人工湿地组合系统在水生态治理中的作用

■ 周静远

（作者单位：中国农业大学）

一、我国水生态处理技术及治理现状

生活污水的主要污染物是化学需氧量（COD）、生物需氧量（BOD）、氨氮、悬浮物（SS）和大肠杆菌等。为了避免受纳水体富营养化，还需要脱氮和除磷。COD、BOD和氨氮的氧化去除都需要消耗大量氧气，一般来说，完全氧化1升生活污水中的还原性物质大约需要消耗2升空气中所含的氧气量，因此，充足、高效的氧气供给是生活污水处理的必要前提。

生物处理是城镇污水处理厂的常用技术，在污水分散处理中主要采用接触氧化法和序批示生物反应器（SBR）法。由于规模小，多采用地埋式，有的加工成一体化设备。这类技术采用强动力曝气，运行费用高，维护复杂。由于我国缺少污水分散处理设施的运行保障机制，运行费用高且维护复杂的污水分散处理设施往往变成摆设，在农村的情况尤其如此。此外，在分散式污水生物处理系统中，一般都没有脱氮除磷过程（如较常用的SBR一体化设备），其出水即使感官效果较好，也不能减轻受纳水体的富营养化。

当前，我国水生态处理技术主要有地下渗滤、人工湿地、快速渗滤、慢速渗滤等。其中快速渗滤和地表漫流严重危害周围环境，系统运行也受气会影响很大，因此很少使用。

（一）地下渗滤

地下渗滤的基本方法和原理是将污水通过埋在地下的散水管散布于一定面积的土层中，污水在重力作用下向下渗滤的同时，其中的污染物被土壤拦截、吸附和微生物分解转化而去除。其地表经覆盖后可绿化，经济和环境效益好，是欧美等发达国家污水分散处理的首选技术。然而，由于传统技术日处理1吨污水占地约30平方米，在我国难以应用。为了减少占地面积，人工采用人工土填料替代原生土壤，使日处理1吨污水的占地面积减少到10～15平方米，其占地面积仍然很大，且大幅度增加了工程建设成本。

（二）人工湿地

人工湿地在发达国家多用于污染水体的水质改善和环境修复，在我国常用于污水处理。人工湿地利用植物根系复氧，国内外大量研究和实践证明，植物根系的复氧能力很有限，日处理1吨污水至少需要10m2的湿地面积，占地面积大，建设成本高。我国人工湿地污水处理系统多数在1至3年内失效（变成污水潭），主要原因是为了减少占地面积和降低投资，所建湿地规模太小，后因氧气供给不足，导致厌氧菌大量繁殖而变黑变臭。人工湿地在冬季低温条件下不能正常运行（在黄河流域及其以北地区冬季几乎失效），夏季可能滋生蚊虫。

近年来，我国研发人员提出了各种以强化“预处理＋人工湿地”为主的污水处理组合技术，其中以“预曝气＋人工湿地”的效果较好，但其预处理本身就是一个生物处理系统，大大提高了运行费用和管理难度。“多级跌水复氧＋人工湿地”不仅危害周围环境，而且受气候影响很大；滴滤池的建设投资大，接触反应时间太短，需要大比例回流，因此运行成本较高。由此可见，经济和环境效益好、适用范围广、维护管理简便的水生态治理技术是我国所急需的。

二、人工湿地组合系统的可行性

传统的污水处理技术发展历史较长，虽处理效果较好，但基建投资大，运行费用高，需要庞大的充氧曝气设施和大规模的收集管网，而我国农村和中小城镇经济基础薄弱，农村污水分散，难以大面积的收集，缺少专业的技术管理人员，因此，传统的污水处理模式难以在我国农村地区大面积推广。

人工湿地在我国推广应用的主要难题是污水负荷小，因此需要通过强化预处理降低进水污染物浓度，以提高污水负荷。人工湿地组合系统可自流运行，不需要动力设备。人工湿地工程的造价为传统二级活性污泥法的16% ～ 20%，为氧化沟的34%，价格低廉。

人工湿地组合系统维护主要是植物的重新种植、杂草的去除和沉积物的清理，技术要求较低。在污水净化的同时能够增加绿化面积，美化环境，可在湿地系统中推广生物质能源植物作为湿地植物，处理能力强且不产生污泥。现在的中小城镇和农村，都在搞美化建设，人工湿地既能美化环境又能治理环境污染，具有一举两得的效果。

人工湿地组合系统常用的景观植物有水葱、雨久花、香蒲、黄花鸢尾、柳树、芦苇、芡实、千屈菜和菖蒲等，这些植物对BOD5去除率可达85%-95%，对COD去除率可达80%以上，出水BOD5在10mg/l左右，SS小于20mg/l具有较强的处理效果。

因此，人工湿地组合系统具有投资低、出水水质好、增加绿地面积、改善和美化生态环境、维护和运行费用低廉、维护管理方便、简单等优点，农村和中小城镇较为丰富的土地资源以及人力和物质资源也是人工湿地得以在我国农村和中小城镇大面积推广的一个重要因素。

三、人工湿地组合系统的适用性

近年来，我国不断地对人工湿地治理污水技术加以深入研究和实践，并取得良好的社会效益和经济效益，中国农业大学在人工湿地处理污水方面取得了突破性进展，获得许多研究成果。其中，在潮汐流人工湿地相关研究、自来水厂污泥除磷性能研究、北方地区湿地植物筛选、家庭组合人工湿地污水处理系统、污水处理厂好氧污泥生物脱水与资源化利用技术等方面取得了丰硕的研究成果。这些技术和研究成果在人工湿地处理农村污水方面发挥着重要作用。

潮汐流人工湿地床对COD、BOD5和氨氮的去除率分别达到79.0%、80.2%和61.8%，去除负荷分别达到283.2、179.7和30.1g/(m2·d)，高于其它类型湿地系统。该湿地床对总磷的去除率及去除负荷分别为28.7%和2.9 g/(m2·d)。潮汐流人工湿地床具有较好的污水处理效果。

潮汐流人工湿地床具有很强的复氧能力，其供氧全部来自潮汐作用。进水中溶解氧浓度低于出水，水体中的氧在湿地床中出现反补现象。在耗氧中，有机物氧化需氧量大于氨氮氧化的需氧量。潮汐流人工湿地床中供氧能够满足有机物的降解和氨氮硝化作用的耗氧。针对潮汐流处理污水数量家少的问题，他们发明了捆绑式潮汐流人工湿地，捆绑式潮汐流人工湿地为7个直径为20cm的潮汐流柱组成。捆绑式潮汐流人工湿地能处理农村两三家的污水，且具有较好的处理效果。

自来水厂污泥除磷性能研究，脱水明矾污泥是自来水厂副产物，目前大多进行填埋处理。明矾污泥中含有丰富的铝、铁离子，能大大提高其对磷的吸附能力。采用自来水厂污泥，作为人工湿地基质。研究表明，此湿地系统对磷的去除率由40～50%增加到87%，系统出水TP的浓度为0.66mg/l。

我国南方气候比较适宜植物生长，人工湿地发展的比较早，但在发展上还存在一些不规范和不严谨的做法。针对我国北方地区冬季较为寒冷，植物成活率低的状况，通过对香蒲、芦苇、水葱、千屈菜、香黄花鸢尾、柳树6种我国北方地区常见的植物的净化效果和耐污能力的研究，得出柳树在北方抗寒耐水性能比较好，且具有发达的根系，可以通过叶面的光合作用向床体根区传输更多的氧，进而有助于维持床体好氧微生物火星，提高有机物及氨氮的氧化分解，柳树对各种污染指标都有较好的处理效果，TP和TN的去除率分别达到了99.6%和92.1%。这极大地推动了我国北方地区的人工湿地的发展。

随着人口的增加和经济的快速发展，污水排放量近年来迅猛增加，导致我国水源污染、水体富营养化及环境水质恶化日趋严重。农村地区缺乏公共的地下排水管网，生活污水直接威胁着生活环境和饮水安全。人工湿地水处理系统是一种农村污水处理的新型生态系统，建设运营成本低、工艺简单，适合排水管网不完备的城镇、乡村等地区，为农村生活污水的净化处理提供了一条可行性选择，大大改善了农村的生活环境。同时，各污染指标较好的去除效果为人工湿地组合系统在农村的推广应用奠定基础，为解决农村污水任意排放问题提供了一种新途径。

四、人工湿地组合系统的技术推广模式

技术的发明在于应用和推广，而应用和推广就会有新的模式，人工湿地组合系统针对农村分散的特点，分为小户型、连户型和村镇型三种类型加以推广。

（一） 小户型水生态净化技术

小户型生态净化技术主要针对农户分布相对分散的村庄设计，适用于处理单户农户日常生活生产的污水以及厕所废水。

（二）连户型水生态净化技术

连户型污水生态净化技术可以处理十户农户左右的生活污水，适用于有集中污水排放系统的农村地区，在技术上兼有小户型技术的优点。同时，由于规模的扩大，大大降低了污水处理成本，降低占地面积，操作管理更为方便。

（三）村镇型水生态净化技术

村镇型水生态净化技术针对迅速发展的农村养殖业，人工湿地结合其它有机物处理系统，如化粪池、沼气发酵等，有效地提高了系统的处理能力，减小了占地面积，实现可靠、高效的污水处理，顺应了我国农村经济发展的需要，这些类型适合我国农村现阶段的发展要求。

五、人工湿地组合系统的发展趋势

我国是农业大国，水生态环境状况越来越恶化，污染事故时有发生，不仅对粮食造成减产，而且直接威胁着农民的身体健康。由于大量生产和生活废弃物未经处理直接排入水体，加之公共卫生设施跟不上发展的需要，农村饮用水源大多受到污染，农村水生态环境不容忽视，需要立法加以规范。

人工湿地组合系统在解决农村水污染问题上顺应了农村的发展要求，在农村环境治理，建设社会主义新农村、实现村容整洁等方面将起到非常重要的作用。但这一系统也有其缺点和不足，要想使农村水污染得到合理而又有效的治理，还需要与其它技术的合理组合。人工湿地组合系统虽然取得突破性进展，但还不足以满足社会发展的需要，还需要在技术等方面进行深化，以适应农村污水处理的不同需求，发挥其更大的优势。