人工湿地——新型污水处理技术
道格拉斯
(南开大学物理科学学院天津300071)
摘要：本文主要介绍人工湿地的定义、作用机制、工艺流程等内容，再结合国际社会的发展现状总结分析其实际的应用中的优势和存在的不足，进而提出人工湿地污水处理技术在我国的发展前景。
关键词：人工湿地；污水处理 中图分类号：文献标识码：A
０ 引 言
随着我国经济的发展和人口的不断增加，工业污水、生活污水、农业污水的排放量逐年增加。由于大部分污水未经处理直接排入水体，各种污染物的数量超过水体环境的自净容量而引起水环境的日益恶化。目前世界上污水治理一般采取电渗析技术、离子交换树脂技术、生物吸附技术、功能高分子吸附技术、膜生物反应器技术等，但复杂的发生机制和高昂的治理费用限制了这些方法的应用范围。探索高效、低耗、低成本、易管理、可持续的污水处理技术是世界各国环境治理的一个重要方向，对于我国这样的发展中国家则有更加重大的意义。本文就人工湿地的定义及分类、优势与不足、作用机制、工艺流程等方面的问题加以综述。
1人工湿地的定义及分类
1．1 人工湿地的定义
人工湿地是在模拟自然湿地的基础上建立起来的人工生态系统，由人类自行建造和监管控制。人工湿地污水处理技术是在20世纪70年代发展起来的一种特色净污技术，综合运用生物、化学、物理原理来实现对污水的处理和净化，与传统的二级生化处理工艺相比，不仅净污效果好、工艺设备简单、维护费用低廉、氮氧去除率高、系统配置可塑性强，而且净化之后的水源具有一定的生物安全性，因此，社会效益和生态效益显著。随着近年来人工湿地污水处理技术在我国的应用研究，促成了许多城市都开始建造本地区的人工湿地工程，并取得了良好的经济效益和生态效益，其发展前景也更加广阔。 1．2人工湿地污水处理系统的基本类型
根据工程设计原理和水体流动差异，可以将人工湿地污水处理系统分为水平潜流湿地系统、表面流湿地系统、垂直流湿地系统三种类型。其中，水平潜流湿地系统的保湿性良好，对一些重金属和有机物能够起到良好的去除效果，而且不易受自然环境的影响。表面流湿地系统不需要人工基质作为填料，工程造价较低，但是对水的负荷力较低，净污能力有限。垂直流湿地系统很好地综合了两者的优势，但是由于工程造价高，其应用范围受到限制，并没有在大范围内得到推广使用。
2 人工湿地污水作用机制
早在1953年，德国的凯撒博士就在研究中证实芦苇能够有效清洁水中的有机质和无机物，并由此开发出了植物过滤系统。1977年“根区法”理论的提出，标志着人工湿地污水处理技术的初步萌芽形成，在此后的几十年里，人工湿地污水处理技术得到不断的完善和发展，并在西方国家得到广泛的应用。
人工湿地由人工基质作为填料，和水生植物组成一个生态系统，利用该系统中基质、水生植物、微生物之间的相互作用，借助基质的过滤、沉淀、吸附、离子交换、微生物分解等化学、生物、物理原理实现对污水的高度净化。现有研究认为湿地之所以能够净化污水，是其中物理、化学及生物协调作用和影响的结果。成熟的人工湿地，其填料表面吸附了许多微生物形成的大量生物膜，植物根系广布于池中，当污水流经人工湿地时，污水中的悬浮物(包括不溶性有机物)被填充料及植物根系阻挡截留而沉淀在基质中，通过微生物的同化吸收和异化分解得以去除；污水中的许多污染物还可以通过植物根系和微生物分泌的一些物质发生离子交换、离子吸附、化学沉淀等化学反应得以去除。德国学者Kickuth R．的“根区法”理论认为，生长在湿地中的挺水植物通过叶吸收和茎干的运输作用，将空气中的氧转运到根部，再经过植物的根部表面组织扩散。这样，使根系周围的微环境依次呈现好氧、缺氧及厌氧状态，十分利于硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用从废水中得以去除，最后通过湿地基质的定期更换或收割使污染物质最终从系统中去除。人工湿地中物质的传递与转化主要因含氧情况不同而有所差别，图1可以清楚地表现这一过程
3工艺流程
人工湿地的工艺流程有多种，目前常用的有：推流式、阶梯进水式、回流式和综合式 4 种（如图所示）
推流式是最基本的形式。阶梯进水式可避免湿地床前部堵塞，使植物长势均匀，有利于
后部的硝化脱氮作用；回流式可对进水进行一定的稀释，增加水中的溶解氧并减少臭味；出水回流还可促进湿地床中的硝化和反硝化作用，采用低扬程水泵，通过水力喷射或跌水等方式进行充氧；综合式则一方面设置水体回流，另一方面还将进水分布至湿地床的中部，以减轻湿地床前的负荷。
4人工湿地的植物选择
4．1 人工湿地植物的种类 在人工湿地的设计与施工时，人工湿地植物主要应用的类型可以分为水生类型、湿生类型和陆生类型。具体分类如下：
①水生类型：
1 ）挺水植物； 2 ）浮水植物； 3 ）浮叶植物； 4 ）沉水植物。 ②湿生类型：
1 ）湿生草本植物； 2 ）湿生木本植物。 ③陆生类型：
1 ）陆生草本植物； 2 ）陆生木本植物。 4．2人工湿地植物筛选原则 人工湿地污水处理的效果，与生态系统功能有着密切的关系，尤其是生态系统中的生物特性以及生物群落之间的相互作用。不同的植物群落本身的根系厚度、释放的氧气量各不相同，所以在污水处理过程中发挥的作用也不尽相同，所以需要对人工湿地植物的进行必要的分类和筛选。
人工湿地植物的筛选，要坚持以下几个原则：第一，充分尊重植物自身的适应性，考虑植物的净化能力和生长周期，才能发挥植物的作用；第二，植物的选择要与周围的景观和植物相互协调一致，能够形成统一的整体；第三，每种植物的作用与功能各不相同，所以要合理搭配各种不同功能的植物，才能形成一个系统的整体，增强去污能力；第四，对植物进行多用途考虑，利用不同功能的植物搭配，在强化去污效果的同时，降低植物本身对环境造成的不利影响。
总的来说，人工湿地应选择耐污、净化、抗逆能力强的乡土植物作为人工湿地的种植植物。如美国人工湿地常用的植物有芦苇、香蒲、灯心草、水葱、竹等；深圳市白泥坑人工湿地栽种了芦苇、茳芏、灯心草、蒲草等。有些人工湿地中还兼养耐污能力强的鲤、鲫等鱼种组成水生生物塘，使整个湿地变成一个花草繁茂、鱼儿欢跃的系统绿化工程。
5 人工湿地污水处理技术的应用优势与不足
5．1 人工湿地污水处理技术的应用优势
人工湿地污水处理技术与传统的二级生化处理工艺相比，其应用优势主要体现在以下四个方面：（1）人工湿地污水处理系统的工程建造成本低廉，设备维护也比较简单；（2）人工湿地污水处理系统主要由人工基质和水生植物组成，人工基质的选择空间较大，土壤、细沙、石灰石、砾石等都可以作为填料，填料组成不同，基质的净污能力也不同，因此，可以根据污染物的种类和性质选择合适的填料组合，有针对性地处理污水。此外，水生植物种类也比较多，灯芯草、茭白、浮萍、凤眼莲、芦苇等都是常见的挺水植物，这些水生植物对氮、磷、无机物等污染物的净化能力存在差异，因此可以通过水生植物的合理选取提高污水净化能力；（3）在进水浓度较低的情况下，人工湿地污水处理系统对COD的去除率可以达到85%以上，对氮的去除率可以达到65%以上，对磷的去除率可以达到90上，除了这些常见的无机物之外，对其他农药类、重金属等的去除率也保持在90%以上，因此，人工湿地污水处理系统与传统污水处理工艺相比，去污能力更高；（4）传统污水处理厂只具有单一的污水处理功能，