人工湿地污水处理技术应用概述及在我国西北地区的发展建议

国豪 李杰 王亚娥

摘要：综合考虑西北地区干旱缺水的实际情况以及当地经济条件的制约，提出运用人工湿地系统技术来处理西北地区的生活污水。主要总结了人工湿地强化技术的研究现状及其在国内外的应用现状，阐述了该技术对于处理西北地区生活污水的重要性，并依据该地区的实际背景提出了合理的建议与展望。

关键词：人工湿地;有机污染物;降解机制;废水处理;西北地区

中图分类号： X52  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2020）14-0055-06

随着经济社会的不断发展，全球人口基数的急剧膨胀和人民生活水平的提高，人均用水需求和总需水量大幅增加。相关研究表明，西北干旱缺水地区人均水资源量低于全国的平均水平。其中，甘肃省属于严重缺水的地区[1-2]。淡水资源的缺乏严重影响了人类生活质量和发展水平的进一步提升，因此改善水质和修复生态系统是目前亟待解决的问题。人工湿地系统技术是20世纪70年代逐步发展起来的一种新型生态污水处理技术，具有成本低，操作维护方便，运行成本低，氮磷去除能力强，对负荷变化适应性强，并兼具美化环境等优点[3]，因此在国外许多国家得到广泛的推广及应用。但该技术也存在占地面积较大、易受西北高寒气候条件限制等不足，因此，如何解决问题、保持有效运行，是目前亟需解决的问题。因此，围绕水资源的可持续发展来研究西北干旱缺水地区人工湿地系统技术具有重要的理论意义和应用价值。

人工湿地根据湿地中主要植物形式可以分为浮生植物系统、挺水植物系统和沉水植物系统。人工湿地系统根据污水在湿地床中流动的方式一般可以分为以下3类，分别为自由表面流湿地、潜流人工湿地和垂直流人工湿地[4]。也可将这3种最基本的方式进行搭配，从而形成复合流人工湿地。

1 人工湿地污水处理净化机制

一般认为，人工湿地作为一种高生产力的新型污水处理系统，通过湿地中基质、植物和微生物相互关联，物理、化学、生化反应三重协同作用净化污水[5]。

污水中的氮主要研究的是无机氮的去除机制[6]。一般情况下，人工湿地的脱氮途径主要有3种：植物和其他生物的吸收作用、微生物的氨化、硝化和反硝化作用以及氨气的挥发作用[7]。其中，硝化和反硝化作用是最主要的氮去除机制，占湿地氮去除总量的60%～86%[8]。

污水中磷的普遍存在形式主要有磷酸盐、有机磷酸盐、聚磷酸盐等[9]。污水中的磷主要来自于生活生产污水、农田灌溉用水、工业废水，主要形态有活性磷、非活性磷，非活性磷有可溶性和颗粒性2种存在形态。人工湿地技术之所以能够实现良好的除磷效果，主要是通过以下3种途径：植物的吸收作用、填料的物理化学作用及微生物的协同作用[10]。

2 人工湿地污水处理强化技术

人工湿地具有运行管理费用和投资成本较低、处理效果较为稳定、出水水质优良等优势但同时也存在占地面积大、容易堵塞、受区域气候条件因素所制约等缺点。因此，如何解决该技术已有的问题、维持人工湿地的长时间有效运行，是亟待解决的问题。近年来，人们研究了许多可应用于该系统的强化技术来提高湿地系统的硝化和反硝化能力以及除磷能力，以扩大其应用领域及推广范围。

2.1 基质强化

在基质本身的性质作用之下，污染物被基质高效地过滤、沉降和吸附，从净化结果上看，基质的主要作用为去除磷。基质中钙、铁和铝等元素含量的多少决定了吸附磷能力的强弱，富含钙、铁和铝的基质对磷的去除效果好。根据污染物质类型的差异，选择不同的基质或基质组合对污染物质的去除效果是各不相同的。因此，可根据污水中污染物类型选取不同基质或选择几种基质进行有效组合。

2.2 曝气强化

人工湿地的主要氧气来源有植物根部的氧气运输及大气扩散，对于潜流湿地而言，根部的氧气运输作用是湿地中主要的氧气来源[11]。相关研究表明，植物根部的氧气运输量对湿地的作用十分有限[12]。因此，运用强化曝气方法来解决湿地溶解氧不足这一问题就显得尤为重要。

而且提高湿地内溶解氧的含量，是保证硝化过程可以顺利进行，使脱氮效率得到有效提高的关键。同时，为了满足湿地系统中反硝化反应所需的缺氧条件和环保节能的要求，将其中的连续曝气方式改进为间歇曝气，可显著提高对氮的去除能力;曝气也可以改变湿地中溶解氧的分布，使一部分厌氧区变为好氧区，极大地增强硝化细菌的生理活性。

2.3 布水方式强化

湿地可以通過调节进水的方式使水流均匀分布，增加污水与湿地基质接触时间以及湿地中的溶解氧含量，进而影响湿地对污染物质的去除效率。水平流人工湿地具有较长的流程，且反硝化能力较强;垂直流湿地污水与氧气混合效果好，硝化反应效果好。近年来，研究表明单一的水流方向并不能同时满足好氧和厌氧微生物所需的环境条件，在湿地的实际运用中，通过改变人工湿地内部的水流方向，促进水体内循环，内循环作用还可以使污染物质与填料和植物根系的接触面积和机会大大增加，还可以使进水获得一定程度的稀释，使湿地中的溶解氧含量增加，出水的臭味减少，促进湿地硝化和反硝化作用进而提高人工湿地的运行性能。

2.4 不同类型的人工湿地组合强化

近年来，出现的各种不同类型的人工湿地各有其独特的优点和不同的适用范围，将它们进行合理的组合，可以进一步提高各自的污水净化效率。Mhlum等将放置于水平流湿地前的垂直流湿地作为预处理工艺，湿地系统除污效率明显提高[13]。Cooper等提出了水平流湿地和垂直流湿地的组合工艺，2种湿地的合理有效组合能够相互补充，相互强化，最终可以充分地发挥各自的处理作用[14-15];出水的回流也可以提高湿地的脱氮效果，且脱氮率随着回流比的增加而提高。

3 国内外人工湿地污水处理应用现状.

3.1 国外应用现状

国外人工湿地污水处理技术在20世纪70年代获得了快速发展及广泛推广，英国Sesern Trene公司的人工湿地污水处理厂飞快地发展为现在的100多个，如今，欧洲有5 000多处人工湿地在运行，丹麦就建立了30多个湿地污水处理厂。

Zhao经过十几年的探索，对铝污泥人工湿地的湿地结构、机制及处理效果、运行方式等进行了深入的分析及研究。将爱尔兰给水厂的脱水铝污泥作为湿地的填料，用来提高对污水的净化效率，特别是对磷浓度较高污水的净化处理。铝污泥湿地既具有优良高效的污水净化效率，还为污泥的可持续利用提供了一条新的途径。将铝污泥作为湿地填料不仅可以降低土地资源和填埋能耗，而且还可以将饱和后的铝污泥当作肥料使用或进行磷的回收。“以废治废”这一观念与可持续发展思路相契合，并且具有较高的环境效益和经济收益[16]。

Zhao等还研究了中试规模的潮流湿地系统，用于处理强大的农业废水。该系统位于英国斯塔福德郡的一个农场，由5个湿地处理阶段组成，其中植被为普通芦苇。从每个阶段的入口和出口收集废水样品并分析。生化需氧量（BOD5）、化学需氧量（COD）、水质中的悬浮物（SS）、氨态氮、正磷酸盐等分别在年度处理中被去除82%、80%、78%、58%、45%的容量为1 752 m3（假设系统运行一整年而不休息）。显示湿地系统基质内生物膜和微生物活动的形成，是有机污染物降解的原因[16-17]。

人工湿地技术是在发达国家中兴盛起来，并随着时代的发展逐步完善。在国外，人工湿地技术不仅应用于处理各种领域中不同类型的污水，如农业生产污水、城区生活污水等，而且还广泛地应用于水的深度处理和淡水的回收利用，净水效果一般高于常规二级处理效果。

3.2 国内应用现状

3.2.1 人工湿地工艺的应用

我国在“七五”期间开始了对人工湿地的探索研究[18]。前期的水平流湿地每日处理的工业废水和生活污水量较低，之后生态环境部华南环境科研所在深圳白泥坑建立了人工湿地试验基地。

2016年，我国某省科学研究设计院进行了由省科技厅批准立项的“某高校人工湿地污水处理技术应用及示范研究”。目的是为了加强对高校水污染防治技术的支持力度，促进人工湿地污水处理技术的广泛应用和推广，填补我国高校中人工湿地建设和研究的空白。

山东省曹庄人工湿地护坡最内层基质层覆盖10 cm厚度的沸石，外层覆盖5种形状存在差异的砾石，其粒径分别为15、25、30、50 cm，其出水水质达到了国家Ⅲ类标准;东营市明月湖国家城市湿地公园不仅构建了一种人与自然之间的和谐共处关系，而且提升了城市居民居住环境的舒适度，丰富了城市景观的多样性;陕西省永生村湿地示范工程首先将自来水厂产生的脱水污泥用于人工湿地的基质中，既大幅度提高了污水中磷的去除效率，同时变废为宝，也提高了经济价值和环境效益。

天津市南港工业区处理出水标准达到一级A标准，已达到废水离岸排海的要求，但为更进一步降低排海废水中的氮磷含量以及难降解有机污染物含量，南港工业区通过人工湿地对污水处理厂一级A出水进行深度净化，使污染物进一步削减后再离岸排放。

包头市黄河湿地是由黄河改道形成，位于包头市东河区的南侧。通过湿地将有效改善进入黄河的水的水质，为下游的水源地提供安全保障，还可以修复湿地的生态景观，改善包头市人民生活环境及美化生态景观，并通过对河水的资源化利用，缓解城市的水资源短缺问题。

国内人工湿地除了被广泛应用于处理生活污水以外，还被应用于处理富营养化水体、采矿废水等。在农村生活污水处理和农业面源污染治理中，人工湿地具有其独特的解决优势。因此，我国正进一步加强对人工湿地处理农村污水的示范研究，以期探索出一条适合我国国情的农村污水处理方法，为进一步推进农村污水处理奠定良好基础。

3.2.2 人工湿地与其他工艺的联用

单一的污水处理工艺不足于满足各类污水水质与不同的污水处理标准的要求，而多种不同处理工艺的优化组合是解决目前这一难题的必然发展趋势。因此，如何进行不同工艺之间的有效组合和优化，将会对污水净化效率的提升有着极其重要的价值与意义。而在组合污水处理工艺中，人工湿地技术一般应用于污水的深度处理。

运用生物滤池-人工湿地-稳定塘组合工艺来处理农村生活污水，其出水水质可以达到第二类污染物一级排放标准，该工艺投资少、基建费用和运营成本低、处理效果较好、运行操作简单[19]。

人工湿地技术与活性污泥法的组合工艺在处理城市生活污水中，应用也较为广泛[20]。

4 关于西北地区发展人工湿地污水处理的重要性及建议

4.1 人工湿地污水处理在西北地区运行的重要性

随着我国经济的持续发展，城市化进程的不断加快和人们环保意识的急剧增强，不仅国家越来越关注环境保护问题，人们也越来越渴望拥有良好的水环境。但在我国西北部地区，居民卫生用水和厨房污水等生活污水不经过处理随意排放入河流、湖泊和水库中，使本身问题就已突出的水环境污染这一难题变得更加严重，人们对水资源的需求量也与日俱增。这不仅加剧了西北地区的淡水资源危机，也破坏了周边的生态环境，影响了该地区人们的生存与发展。如果不加强对已有水资源的保护和对周围水生生态系统的恢复，将导致区域缺水情况进一步加重，进而令水资源需求量的增加与水资源短缺之间的矛盾不断加剧，最终影响经济的不断发展与社会的和谐安定。目前，亟需一种针对该地域的污水处理技术，而我国西北地区由于人口分散、经济条件较为落后及周边环境较为脆弱等诸多因素，进而使人工湿地技术成为解决当前西北地区每况愈下的水污染问题的有效举措之一。

人工濕地系统作为一种自然生态污水处理系统，其利用水生植物和填料床来进行污水的净化作用。填料常为土壤、卵石、塑料、炉渣、活性炭等，具有基建费用低、运行成本少等优点，且具有生态修复功能与绿化环境功能。在日常运行维护中，操作简单，只需及时清理沉积物、枯萎植物等。因此，该污水系统十分适用于经济基础相对较差、土地面积相对丰富的西北地区的污水处理。

4.2 人工湿地污水处理在西北地区运行存在的问题

4.2.1 低温问题

在西北低温高寒地区湿地运行的关键问题就是冬季低温问题，温度是影响人工湿地的植物、微生物活性的重要因素之一，一般情况下，微生物的最适温度在25 ℃左右，我国西北地区冬季的平均温度一般都低于0 ℃，过低的温度会抑制微生物的活性，甚至会使微生物处于休眠状态，而人工湿地去除污染物质的净化效果与微生物的数量、活性密切相关。因此，在西北地区温度比较低的气候条件限制下，会对湿地的植物、微生物的生理活性及对污染物去除效果造成不同程度影响。

Crites研究表明，硝化菌在温度为10 ℃左右时，能维持较为稳定的硝化速率，如果温度进一步降低，硝化菌的硝化过程将会逐渐停止，系统脱氮效果将会明显下降[21]。Brodrick等研究表明，反硝化菌在温度低于5 ℃时，基本停止了生理活动，特别当温度低于4 ℃时，微生物的生理活动几乎停止[22]。由于昼夜温差较大和冬季气温较低的气候特征，使得西北地区人工湿地系统的植物生长缓慢甚至休眠停止生长，进而影响系统的污染物去除效率。由此证明，由于人工湿地生态系统本质上十分依赖于自然环境因素，其净化效果受温度变化的影响较大，从而加大了该地区冬季污水处理的难度。

4.2.2 缺氧问题

对于西北地区而言，溶解氧已成为限制人工湿地技术进一步推广发展的重要因素之一。因为西北地区冬季较为干燥的气候，水体对氧的溶解效果比较差;西北地区较低的温度也不利于水体对氧的溶解。由于含氧量较低的原因，使得西北地区人工湿地系统的植物生长缓慢，最终影响人工湿地的除污效率。溶解氧浓度与氨化细菌、亚硝化菌和反硝化菌数量之间存在显著的相关性，与氨化细菌、亚硝化菌数量呈正相关，与反硝化菌数量呈负相关，说明溶解氧是影响人工湿地脱氮效率的重要因素，因此，采取措施改善溶解氧条件有利于人工湿地中氮的去除。

4.2.3 碳源问题

碳源是反硝化过程中重要控制因素之一，在人工湿地中碳源的问题主要是碳源不足、种类单一。碳源不足将会抑制反硝化菌的活性，最终影响脱氮效果;碳源种类单一会导致系统易受到外界环境变化的影响，抵抗环境变化能力差。

4.2.4 占地面积问题

从国内外的人工湿地建筑工程占地情况可以看出，人工湿地具有较大的占地面积，一般认为，相比于传统的污水处理工艺，人工湿地的占地面积要高出2～3倍，人工湿地的占地面积较大由其本身的净化机制与特点所决定。很多时候会因此导致人工湿地发展受限制，并阻碍了人工湿地技术的进一步推广普及，尤其是在土地资源紧缺的地区更是如此。而且人工湿地的填料和植物配置对污水处理的能力是有限的，基质容易饱和，就必须依靠更多的平行湿地进行交替运行工作，以确保整个湿地仍旧可以维持运行状态。因此，占地面积较大是影响人工湿地发展推广的关键因素之一。

4.2.5 基质堵塞问题

基质在人工湿地中发挥着十分重要的作用，但随着污水处理过程的不断进行，湿地中的微生物也相应地繁殖，基质的吸附能力也趋于饱和，再加上植物的腐败，下落堆积未及时处理，那么极易导致基质堵塞。当堵塞发生时，不仅影响湿地的使用寿命以及湿地长期运行的稳定性，甚至会使湿地系统丧失污水净化功能，应用价值也会大大降低。

4.2.6 后期管理問题

优美和谐的生态环境是城市健康发展的基础，目前，各地区积极地建设人工湿地，却忽视了湿地后期的管理维护，使得人工湿地经过一段时间的运行后，因基质堵塞、落叶堆积等原因，使原有的经济观赏价值和处理效果极大地降低。如果之后仍不采取科学有效的管理措施，不但不能改善和维持地区生态环境，甚至可能会导致城市环境的二次污染。在人工湿地运行过程中，各种管道、护栏时常遭到破坏，管道多处被人为损坏。在人工湿地中栽植的多种具有较高观赏和经济价值的植物，在其生长过程中，也经常遭到人为破坏。

4.3 人工湿地污水处理在西北地区运行的解决途径

4.3.1 选择合适类型

在西北地区应用传统的人工湿地技术，受限制因素较多，并且根据该技术在西北地区所存在的问题及目前研究结果来看，为确保人工湿地技术可以在西北地区高效稳定地运行，潜流型的人工湿地具有非常明显的优势。与传统的人工湿地相比，潜流型人工湿地对浓度较高的污水处理的效果比较好;也可以更好地适应冬季的气候变化及低温条件;对西北地区寒冷气候而言，潜流型湿地与大气之间有覆盖层隔断，可以减少污水蒸发蒸腾和流动造成的能量损失，因此保温效果也是最好的，覆盖层对湿地的保护也非常有效。

4.3.2 选择合适基质

填料的差异将会影响人工湿地系统的污水处理效率，特别是对除磷效果影响较大。因此，加强填料的选择和防止填料堵塞将是今后的研究重点之一。因为它不仅为植物生长繁殖提供了相应的生存空间与环境条件，同时也是污水流动的介质[23]。此外，基质在吸附污水中的污染物时，同样也发挥着非常重要的作用[24]。因此，人工湿地在处理污水中须要考虑的一个十分重要的问题就是选择合适的基质。

基于人工湿地占地面积比较大，基质投加量多的特点，基质的选取原则应当依据以下几点：材料的价格较为低廉、处理效果较好、容易获得及安全性高等[25]。因不同的基质具有不同的理化性质，导致基质对各类污染物的去除效果存在差异，进而影响湿地的净化效率。粒径较小可以确保湿地具有足够的水力停留时间，但基质粒径过小极容易导致湿地堵塞;基质粒径较大的确可以有效防止湿地堵塞问题，但如果粒径过大反而会缩短湿地中水力停留时间，进而也会影响污水的处理效果。

铁屑作为目前常用的水处理材料，尽管价格低廉，但形状和粒径无法根据需求选择，比表面积小，且去除效率低，长期运行易结块，原材料利用率极低。因此，须要选择一种高效的新型材料。

柴志龙等研究发现，与传统生物铁法相比，Fe0- 生物铁法可以持续不断地进行铁碳微电解作用和类Fenton效应，其对微生物降解污染物质具有协同强化的作用;并且Fe0可以以载体的形式投加到湿地系统中，大大降低了在实际工程中应用的难度。并指出今后的探索研究方向应主要集中于可以应用在人工湿地处理系统中，工艺参数及性能良好的Fe0材料[26]。

马宁等经过一系列的研究表明，海绵铁是一种新型的多功能水处理材料，具备良好的物理化学性能。与铁屑相比较，海绵铁易于加工、质量优良;比表面积大，可以更好地运用零价铁的特点与优势;抗板结与再生性能良好;通过微电解、吸附、絮凝沉淀、直接还原和间接氧化等作用，对水体中的污染物存在较强的去除能力。而且微生物与海绵铁二者在污水处理的过程中具有相互协同促进的作用，将会使生物海绵铁体系污水净化效率得到进一步的提升，因此，海绵铁材料将成为应用于人工湿地处理技术的高效新型材料[27]。

4.3.3 合理控制温度

西北地区冬季气温较低时，会造成系统净化的能力下降，水质达不到标准要求，因此有必要采取措施来减小气温影响，使系统可以正常运行。可以采取改良人工湿地的设施与构造，利用薄膜、冰雪以及树叶等覆盖保温层等措施，来确保湿地在西北地区冬季低温时运行依旧拥有较高的污水处理能力。可通过将水位上升到冰冻面形成一层冰冻层，然后再降低水位到水面与冰冻层之间形成绝缘的空气层，水生植物密实的茎可以对冰层起到支撑作用，枯死湿地植物上积累的雪层可以使系统达到保温效果;湿地表面覆盖一层易生物降解的物质，如树叶、木屑、复合肥等，也可起到保温的作用。

4.3.4 合理规划设计

由于人工湿地的占地面积较大，使得其在国内的发展推广受到限制，但由于其自身处理污水的特殊性，使得人工湿地技术在占地面积上的问题很难得到有效解决，因此，国内外开始加大对它的研究力度和实践总结，力图找到一些科学有效且适当的方法来最大程度降低占地面积。首先，在选址时须要综合考虑规模、环境和经济效益等3个方面，为了不占用市区宝贵的土地资源，可以将湿地工程地址选在市郊区域，这样做还可减轻风沙对市区环境的影响和破坏;另外，可尝试采取组合工艺，可将湿地与其他类型的湿地或者其他的污水处理工艺组合，可以有效地改善传统湿地的结构，这样既可以大大减少湿地的占用面积，还可以提高人工湿地技术净化污水的效率[28]。人工湿地需要在其应用的过程中不断地完整完善，这也是人工湿地技术进一步发展推广应用的必然路径。

4.3.5 有效管理措施

一个运行良好的人工湿地需要一个有效且合理的管理运行模式。溶解氧不足时，应采用人工曝气辅助强化处理;碳源不足时，应定期投加碳源;定期对植物进行收割;实时监测出水水质;定期对湿地系统进行详细检查;采取一定的防堵措施和应对方法;把人工湿地的效益与当地居民的效益有效结合起来，通过利益共享，使其积极主动地投入到人工湿地的日常维护中去，这样可以有效减少因人为破坏而导致的损失。同时，可以通过设立标志告示牌、口头宣传和书面通知等方式，使当地居民认识到人工湿地建设的必要性及其发挥的重要作用，并呼吁居民积极参加有关环境保护的科普教育。

5 人工湿地污水处理技术展望

人工湿地是集生物学、化学、水文学和水力学等为一体的复杂生态系统，它在处理复杂废水方面发挥了巨大作用，应用前景十分可观。而人工湿地的堵塞是其推广应用的最大障碍，堵塞是由沉降和被过滤的固体颗粒在微生物作用下累积而造成的[28]。

近年来，我国正处在经济高速发展阶段，长期以来高投入、高污染的经济发展模式给生态环境造成了极大的破坏，严重影响经济社会的健康发展，废水排放量日益增加，水污染问题日趋严重，而城市污水处理仍主要采用传统的二级活性污泥处理工艺，其工程投资高、耗能大、运行成本及管理要求高。而人工湿地作为一种天然的“污水处理厂”，其高效、简易、低耗的特点就显得意义重大。人工湿地以其基建费用与运行成本低、维护方便、处理效果好、且占地面积小的特点，已得到国外广泛的应用，而且可配合种植水生植物，不仅可达到绿化及美化景观的效果，而且可以取得较好的效益。针对我国西北地区地域特点和经济相对落后的状况，西北地区应积极利用本土资源，采用基建费用少、运行成本低的人工湿地污水处理技术，并在西北地区进行大规模的推广和应用，以促进西北地区社会经济和生态文明健康和谐的发展。

當前，人工湿地发展还存在许多的不足，人工湿地还存在很多问题没有解决。因此，在推广应用时应慎重，特别是在大面积使用时应充分考虑该技术有可能带来的一系列影响，避免盲目推广，同时也须要进一步的研究和探索。

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收稿日期：2019-08-01

基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划（编号：2017Z003-B）。

作者简介：国 豪（1995—），男，山东青岛人，硕士研究生，主要研究方向为人工湿地污水处理技术。E-mail：1057509896@qq.com。

通信作者：李 杰，博士，教授，博士生导师，研究方向为微生物固定化载体的研发及在污水处理中应用。E-mail：936271028@qq.com。