人工湿地在城市水污染治理中的应用
摘要:人工湿地污水处理是由相互关联的基质、植物和微生物通过物理、化学、生物过程的协同作用完成的，它只需要投入极少的人力和能源，就可以去除有机污染物、营养物质、固体悬浮物、重金属物质，实现对生活污水、面源污染径流、农田废水、二级污水处理厂出水、河道末端水进行长期稳定的净化处理。目前，该工艺在郑州和成都得到了应用，均取得了很好的效果，然而人工湿地在城市水污染治理中还存在有机质积累、占地面积大、受季节影响等问题。人工湿地是耐用而高效的系统，不断完善人工湿地的设计、性能、操作及维护，将能够更有效地改善水质。
关键词: 污水处理; 人工湿地; 生物净化; 城市环境水利
相比工业污水，城市水污染一般污染物浓度低、水量大，不宜采用常规的污水二级处理方法，而适于采用人工湿地等生态净化处理方法。人工湿地是20 世纪70 年代发展起来的一种新兴污水处理技术，它将污水、污泥有控制地投配到人工建造的湿地上，在土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用下，对污水、污泥进行处理［1］。目前，一般所指的人工湿地都是挺水植物系统，根据污水在湿地中流动的方式可分为表面流人工湿地、潜流人工湿地、垂直流人工湿地，其中:表面流人工湿地与自然湿地最为接近，投资较低，但占地面积大、处理能力低，一般情况下难以被采用; 潜流人工湿地占地面积约为表面流人工湿地的15%，且保温性能好、处理效果受气候影响小，是目前研究和应用较多的一种人工湿地处理系统;垂直流人工湿地对基建要求较高，卫生条件差，目前研究和应用成果还不多。笔者基于表面流人工湿地和潜流人工湿地的净化机理，分析了人工湿地在城市水污染治理中的应用案例、存在问题和发展前景。
1 人工湿地的净化机理
人工湿地只需要投入极少的人力和能源，就可以去除有机污染物、营养物质、固体悬浮物、重金属物质，实现对生活污水、面源污染径流、农田废水、二级污水处理厂出水、河道末端水进行长期稳定的净化处理。人工湿地污水处理是由相互关联的基质、植物和微生物通过物理、化学、生物过程的协同作用完成的，其效果受到上述因素及其相互作用的直接或间接影响。
1．1 去除有机污染物
人工湿地对有机污染物具有较强的去除能力，不溶性有机物通过在湿地基质中的沉积等可以很快被截留，进而被微生物分解、利用，可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及厌氧、好氧生物代谢降解被分解和去除［2 － 3］。植物根系对氧的传递释放，不仅可使污染物被植物、微生物吸附，还可以通过硝化、反硝化和累积、降解、结合、吸附等作用显著提高污染物的去除率。
(1) 表面人工流湿地的BOD5 去除机理。在表面流湿地系统中，BOD5 的去除主要是由吸附在植物根、茎以及落入水中的叶子上的微生物完成的。对于低中度有机污染负荷，表面流人工湿地系统设计水深应小于600 mm，以确保有足够的氧气分布。表面流湿地系统去除BOD5 的一阶模型为
Ce /Co = Aexp(-0．7KtAv1．75 LWdn /Q)
式中: Ce 为湿地出水BOD5 质量浓度，mg /L; Co 为进入湿地污水BOD5 质量浓度，mg /L; A 为湿地系统中距离入口处较近的未被除去的BOD5 的百分比; Kt 为一级反应的温度，℃; Av 为单位体积微生物活动的表面积，m2 /m3 ; L 为湿地长度，m; W 为湿地宽度，m; d 为湿地深度，m; n 为湿地孔隙度，%; Q 为平均水力负荷，m/d。
(2) 潜流人工湿地的BOD5 去除机理。在大多情况下，潜流湿地系统很少有直接的大气复氧，为了保持流动床表面以下的氧气含量，需要对植物进行选择。潜流湿地系统去除BOD5可采用一阶推流反应动力学方程来估计所需的表面积，计算公式为
Ce /Co = exp(-Ktt)
As = Q(ln Co-ln Ce ) / (Ktdn)
式中: t 为水力停留时间，d; As 为湿地的表面积，m2。
1．2 脱氮作用
在人工湿地中，氮主要是通过微生物的硝化和反硝化作用、植物的脱氮作用、氨氮的挥发、基质的吸附和过滤等过程被去除的［4］。基质对氮的去除不具有持续性，其仅为微生物同化、降解和植物吸收提供中介，氨氮的挥发即使在夏季也相当微弱，因此湿地植物和微生物作用是脱氮的主要机理。污水中的氮包括无机氮和有机氮，其中: 无机氮占总氮的8% ～ 16%，可以被人工湿地中的植物吸收，合成植物蛋白质，随着植物的收割从湿地系统中去除; 有机氮则主要依靠微生物的硝化和反硝化作用去除。
1．3 除磷作用
人工湿地的除磷机理主要包括基质对磷的吸附和沉淀、植物对磷的吸收、微生物对磷的同化吸收、无脊椎动物分泌物的除磷作用。除磷效果以基质吸附、植物吸收和微生物去除为佳，而磷最终从系统中去除，则依赖于湿地植物的收割和饱和基质的更换［4］。由于流量大，污水和土壤的接触机会很有限，因此许多人工湿地系统的除磷效率不高。有学者提出选择适当的土壤，通过提高黏土、铁、铝含量来增强除磷效果，然而黏土会影响排水能力，因而需要更大的处理面积。
1．4 去除悬浮物
表面流人工湿地和潜流人工湿地对悬浮物都有非常好的处理效果。受到基质层填料、植物根系和茎、腐殖层的过滤和截留，大部分固体悬浮物的去除过程发生在距离湿地进口5 ～10 m处，去除率的高低取决于污水与植物及填料的接触程度。在污水管道设计时应适当控制分散进水流量，以防止湿地渠道上游固体悬浮物去除效率过低，发生厌氧反应。如果湿地中的水体没有植物对太阳光的遮蔽，藻类的生长可能会造成出水口附近水体悬浮物增加，影响净化效果。
1．5 去除重金属
受污水与植物、填料接触程度的影响，表面流人工湿地对重金属的去除能力有限，而潜流人工湿地的重金属去除效果则相对较好。人工湿地的重金属去除机理主要包括土壤的固定、去除作用，微生物的吸收、转化作用，植物的存储、挥发和根系的固定作用。美国加州桑迪的人工湿地的水力停留时间为5．5 d时，对重金属污染物的去除效果较好，其中铜、锌、镉的去除率分别达99%、97%、99%。
2 人工湿地在城市水污染治理中的应用案例
2．1 郑州市CBD 中心湖水净化处理人工湿地
郑东新区CBD 中心湖水净化处理人工湿地位于郑东新区CBD 东西运河和南北运河交汇处，是龙湖水系的重要组成部分，占地面积约为4 万m2，日处理水量约为1．0 万m3，处理后中心湖水质可达Ⅲ类标准。
该人工湿地系统主要由中央控制系统、给排水管线和配电系统、温室、人工湿地四大部分组成。作为发挥水质净化作用的主体，人工湿地是由4 个跌水曝气池、8 块湿地及连通管线组成的，其中每个跌水曝气池供两块湿地用水。跌水曝气池为浆砌卵石结构，分为一级跌水池、二级跌水池、三级跌水池，通过瀑布式流水的方式为湿地水体进行充氧。每块湿地由一级生物池、一级碎石床、二级生物池和二级碎石床组成，碎石床内和生物池内栽种的水生植物包括香蒲、苍蒲、芦苇、水竹、水葱等，这些水生植物能够吸附水体中的氮、磷元素，既净化水体又美化环境。中央控制系统是整个湿地系统的控制监测中心，设有水质分析实验设备、配电控制系统、湿地监视系统和管理人员办公设施等。温室主要用于水生植物过冬和种苗培育。给排水管线和配电系统是湿地与中心湖之间以及湿地各池之间给水连接、水体循环等服务配套设施。
2．2 成都凤凰二沟水处理人工湿地
成都凤凰二沟水处理人工湿地位于成都三环路外侧、宝成铁路以东、铁路西环线以南，是成都最大的人工治污湿地，也是成都规划的一座污水处理厂，周边正计划配置游乐设施，目的是建成一个集休闲、旅游、环保、教育多功能于一体的生态乐园。根据《成都市市域排水工程体系规划》，该人工湿地日处理污水能力为2．4 万m3，将在成都市的排水规划中被推广使用。
集中到凤凰二沟污水处理人工湿地的污水包括生活污水、工业污水、畜禽养殖污水。污水经过前处理系统，通过沉淀、曝气、快速渗滤等方式进行处理后，流入污水处理的核心区域——人工湿地。该人工湿地共8 个处理系统，种植的植物包括芦苇、伞草、水葫芦、水芹、香蒲、再力花、美人蕉等，每个系统有4 ～ 5 个独立的种植有不同植物的格子，污水在里面停留一段时间，再由人工控制流入下一个格子，可以根据植物特性完成不同的除污任务。
3 人工湿地应用存在的问题和发展前景
3．1 存在的问题
(1) 城市水污染加剧。我国城市水污染状况总体呈现出以下几个特征: ①污染范围大，城市周边的主要河流和水域都受到了不同程度的污染，尤其以纳污沟渠污染最为严重; ②多数水体呈有机污染特征，主要污染指标有COD、BOD5 和氨氮;③近年来，城市工业点源污染治理取得了显著成效，但城市面源污染问题逐渐凸显，治理难度很大; ④工业用水和生活用水急剧增加，导致城市排污量显著增加，与之配套的节水和污水处理设施建设明显滞后。总体来说，我国城市水污染治理面临着水循环系统脆弱、水环境质量下降、水功能退化、污水处理设施不足等问题。
(2) 人工湿地自身存在的问题。虽然人工湿地处理工艺的出水水质能够满足城市中水回用的要求，但仍然存在一些问题: 有些湿地在运行过程中有机质积累引起填料空隙堵塞，导致处理能力下降; 人工湿地占地面积大，在寸土寸金的城市其发展受到限制; 植物和有机物吸收、降解作用呈现一定的季节变化规律，冬季污染物的去除效果较差; 人工湿地对细菌和病原体的去除效率有待提高。
3．2 应用前景
针对上述问题，可对人工湿地进行改进。
(1) 有机质积累。出现这种情况的根本原因是有机质负荷过高，需要采取措施控制人工湿地负荷。可以在一定范围内将人工湿地分为两级: 一级湿地作为宅前湿地，处理污染程度较轻、COD 负荷较低的景观用水等，兼做休闲公园; 二级湿地作为公共湿地，距建筑物较远，可用于处理厨房、厕所排出的生活污水，此类污水的污染负荷较高，需采用化粪池或沼气池进行预处理，以避免有机物积累。
(2) 占地面积大。通过潜流式人工湿地、垂直流人工湿地、人工湿地景观化等方式，可有效缓解人工湿地占地面积大与城市发展之间的矛盾。
(3) 季节影响。有关研究表明，在气候寒冷的挪威，有厌氧池进行预处理的人工湿地系统，冬季运行效果与其他季节没有明显不同; 瑞士利用垂直－水平流湿地组合系统处理住宅区污水，冬季的去除性能也较理想［5］。通过技术手段可以克服低温对人工湿地处理效果的影响，如在一级湿地上建造温室等。
人工湿地的一个常见应用是处理初次或二次生活污水。模仿自然湿地处理生活污水的人工湿地，也可被应用于处理农业高负荷有机物。许多湿地已经建成并用于处理矿井排水，仅在阿帕拉契就有超过500 个这样的湿地系统。利用人工湿地处理雨水是这种工艺近年来新的应用，人工湿地的数量也在快速增多。
人工湿地是耐用而高效的系统。人工湿地处理污水或雨水是一种低成本、低能耗、低人工干预的过程。经过广泛研究和实际应用，有识之士正在不断完善人工湿地的设计、性能、操作及维护，使其能够更有效地改善水质。
参考文献:
［1］吴春英．吉林市人工湿地建设与生态旅游资源开发［J］．安徽农业科学，2009，37(3) : 1284 － 1285．
［2］ Comin F A．Nitrogen Removal and Cycling in Restored Wetlands Used as Filters of Nutrients for Agricultural Runoff［J］．Water Science and Technology，1997，35 (5) : 255 － 261．
［3］郑亚杰．人工湿地系统处理污水新模式的探讨［J］．环境科学进展，1995，3(6) : 1 － 8．
［4］王世和．人工湿地污水处理理论与技术［M］．北京: 科学出版社，2007．
［5］ Mahlum T，Jenssen P D，Warner W S．Cold － Climate Constructed Wetlands［J］．Water Science and Technology，1995，32(3) : 95 － 101．
作者简介:秦明(1964-) ，男，上海人，高级工程师，主要从事水利工程建设管理工作。
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