人工湿地污水处理技术及其发展应用

周克成，梁 敏，饶利军

（大冶特殊钢有限公司，湖北 黄石 435000）

人工湿地是经过人工设计的一项工程化湿地系统，处于水陆交接的状态，因此生态系统相对复杂，而人工湿地由于所处环境及处理物所存在的差异性，使得湿地的种类也丰富多样。其主要的运作方式是利用自然植被、生物以及土壤来处理废水，所处理的污染物范围也较广，且净化技术结合了物理、化学以及生物三种技术体系。人工湿地作为一种环保效果好且能耗低的处理技术，已经得到广泛应用。

1 人工湿地污水处理技术发展概述

人工湿地系统主要由五部分组成，一是基质；二是植物；三是水体；四是动物；五是微生物。而污水处理的主要技术也是依靠人工选择的自然资源通过互相作用的方式，净化污水中的污染物。此项技术最早出现在德国，我国在1988年正式引入人工湿地技术并开始了相关研究，经过30多年的发展，部分技术已经实现了弯道超车，领先于世界水平。

人工湿地污水处理技术不仅可以应用于环境治理，还在农业、工业、医疗、城市发展等方面发挥着重要作用。国外部分研究人员利用人工湿地污水处理技术，有效处理了医疗废水中所含有的13种抗生素，其中5种抗生素的清除率可达到97%。

部分城市在净化过程中，常会使用杀虫剂，对周围地表溪流会造成极大的影响。通过人工湿地污水技术处理，能够分解地表溪流中的多种有害化学物质，保证了人们的生活安全。

北京大学部分科研人员利用人工湿地污水处理技术，将农业中所排放的畜牧废水进行了净化，其中TOC清除率可达到95%，对实现我国农业经济的可循环发展起到了重要作用；在工业中使用人工湿地污水处理技术，可以将其中的化学用品去除，例如氯化石蜡等，降低了工业生产所产生危害物的潜伏性以及传播性[1]。

2 人工湿地污水处理技术机理分析

2.1 处理技术类型

人工湿地类型的不同也决定了处理技术的差异性，当前人工湿地类型主要分为三种：（1）表流人工湿地。水面和空气直接接触，污水在土上层流动是此种湿地的主要特征，适合处理污染物含量较低的废水，在处理的过程中部分污染物会受到阻截，而水中所含有的有机物则会被生物膜降解。（2）潜流人工湿地。此种湿地的运作模式是当污水进入湿地后，由于受流动方向的影响，会均匀分布于湿地基料底部，在内部经过处理反应之后，再向外排出。此种湿地依照水流方向可分为水平潜流与垂直潜流[2]。（3）潮汐人工湿地。此种运作模式主要是通过利用提升湿地基料传氧量以及氧利用率的方式，使污水中的污染物质得到降解。在运行过程中，水进入湿地床体达到饱和状态，经降解处理将空气带入到基料中。

2.2 处理技术的优劣势

2.2.1 优势

（1）具备经济性。根据资料显示，投资建设加后期运营维护人工湿地污水处理系统的费用，不到传统二级污水处理厂的1/10～1/2，出水还能够满足规定的污水排放标准。基于其成本较低的特点，随着近几年科学技术的进步，也得到了广泛应用[3]；另外人工湿地污水处理技术的负荷变化适应能力较强，在北方等较为寒冷的地区也不易结冰，因此在维修管理上也较为便利。

（2）具备环保性。随着我国人工湿地污水处理技术的研发力度不断加大，其技术越来越成熟，应用范围也越来越广，在面源污染、城市污水处理、饮用水源、景观用水以及资源化利用方面都有着出色的表现，可以贯穿于环保节能作业的全过程。加之其产生物质——能源植物的研发具有很大潜力，未来人工湿地污水处理技术能为我国生态环保带来更加宽广的工作思路。

2.2.2 劣势

（1）工艺问题。污水中所含有的污染物大多是未经预处理直接进入到湿地当中的。人工湿地在运行初期，植物根茎还不具备较强的去悬浮物能力，这使得运行过程中易发生淤堵现象。部分湿地的进水水力负荷大，容易对床体造成冲击进而形成堵塞。

（2）客观条件问题。土地资源的可利用性和气候条件也是制约人工湿地污水处理技术发展的重要因素。在通常情况下，人工湿地处理系统的负荷能力较低，因此要满足处理标准，其面积就要扩大。而近几年自然气候的不稳定，强降水的频发也导致了处理单元发生改变。

（3）规范问题。我国人工湿地处理技术起步较晚，在其快速成长阶段，缺乏技术数据的规范及统一性。主要表现在投入实验的处理系统较少，在设计、建设、运营以及维护方面缺乏规范化的理论与数据统计支持，对管理十分不利。

2.3 处理内容分析

2.3.1 悬浮物处理

悬浮物处理是污水进入到人工湿地污水处理系统中的首个处理环节，也可被视为整个系统的预处理环节。在此期间主要是利用物理去除方式，处理的主要单元是基质以及湿地植物根茎。基质可以通过吸附的方式将污水与悬浮物进行有效分离，而植物根茎主要是通过拦截的方式，使得污水中的悬浮物固体得到有效沉降，最终通过微生物的作用，将其去除。而在人工湿地污水处理系统建设初期，如果部分植物的根茎不够发达，会造成系统堵塞现象，对后期的运作处理效率有着较大影响，因此要加强对这方面的重视与治理。由此可知，悬浮物处理环节的影响因素包括三部分：（1）污水与基质的接触程度；（2）污水与植物根茎的接触程度；（3）污水与微生物的接触程度。

2.3.2 氮、磷处理

人工湿地污水处理，主要是通过净化、阻隔、分解等形式处理污水中的污染物，从而使污水达到排放的标准，而污水中所含有的氮和磷是主要的危害物，因此系统会采用吸附、沉淀、转化等形式完成对二者的处理。

（1）氮处理。在氮处理环节的主要处理介质是微生物，进入到湿地以后会通过氨化、硝化以及反硝化反应，将污水中的氮去除[4]。进入到湿地污水处理体系之中氧化状态的氮越少，则系统去除氮的效果就会越好，而影响氨氮处理的主要因素为季节变化。

（2）磷处理。在磷处理环节主要是依靠基质和植物为处理介质，进入到湿地以后通过基质吸附、植物吸收的形式，使得湿地处理单元达到饱和状态，通过水体释放的方式去除。在进行相关处理时，要重视基料的定期更换，否则就会出现淤堵情况。

2.3.3 有机物处理

部分污水中的有机物质具有较强的不溶性，因此系统中的处理单元会通过沉降以及过滤等方式，将其逐一分解。当前污水中所存在的主要污染有机物是OCPs（氯农药）与PPCPs（有机氯）等，这一类污染物与微生物之间能够产生一定的化学反应，微生物可以起到抑制污染物传播的作用。而分解污染物的微生物类型分为两种，一种是好氧微生物，另一种是厌氧微生物，二者通过降解的方式能够将有机污染物进行有效根除。在此环节的处理过程中，部分可溶解的有机物会通过植物表面以及根茎和基质，利用生物膜吸附功能，最后完成微生物的降解工作。由此可以看出人工湿地污水处理技术中，去除污水污染有机物的关键就在于微生物的降解作业。

2.4 处理技术影响因素

2.4.1 基质

基质是整个处理系统的支撑部分，在选择时要考虑到基质的生物性、化学性以及孔隙率等因素。只有较好的透水性，才能保证植物的声场，从而形成良好的吸附净化机制。

2.4.2 植物

植物在整个系统中除了要完成简单的吸附与吸收任务，还要起到输送养分以及促进微生物增长的作用。由于湿地处于一个长期潮湿的环境中，因此部分植物还要抑制藻类的生长。

2.4.3 微生物

微生物在系统化学处理过程中起到了重要的作用，其具备同化、转化以及循环、排放污水内有害物质的功能。根据相关资料显示，不同基质结构和微生物群落之间有着相互影响的作用，而多层结构的处理效果最佳。

2.4.4 其他因素

根据上述内容不难看出，水力负荷对人工湿地污水处理系统的影响较大，水力的过度冲击会对系统造成一定的破坏；在标准状况下，水力停留的时间越长，则系统的处理效果也会越好。此外，温度因素对系统处理效果的影响也较大。

3 人工湿地污水处理技术的实际应用

3.1 应用技术的意义

3.1.1 调节城市气候

人工湿地污水处理技术在生活中的实际应用，能够使得区域气候得到有效调节，可以进一步促成低碳生活理念的落地。人工湿地不仅能够依靠内部的组织运作机制实现污水净化，还可以通过多种转换形式，使得系统中的水分得到有效利用，以水蒸气的形式排放于大气之中。这样区域内空气的湿度也会增加，有利于形成降雨云层，解决干旱等自然灾害问题，对气候进行进一步优化。调查研究表明，湿地水分的蒸发量是陆地的2～3倍左右，这种通过人工驯化，从而调节自然生态平衡的方式，使得区域内的气温、光合作用以及水动态等都得到有效的调节。在当前气候经济的影响下，人工湿地污水处理技术的应用，能够进一步带动地区经济的发展，实现可循环经济目标[5]。

3.1.2 提升资源利用率

我国淡水资源较为匮乏，如何实现资源可持续发展，并加强绿色生态建设，成为了较为严峻的课题。通过人工湿地污水处理技术，可以使得水资源得到有效利用，解决由于人类活动增加对气候及生态造成的破坏。当前造成我国淡水资源遭到破坏的主要原因是水体富营养化的差异性，造成了地区水系统的不良状况。如污水中含有大量的氮磷成分，而传统污水处理方式不仅对相关有害物质的处理率较低，而且投资较大。通过人工湿地污水处理技术，使得污水之中的氮与磷能够被有效分解和吸附，并将之转化成适宜系统内植物生长的微量元素，可以实现废物的再次回收利用。就当前人工湿地污水处理技术发展来看，其中的氮、磷生态工程技术已较为成熟，取得了一定的成效，这为净化水源提供了全新的途径。

3.2 应用于景区用水

当前在景区中设置人工湿地污水处理技术系统具有较强的天然性和适应性，一是景区通常开发面积较大，能够满足人工湿地建设需求；二是景区中设置的景观较多，其浇水需求量也较大，使用人工湿地处理系统能够实现资源的可持续利用，对城市公园的建设以及绿地景观用水具有降低成本的作用。最初，由于受到场地的限制，我国主要将人工湿地污水处理应用于生活污水和工业废水的处理当中，对于商用人工湿地污水处理系统的研发程度较低。进入到20世纪末期，我国许多城市景观以及景区都开始使用人工湿地污水处理技术，并广泛应用于活水公园体系之中。这种依靠人工驯化，从而实现自然效果的污水处理体系，使得景区环境得到了极大的改善。尤其是在人造园林等的设计上，在美化景区环境的同时，更能促成城市自然生态的经济效益。

3.3 处理养殖废水

我国是农业大国，农业是国家的第一产业，在农业生产的过程中会产生废水、污水，其中以畜牧业为主的废水排放尤为严重。主要是因为养殖的牲畜排泄出的废物会与冲洗水融合，这种合成形式会使污水中的污染有机物含量变高，并且高悬浮物、氮、磷等成分也高居不下，且伴随着较强的刺激性气味，对周围环境影响较大。当前，我国通过使用复合性垂直人工湿地，将畜牧废水进行了有效处理，这使得水中的氮磷高浓度含量被进一步瓦解，而养殖场中的污水也被妥善解决，降低了污水处理系统成本的投入，实现了农民经济利益的提升。据资料显示，养殖废水在经过硝化反应之后，水中的酸碱值也得到了有效平衡；将氧气引入湿地以后，循环出水可延续污染物与植物根茎的接触时长，有效提升污水处理效果。

3.4 应用于污水分类

基于我国现代化建设的飞速发展，当前人们生活中所产生的废水种类也不断增多。污水是一种较为复杂的化合物，包括生活污水、农业废水、工业废水、城市污水等，其中工业废水以及城市污水的总量呈现出不断上涨的趋势，这与人类活动的增多有着密不可分的关系。为进一步解决相关部门的污水分解压力，可通过人工湿地污水处理技术将其有效化解，其理论依据在于不同的污水类型存在不同的污染物以及排水量，元素的组成也具有较强的差异性，而人工湿地污水处理技术中的各个处理单元具有可调配性。通过加大对区域内类型污水排放的研究，可以根据污水特性在系统中投放不同的基质、植物以及微生物等，使得污水处理作业更具有科学性，并且也异于机械化作业，不存在能源消耗过量等问题，进一步降低了污水分类治理成本。

3.5 优化应用的方式

当前，虽然人工湿地污水处理技术已经有了较大的发展，但仍然存在占地面积较大、系统投入运营时间较长、易受环境波动影响、填料堵塞以及管理机制不健全等问题。为能够进一步优化应用形式，本文就当前应用问题提出以下几点建议：

（1）合理规划人工湿地土地面积，根据建设区域特点，选择合适的形态。像较为偏远的地区，可以考虑扩大人工湿地面积；而在城区人口较为密集的地区，一是要注重面积的设置，二是要注重外形的美观，以此达到美化环境的目的。（2）在建设之前要加大地区内水文地质的勘查工作，选择适合地区温度、气候生长的植物，保证系统运作的可循环能力。针对部分较为寒冷的地区可适当采取一些保温措施，从而提高植物的存活率。（3）为减少基质堵塞等情况的发生，在污水排放之前进行适度的预处理，过滤掉较大的悬浮颗粒物，从而保证基质的稳定性。（4）加强对于湿地状态的检测与维护，并制定相应的管理措施。

4 结语

综上所述，人工湿地污水处理技术的发展与创新，对于生态保护和绿色环保工作有着深远的意义。我国人工湿地污水处理技术虽然起步较晚，但在短时间内得到了快速发展，并且随着科研人员的不断深入研究，应用范围也逐步扩大。针对当前我国自然资源分布不均，部分地区生态环境脆弱等问题，应加大人工湿地污水处理技术的应用，从而推动气候经济的可持续发展。