人工湿地研究进展综述

时间：2024-05-19

李忠民

(吉林大学环境与资源学院，吉林长春 130012)

1 引言

随着经济社会的发展、全球人口急剧膨胀及人们生活水平的进一步提高，人均需水量和总需水量均大幅增加，淡水资源的缺乏严重影响到了人类的生存和发展，改善水质和水生生态系统的恢复是当前极为紧迫的任务。据报道，2010年我国废污水排放总量达750亿t，河流水质不达标率近40%，其中丧失利用价值的劣Ⅴ类水占20%。“三河三湖”(黄河、淮河、辽河、太湖、巢湖、滇池)严重污染问题迟迟的不到有效解决。截止2010年底，我国26个国控重点湖泊(水库)中，水质为Ⅴ类的有6个，占23.1%，劣Ⅴ类的10个，占38.5%［1］。反映了我国污水处理能力依然严重不足。常规的污水生物处理技术能有效地去除有机物，但对氮磷的去除效率不高;化学方法能去除氮磷，但成本高而且容易造成二次污染。人工湿地具有成本低、运转维护方便、运行费用低、氮磷去除能力强、对负荷变化适应性强，以及兼具美学价值等优点［2］，因而受到了越来越多地关注。目前，人工湿地已在发达国家得到广泛的应用，主要用于处理来自化粪池、养殖场、造纸厂、油田、煤矿、富营养化湖泊及城市生活污水等。

湿地是陆生生态系统和水生生态系统之间的过渡性地带，一般包括河流、湖泊、水库、沼泽、滩涂、低潮时的浅海区等。国际湿地公约中对湿地的定义为:“湿地系指不论其为天然或人工、长久或暂时之沼泽地、泥炭地或水域地带，带有或静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水水体者，包括低潮时水深不超过6m的区域”［3］。湿地被称为“地球之肾”，具有强大的生态净化作用，是人类最重要的生存环境之一。

2 人工湿地的概念与组成

人工湿地(constructed wetland)是20世纪70年代发展起来的一种废水处理技术［4］，是人工设计建造的由填料(石、砂、土壤、煤渣等)、植物(沉水植物、浮水植物和挺水植物)和微生物组成的可控制、工程化的污水处理生态系统。

人工湿地主要是由预处理系统、配水系统和湿地处理系统组成。其中，预处理系统主要由沉淀池等组成，去除污水中粒径较大的颗粒物，以减轻湿地处理系统的负荷。配水系统主要由进水、排水管网组成。人工湿地处理系统是人工湿地的核心部分，用于去除污水中的各种污染物，净化污水。

基质是人工湿地中不可缺少的组成部分，大部分物理、化学和生物反应等都在基质中进行。基质不但支持湿地植物的生长、为生物膜提供附着体，还可以通过阻力截留过程直接去除污染物。多种材料包括土壤、砂子、矿物、有机物料及工业副产品如炉渣、钢渣和粉煤灰等都可作为人工湿地的基质［6］。

3 人工湿地的类型

3.1 自由水面人工湿地

自由水面人工湿地与天然湿地相似，污水在基质表面漫流，依靠浸没在水面下的植物茎秆表面的生物膜来去除污染物。这种湿地不需要考虑基质种类和结构，因而投资少、运行费用较低，缺点是不能充分利用植物根茎来去除污染物，去污效率低。另外，自由水面人工湿地的保温性能差，冬天容易结冰，夏天又容易滋生蝇蚊，散发恶臭，影响卫生状况。

3.2 潜流式人工湿地

潜流式人工湿地中，污水在基质表面下的空隙中流动，不但可以通过植物根系和填料来截留污水中的悬浮颗粒物，还可以通过植物根系直接吸收污染物。此外，由于污水在基质表面下流动，所以保温性能好，受气候的影响较小，且卫生状况好。缺点是这种模式的投资较高，且容易发生堵塞。

3.3 垂直水流型人工湿地

垂直水流型人工湿地结合了自由水面人工湿地和潜流式人工湿地的特点，污水在填料床层间做竖向运动，延长了污水在填料中的停留时间，去污能力更强。缺点是这种模式对配水系统的要求更高、投资高［5］，因而应用较少。

4 人工湿地植物的选择

4.1 湿地植物的作用

湿地植物是人工湿地中的重要组成部分，其种类选择和数量决定了人工湿地的功能发挥，同时也影响着污水处理效率和景观效应。对于植物吸收污染物的作用，有两种不同的说法，有些学者认为植物的吸收具有高效的去污能力，靖元孝等［7］研究了潜流型海桑人工湿地、桐花树人工湿地和木榄人工湿地对污水的净化效果。结果表明，3种红树植物人工湿地对BOD5、CODCr、TP、TN、－N和－N的平均去除效率分别达到了83%、74%、41%、50%和84%以上。但也有学者认为植物的主要作用并不在吸收污染物方面，李林峰等［8］研究发现，湿地植物吸收的TN和TP中有相当一部分是存储在地下部，通过刈割而被去除的TN和TP只占人工湿地TN和TP去除量的0.3% ～14.1%和 0.8% ～19.6% ，认为湿地植物的直接吸收在人工湿地系统氮、磷去除中不占重要地位，而在其生态效应的发挥。

4.2 湿地植物的选择原则

4.2.1 生长适地性

植物的生长受到气候、地形、水文等条件的限制，因此，应当选择能够在当地正常生长的植物，优先考虑当地的物种。某些外来物种可能具有高效的去污能力，但须慎重选择，以免发生生物入侵。

4.2.2 耐污能力强

不同植物的耐污能力不同，选择湿地植物时，应当优先选择耐污能力强的植物，使得植物在污染物浓度较高时仍能正常生存，并能有效地净化吸收污水中的有害物质。例如，凤眼莲、满江红、水浮莲对鳖池中的亚硝态氮、氨态氮、硝态氮的去除率分别达到了57.5% 、74.3% 和 66.5% ，具有较好的去污效果［9］。

4.2.3 多种植物配合

人工湿地是一种人工构建的生态系统，而生物多样性是维持生态系统稳定的必要条件之一，将多种合适的植物组合种植在人工湿地中，可以维持系统的高效去污能力。

4.2.4 与基质和湿地类型相适应

基质为植物和微生物提供了生长空间，同时为氧的传递提供了必需条件［10］。基质的 pH值、含盐量、孔隙度等影响湿地植物的生长，湿地植物应当与基质相适应。湿地类型也决定了某种植物能否用于该湿地。例如，适合北方人工潜流湿地的植物为芦苇、茭白、香蒲、水烛、藨草，适合表流湿地的植物是水葫芦、大薸、菱角［11］。

4.2.5 美学价值

选择湿地植物时，还应考虑湿地植物的景观效果，湿地植物是营造湿地景观的自然材料，在湿地中将沉水植物、浮水植物、挺水植物合理搭配，并在岸边种植树木，构建园林景观。

5 人工湿地的去污机理

5.1 基本去污机制

人工湿地作为一种高生产力的新型污水处理系统，通过湿地中基质、植物和微生物相互关联，物理、化学、生物学工程协同作用净化污水［12］。成熟的人工湿地中，微生物大量繁殖，在填料表面形成生物膜，植物根系广泛分布，通过吸附、过滤、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解等过程来达到水质净化的目的。

5.2 对各种污染物的去除机制

5.2.1 氮的去除机理

人工湿地具有氮去除效果好、耐冲击负荷能力强、投资低和生态环境友好等优点。一般情况下，人工湿地的脱氮途径主要有3种:植物和其他生物的吸收作用、微生物的氨化、硝化和反硝化作用以及氨气的挥发作用［13］。其中，硝化/反硝化是最主要的氮去除机理，占湿地氮去除总量的60% ～86%［14］，其次是通过植物吸收和积淀物的积累去除，污水的pH值较低时，氨气的挥发作用可以忽略。决定人工湿地脱氮效率的因素有植物的耐污能力、溶解氧含量、污染物负荷及水力停留时间等，见表1。［14］

表1 湿地中的氮去除机理

(1)微生物的除氮机理。人工湿地中的氮有两种存在形式，即无机氮和有机氮，无机氮主要有氨态氮、硝态氮和亚硝态氮。微生物的脱氮作用主要包括氨化、亚硝化、硝化和反硝化等阶段，需要氨化细菌、硝化细菌和反硝化细菌的共同作用。硝化作用在有氧状态下进行，而反硝化作用在厌氧状态下进行。由于人工湿地中污水表面的复氧作用和植物向根系的输氧作用，在污水中形成了无数有氧—缺氧—厌氧的微环境，使得硝化菌和反硝化菌在人工湿地中同时作用，因而具有高效的处理能力。反应机理见表2。

表2 湿地微生物脱氮反应机理

(2)植物除氮机理。无机氮是植物正常生长所必需的营养物质，污水中的无机氮可直接被植物吸收，最终通过收割而从湿地中去除。另一方面，植物庞大的根系为微生物提供了生存的附着体，并提供微生物所需的碳源［13］。

(3)氨气的挥发。微生物的脱氮作用主要发生在人工湿地中的氧化还原层、植物根系与土壤的界面层以及挺水植物的地下部分［13］。氨气的挥发受污水pH值的影响大，一般情况下，通过氨气挥发而除去的氮的量很小，可忽略。

5.2.2 磷的去除机理

污水中的磷主要来源于生活污水、农田排水、工业废水，主要形态有活性磷(正磷酸盐)、非活性磷(聚磷酸盐和有机磷等)，非活性磷有可溶性和颗粒性两种存在形态。磷的去除主要通过植物吸收、土壤和填料吸附及微生物固定和沉降实现［15］，其存在形式和去除机理见图1。

图1 人工湿地中磷的存在形式和去除机理

5.2.3 有机物的去除机理

污水有机物的去除是由于植物的吸收利用、基质的吸附及微生物的氧化利用综合作用的结果［16］。其中，微生物的氧化利用占主导作用，包括好养呼吸、无氧呼吸和发酵，其反应方程式见表3。

(1)植物除磷机制。植物根系可以直接吸收一部分磷，通过刈割而除去。另外，植物向根系输送氧气，支持微生物的生存，间接除去了污水中的磷。

(2)吸附沉淀除磷。化学作用(吸附和沉淀)是人工湿地的主要除磷机制。

(3)微生物脱磷机制。微生物以聚磷的形式在细胞中存贮磷，其含量可以超过生长所需。其主要反应过程如下:

表3 湿地微生物分解有机物机理

其中，以好氧降解为主［15］，因此，污水中的溶解氧含量是影响去污效果的主要因素。

污水中有机物的成分决定了哪些种属的细菌占优势，主要有动胶杆菌属、假单胞菌属(含糖、烃类污水)、产碱杆菌属(蛋白质含量高的污水)、黄杆菌属及大肠杆菌属等。

6 存在的问题及展望

人工湿地的堵塞是其应用的最大障碍，堵塞是由沉降和被过滤的固体颗粒在微生物作用下累积而成［17］。潜流式人工湿地最容易发生堵塞。堵塞的主要原因是污水中的悬浮颗粒物在填料层不断沉积而使孔隙逐渐减小，同时，微生物的代谢产物也不断蓄积。人工湿地发生堵塞后，其去污能力大大降低。湿地填料粒径、污水的有机物负荷、悬浮颗粒物粒径大小等是影响堵塞的主要因素。

作为一种新兴的污水处理技术，其对我国城市污水处理和新农村建设具有重要意义。我国正处在经济高速发展阶段，长期以来高投入、高污染的经济发展模式给生态环境造成了极大的破坏，严重影响到了经济社会的发展。人工湿地以其投资省、费用低的特点，已得到广泛的应用，取得较好的效益。但同时，当前人工湿地的发展还存在许多的不足，需要进一步的研究和探索。

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