人工湿地生态系统去除污染物机理概述

（山东省城建设计院 山东济南 255000）

1 人工湿地概述

人工湿地作为一种高效、低投资、低能耗、低处理成本的污水处理新工艺已被广泛接受，其基本组成为基质、水生植物和微生物。人工湿地净化污水是湿地中基质、植物和微生物的物理、化学以及生物 3 者协同作用的结果［1，2］。

按污水在人工湿地中流动的方式，一般可将人工湿地分为3种类型：表面流湿地、潜流湿地和垂直流湿地。

2 人工湿地去除污染物机理的研究

人工构造湿地主要利用湿地中植物、微生物和基质之间的物理、化学和生物作用共同达到污水净化的目的。植物根系形成网络，传递和释放氧，吸收一部分营养物质，为微生物提供生长场所，并提供好氧、厌氧条件，但植物有一定的生长期，并需要收割。好氧微生物分解有机物成CO2和H2O，硝化细菌和反硝化细菌去除氮，聚磷菌去除磷。主要是生化反应，但各自需要一定的条件。基质截留污染物、吸附氨氮、沉淀磷，沉淀和吸附悬浮物质，为微生物提供附着面。主要是吸附沉淀，但存在吸附饱和度。

（1）悬浮物的去除。污水中的悬浮物含有大量污染物质，例如有机物，氮磷，重金属和病原菌等，因此去除悬浮物可以提高污水的去除效率。通过过滤和沉淀，污水中可降解性污染物被快速截留去除，而悬浮性固体则通过微生物生长、湿地介质表面吸附等机理去除。

（2）有机物的去除。污水中的有机物包括颗粒性有机物和溶解性有机物，颗粒性有机物通过沉淀和过滤可迅速去除，而溶解性有机物则通过微生物作用降解。微生物降解有机物又分为好氧降解和厌氧降解。由好氧菌控制的好氧降解可以表述为：有机物+O2→CO2+H2O+能量。厌氧代谢过程较慢，只能去除少量有机物。厌氧代谢机理比较复杂，目前公认的厌氧处理机理是3阶段理论。

（3）脱氮。在湿地中氮主要通过水生植物吸收、微生物的硝化和反硝化以及氮的挥发等途径被去除。氮在湿地系统中呈现一个复杂的生物地球化学循环，它包括了7种价态的多种转换，氮的转化是受土壤氧化还原特性影响和微生物分解的复杂过程。研究表明，污水中的无机氮可作为植物生长过程中不可缺少的物质而直接被植物摄取，并合成植物蛋白质等有机氮，通过植物的收割可使之从污水和湿地系统中去除。但这一部分仅占总氮量的8%～16%，因而不是主要的脱氮过程。在人工湿地系统中，植物根茎下穿形成有利于微生物实现硝化作用的好氧微区，同时在远离根系周围的厌氧区，枯枝、碎屑及底质层中可利用的碳源又提供了反硝化条件，所以人工湿地的脱氮主要是靠微生物的硝化、反硝化来实现的。

（4）除磷。污水中含有无机磷和有机磷。但经微生物氧化后，多以无机磷形式存在于天然湿地中，通过泥炭沉积可使磷得到长期储存。但在人工湿地中介质的吸收是主要的除磷机理。湿地对磷的去除能力与土壤的类型有关。溶解性无机磷可以与土壤中铝、铁、钙盐发生吸附、沉淀反应而被矿物稳定下来。因此，主要由矿物土壤和高铝含量土壤构成的湿地较由高含量有机物构成的湿地除磷能力强。在湿地系统中吸附和沉淀的磷并非永久性去除，因此矿物性的土壤实际上是作为缓冲器来控制磷的溶度。总之，湿地的除磷主要机理为离子交换、植物吸收、沉淀存储。

3 人工湿地的应用实例及前景展望

在国外，人工湿地脱氮技术发展迅速。F.A.Comin等人于1993年将人工湿地系统用于解决西班牙东北部Ebro河三角洲农业径流的氮污染问题，试验中湿地的入水为当地玉米地的灌溉水，总氮负荷达270mg/（m2·d），溶解性无机氮负荷达105mg/（m2·d），溶解性有机氮负荷达 27mg/（m2·d），经人工湿地处理后总氮的去除率达84%～98%。分析表明，植物吸收、植物碎屑的积累和降解以及基质中的氮循环是湿地中氮保留和降解的主要因素，根据一阶柱塞流动力学模型可得总氮去除率常数为0.075m/d。G.Sun等人［4］将潮汐流的概念引入人工湿地的运行之中，该湿地系统栽种的水生植物以芦苇为主，所处理的农业废水的氨氮平均浓度为329.5mg/L。

近几年，国内人工湿地脱氮技术也获得了较大发展。北京市北郊昌平卫星城的人工湿地系统将自由水面人工湿地用于污水的处理，在中国属首例。该系统接纳当地的生活污水及毛纺厂废水，具有500m3/d的处理能力，其水生植物选用了芦苇，通过定期收割不仅去除了污染物，而且缓解了北京市造纸原料缺乏的问题［6］。

人工湿地系统作为一种建造及运行费用低、处理效果好的工艺，有着和传统污水处理工艺不同的独特构造，尤其适用于含高氮废水的处理，值得大力推广［7］。