文_丘好華 廣東誠實建設工程設計有限公司

1 人工濕地及其應用

1.1 人工濕地組成及類型

人工濕地是以基質(zhì)、植物和微生物為載體通過物理、化學和生物的協(xié)同作用來對污水進行處理而達到凈化目的的一種技術(shù)，亦是基于模擬自然濕地而人為設計和建造的自然生態(tài)系統(tǒng)，具備可監(jiān)控性和工程化特點。濕地基質(zhì)、植物和微生物作為組成人工濕地的三大基本要素，對污染物的轉(zhuǎn)化和去除具有重要作用。

1.1.1 人工濕地組成

（1）濕地基質(zhì)。根據(jù)材料特性基質(zhì)可分為三大類，一類屬于天然材料，包括礦物、巖石、海洋沉積物和土壤，如石灰石、硅酸鈣鹽礦、白云石和沸石、頁巖等，這類材料可直接使用，也可經(jīng)碾磨、熱處理等前處理來提高其吸附能力；一類為工業(yè)副產(chǎn)品，如高爐礦渣、電弧爐鋼渣和爐渣等來自鋼鐵、采礦和發(fā)電行業(yè)的廢物；還有一類為人造產(chǎn)品，主要指輕質(zhì)聚合體。基質(zhì)是人工濕地區(qū)別于自然濕地的重要特征，其在人工濕地結(jié)構(gòu)中體積占比最大。污水中磷的去除主要靠基質(zhì)的沉淀和吸附作用，而氨氮則既可通過吸附直接去除也可通過改變濕地植物的根基環(huán)境來影響氮素的轉(zhuǎn)化和去除。不同基質(zhì)對污染物的去除效果也不同，如沸石去除氨氮效果較好而礫石煤渣等對磷的去除效果明顯，因此在實際應用中往往多種基質(zhì)混合使用。

（2）濕地植物。濕地植物是人工濕地的重要組成部分，不同植物的生長速度、對污染物的吸收轉(zhuǎn)化能力和泌氧能力各不相同，因此篩選適宜的植物對提高人工濕地的穩(wěn)定和凈化能力具有重要意義。人工濕地水生植物的選擇一般依據(jù)以下原則：適宜本土生長，耐污抗寒能力強；根系發(fā)達、生長旺盛、抗蟲病能力強；有一定經(jīng)濟價值等。人工濕地中植物的去污作用體現(xiàn)在：對污水中對態(tài)營養(yǎng)物質(zhì)的直接吸收、利用；吸附和富集重金屬等有毒有害物質(zhì)；為水中微生物輸送氧氣至根區(qū)，提供多樣的生存環(huán)境，利于根區(qū)細菌群落對多種污染物的降解等。目前國內(nèi)外常用的植物有蘆葦、香蒲、燈芯草、鳳眼蓮、黑三棱和水蔥等。

（3）濕地微生物。由于大多數(shù)生物化學反應是在酶與微生物的相互作用下進行的，因此作為人工濕地的三大要素之一，微生物在人工濕地水處理系統(tǒng)中起著至關重要的作用。研究表明，人工濕地中存在大量細菌、放線菌、真菌、氨氧化細菌和亞硝化菌等，且沿著水流方向數(shù)量逐漸減少。

1.1.2 人工濕地類型

人工濕地按系統(tǒng)布水方式的不同或者水流方式差異可分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地三種。

（1）表面流人工濕地，無論從生態(tài)結(jié)構(gòu)、內(nèi)部構(gòu)造還是外觀上來看都與天然濕地比較相似。污水以表面推流的形式流經(jīng)濕地，從溢流口流出。表面流人工濕地具有運行費用低、操作簡單的優(yōu)勢，但同樣存在易受自然氣候條件影響，水利負荷低，去污能力有限的劣勢。

（2）水平潛流人工濕地，污水進入濕地后，在基質(zhì)表面以下流動，具有保溫效果好，重金屬、BOD和COD去除率高的優(yōu)勢。

（3）垂直潛流人工濕地，與水平潛流人工濕地一樣，污水在基質(zhì)表面以下流動，但流過填料的方向為垂直向上或向下。因濕地內(nèi)部水力條件的差異，垂直潛流人工濕地總氮和總磷的去除效果優(yōu)于水平潛流人工濕地。

1.2 人工濕地在污水磷氮去除中的應用

1.2.1 氮磷去除機理

（1）氮的去除

人工濕地脫氮有多種機制，包括微生物作用、植物吸收等生物作用，沉積、揮發(fā)等物理作用，以及化學吸附作用。研究發(fā)現(xiàn)，植物對氮的吸收貢獻很小，約為總氮的8%～16%，而有氧區(qū)的硝化細菌和厭氧區(qū)的反硝化細菌作用貢獻率高達80%。濕地中挺水植物對氧具有輸送、釋放和擴散的作用，氧氣被輸送至根部后經(jīng)擴散，在植物根部周圍依次形成好氧區(qū)、兼氧區(qū)和厭氧區(qū)。氨氮在好氧區(qū)經(jīng)氧化反應被氧化成硝酸鹽，而硝酸鹽則在厭氧區(qū)或兼氧區(qū)經(jīng)反硝化反應被還原成氣態(tài)氨，并最終從水中逸出。另外，不同類型濕地脫氮機理也有所不同，如沸石潛流濕地主要通過沸石對氨氮的吸附作用脫氮等。

（2）磷的去除

人工濕地磷的去除主要通過濕地基質(zhì)的物理沉積，化學沉淀與吸附，植物的吸收轉(zhuǎn)化和微生物的吸收與積累等作用，以及三者的聯(lián)合作用實現(xiàn)磷的去除。研究表明，基質(zhì)的化學吸附和沉淀作用對污水中總磷的去除貢獻率約為50%～65%，即基質(zhì)填料對磷的吸附是濕地除磷的有效機制，人工濕地對磷的去除效果主要依賴于此。

1.2.2 應用

胡世琴研究了潛流人工濕地中鳶尾、香蒲、茭白和蘆葦?shù)?種不同植被對生活污水中總氮、總磷、氨氮、生物耗氧量和化學耗氧量的去除能力及對氮磷的積累效應。結(jié)果表明：不同植被對生活污水的凈化效果存在差異，綜合比較而言，茭白和鳶尾的去除效果較好；4種植被對總磷的去除率最高，且對氨氮和化學耗氧量的去除率差異不顯著，P＞0.05；不同植被氮、磷積累量分別與生物量、植被氮含量和磷含量呈顯著的線性關系，P＜0.01，且與生物量相關性高于氮含量和磷含量，因此可通過生物量來評價植被對氮磷的去除效果。

張智超等通過構(gòu)建表面流人工濕系統(tǒng)，研究濕地地對滏陽河水種中主要污染物總氮和氨氮的去除效果，開展了為期4個月的去污效果跟蹤，運行條件為水力負荷430mm/d、水力停留時間0.5d，結(jié)果表明，表面流系統(tǒng)對總氮和氨氮的平均去除率分別為51.89%和47.00%，具有良好的凈化效果；進一步分析得出，溶解氧是影響對總氮和氨氮去除效果的關鍵因素，且對氨氮的去除影響更明顯。

2 人工濕地在污水處理中存在的不足及對策

人工濕地因其在處理污水的同時也美化了環(huán)境，是一種生態(tài)處理工程技術(shù)，自發(fā)展以來，應用廣泛。但是在實際應用中也暴露出許多問題，諸如易受氣候條件影響，基質(zhì)易飽和、堵塞，易受植物種類影響，占地面積較大及管理不完善等，下面就存在的問題作詳細介紹并提出相應解決措施。

2.1 受氣候和溫度影響明顯

人工濕地對污染物的去除能力受氣候溫度條件影響較大，主要是因為濕地系統(tǒng)中的植物和微生物對溫度比較敏感。研究表明，當水溫低于10℃時，濕地系統(tǒng)的去污效果會顯著下降，且有學者認為，溫度低于4℃時，濕地的硝化作用幾乎停止。另外，溫度和氧含量降低會導致微生物的活性下降，使得對有機物的分解能力下降。

加強濕地的保溫可以有效解決上述問題，如通過設計覆蓋層來提高濕地的溫度。根據(jù)覆蓋材料的不同，可分為植物覆蓋和地膜覆蓋等。

2.2 占地面積大

從國內(nèi)外人工濕地占地情況來看，人工濕地占地面積均較大，一般認為是傳統(tǒng)污水處理工藝的2～3倍。人工濕地占地面積大是由其去污機制的本質(zhì)決定的，例如對于水力負荷低的水平潛流人工濕地而言占地面積更大。此外，由于濕地基質(zhì)易飽和及填料和植物的納污能力有限，為了保證濕地的處理效果，需要平行濕地交替運行，這就使得實際使用時占地面積更大。

為減少占地面積，可改變濕地類型，采取組合工藝，如將占地面積大的水平流與垂直流相結(jié)合，既減少了占用面積還提高了去污效果。

2.3 基質(zhì)易堵塞

隨著污水處理過程的不斷進行，濕地中微生物繁殖增多，加之植物的腐敗和基質(zhì)吸附能力的下降（趨于飽和），若濕地運行維護不當，特別容易出現(xiàn)基質(zhì)阻塞和淤積現(xiàn)象。當出現(xiàn)堵塞時，濕地系統(tǒng)水力負荷下降，穩(wěn)定性和壽命都會降低，甚至喪失功能。

隨著研究的深入，目前常用的有效治堵措施有：選擇合適的基質(zhì)粒徑和級配，對進水預處理，選擇適宜的污染負荷和植物，合理的運行方式等。

2.4 易受各組成部分及水利負荷和運行方式的影響

濕地系統(tǒng)主要由植物、基質(zhì)和微生物組成，也通過它們各自或相互之間的協(xié)同作用發(fā)揮凈化功能。但是植物和基質(zhì)的種類較多，應合理選擇和搭配。如果植物數(shù)量、種類等選擇不當會造成對光、水和營養(yǎng)的競爭，從而影響植物自身或其周圍植物的生長，降低凈化效果。不同基質(zhì)具有不同的處理機制和處理效果，為植物和微生物提供的環(huán)境也不同，如果選擇不當，對污水處理效果影響也十分明顯。此外，水力負荷過大和污染負荷過重會縮短水力停留時間，減弱凈化效果，甚至會造成堵塞。

3 結(jié)語

人工濕地作為一種生態(tài)去污技術(shù)，有其獨特的優(yōu)勢，應用較為廣泛。但對于某些特殊領域的應用如污水處理廠的二級出水凈化，相關研究仍不夠深入，主要集中在提高去污效果上而忽略了全國范圍內(nèi)不同區(qū)域的情況特性，因此在以后的應用研究中仍需加強。