人工湿地对城市生态环境的改善

时间：2024-05-18

刘照晴

(上谷环境科技有限公司，上海 200030)

1 引言

众所周知，湿地作为“地球之肾”与森林、海洋并称为地球三大生态系统，而人工湿地则被堪称为“城市之肾”[1]。在国家经济快速发展和人口规模急剧扩大的双重压力下，大量湿地被转换为农田或不动产开发及产业开发，这也导致湿地面积不断缩小，生态系统受到残酷威胁。本文通过借鉴前人研究基础和工程实例，探讨城市居民与人工湿地生态环境的和谐共存。

2 人工湿地生态系统

2.1 人工湿地定义及其净化机理

人工湿地是人为设计施工的生态设施。由土壤基质、水生植物和微生物组成，能达到污水脱氮除磷、去除病原微生物的目的与生态景观兼顾的功能。

人工湿地系统从启动到成熟一般需要1～2年时间，待人工湿地系统成熟时，基质表面和植物根系都覆盖着生物膜，增加了好氧生物反应活性。当污水经过生物膜时，悬浮颗粒物被填料截留过滤，有机污染物被生物膜和水生植物的耦合作用去除[2]。附着在植物和填料上的污染物则最终因替换填料或收割植物而被去除。

2.2 人工湿地类型和特点

人工湿地有2种类型，即表面流湿地和潜流型湿地。按照水体流动的不同方向，潜流型湿地还可分为水平潜流湿地和垂直潜流湿地[3]。

表面流人工湿地：与天然湿地形态较为相像，水体在基质层上方流动，出水经溢流堰流出。造价成本低，处理效能一般。

水平潜流人工湿地：水体经过上下两层基质沿水平方向缓慢流出，上层覆盖土壤和种植水生植物，下层铺设便于水流通过的填料。耐寒性比表面流湿地更好，拥有去除BOD、COD等有机物和重金属的处理效能。

垂直潜流人工湿地：水体呈垂直方向上行或向下行流动，由湿地底部出水[4]。造价比表面流湿地要高，对氨氮含量高的污水具有明显的处理效能。

3 人工湿地对城市生态环境的改善

3.1 处理污水，改善城市水体质量

自2016年7月1日起国家环境保护局规定我国新建城镇污水处理厂出水必须执行GB18918一级A标准[5]。虽然处理标准提高，污水经过生物处理进行脱氮除磷，但排放的尾水氮磷营养盐浓度仍远远高于藻类植物爆发的水平，这不仅会造成河流、湖泊等水体的富营养化问题，也是城市水资源和氮磷营养盐资源的浪费。

湿地内的水体流速缓慢，有利于污染物的自然沉淀。污水以推流的方式进入人工湿地，在物理过滤、生物吸收、化学合成和消解的共同作用下，将污染物大幅去除，使水质进一步得到改善，大大提高城市污水处理效率[6]。日本国立环境研究所孔海南等研究表明，没有设计人工湿地技术的水域，夏季蓝藻细胞滋生很快，相当于有设计人工湿地的10倍左右。在人工湿地占有率只有25%的条件下，消减了94%的植物性浮游生物[7]。夏季COD去除率也比较明显，大约为50%，人工湿地技术对改善水体质量效果显著。

3.2 调节水量、蓄洪排涝

人工湿地因其特殊的水文地质特性具有强大的蓄水能力，是蓄水防洪的天然“海绵”。在暴雨和河流涨水来临时，将降水储存起来，补充到地下水或分流到低洼处的河道，降低洪水带来的危害，保护人身安全，降低社会经济活动损失。当城市缺水时，再由地下将人工湿地储存起来的水量释放出去解决居民生活用水、工业生产用水，为城市间接提供了重要的淡水资源。

3.3 保护生物多样性

20世纪60年代美国科学家Carson出版的《寂静的春天》轰动了整个社会，由国家经济发展产生的污染危害将让整个城市再也听不到鸟鸣，成人和孩童也出现了死亡的现象。这反应出动物与人类必须和谐共存，保护生物多样性也是保护人类自身。

湿地是水体与土地交互过渡的产物，具有多元化的生态环境特征，能为动植物及微生物创造丰富的生活环境。在人类群居生活的城市，人工湿地能够为许多珍稀危生物，特别是濒危珍稀水禽提供所需要的迁徙、越冬、繁衍的场所，这些水禽动物的到来也将增加城市生物群落，改善生态环境。

人工湿地中的消费者鱼类以虾类、贝类等无脊椎动物作为主要的食物来源，而虾类、贝类也是沉水植物、昆虫类和其他微生物的天敌物种。在人工湿地中的生物食物链若是发生了变化，会影响整个生态系统转变。

3.4 调控城市气候

城市生产每天会向空气中排放出大量的污染物，其中SO2、NO2、CO的无节制排放都会使城市温度升高，空气混浊，严重会导致人体不可逆转的疾病甚至死亡。英国烟雾事件、日本的四日市哮喘事件都是20世纪典型的环境危害。

人工湿地可有效吸收空气中的污染物，通过水分蒸发和升腾作用降低城市气温，提高空气相对湿度，改善城市温室效应。

3.5 提供科普教育场所

从生态学出发，经过人工设计组成的湿地被模拟复刻成一套完整的生态系统，这对学者和科研人员研究有机体和环境关系提供了直观清晰的窗口。作为城市绿色场所，人工湿地不仅满足了日益增长的市民户外游憩的需求，同时能够通过野外观摩的方式，提高公众的环保意识，发挥环境和社会双重效益。

4 人工湿地经济分析

作为一种资源型循环经济技术，人工湿地的基建投资费用是常规污水生物处理法的1/4～1/3，运行费用则低至1/6～1/5。维护管理通常也只需要人力定期收割芦苇等植物，做好防堵塞措施，技术难度低，是目前世界上最成功的污水处理系统之一。

然而为了保护湿地物种多样性，国内的人工湿地往往多建在远离城市居民生活的郊区，造成湿地维护的不便利性，这是目前国内人工湿地发展中一个重要误区，过度依赖湿地的自净能力。同时，以生态旅游为定位设计的人工湿地随着季节和气候的变化影响着游客的容量，这种影响容易干扰原有的生态平衡，极不利于湿地景观的可持续发展。

第五代下沉式再生水厂箱体处理设施大多位于地下，如果将人工湿地设计在下沉式再生水厂的上部，这一不占用土地资源，且污染埋于地下的新型污水处理模式对于土地资源紧缺的我国城市而言前景十分广阔。从社会角度来衡量与下沉式再生水厂相结合设计的人工湿地，这种低影响开发技术不仅能够提升污水厂出水水质，消减城市河道污染负荷压力，也能使城市生态系统日趋完善，这对于保护水环境、提高城市人居环境质量和建设资源循环型社会具有十分重要的意义。

通过科学设计的人工湿地具有环境友好、土地集约、增加城市绿色空间、以及改善投资环境的经济价值，进一步加快市政公用设施资源化循环利用的步伐，也为城市的经济辐射起到带动作用。