人工湿地污水处理系统应用研究

代永锋

山东浩宇检测认证有限公司

湿地是由各种不同类型的生物组成的，是一个完整的生态系统。湿地是一种以生物为主体的生态系统，对其物质、能量和物种迁移起着重要作用。湿地是一种重要的天然生产力。人们长期对湿地进行的探索与构建工作中，对潮滩、沼泽地等湿地进行了大量的研究，积累了大量的经验。

一、人工湿地的意义和作用

湿地系统是生态环境实现自身物质循环的生态系统，构建一个功能完备的人工湿地系统，可以为生态环境保护提供帮助。人工湿地系统由土壤、动植物、人工干预、微生物等构成，利用物理、化学、生物三种学科的综合作用，对污水和污泥展开高效处理的一种人工建立系统。人工湿地系统是一个综合性较强的系统，它的工作原理是以生态系统中的湿地系统工作原理为基础，利用物种之间的共生关系，提高物质循环再生效率。人工湿地系统的组成结构和功能相互协调，促进污水处理工作的物质良性循环，提高资源利用率，降低环境污染。人工湿地的构建和使用具有缓冲容量大，工艺简单，投资较低等特点，因此，它适用于小城市和乡镇。该技术拓展了人工湿地技术在城市生活用水中的应用，为构建具有中国特点的城市生活用水体系提供了一种新的思路。

（一）湿地基质的过滤吸附作用

在污水进入人工湿地污水处理系统时，污水中的固态污染物与基质颗粒会发生相互作用，这些固态污染物被人工湿地污水处理系统中的基质颗粒所拦截，从而实现固态污染物的处理。长期处于水侵的湿地，其土壤中会逐渐形成一种对污染物吸附和对悬浮粒子的截留的土壤胶体。湿地基质的过滤吸附作用，利用的是湿地物理过滤和水质吸附功能，对流入系统中的污染物进行吸附拦截，防止其流入别处。污染物质在池子里缓慢沉淀，最后变成污泥。人工湿地污水处理系统的管理者要对污泥进行定期的清理，以保证湿地基质对污泥的过滤吸附，保证污水处理的有效性。

（二）湿地植物的作用

在人工湿地的污水处理系统中，湿地植物实现污水处理的方法如下：首先，全部的植物都会进行光合作用，产生有机物，然后将周围的物质转化为有机物。植物通过光合作用，也就是吸收。在进行同化过程中，植物的根部会从土壤中吸收一些微量的元素，而这些微量元素就是被污染的水中的氮磷。同时，同化作用也可以将重金属元素吸附到植物体内，从而实现水质除污。植物的根系和叶茎具有较强的吸附能力，尤其是根系的吸附能力是最强的。由于植物类型的差异，其根系发育的差异，使得其对污染物的截留作用也存在差异。人工湿地污水处理系统的植物根系在水中密布，相互交织，可以起到拦截固体污染物的作用，而沉水类植物的作用是最强的。另外，植被具有较大的比表面积，有利于微生物在其表面吸附和生长。根系是植物生长、繁殖的重要场所。研究发现，在植被根系中，土壤中的微生物远远多于非根际，且对水体中的污染物具有显著的降解功能。同时，植被也可以向水中运输氧，提高水中的生物活性。因此，湿地植被对水体的污染和对水中有害物质的分解也具有一定的促进作用。因为不同地区的植物种植生长情况有差异，所以在人工湿地污水处理系统中，对于植物的污水处理作用，还需要提高植物的成活率，随着植物种类的不断丰富，可以在很大程度上提高人工湿地污水处理系统的污水处理效率。加强对湿地植物的管理，并对其在不同环境中的生长状况进行调查，从而提高湿地植物污水处理工作的质量。

（三）微生物的消解作用

在人工湿地中，只有一小部分的微生物对水环境产生了影响，而大多数的微生物则是对水环境中的污染物起到了主要的作用。好氧微生物利用自己的呼吸，将污水中的大部分有机物分解为二氧化碳和水，厌氧菌将有机物分解为二氧化碳和甲烷，硝化菌硝化铵盐，反硝化菌将硝酸盐氮还原为氮等一系列功能，在此过程中，污水中的主要有机污染物能够被降解并被吸收，从而变成微生物细胞的一部分，剩下的则变成对环境无害的无机物质，最终回到自然之中。同时，也有部分原生生物与后生生物共存。部分沼泽中的生物还能通过摄取沉降到沼泽中的有机颗粒物，并将其转化为养分，进而实现对沼泽中颗粒物的清除[3]。人工湿地在污水处理系统中对微生物的消解作用的应用技术包括了微生物分子生态学技术，该技术的研究领域也是非常广泛的。利用生物技术对人工湿地中的污水治理体系进行了开发，其应用前景也是非常广阔的。

（四）河道走廊湿地

河道走廊湿地是通过工程技术手段在河道内修筑适宜水生植物生长的水下地形，并在河道内设置滞留塘、人工水草、人工物质迁移系统及生态净化床等，达到水质净化及生态修复的目的。滞留塘中密植的沉水植物、人工水草、人工物质迁移系统及生态净化床可为水中微生物的生长、繁殖提供巨大的空间，使微生物群落的生物量和生物多样性最大化发展，从而实现对污染物的高效净化。

二、人工湿地污水处理系统的工作原理

（一）湿地生态系统的构成要素

在人工湿地系统中，通过各种物理化学手段，如吸附，过滤，离子交换等，去除污水中的有害物质。在人工湿地中，植物占据着很大的比重，是对污水进行处理的重要环节。第一，植物能直接从水体中吸取养分，并能吸附某些重金属等有害物质。其次，它们能为根中的有氧菌供给氧；三是增强了介质的透水性。湿地中的微生物主要负责对水中的有毒物质进行降解，而根区中的微生物主要有好氧、兼氧和厌氧三种，其中放线菌、硫酸菌、硝化菌等是最具代表性的微生物，对有机质的分解和去除起到了重要的作用。

（二）采用人工湿地技术

人工湿地的工艺形式主要可以划分成两种：一种是地表流工艺，即污水在湿地的表层流动，水位通常在20 cm 到60 cm之间，这种工艺形式的投资比较低，负载也比较小，但它也存在着诸多的缺点，比如冬天在寒冷的地方，污水会结冰，夏天会繁殖蚊子、苍蝇等，还会产生一股恶臭。另一种是地下潜流工艺，即污水在湿地的地表下流经，该工艺形式受气候的影响不大，但其投资比较高，负载也比较大。经过湿地净化后的水质，因为污水的水质以及污水在湿地中的滞留时间的不同，而存在着一定的差别。因此，系统可以根据出水水质的需要，对处理工艺进行选择，对净化时间进行控制，并对湿地面积进行设计。

（三）研究了人工湿地对水体水质的影响

人工湿地是以基质、植物和微生物为主体的一种生态系统，对污水进行深度处理的一种方法。氮素去除：氮素去除过程中，基质、植物、微生物起着重要作用。污水中的氮可以分成两类，一类是有机氮，另一类是无机氮，微生物可以利用硝化和反硝化将有机氮除去，另一类是介质的吸附、过滤以及植物的吸收、吸附，也可以将水体中的无机氮除去。除磷：在人工湿地中，通过化学沉淀、藻类物质的吸收，以及磷细菌的分解，可将污水中的磷清除掉。当污水流经人工湿地的时候，水中的有机磷会被磷细菌对其进行分解转化，而无机磷会被藻类物质所吸收，更多的是会与介质中的铁、铝、钙的氧化物发生反应，从而生成磷酸铁、磷酸铝、磷酸钙这些难以溶解的物质，最终通过沉淀将其去除。

三、提高人工湿地运行效果的有效措施

图1 河道走廊型湿地工艺原理图

人工湿地拥有多种多样的处理原理，其中包含了很多层次，比如微生物、植物、土壤等，它们都会被运用到人工湿地污水处理技术的原理中。目前，对于人工湿地处理技术原理，人们大多已有了一定的认识，但仍有一些问题，比如，金属污染物的消除原理，希望可以得到更多的探讨。因此，要想进一步提高人工湿地的污水处理技术，就必须要改善人工湿地的运行效率。

（一）提高净化效果

人工湿地系统是基于天然湿地净化原理而产生的，其净化速度较低，水力停留时间较长，占用面积较大。因此，提高净化效果，降低成本，减少耕地是当前的主要研究方向。首先，对底泥的选择进行最优。不同底泥的脱污性能有一定差别，底泥的组合对污水的脱污性能也有一定的影响。例如，以去除有机物为主要目标的湿地系统，应选择一些比表面积大、表面粗糙、不易降解的基质，如轻质陶粒等，来增加系统中的异养型微生物的数量和浓度，从而对有机物的去除进行强化；对于以除磷为主的湿地，应选用具有良好吸磷性和易于再生的物质，例如：硅藻土，加强对磷素的吸附；针对以脱氮为主的沼泽湿地，在构建低氧微环境时，需充分利用土壤中的有机质，如农林废弃物、矿物废弃物等。其次，通过对植物群体内部及群体之间的配置关系的分析，探讨了人工湿地系统中各物种之间的配置关系，以达到改善人工湿地系统的水质效果。

（二）基质再生

通过对基体在达到饱和状态后，对其进行快速的再生，实现对其净化效果的有效修复，达到提高系统寿命、降低运行费用的目的。在前期工作基础上，对“落水-停水”的启动时间及间隔进行深入的分析，以揭示“落水-停水”模式对底泥生物脱磷效果的影响机制，为实现底泥生物脱磷提供理论依据。该方法通过改变基质类型、再生药剂组成及浓度，以及环境条件（如温度、pH 等）等因素，实现对基质的化学再生。在此基础上，探索出适合于不同类型基体的最优组分及用量，以增强基体化学再生的可行性。当底物吸附达到一定程度后，可以添加蔗糖、厌氧塘水、酿酒污水等的再生剂，使底物达到一定程度后，即可实现对底物的重新利用，从而减少对底物的破坏，减少底物置换的费用，并使脱附后的底物被回收利用。

生物修复本质上是基质-植物-微生物三者之间的协同作用，可利用功能微生物、曝气、碳源等强化手段来增强其协同效果，进而提升系统的净化效能。通过对底泥中的离子交换与生物转化的调控，对底泥中的离子浓度与交换速率、碳源与溶解氧、微生物群落组成等因素进行调控，以提高底泥中的生物再生效率与效果。在各种处理方式中，添加硝化泥的生化处理方式对底泥的脱硝和再生作用最为显著。

四、发展趋势

在发达国家和发展中国家，采用人工湿地技术对城市生活污水进行治理已成为一项十分重要的技术。近几年来，已有不少学者对利用人工湿地对工业和农业污水进行了处理。人工湿地对工业污水、难降解有机污水等具有独特的净化机制，其对工业污水、难降解有机污水等具有较好的处理效果，近年来，通过对人工湿地的改造或与其他技术相结合，实现了对工业污水和农业面源污染的有效控制，并取得了一定的效果，但目前对其非点源污染的研究较少。当前，利用人工湿地治理工业污水的研究，多集中在对淀粉、制糖、乳制品、炼油、造纸和油田开采等工业污水和矿山酸性污水的处理上。重金属离子、生化需氧量、化学需氧量以及致病菌和石油类污染物是其特征性污染物。针对污水处理开展如下工作：首先以污水中的典型污染物为指示因子，探索人工湿地的构建方法和工程参数，推导出系统的设计公式。然后考察低浓度、高盐度、毒性和难降解有机物对人工湿地的氧气分布和微生物栖息地的影响。此外根据各区域的水质特点，选择具有较强抗性和较好净化能力的工程植物；最后构建基于不同区域、不同气候条件和不同特征的工业污水利用情况的数据库，推动人工湿地技术在工业污水处理中的应用。

结束语

综上所述，从污水处理的角度来说，人工湿地不仅经济价值高，处理成本低，处理效果好，而且在构建生态城市方面也有很大的作用。但是，对于人工湿地处理污水的技术，我国的研究和应用还不是很成熟。因此，要想将该技术进行应用和推广，就必须要将其与国内各个区域的实际情况相结合，并且要做好调查工作，获得各个区域的具体数据，然后选择适当的方法来进行推广和应用，从而开拓出一条既经济又高效的污水处理途径。