人工湿地在城市污水处理中的应用和管理方法浅析
摘要：近年来，随着湿地破坏与退化带来的环境功能丧失和生态问题的爆发，一方面反映了湿地系统在环境中的重要地位，也在客观上为湿地科学发展提供了机遇和动力。通过近些年在人工湿地上的研究和实践，其在污水处理中显露的良好发展潜力也将成为今后水处理研究和生态修复的一项重要组成。本文旨在论述湿地及引伸出的人工湿地在城市污水处理中的效果、相应的管理方法以及对人工湿地发展前景的预测。
关键词：人工湿地，污水处理，管理方法
1.湿地
1.1湿地的定义
湿地系指天然或人工、长期或暂时之沼泽地、泥炭地,带有静止或流动的淡水、半咸水或咸水的水域地带,包括低潮水位不超过6m的滨海海域。湿地是一类既不同于水体，又不同于陆地的特殊过渡类型生态系统，为水生、陆生生态系统界面相互延伸扩展的重叠空间区域。
1.2湿地的类型
湿地主要分为两大类：天然湿地和人工湿地。
1.2.1天然湿地
天然湿地包括海洋、以永久性浅海水域、河口水域、礁涂、岩石性海岸、沙滩等类型为主的海岸湿地以及由主要由永久性三角洲和湖泊组成的内陆湿地。
1.2.2人工湿地
水产池塘、灌溉地、盐田、蓄水区、采掘区、废水处理场所、运河甚至排水渠、地下输水系统等都属于人工湿地。随着天然湿地的老化以及功能的衰退，人工湿地即将承担越来越多的水净化和处理的期望和责任。
1.3湿地的作用
湿地不仅可以提供水源、补充地下水、防止自然灾害，清除和转化毒物和杂质保留营养物质，还可以固定二氧化碳调节城市气候从而保护城市生物和遗传多样性。而作为湿地的一种更为直接和有效的类型，人工湿地技术，其由于低廉的投资，良好的出水水质，简单的操作，强大的抗冲击负荷的能力，维护方便，较高的氨氮去除率，同时可使污水处理与环境生态建设有机结合，在处理污水的同时创造城市生态景观等特点逐步被越来越多的国家接受，并广泛应用。
2.人工湿地处理污水的基本原理
在一定的填料上种植等特选的植物，将污水投放到人工建造的类似于沼泽的湿地上。当以富营养化为主的污水流过一定长宽比及底面有坡度的人工湿地时，经沙石、土壤或一些其他构筑物混合组成的填料床过滤，污染水可以在床体的填料缝隙中曲折流动，或在床体表面流动。而填料上植物根际的多种微生物活动，增加了湿地基质的透水性，与周围环境的原生动物、微生物等形成各种小环境，通过氧的传递，更加增强了净化废水的能力。人工湿地的显著特点之一是其对有机污染物有较强的降解能力，因此更适用于处理生活污水以及城市污水一类。人工湿地可分别处理废水中的不溶性有机物与可溶性物质。不溶性有机物通过湿地构造中的填料层被沉淀、过滤、截留，进而被微生物利用，而可溶性有机物则可直接通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解、去除。
3.人工湿地在不同环境下的应用及效果
3.1植物的布局
3.1.1沉水植物
以芦苇、香蒲为主，由于其具有发达的根系、营养物质吸收能力强、可向水体输氧等特点其在特定的人工湿地中长势良好。其可郁闭整个水面，可有效吸附、拦截悬浮物[1]。这些沉水植物对污水通过土壤截留-发生物理化学吸收-化学分解-沉淀-微生物的氧化降解等过程对污水进行高效、廉价的降解和有害物质的吸收。而芦苇湿地系统针对于油田污水尤其有较高的去除效果。生活与含油污水，经芦苇湿地处理系统处理后，BOD5去除率为85％，SS去除率为87％，T-P去除率为85％，氨氮去除率为54％，污水中的无机污染物（重金属）和有机物也很大限度的被湿地芦苇吸收，出水水质可达到《综合污水排放标准》要求[2]。
3.1.2浮水植物
以凤眼莲、大薸、水鳖为主以及少量细绿萍。藻类在冰封条件下也能较好地生长，对湿地系统冬季运行起着良好的作用。浮水植物以凤眼莲、大薸生长旺盛，凤眼莲水下根系根据水质状况可长达30～70cm，长势良好，可郁闭整个水面。但凤眼莲、大薸生长季短，一般适应期为4月中下旬至10月中旬，冬季需打捞[1]。
3.1.3复合性布局
通过筛选和对比，在选择人工湿地植物布局时应着重考虑当地的气候、温度、植物适应性等条件，根据不同的废水种类和要求进行选择。而每种植物均应从耐污力、植物生长量、根系、经济性、管理难易性(包括病虫害少、抗倒伏和易繁殖)等方面进行详细的考察，通过对其氮磷积累量、TP、TN净化率进行分析确定详细的植物布局。
3.2处理效果
由于大部分类型的人工湿地都对氮磷有着非常明显的去除效果，以下将由复合垂直湿地为例从其他三方面进行阐述。
3.2.1构造示意图
试验床体表面为缘园皂皂厚的掺有石灰石的本地土壤袁下部为远耀员园皂皂的砾石层遥两组湿地床种植植物分别为美人蕉和风车草袁种植密度为5株每平方米。
3.2.2处理造纸废水的应用
一些无机物以及难降解有机物会积累在湿地中而堵塞填料间的空隙,延长系统的实际水力停留时间。据悉，天宝造纸厂的人工湿地建成投入使用一年来,运转良好,尚未出现堵塞状况。但在上行池表面,已出现一层黑色毯状的致密污泥层,距离布水口10~30cm处尤其显著[4]。但是此现象可以通过暂时性停床休息解决。这样不仅可以使填料部分恢复渗透性,也可以让收割后的植株体得到更好的恢复。
3.2.3对重金属元素的去除
武汉三角湖位于武汉市传统工业区，故其水体中含有较多种类的重金属元素。这些重金属元素过量时往往具有高毒性，在环境中富集到一定程度后可能会导致公害问题出现。中国科学院水生生物研究所的检测结果表明三角湖人工湿地进水浓度较低，其去除率依次为：Cd＞As＞Mn＞Pb＞Zn＞Cr＞Cu＞Ba＞Li＞Ni[5]。但依旧可以看出人工湿地对各重金属元素仍具明显的去除效果。
3.2.4对污染的城市河水净化
研究表明[6]复合垂直流湿也对城市污染河水具有良好的去除效果,其对河水中TN、TP、COD和SS的平均去除率可达50%、85%、85%和80%以上。垂直下行流与水平流复合人工湿地系统对TN、TP、COD和SS的平均去除率分别为43%、83%、85%和76%。
4.人工湿地的运行管理与维护
4.1水位
对于一个设计、运行良好的人工湿地来说，影响其处理性能的主要因素还是水位控制和流量调整。水位的改变不仅会影响人工湿地处理系统的水力停留时间，还会对大气中的氧向水相扩散造成影响。水位控制的不好极有可能使人工湿地产生不可设想的衰退甚至废弃。当水位发生重大变化时，要立即对人工湿地处理系统进行详细的检查，首先考虑的应是是否发生渗漏、出水管是否堵塞等机械问题。对于最常用的表面流型人工湿地,水位的调整与植物的生长也有密切联系。启动阶段水位应该逐步提高,以免植物幼苗被淹死或脱离土壤随水漂走。在该系统运行期间,管理者可以考虑在每年春天降低水位以促进新芽的生长。这样做可以使阳光更容易穿透水体照射到喜光的植物上[7]。
4.2病虫害状况
人工湿地植物病虫害发生状况人工湿地作为一个人工生态系统，如同农田生态系统，有时则会在芦苇上发现芦苇、蒲草上发现蚜虫等一些病虫害。如果不及时处理很有可能导致植物枯黄矮小，甚至死亡。在观测中发现病虫害多发生于夏秋，此时正是植物生长迅速时期，一旦发生病虫害、对人工湿地的运行效果特别是对植物的产量将会造成较大影响[7]。
4.3蚊蝇
湿地系统中高大的挺水植物成熟后容易发生弯曲或伏倒在水面上,这种生境非常有利于蚊蝇的孳生。因此可以通过加强湿地植物的管理来控制蚊蝇,在水边不种植水生植物,或种植低矮的植株并每年进行收割[8]。必要时可以在蚊蝇产卵的季节使用杆菌杀死蚊卵,或使用能够导致蚊子幼虫发育衰减的激素来控制蚊蝇[9]。
4.4气味的控制
表面流型人工湿地如果进水负荷过高,会形成厌氧的水域,释放出难闻的气体。这种情况主要是由于进水的有机负荷过高或氨氮负荷过高造成的,因此降低有机物和氮的负荷可以控制湿地系统散发出难闻的气味[9]。由于植物能够将氧气传输到系统中,因此在布局上可以将那些开阔的水域分散在种植较多植物的水域中[10]。
4.5湿地堵塞
在所有人工湿地中,悬浮物的积累是一些系统正常运行的主要威胁之一。虽然通过过滤和渗流可以吸附截留一大部分悬浮物可被微生物吸收消耗，但一些无机、大范围的悬浮物处理厂和预处理程度不够容易导致大型植物床的堵塞[11]。在水平潜流湿地中,床中水流大部分以潜流方式通过由活的、死的根和根茎造成的沟以及土壤孔隙。根和根茎的生长会扰动和弄松土壤。采用阶段式进水可有效防止堵塞[11]。
4.6护堤的维护
要经常对护堤进行检查，防止水面以下护堤的外部斜坡面出现渗水现象，过多的或颜色异常暗绿的植被生长都是出现渗漏的症状。定期清除护堤和堤面上的杂草，以免杂草蔓延到人工湿地处理系统中与湿地植物形成强有力的竞争[12]。对于较浅的潜流型人工湿地处理系统，定期去除湿地床中的树苗也是非常必要的。因为随着树木的生长，其根系可能会穿透防渗膜垫层，同时成熟的树木会遮挡阳光，抑制湿地水生植物的生长[13]。
5.人工湿地的前景展望
5.1净化城市污水废水
通过在条件相应的污水处理厂布置一定面积的人工湿地可以高效率底能效的解决一部分污水的排放和净化问题，但应注意在管道选择时应选择耐压力较大的管材，以免无法达到国家地表水质四级标准的污水渗漏影响深层地下水而带来不可估计的损失。
5.2对生态损坏区进行修复
以人工湿地为载体，引进一些先锋植物进行种植和栽培，不仅可以达到景观的美化同时也为后续修复工作带来巨大便利。但应注意的是，在引进植物的时候应避免由于先锋生物生命力过强、繁殖速度过快而产生生物入侵。例如全国范围内的水葫芦入侵事件，在种植这类植物的时候应圈养并长期打捞，防止其过度繁殖和散逸。
5.3城市湿地公园的建设
在城市中建设湿地公园不仅可以扩大城市绿化面积、改善生态状况，为人们提供更加多样化的休息娱乐场所，还能够在涵养城市水源保护生物多样性等方面发挥巨大的作用。而城市湿地公园的景致应保持或贴近自然状况，保留现状植物和水域，主要在湿地外围设置游览线供人们行走和休息，在湿地内围可以展现各种适合的水生植物、鸟类观赏区等。
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