人工湿地的发展与应用探讨

王话翔

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

根据住房和城乡建设部公布的数据显示，由于中国城镇人口数量逐渐增加、居民用水需求上升，中国污水年排放量逐年增长，并在2019年达到554.65亿m3。虽然年污水处理量达到了525.85亿m3，但城镇污水处理厂处理后的尾水仍存在氮(N)磷(P)浓度高、浊度低等特点，对地表水水环境仍存在一定的威胁，而在源头污水处理与尾水处理上人工湿地的地位逐渐凸显，被广泛应用在各类污水处理工程中。《国际湿地公约》中湿地指那些长期或暂时的具备水淹条件的沼泽地、泥炭地等，即水陆之间过渡带[1]。而人工湿地(Constructed Wetland, CW)则是由人工建造、运行管理，通过土壤或基质、植物、微生物等之间的物理、化学、生物的协同作用，从而净化污水的处理系统[2]。

2 人工湿地的发展历程

目前国际上关于人工湿地的研究越来越多，在Web of Science上检索主题“(constructed wetland*)or(artificial wetland*)”，截至2020年有多达1万余篇英文文献，且文献数量逐年呈指数增长，其中我国发文数量跃居首位，美国则为第二大研究国(图1)。

图1 人工湿地英文文献数量及全球分布

2.1 形成与探索

1903年世界上首座用于处理污水的人工湿地建立在英国约克郡[3]，1953年德国Max Planck研究所的著名学者Dr.Kathe Seidel研究发现，在去除污水中的有机物与无机物上，芦苇具有显著的效果，后经深入试验发现芦苇可很好的吸收污水中的沙门氏菌、大肠菌等多种细菌，研究同时建立了“Max-planck Institute-Process”系统[4]。1966年Dr.Kathe Seidel又首次发现水葱在处理污水上也能起到显著的效果，渐渐地许多专家学者开始展开湿地对污水的处理研究[5]。

人工湿地真正形成生态理论是在20世纪70年代，由当时的学者Kickuth提出，并被命名为“根区理论”，即通过矩形芦苇种植床，结合添加有钙、铁等元素的土壤，将污水中含有的N、P等物质去除[6]。在根区理论形成后，人工湿地正式踏进污水生态处理的大门，各个国家及地区开始展开污水的生态处置，并相继建立起大大小小的人工湿地。21世纪前，美国处理废水所用的人工湿地已达600余座[7]，丹麦、英国等国家也分别建造了200余座人工湿地[8]，到2006年欧洲所建设的人工湿地已经突破1万座，北美更是突破了2万座[9]。

2.2 国内发展状况

我国在人工湿地方面的研究相对较晚，起步于“七五”期间。我国第一个芦苇人工湿地1987年由天津环保所建造。1990年前后，北京、深圳相继又建造了人工湿地的示范工程[3]。根据《中国统计年鉴》(2020)中资料显示，在2009～2013年第二次湿地调查中，中国除港、澳、台地区的人工湿地面积已超过67000 km2，江苏是拥有人工湿地面积(8740 km2)最大的省，其次是湖北省(6808 km2)、山东省(6345 km2)和广东省(5953 km2)[10]。到2020年，中国约有150座处理能力在30000 m3/d的人工湿地，主要分布在华东地区，经济的快速发展导致以上地区水污染压力较大，从而也使得人工湿地的发展速度较其他区域高[11]。

3 人工湿地的组成与分类

3.1 人工湿地的组成

构成人工湿地的3个要素是湿地中透水的填料基质、适宜的湿地植物以及微生物群。污水经过三者的协同作用，以沉淀、吸附、植物吸收转化、微生物分解等途径达到净化水质的目的[12]。

3.1.1 基质

有研究发现大部分污染物的去除都在人工湿地的基质中进行[13]。基质，也就是填料，主要作用有：①为水生植物提供生长条件及支撑；②提供微生物附着生长的场所；③作为各类离子以及各种化合物化学反应的平台；④拦截、吸附水中杂质及部分污染物[14]。

目前主流的基质填料有土壤、砂、石灰石、沸石、砾石、炉渣、灰岩等，也是目前国内人工湿地主要的填料来源，但在过去10年，对基质的种类研究一直在进行，新出现的一些基质如牡蛎壳、建筑垃圾、轮胎碎片、生物炭、滤网、聚乙烯塑料、钢渣、稻草等，也在去除污染物上发挥一定的作用[15]。基质物化特性的不同在实际选用上需加以斟酌，如含钙、铁、铝的基质(如矿渣、石灰石、铝泥等)在除P元素方面具有较好的性能[15]，而高炉渣在去除N、P污染物方面有较好的性能，泥炭则对五日生化需氧量(BOD5)、悬浮物(SS)含量高的污水处理效果较好[16]。此外基质的孔隙率、粒径大小不同对微生物挂膜有一定影响，一般情况粒径越小比表面积越大，膜附着面积越大，处理效果越好，但过小的粒径会一定程度上影响水力传导，造成短流或堵塞现象，通常所用到的基质粒径为5～18 mm，在不同的使用场景下所选择的粒径大小会有所不同[13,17]。为解决上文中可能出现的堵塞，通常可通过预沉淀、不同粒径大小的基质组合布设、合理选择进水有机负荷、冲洗、加药生化处理等方法缓解堵塞情况[15,18]。

3.1.2 水生植物

人工湿地所常用的植物主要分为挺水植物、沉水植物以及浮水植物。湿地植物在人工湿地中担任重要的角色，其主要作用为：①吸附污水中N、P等元素，富集污水中重金属等有害物质；②植物根区为好氧微生物提供氧气，并为其提供生长繁殖场所；③植物根系的通气组织可维持和提高基质的水力传导性能，并防止土壤板结[14,19]。当然随着近现代人工湿地对景观效果上的要求，适宜的湿地植物搭配对美化生境、打造附属旅游经济等方面均有较好的效果。

常见的挺水植物有芦苇、香蒲、水葱、菖蒲等，其主要特征是根系与根茎可生长在水面以下的基质中，而茎叶部分生长在水面以上，一般生长在0～1.5 m的浅水区域或岸边；沉水植物主要有苦草、黑藻、金鱼藻等，呈带状或丝状，其主要特征是整体浸于水体之中，对含N、P物质有较好的吸附作用；浮水植物主要有浮萍、凤眼莲等[3,14,20]。在设计和建造湿地的时候，甄选湿地植物除了要考虑当地气候与地形，还要考虑针对不同污染物的去除效果适当选择。

3.1.3 微生物

微生物是系统中主要的分解者，微生物的多样性在湿地运行中有着重要的作用，污水中的N元素需通过微生物的作用发生氨化、硝化及反硝化反应去除，有机污染物的去除也需要微生物的参与[21]。早期的人工湿地的研究主要集中在植物的选取、基质的筛选等方面，随着人们对人工湿地的认识愈发的全面，在微生物方面的研究越来越多。

湿地微生物群落一般主要有细菌、放线菌、真菌。研究表明：群落中细菌数量最多，真菌数量最少，而在细菌中数量较高的是具有脱氮功能的细菌。一般情况下细菌主要是负责有机物到无机物的转化，放线菌则是其中的重要参与者，而真菌主要是分解枯萎腐败的植物，为湿地植物提供碳源、营养物质[21,22]。

3.2 人工湿地的分类

目前人工湿地主要分为表面流人工湿地(SFCW)、水平潜流人工湿地(HFCW)、垂直流人工湿地(VFCW)。在实际的人工湿地运行中也存在一些组合式人工湿地，可更好地去除水体中的污染物。

3.2.1 表面流人工湿地

SFCW比较接近自然湿地，一般水深在0.1～0.6 m，水体沿湿地缓慢向前推进，污水漫流沉降、聚集，能有效去除水体中的固体悬浮物，而有机物则通过植物的根系与附着在植物体上的生物膜去除。虽然SFCW建设结构要求与成本相对较低，运行管理相对方便，但是由于污水不能在SFCW中与基质充分接触，对含N、P物质的去除效果欠佳，且其占地面积较大，易受自然因素影响，管理不当还会大量的孳生蚊虫[23]。

3.2.2 水平潜流人工湿地

废水水平流入HFCW的多孔基质，能与好氧区、缺氧区、厌氧区紧密接触，充分利用基质、植物根系以及生物膜去除水体中的污染，特别是对N的去除效果比较明显，而适当的选择吸附性较高的基质填料也可以达到高效除P，一般情况下处理效果好于表面流人工湿地[24]。虽然HFCW的脱N效果较好，并且具有一定的保温性能，不易孳生蚊虫，但其系统供氧受植物根系影响较大，冬季植物枯萎期间供氧能力下降，易影响硝化反应的进行[25]。

3.2.3 垂直流人工湿地

VFCW运行模式是污水通过湿地表面自上而下流入基质，然后通过底部污水收集系统收集后排出，其除污机理与HFCW基本相同，但在其进水的间歇期，可以将空气输送到基质中，所以其处理耗氧污染物能力与硝化能力相较HFCW强。VFCW的缺点就是不易操作管理，对SS的去除效果不是很好，并易发生堵塞现象[26]。

4 人工湿地的应用

目前人工湿地主要用于处理各类污水，主要去除水中的N、P物质、有机污染物、重金属离子、SS以及一些特定化合物等。

4.1 污水厂尾水

虽然目前有很多较为成熟的技术处理城镇污水，如混凝沉淀、膜分离、化学氧化等[27]，但常规城镇污水厂出水N、P含量仍相对较高，加上水量较大，对环境有一定的威胁，所以在污水厂出水末端加设尾水处理装置是现在许多国家和地区采取的方法，而人工湿地处理尾水便逐渐被采纳。深度净化尾水除能缓解入河污染压力，并且能回补地表水水源[28]。王楠等[29]利用复合的HFCW与SFCW对污水厂尾水进行处理，能除去47.4%的BOD5、35.7%的化学需氧量(COD)、58.3%的SS、52.8%的TN和53.6%的TP。曹大伟等[30]利用VFCW—HFCW—氧化塘的形式处理了广西省某污水厂的尾水，测得复合湿地对尾水中BOD5、COD、TN、TP、NH3-N的去除率可分别达到59.53%、58.28%、49.90%、51.86%、46.33%。

4.2 河流治理

近年来由于国家逐步重视河流的生态环境，人工湿地在河流修复与治理方面的作用逐渐凸显，河流治理由开始的截污纳管、黑臭整治，到现在的逐步向生态修复方向发展，2012年1月我国发布了《关于实行最严格水资源管理制度的意见》，强调推进河流水生态修复，相关水生态治理技术被逐渐纳入河流治理工程范围内。人工湿地在山东省的海子河、辽宁省的条子河[31]以及长江经济带沿线水系等地均有应用，王坚等[32]就在山西省沁河采用了复合型潜流人工湿地达到了较好的除P效果，刘晶等[33]通过SFCW+HFCW的复合湿地形式使得永定河怀来段COD去除率达到20%～43%，氨氮(NH3-N)去除率达到11%～43%。

4.3 农村生活污水

目前中国自然村超过250万个，人口数量庞大，但截至2017年时污水处理率不到30%[34]，农村污水面临的问题有源头分散难收集、污水中有机物与氮磷含量高且不稳定、管网建设不健全、运营成本较高等，如2015年就因管网不成熟、资金匮乏等问题，北京房山区58.3%的农村湿地处理点无法达到预期效果[35]。

中国专家学者也一直在探究人工湿地用于处理农村生活污水的相关技术，如江苏地区所运用的发酵及跌水加人工湿地的处理方法，使得TN、TP、COD、NH3-N去除率超过了80%[36]。杨凤飞等[37]组合运用生态滤池、人工湿地与稳定塘，将农村生活出水处理后达到了一级B的排放标准，而兰书焕等[38]运用接触氧化与蔬菜形人工湿地处理的川渝地区农村生活污水达到了一级A标准。国外对于农村生活污水处理方面相对较为成熟，2002年美国便颁布了《分散式污水处理系统应用手册》，仅肯塔基州就有4000多座潜流湿地用于处理独户污水处理。2003年德国也在分散式污水处理上做出了要求，其中便有湿地处理方式。英国在农村生活污水处理上广泛采用人工湿地，并组建了900余座湿地的数据库。法国也有500余座VFCW用于处理农村生活污水[39,40]。21世纪以来，波兰开始研究改进的湿地系统，2000～2015年，共建成了5600座采用细沙等过滤，通过SFCW与净化塘组合处理家庭生活污水的系统，实现了“零排放技术”[41]。

4.4 海绵城市建设

海绵城市主要是通过自身的特性实现对抗洪涝现象、雨水的净化或雨水回用等，人工湿地在海绵城市的建设中主要可以实现雨洪管理及节水治污，同时也具备一些景观、休闲娱乐效果[42]。

4.5 工业废水

工业废水一般情况下污染物浓度较高，包括纺织染料废水、石油废水、皮革废水、食品加工废水等，适当的采用人工湿地技术能有效的去除废水中的污染物。除此之外还有炸药行业、木业、花卉业、酿酒业等均涉及到人工湿地的使用[24]。

纺织业中染整等过程所产生的废水对环境危害很大，近年来国内也大力整治违规排污的纺织印染行业，对相关企业作出处罚、关停等处理。在国外研究中，Hussein等[46]通过种植芦苇的VFCW，使得混合染料去除率达到85%～100%。Mbuligwe等[47]运用HFCW处理蜡染废水得到硫酸盐、COD的去除率分别为53%、68%。意大利普拉托2003 年所建造的180 m2的HFCW，用以处理纺织废水。2006～2010年间，测得废水中的总铬和六价铬的去除率分别为40%～50%和67%～71%[48]。皮革行业是用水量较大的行业，废水中有机物、SS、有机氮、氨、铬等浓度很高[49]。葡萄牙一家制革公司利用水平潜流湿地有效去除65%的COD、75%的凯氏氮(TKN)、83%的TP、65%的TSS[50]。坦桑尼亚的一家制革厂通过水平潜流湿地将Cr 浓度降低了 99.8%，浊度降低了 71%[51]。食品加工业涉及的范围较广，有肉类加工、牛奶行业、制糖行业等[24]。厄瓜多尔早在1999年投入使用的HFCW，就去除了屠宰场废水中98%的COD、99%的TSS、82%的NH3-N[51]。意大利某奶酪工厂用两个平行的VFCW处理废水，其COD、TN、TP、TSS 的处理效率分别为60%、72%、50%、37%[52]。

4.6 养殖废水

近年来中国养殖逐渐集约化，规模也在快速增长，其废水中NH3-N、有机物、氮磷、重金属等含量较高，并存在大量的致病菌[53]。我国2014年8月才开始对畜禽养殖污染开展专项行动，治理体系相对不完善，而国外在20世纪前后便开始利用人工湿地处理养殖废水，2001年加拿大圣费迪南德的某个鳟鱼养殖场采用了2个串联的HFCW处理养殖废水，TSS、TP的去除率分别超过了95%和80%[54]。Pelissari等[55]利用人工湿地处理奶牛养殖废水，HFCW中TN、NH3-N的去除率分别是59%、58%，而VFCW中TN、NH3-N的去除率分别是23%、80%。Feng等[56]利用人工湿地处理养猪废水，COD、TN、NH3-N的去除率分别可达63.06%～77.18%、40.83%～48.70%、87.19%～96.54%。

4.7 其它特定污染物

人工湿地除在常见的工业污水、生活污水、养殖污水等方面的应用，还被用来去除一些特定的污染物，如一些可生化学较差的新型污染物、具有放射性的污染物等。成水平等[57]对相关文献进行统计，总结了人工湿地在新兴污染物去除方面的作用，人工湿地对聚酯类杀虫剂(去除率约为100%)、草甘膦(75%～99%)、二嗪农(68%～94%)等农药均有较好的去除效果。Zhang等[58]发现湿地植物能大量吸收水体中咖啡因，从而降低其污染。在核燃料燃烧、核工业等过程中会产生一些放射性的重金属，而利用复合人工湿地能去除约60%以上的含Sr2+、Cs+废水[59]，为人工湿地处理放射性废水提供参考依据。

5 结论与展望

人工湿地是由基质、水生植物、微生物组合而成的具有净化水质的系统，一般分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直流人工湿地，在工业污水、生活污水、养殖废水、河湖治理等方面均有应用。相较于传统的污水处理方式，人工湿地的投资建设、运行管理费用较少，操作模式较为简易，但是人工湿地的建设占地面积较大，管理不善容易造成水质变差，在部分区域的应用效果不佳。过去30年来，人工湿地从一开始的目标污染物的去除、目标植物去除污染物效果研究，到逐步向机理研究，再到通过科学研究以及工程实践的经验积累发展壮大，其在处理污、废水方面还有较为广阔的前景。

5.1 加强人工湿地的科学建设与管理

在建设人工湿地的过程中，由于建造不合理或管理维护不当等原因，出现过植物大面积死亡、水质异常等现象。在建设人工湿地时首先要分析当地地形、温度等因素，其次要严格把控植物的种类选择、植物种植密度、植物搭配比例，同时要根据水质特性选择合适的基质，为避免经常性大范围堵塞可适当控制基质粒径，或选择组合式粒径搭配。在人工管理上要有明确的规章制度与操作规范，定时检修维护，及时收割与清理枯萎腐败植物。

5.2 特殊区域的人工湿地应用

目前在人工湿地的研究中，处理效果相对较好的区域一般为温度适宜、地理位置优越的区域，随着相关技术的成熟，人工湿地也被应用在高寒、高海拔区域。在今后的研究中，可将研究方向侧重筛选适宜的耐寒、耐盐碱、耐毒性污染等湿地植物，选择性能较好的基质，以及研究培养适宜的微生物群，应用于高寒、高海拔以及常年干旱等特殊区域，以更好地发挥人工湿地在不同地理位置与污水性质方面的应用。

5.3 推进农村区域人工湿地建设

在我国农村地区，多数区域没有完善的污水收集处理系统，人工湿地处理污水的相关技术没有全面推广，建有人工湿地污水处理系统的部分农村区域，也由于管理不善或资金支持不到位等问题达不到预期的处理效果，而欧美国家早在21世纪初便将人工湿地技术广泛的应用在农村生活污水处理方面。2019年中央农办、生态环境部等九大部门联合印发的《关于推进农村生活污水治理的指导意见》中指出对农村生活污水散排、乱排等现象要逐步加强管控，所以在今后的研究与工程实践中，可侧重研究适合农村湿地建设的方案，借鉴国外“独户式”人工湿地，开发小型人工湿地，优化社区管理模式。