摘要:人工湿地作为一种新型的污水处理系统,具有众多的优点。分析了人工湿地的特点、组成、分类及运行机理,总结了人工湿地系统在我国污水处理中应用的发展历史及优势,结合有关工程实例,得出国内应用湿地污水处理存在的问题,最后对人工湿地污水处理系统在我国的应用及前景做了展望。
关键词:人工湿地,污水处理,水资源,景观水
1人工湿地污水处理系统概述
1.1人工湿地系统的组成
人工湿地主要由三部分组成:植物、微生物、填料。植物如芦苇、风车草等水生植物,可以直接吸收污水中的有机物作为其生长的营养物质,也可以吸附、富集一些有毒的重金属,可以将空气中的氧气输送到根区,为床体中好氧和厌氧微生物提供良好的环境。微生物在湿地对污水中污染物的生物降解过程中起到了重要的作用,有机物被生物膜吸附后通过微生物的呼吸作用去除。填料如土壤、砂子、砾石等,是微生物生长的空间和场所,是湿地水生植物的载体。
1.2人工湿地系统的分类
1.2.1表层流人工湿地表层流人工湿地在外貌和功能上都与自然湿地最为相似,废水在土壤的上层水平流动,固态悬浮物被填料及根系阻挡截留,通过湿地而沉淀,同时微生物也附着在填料或植物的根茎叶上,发挥生物降解作用。
1.2.2潜流人工湿地废水从湿地表面纵向流入填料床的底部,床体处于不饱和状态,氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统,但生物作用主要是厌氧反应。
1.2.3立式流湿地水流动情况综合了表层流式和潜流式的特点,但其建造要求高,易滋长蚊蝇,尚不多见。
1.3人工湿地污水处理系统的特点
湿地系统的投资和运行费用平均仅为传统二级污水厂的1/10～1/2，费用低。基本上都能达到规定的污水排放标准。
据现有资料分析， 湿地处理系统不仅可处理以耗氧有机物和氮、磷等营养物质为主的生活污水，尤其是对重金属和酸性的有机及无机矿物质污染有良好的去除效果。且对负荷变化的适应能力强，能全年运转，管理维护方便，但北方地区冬季易结冰。
2 我国人工湿地污水处理系统现状
2.1 应用现状
近年来， 我国在人工湿地的技术开发方面取得了一定的进展。1988～1990 年，在北京昌平进行了表层流人工湿地处理系统的研究， 处理量为500t/d 的生活污水和工业废水，占地2hm2，水力负荷为4.7cm/d，COD 去除效率为81.2%， BOD 去除效率为85.8%。1990 年7月，国家环保局华南科学研究所在深圳市郊设计、建成了白泥坑人工湿地污水处理试验工程， 整个系统采用潜流式植物碎石体和兼性稳定塘相组合的设计，COD去除效率为71%， BOD 去除效率为90%。深圳市河流综合治理重点工程之一的沙田人工湿地污水处理厂，于2000 年12 月开始建设，2001 年7 月建成投产，处理规模为5000m3/d， 占地2 万m2，COD 去除效率76%，BOD 去除效率78%。目前，山东省也在积极开展人工湿地系统的设计、规划工作。
人工湿地除处理生活污水外， 还广泛应用于处理农业面源污染、垃圾场渗滤液、富营养化水体、采油废水、采矿废水等。随着研究的逐渐深入，人工湿地还被用于改善饮用水源的水质， 如利用人工湿地改善北京官厅水库水质，出水基本满足地面水Ⅲ类标准。
2.2 人工湿地处理污水在国内的优势
2.2.1 面源污染的控制
长期以来， 村镇与社区的污水处理没有受到应有的重视。据统计，95%以上的生活污水及粪便废水被直接排入地下或江河湖泊，加重了水污染控制的难度。因此， 可将适当负荷的人工湿地污水处理系统应用于面源污染控制。
2.2.2 城市污水处理的经济型模式
目前， 国内外普遍采用二级生化处理工艺来集中处理量大面广的生活污水， 往往需要庞大的充氧曝气设施， 大规模的收集管网， 较高的运行费用和管理水平。同时，去除氮、磷污染物的能力较差，易造成受纳水体的富营养化。应用人工湿地进行小型分散化的污水就地处理模式，不需要大量的污水收集管网，而且其建造费用可由开发商、居民和政府共同承担，在某种意义上缓解了水污染日益增多与政府资金短缺之间的矛盾。
2.2.3 饮用水源和景观用水的保护
人工湿地系统较能充分地利用自然中的湿地植物以及基质的自然净化能力， 并在污水净化工程中促进植物的生长， 增加绿化面积， 并为野生动物提供栖息地，有利于生态环境的建设。利用人工湿地处理系统处理城市公园、绿地景观水的同时， 也美化了环境， 为市民、游人创造了良好的生态环境，取得了显著的社会、环境和经济效益。
2.2.4 人工湿地的资源化利用
人工湿地处理分散型生活污水的一个重要优势，便是经过人工湿地系统处理净化的污水可做中水回用，以解决目前普遍面临的水资源危机。在农村地区，可以利用净化后的污水用于当地农业灌溉、水产养殖等； 在城镇社区， 生活污水集中于人工湿地系统处理后，可直接用于社区的花木浇灌等，兼具了绿化和美化小区环境的作用。
2.2.5 其他
此外， 在人工湿地系统推广种植用于生产生物质能源的植物，具有很大的经济潜力。目前，多数能源植物的研究尚处于实验和示范阶段， 而我国在能源植物作为湿地植物种植方面所开展的工作几乎空白。
2.3 国内应用湿地污水处理存在的问题
2.3.1 工艺存在的问题
我国在人工湿地系统应用中普遍存在的问题有：
①淤积阻塞。造成这种情况的原因，往往是污水没有经过预处理直接排入湿地，或是在人工湿地运行的初期，植物根系不发达导致去除悬浮物能力较差， 有些情况下， 甚至是由于进水水力负荷太大或是洪水暴雨对人工湿地床体的冲击而造成堵塞。
②坡降变化。由于水流的不断流动、冲刷， 造成处理单元的坡降发生改变， 致使配水不均，增加了单位面积处理单元的水力负荷，同时也使得有机负荷的区域分配不均，降低了处理效果。
③水生动植物对处理系统的影响。
④对周围土壤有渗透的影响。
2.3.2 土地资源可利用性的制约
一般来说，人工湿地处理负荷较低，因此占地面积较大。以深圳沙田污水厂为例，处理1m3 污水需要湿地的面积为1.88m2 如果考虑前期处理，总用地为4m2/m3。如果以每人每天平均用水300L 计算，则平均处理一个人每天所产生的污水便需要1.2m2 的面积。由深圳白泥坑人工湿地污水处理试验工程可知， 处理1m3 污水需要湿地的面积为2.7m2 左右， 相较于传统生化二级处理，单位污水处理用地明显较大，特别是我国大部分地区土地资源都较为紧张的情况下， 人工湿地污水处理系统的应用更受影响。
2.3.3 气候条件的制约
我国南方地区洪水及雨季对人工湿地的运行影响很大， 往往改变了实地处理单元中的坡降甚至淹没湿地，严重影响了系统。而在北方地区，气温则是影响构建湿地运行的最重要因素， 系统的处理效率最低或者甚至为零。
2.3.4 缺乏相关的数据和统一规范
由于我国人工湿地污水处理技术起步较晚， 且目前投入运行试验的人工湿地污水处理系统较少， 所以关于人工湿地的设计、建造、运行、维护等过程的相关数据和资料，目前还没有系统的统计和整理，长期运行系统的数据也缺乏可靠积累。
3 展望
人工湿地是一种很有发展前景的污水处理系统，今后应该从以下几个方面寻求新的突破。
3.1 建立人工湿地数据库
由于各地的气候条件, 湿地规模， 负荷率， 几何布置，植物种类构成，及废水的类型构成等变化很大， 因而对人工湿地很难有统一的设计和运行参数。因此，建立必要的数据库，有助于湿地系统的设计和管理维护。
3.2 进一步探索人工湿地机理
由于其所涉及机理的复杂性和领域的广泛性， 虽然有些机理研究已经得到初步的认可， 但是仍有许多问题需要进一步研究。比如，目前仍未完整地建立起各种污染物的去除反应动力学模型， 现有的模型基本为一些经验模型而无法得到广泛的应用。
3.3 改良人工湿地技术
目前， 世界各国都投入了大量精力以改良人工湿地技术，将一些传统污水处理技术引入人工湿地。除了对现有的人工湿地系统进行研究以改良和优化工程设计参数外， 对系统的长期运行能力和管理问题也正在得到深入研究。例如，选择适当的操作方式,以防止填料的堵塞;选择新型的填料,以确保长期的除磷效果;选择新型的水生植物,以提高湿地系统的综合效益等。。
3.4 加强湿地植物生物质能的利用研究
湿地植物具有很大的生物质能价值， 开发合适的经济的生物质能的利用技术，最大化人工湿地系统资源利用，在发挥其生态效益的同时，可增加一定的经济效益。（山东省水利勘测设计院）
