人工湿地的构建以及污水污染物去除机理研究

单博

【摘要】人工湿地作为一种新兴的污水处理应用技术，具有处理效果好、氮磷去除能力强，运转维护管理方便、工程基建和运转费用低以及对负荷变化适应能力强等显著特点，在我国广大农村、中小城镇的污水处理领域，具有广阔的应用前景。本文探讨了人工湿地的构建组分，研究了人工湿地生态系统中各类污染物的去除机理，例举了人工湿地在实际污水处理过程中的实际应用，并对人工湿地的污水处理应用前景进行了展望。

【关键词】人工湿地；构建原则；去除机理；应用实例

1 引言

人工湿地（CW—Constructed Wetland）污水处理技术是20世纪70年代末发展起来的一种污水处理新技术，通常是指由人工建造和监督控制、并由饱和基质填料、挺水与沉水植物、水生动物和处理水体组成的复合体。人工湿地应用于污水处理过程，其作用机理同生物-生态修复技术，综合了生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，可以通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化。与常规的污水处理工艺相比，人工湿地具有处理效果好、氮磷去除能力强，运转维护管理方便、工程基建和运转费用低以及对负荷变化适应能力强等显著特点。鉴于此，人工湿地现已成功应用于对居民生活污水、养殖废水、暴雨径流排水等进行处理，在我国广大农村、中小城镇的污水处理领域，尤其具有广阔的应用前景。

2 人工湿地生态系统的构建原则

2.1 湿地植物的选择

湿地植物的存在不但在较大程度上稳定了人工湿地填料床的结构组成，为人工湿地对各种污染物的物理过滤提供了良好的条件，同时也为湿地生态系统中微生物的繁殖、生长提供了良好的空间环境[1]。人工湿地生态系统中，大量水生植物的存在，较大程度上降低了污水在湿地内部的流动速度，增加了污水在人工湿地生态系统中的水力停留时间，有利于污水中悬浮颗粒污染物的物理沉降作用，同时也在一定程度上减少了污水对湿地系统地表的侵蚀以及沉淀悬浮物的沉淀后再悬浮。

不同水生植物对于污水的处理效果，存在着较大的差异，这主要是由于植物对湿地基质的输氧能力以及穿透基质的作用，主要受植物根系发达程度的影响。通常情况下，大型种类湿地植物都有粗壮的根系，还有较为发达的不定根，因此其输氧能力以及其穿透基质的作用都显著优越于小型种类湿地植物。人工濕地系统对于水生植物的选择，最基本的要求是所选水生植物对污水中的各类高浓度的污染物要有一定的承受能力；针对不同污染程度的污水，应根据实际的处理需求，选择种植适宜的水生植物，通常情况下，对于湿地植物的选择，应遵循一下原则[2]：

（1）应选择去污效果好的水生植物

在人工湿地选择植物时，应着重选择对单位面积污染物具有较高去除率的水生植物。首先是选择具有较高生物量的水生植物的；同时应该选择植物体内具有较高污染物浓度的水生植物；此外，在去除具有较高重金属含量的特殊污水时，应重点选择具有较强重金属富集能力的湿地植物，具体可根据所处理污水的污染物种类进行选择。

（2）应选择具有较强抗逆性的水生植物

选择具有较强抗逆性的水生植物，有助于促进人工湿地生态系统的健康稳定发展。

（3）应选择根系较为发达的水生植物

选择根系较为发达的水生植物是湿地植物选择的重要原则，这首先是因为根系发达的水生植物能够分泌更多的根系分泌物，能够为湿地微生物创造良好的生长繁殖条件，有利于促进湿地植物根系对污水污染物的生物降解，提高人工湿地污水净化能；其次，较为发达的植物根系在维护湿地填料床体表面稳定、笼络土壤和保持植物与微生物旺盛生命力等方面具有重要促进作用，对维持湿地生态系统的结构稳定性具有重要意义。

2.2 湿地填料的选择

湿地填料的选择应侧重于选择具有空隙率大、比较面积大的填料，以提高人工湿地的水力传导性能，增加湿地微生物的附着面积，以提高湿地生态系统对污水汇中污染物质的去除能力。目前应用较广的湿地填料主要包括土壤填料、卵石填料、塑料填料、炉渣填料、陶瓷填料、活性炭填料、自然岩石以及矿物材料等；各类填料的理化性质差异较大，均有各自的优缺点，在实际应用过程中，应根据污水水质、工程经济分析结论等进行合理选择，以实现填料功能的最大化。

通常情况下，湿地填料的筛选，必须满足以下五点要求[3]：

（1）所选湿地填料必须具备材料质轻、松散容重小、机械强度强等特性；

（2）所选湿地填料必须是比表面积大、孔隙率高，属于多孔惰性载体；

（3）所选湿地填料必须具有良好的化学性质，不得含有妨碍、不利于进行工业生产的有毒有害物质；

（4）所选湿地填料必须具备较低的水头损失，且填料形状系数好，吸附能力强；

（5）所选湿地填料过滤速度高，工作周期长，产水量大，出水水质好。

2.3 湿地微生物的功能作用

自然界中碳、氮、磷等元素的循环离不开微生物的代谢作用，各类好氧、厌氧以及兼性微生物也是人工湿地生态系统中的重要组成部分，在污水中污染物质的降解与转化过程中，扮演着重要角色，与湿地植物以及湿地基质在人工湿地生态中起着重要的核心作用。微生物是湿地生态系统重要的生产者，微生物种类、数量以及空间分布的变化对人工湿地污水净化能力具有重要的影响[4]。

3 人工湿地生态系统污染物去除机理

人工湿地生态系统对污水的净化处理过程，综合了物理、化学和生物等三重协同作用，最终可以通过物理过滤与吸附、化学沉淀与离子交换、植物吸收与微生物分解等多种途径来实现对污水中各类污染物的有效去除。

3.1 人工湿地对污水中悬浮物质的去除

悬浮物SS是指在水体中处于悬浮状态的固态物质，主要成分为各种不溶于水的无机物、有机物、黏土、泥沙以及微生物等，是造成水体出现浑浊的主要原因。由于污水中悬浮颗粒在物理密度以及尺寸大小上具有较大的差异，造成了人工湿地对各类悬浮颗粒的去除机理与路径存在着较大的差异，主要表现为物理沉淀、颗粒聚集以及表面粘附，通常情况下，人工湿地生态系统对于大颗粒悬浮物的去除主要依靠填料床的物理过滤作用；与大颗粒悬浮物相对应的小颗粒悬浮物主要通过人工湿地生态系统中的倒淤层得以去除。

3.2 人工湿地对污水中有机污染物质的去除

人工湿地生态系统对于污水中不溶性有机物的去除，主要表现为填料床的过滤作用而使其截留在湿地内部得以去除；对于污水中的可溶性有机物，人工湿地生态系统主要由植物根区的生物膜通过吸附、吸收及生物降解等方式，分解成二氧化碳、水或者有机酸等小分子物质而得以去除。通常情况下，由于人工湿地往往存在溶解氧含量不足的问题，使得污水中有机物质的去除主要由兼性细菌、厌氧细菌的代谢作用得以去除。

3.3 人工湿地对污水中含氮污染物质的去除

同情情况下，污水中含氮物质的表现形式主要为氨氮和有机氮，人工湿地对污水中各类含氮物质的去除途径包括以下三种形式[5]：

（1）污水中的氨氮可通过湿地植物以及湿地微生物同化作用，转化为生物机体的有机组成部分，最终通过对湿地植物定期收割的方式，实现对污水中氨氮的有效去除；（2）在污水的pH值较高（大于8.0）的情况下，污水中的氨氮可通过自由挥发的形式从污水中溢出，但通过自由挥发减少的氨氮，只占人工湿地氨氮去除总量的一小部分；（3）人工湿地对污水中含氮有机物质的主要去除途径为湿地微生物的硝化以及反硝化作用，在好氧条件下，污水中的氨氮经过亚硝化细菌、硝化细菌的亚硝化以及硝化作用，先后转化为亚硝酸盐、硝酸盐，随后在缺氧以及有机碳存在的条件下，经过反硝化细菌的反硝化作用而被还原为氮气，从水中逸出、释放到大气中，最终实现人工湿地对污水中氨氮的有效去除。

3.4 人工湿地对污水中含磷污染物质的去除

污水中含磷污染物质的表现形式主要由颗粒磷、溶解性有机磷以及无机磷酸盐等三类，人工湿地对污水中含磷污染物质的去除可通过填料床的吸附、微生物以及湿地植物的同化吸收、有机物的吸附等多重作用得以去除：

（1）污水中的部分无机磷可通过湿地植物的吸收、同化作用，转化成植物机体的组成成分（如ATP、DNA以及RNA等），最终通过对湿地植物的定期收割使其得以去除，但是通过湿地植物吸收去除的磷污染物只占人工湿地去除总量的一小部分；（2）污水中的含磷污染物的主要去除途径依赖于湿地土壤的物理化学吸附作用，含磷污染物的去除能力取决于湿地土壤的环境容量，通常情况下，湿地填料的物理吸附以及化学沉淀作用对污水中TP的去除能力可达90%以上；（3）微生物对污水中含磷污染物的去除过程主要包括微生物对含磷物质的同化作用以及对其的过量积累两个过程，微生物对污水中含磷污染物的分解释放，能够有效促进有机磷酶的无机化，同时在含磷污染物的基质吸附沉淀、植物吸收同化过程中，也能够起到显著的促进作用。

4 应用实例

国内有关人工湿地的相关构建以及作用机理研究已经取得了较为完善的进展，人工湿地在我国污水处理行业的实际应用也已经得到了大范围的推广：沈阳某污水处理厂采用人工湿地生态系統为主要处理工艺，对来自其上游的生活污水以及少量的工业废水进行处理，日处理规模为2万m3/d，出水水质执行《再生水回用于景观水体的水质标准》（CJ/T 95-2000）。该污水处理厂建成于2003年，并于同年正式投产运行，多年的运行效果显示：该污水处理厂的冬季CODCr去除率为70.5%，BOD5的去除率为81.9%，SS的去除率为85.8%；夏季CODCr去除率为72.8%，BOD5的去除率为81.3%，SS的去除率为86.2%，是一种行之有效的生活污水处理工艺；冬季为了保持人工湿地填料床一定的温度，将夏季种植在湿地填料床上用于绿化和美化环境的芦苇、美人蕉、灯心草等植物收割，平铺在填料床上，其上再铺一层塑料薄膜，可将填料床内被处理的污水温度维持在15～18℃，能够有效保证人工湿地冬季正常运行。

人工湿地能够利用土壤-湿生植物-微生物复合系统，经过物理、化学、生物学过程，对水中的水肥资源加以回收利用，在实现水质净化的同时，还能够营造良好的湿地环境，形成独特的自然人工复合生态景观：沈阳某河口水质改善工程采用北方型人工湿地污水生态处理技术，对河水水质进行处理，能够有效削减河水的污染负荷，而且还可以形成河口湿地缓冲区，提高河流沿岸的生物多样性，为水生动物提供栖息地，带动河流生态系统修复，营建该河流城市段生态景观，能够有效促进沈阳生态城市的相关建设。

【参考文献】

[1] 张洪刚，洪剑明. 人工湿地中植物的作用[J]. 湿地科学，2006，4（2）：146-152.

[2] 李寒娥. 人工湿地系统在我国污水处理中的应用[J]. 环境污染治理技术与设备，2004，5（7）：9-12.

[3] 曹笑笑，吕宪国，等. 人工湿地设计研究进展[J]. 湿地科学，2013，11（1）：121-128.

[4] 张巍，赵军，等. 人工湿地系统微生物去除污染物的研究进展[J]. 环境工程学报，2010，4（4）：721-728.

[5] 卢少勇，金相灿，余刚. 人工湿地的氮去除机理[J]. 生态学报，2006，26（8）：2670-2677