生物的三重协同作用。物理作用，主要是对可沉固体、BOD5、氮、磷、难溶有机物等的沉淀作用，填料和植物根系对污染物的过滤和吸附作用;化学作用是指人工湿地系统中由于植物、填料、微生物及酶的多样性而发生的各种化学反应过程，包括化学沉淀、吸附、离子交换、氧化还原等;生物作用则主要是依靠微生物的代谢 (包括同化、异化作用)、细菌的硝化与反硝化、植物的代谢与吸收等作用，达到对污染物的去除。最后通过对湿地填料的定期更换或对栽种植物的收割，而使污染物质最终从系统中去除。

4.1 人工湿地对有机物的去除

污水中的有机物包括不溶性有机物和可溶性有机物。前者通过沉淀和过滤可迅速去除，而后者则通过植物根系和生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程被分解而去除。湿地对有机物的去除是物理的截留沉淀和生物的吸收降解共同作用的结果。水中大部分有机物最终是被异氧微生物转化为微生物自身物质及CO2和H2O，以及通过对基质的定期更换及对湿地植物的收割而将新生的有机体从系统中去除。

人工湿地系统虽然对有机物的去除率较高，但是随着系统的运行时间增加会出现有机物的积累现象，而影响净化效果。研究表明，水体在植物床填料内流动时，随着迁移距离的延长，COD的降解速率呈现减慢的趋势［6］。

4.2 人工湿地对氮的去除

氮在人工湿地内的转化途径包括基质的吸附、过滤、沉淀和离子交换、水生植物吸收、微生物的氨化、硝化、反硝化以及氨的挥发［7］等。

氮在废水中以4种形态存在:有机氮、氨态氮(NH3-N)、硝态氮 (NO-3-N)和亚硝态氮 (NO-2-N)。经过微生物的氨化、硝化和反硝化过程最终变成气态氮从湿地中去除是氮的主要去除途径。其基本条件是存在大量的氨化菌、硝化菌、反硝化菌和适当的湿地土壤环境条件［8］。人工湿地作为一个独立的生态系统，水体表面充氧和根系的输氧形成好氧环境，而非根系区就形成厌氧环境，这样在同一系统内形成不同的溶氧环境，使根系周围连续呈现好氧、厌氧、缺氧的状态，相当于许多串联或并联的A2O处理单元［9］。不同形态的氮在人工湿地中会发生转化，有机氮在氨化细菌的氨化作用下转变为NH3-N，再通过硝化作用，硝化细菌把NH3-N转化为NO-2-N和NO-3-N，最后通过反硝化过程，细菌在厌氧或缺氧环境中利用有机物产能，将NO-2-N和NO-3-N代替O2作为电子受体，最终使氮以N2O和N2形式从系统中根本去除。有研究表明，人工湿地进水氮的主要形态为硝态氮时，硝态氮在人工湿地内的主要去除途径为直接反硝化过程，进水氮的主要形态为氨氮时，氨氮在人工湿地内主要去除途径为植物吸收、吸附和硝化、氨化过程［10］。而N2O是一种温室气体，过度排放可能会导致全球温室效应。也有研究表明当pH值较低时，N2的产生受到抑制，此时所有的N将以N2O的形式排放到大气中。从环保的角度看来，湿地土壤的pH值应该保持在6.0以上，这样很大比例的废水中的N将会以气态形式去除［5］。

另外，湿地中的填料也可通过一些物理和化学的途径如吸收、吸附、过滤、离子交换等去除一部分污水中的氮。沸石对氨态氮具有一定的吸附功能，并且大多都用此填料来处理含氮废水的试验［11］。还有研究表明，蛭石对氨氮的去除要好过沸石，其主要是通过离子交换作用来去除污水中氨氮，物理吸附作用相对很少，并且阳离子交换反应速度快，饱和吸附量可达20.83mg/L。因此，强化湿地内部填料层的作用，有利于提高系统的硝化能力［12］。

4.3 人工湿地对磷的去除

污水中磷的存在形式常见的有磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷酸盐等。人工湿地对磷的去除主要是通过基质物理化学作用、植物吸收、与有机物结合、微生物的正常同化和过量积累等，而磷最终从系统中去除是依赖于湿地植物的收割和饱和基质的更换。

废水中的无机磷跟无机氮一样在植物吸收及同化作用下，变成植物的有机成分 (如ATP和核酸等)，最终通过植物的收割而得以去除。

微生物对磷的去除主要包括对磷的正常同化和过量积累。湿地系统中植物光合作用的光反应、暗反应交替进行，形成根毛输氧的交替出现，以及系统内部不同区域对氧消耗量的差异，导致了系统中厌氧、好氧环境的交替出现。在好氧区微生物的作用下将磷以磷酸盐的形成释放出来，通过水生植物吸收去除［13］。

基质对磷的物理化学作用被认为是人工湿地除磷最有效的机制，一方面，填料为湿地生物膜的形成提供了可依附的表面;另一方面，基质可以通过吸附沉淀作用将废水中的含磷污物去除。基质对磷素的吸附主要为化学吸附，即可溶性磷与基质中的Ca、Al、Fe和土壤颗粒吸附、络合，形成难溶性物质沉淀去除［14］，但这个吸附沉淀并不是永久的，而是有限和部分可逆的。实验表明，基质对磷的吸附过程存在着积累现象，当达到饱和状态后，会降低对磷的去除率［15］，当污水中磷的浓度过低时，填料中有部分被吸附的磷会重新回到水中［16］。

基质的物理化学作用、水生植物的吸收和微生物的作用是废水中除磷的3条平行的途径，3者对除磷的作用各不相同。植物直接吸收的磷量最小;基质吸附对除磷起的作用最大，但基质单独的净化作用是有限的。因此，只有把植物和基质结合为一个整体的湿地系统，才可能对污水中的磷起最有效长久的净化作用。

4.4 人工湿地对重金属及病原菌的去除

人工湿地对重金属也有很强的去除能力。金属离子去除机理主要有:植物的吸收和富集作用、土壤胶体颗粒的吸附、悬浮颗粒的过滤和沉淀，人工湿地对污水中重金属去除是通过植物、微生物、土壤基质等组成成分共同起作用的。

研究发现，像大多数自然处理技术一样，人工湿地可以去除污水中的病原菌，其原理尚不清楚，去除率不确定，但很有效。

5 人工湿地的影响因素

5.1 基质和植物

不同的基质含有不同的矿物元素、具有不同的孔隙度、复氧能力;不同的植物对特定的元素吸收量以及根系的供氧能力也不同，这些都影响着对废水的净化。正如前面所说，Ca、Al、Fe含量较高的基质对磷的去除率较高，沸石和蛭石对氮的去除也有较好的效果;也有研究表明湿地植物吸收营养物的能力与植物的根系深度及生活形态相关，那些根系易暴露于污水中的植物比根系深但分布于基质中的植物具有更好的吸收能力［17］。

5.2 温度和pH

温度的变化直接影响N的氨化、硝化与反硝化过程，从而影响人工湿地对N的去除。低温下微生物基质酶的活性将受到抑制，导致酶促反应速度很慢，进而影响到硝化和含氮有机物的降解。除此外，随着季节气温的变化，植物不断生长，植物在不同生长时期对氮磷的吸收能力也是不同的，一般在春季和夏季，植物生长迅速，生物量增加，对氮磷的吸收增加，出水中氮磷含量较少，在秋季植物枯萎后，吸收速度放慢，而冬季死亡的植株甚至会释放磷到湿地中，致使出水中磷含量上升，无机磷含量甚至高于进水。因此，对植物的及时收割和填料的定期更换有助于延长湿地系统的处理寿命。

pH值对人工湿地磷的去除影响较大。因为废水中磷的去除主要是靠基质的物理化学作用，这与介质的酸碱环境有关。这主要和基质中的金属离子有关，一般认为其中Ca2+易于在碱性或中性环境条件下发生反应，而与A13+、Fe2+主要是在中性或酸性环境条件下发生反应。污水在经过湿地系统时，会引起系统的pH值的变化，过长的水力停留时间会导致系统的pH值的降低。

5.3 DO 值

DO对氮的硝化、反硝化及磷的生物吸收和同化具有很大的影响。DO值过低是，出现缺氧状态抑制了硝化作用的进行，不能产生大量的亚硝酸盐和硝酸盐，继而使反硝化过程不能进行。DO值的提高可以有效增强微生物的代谢能力，促进微生物对磷的吸收和同化，也使硝化细菌的呼吸活动加强，对有机物的降解起到了促进作用。

为提高人工湿地中的DO，我们可以通过优化设计改善系统充氧能力，如曝气、分段进水、多点布水、出水循环，改善基质状况，增加植物密度［18］。

6 人工湿地工程实践中的问题和不足

近年来随着对循环经济和可持续发展重要性的认识，污水生态处理工艺受到越来越多的重视，人工湿地污水处理技术作为一种新型的生态型污染治理技术，得到越来越广泛的应用，但是人工湿地技术在工程应用中仍然存在诸多问题，如:污染负荷较低，占地面积大;填料易堵塞;污染物负荷易饱和，难以长期稳定运行等。

6.1 占地面积相对较大

人工湿地净污的效果与污水在湿地中流动的时间和空间充足与否有着很大的相关关系。其次，当系统中的填料和植物纳污达到饱和程度时需要用备用池来交替运行。另外，为防止淤积，往往建造预处理池对污水进行先期处理。所以，与传统的污水处理厂相比，人工湿地污水处理系统需要较大的占地面积，一般认为大约是传统污水处理厂的2～3倍左右。其中，表面流湿地由于水力负荷小，需要较大的占地面积。因此，人工湿地系统的选址问题要考虑到环境、经济效益综合最优化、规模化的因素，尤其在空置土地比较少的大城市。最佳的解决办法就是将工程选址在市郊区域，这样不但不占用宝贵的市区土地资源，而且还可以减轻风沙等对市区的环境影响。

6.2 容易产生淤积、饱和现象

人工湿地能有效地去除污水中的有机物、悬浮物、TN、TP、SS、重金属、病原体等污染物质。但是随着时间的推移，部分营养物质会逐渐地积累、湿地中的微生物相应地繁殖，如果维护不当，便很容易产生淤积、阻塞现象，使水力传导性、湿地处理效果和运行寿命降低。随着污水处理过程的不断运行，数年内基质的吸附能力通常会趋于饱和，也会影响湿地的处理效果。排除淤积、饱和现象的最佳途径是要在有备用池的前提下，定期地对基质进行去淤更换，对植物进行收割。此外，人工湿地中栽培的植物还易受到病虫害、火灾的威胁以及自身生长周期的影响，也是应该加以重视的问题。

从上述分析来看，人工湿地污水处理系统的优势仍然占据着主要层面。其巨大的经济、社会和环境效益促使许多国家都在积极地克服困难，不断地去研究、应用。

7 人工湿地技术进一步研究建议

目前，人工湿地系统在许多国家已被用来处理各类受污染水体，包括家畜与家禽的粪水、尾矿排出液、工业污水、农业废水、垃圾场渗滤液、暴雨径流、生活污水、富营养化湖水等。但纵观国内外研究现状，我们也注意到，人工湿地污水处理技术还有很多问题有待进一步研究，其急待解决的问题主要表现在以下几方面。

7.1 人工湿地对污染物去除机理有待进一步研究

人工湿地除污机理相当复杂，很多化学过程与生物化学过程至今尚未完全弄清或存在不同观点，主要包括有有机物、磷素、氮素等去除的主要机理尚不明确。例如，关于除磷的主要机理尚存在争议，一些人认为是植物的吸收作用，另一些人则认为是基质的吸附作用。另外，不同类型的人工湿地对污染物的去除效果亦存在差异，如水平潜流人工湿地除总氮效果较好、而硝化效果较差，垂直潜流人工湿地落空运行条件下硝化效果较好但总氮去除率不高等，有必要进一步研究其各自人工湿地内部氮素的迁移转化规律，从而提高各种人工湿地对氮素的去除效果。

7.2 人工湿地构造需进一步研究

根据需净化污染水体的种类不同，如何选择湿地类型、基质种类、基质粒径和组配、植物种类及搭配有待进一步的研究。不同的人工湿地类型对各种污染物有着不同的去除效果，针对特定的污染水体，如何选择合适的人工湿地类型，目前没有统一的原则和标准。同样，不同基质对污水中污染物的去除效果也是有差异的，如何通过基质种类选择及其组配来提高人工湿地对污染物的去除效果，亟待进一步研究;另外，基质粒径的选择对于人工湿地能否长久持续运行、污染物去除效果等起着至关重要的作用，亦需开展此方面的研究工作。

人工湿地能否有效处理污水的一个重要因素是选择合适的植物种类。目前，全球发现的湿地高等植物多达6700余种，而已被用于处理湿地且具有处理效果的不过几十种，很多植物从未使用过。一些地处热带和亚热带的发展中国家，有丰富的湿地物种。但由于受经费限制，无力开展观测研究，通常照搬发达国家的成果，包括在物种的利用上，而对本国本地区很有净化潜力的植物视而不见，又因为使用和管理水平有限，其处理效果较差。因此，今后开展湿地技术时，选择合适的植物种类，特别是通过试验观测，从当地的天然湿地中选择抗污力强、净化效果好的物种是一项优先考虑的工作。另外，在植物选择方面，还应考虑多个物种的合理搭配，单一物种的净化能力总是有限的。

7.3 运行和管理需进一步研究

人们建造湿地处理污水的原因之一是因为人工湿地往往比天然湿地有更高的净化能力，但人工湿地的处理功能并不是长久保持的，几年之后就可能演变成自然湿地特性。如新建造的湿地通常具有较高滞留磷的能力，而随着运行时间的延长，其滞留磷的能力也逐渐下降。另外，如果人工湿地运行管理不当，容易造成堵塞、表面积水等现象，从而直接影响人工湿地的运行寿命。因此，如何长久保持人工湿地的处理能力是值得研究的一个课题。

8 人工湿地在设计、运行中应注意的问题

人工湿地具有运行成本较低，操作简单等优点，是一种适合我国国情的污水处理工艺，尤其适用于广大农村、中小城镇及城市分散型的污水处理，因而有着广阔的应用前景。不过人工湿地是个复杂的污水处理生态系统，其中的很多机理目前还处于实验室研究阶段。因此今后还要深入地开展研究工作，取得相关的实用数据，以促进其在我国适当地区的推广应用。

在设计和管理运行人工湿地应该做到以下几点:

(1)人工湿地在建造之前，应详细考虑整个环境地理条件，规划设计湿地的水利工程及后续管理维护。使进水有效地流经整个湿地，得以提高效率，减少湿地所需的面积。

(2)根据所在地的气候条件选择一些净化能力强，具抗逆性，且有一定观赏价值的湿地植物。同时也要选择表面积大，吸附性强，孔隙分布均匀，且富含Ca、Fe、Al等的基质。

(3)制定完善的管理方法，例如调节最佳的曝气时间，水流时间以提高DO值等，另外还要定期对湿地系统中的植物和基质进行收割以及替换，这都可以大大提高系统对氮磷的去除率。

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