潜流人工湿地处理受污染河水研究综述
随着经济建设的飞速发展，随着化肥、洗涤剂、农药和其它化学物质的普遍使用，城市污水中氮、磷的含量越来越多。目前，对城市污水主要采取二级处理，而活性污泥法以其工艺相对成熟、运行稳定、处理效果好而成为污水二级处理的主流工艺。传统的活性污泥法基建投资大、运行费用高，而且它主要以去除碳源污染物为目的，对氮、磷等营养物质的去除则微乎其微，经该法处理后的出水排入水体仍将造成富营养化问题。对出水进行三级处理虽然可以解决此为难题，但其投资和运行费用更高。我国作为一个发展中国家，要应用三级处理来解决污水中氮、磷等营养物质的问题，还不太现实。20世纪70年代末兴起的人工湿地污水处理法为处理水中的氮、磷提供了一种新的选择。我国在“七五” 期间开展人工湿地的研究，分别在北京昌平、深圳白泥坑、天津等地建成不同处理规模的人工湿地处理工程。这些处理系统大多为自由表面流人工湿地，对于潜流型人工湿地的研究相对较少。
1.潜流型人工湿地处理系统的类型及其特点
1.1自由表面流人工湿地和潜流型人工湿地
根据污水在人工湿地中的流动方式可以把人工湿地划分为自由表面流人工湿地和潜流型人工湿地。自由表面流人工湿地和自然湿地相类似，废水从湿地表面流过。这种类型的人工湿地具有投资少、操作简单、运行费用低等优点、缺点是占地面积大，水力负荷低，去污能力有限，受气候影响较大，夏季会孳生蚊蝇、散发臭味。潜流型湿地系统中，污水在湿地床的表面下流动，利用填料表面生长的生物膜、植物根系及表层土和填料的截留作用净化污水。国外所建成的人工湿地中，潜流型人工湿地占相当大的比例。如在新西兰使用的大约 80个人工湿地系统中，表面流湿地占45%，潜流型人工湿地占33%，混合型人工湿地占14%。 在美国、欧洲、澳大利亚和南非等地已建成的和正在建设的人工湿地处理系统中大部分是潜流型湿地。
1.2水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地
根据污水在湿地中流动的方向不同可将潜流型湿地系统分为水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地2种类型。不同类型的湿地对污染物的去除效果不同，具有各自的优缺点。
水平潜流湿地系统。水平潜流人工湿地因污水从一端水平流过填料床而得名。它由一个或几个填料床组成，床体充填基质。与自由表面流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的水力负荷和污染负荷大，对BOD5，COD，SS，重金属等污染指标的去除效果好，且很少有恶臭和孳生蚊蝇现象，是目前国际上较多研究和应用的一种湿地处理系统。它的缺点是控制相对复杂，脱氮、除磷的效果不如垂直流人工湿地。
垂直潜流湿地系统。在垂直潜流人工湿地中污水从湿地表面纵向流向填料床的底部，床体处于不饱和状态，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统。该系统的硝化能力高于水平潜流湿地，可用于处理氨氮含量较高的污水。其缺点是对有机物的去除能力不如水平潜流人工湿地系统， 落干、淹水时间较长，控制相对复杂。
2.潜流型人工湿地的构成
潜流型人工湿地主要由3部分组成：基质、植物和布水系统。目前人工湿地系统可用的基质主要有土壤、碎石、砾石、煤块、细沙、粗砂、煤渣、多孔介质、硅灰石和工业废弃物中的一种或几种组合的混合物。基质一方面为植物和微生物生长提供介质，另一方面通过沉积、过滤和吸附等作用直接去除污染物。潜流型人工湿地中使用的植物主要有香蒲、芦苇、灯心草等。这些植物可增加湿地基质的透水性。此外还能与周围环境的原生动物、微生物等形成各种小环境，将氧气传输至根区，形成特殊的根际微生态环境。这一微生态环境具有很强的净化废水的能力。在美国，大约40%的潜流型湿地只种植香蒲一种植物。欧洲国家则多数种植芦苇，也有一些系统种植了多种组合植物。布水系统主要是将进水按一定方式均匀地分布在处理系统中，并且保证不发生短流和堵塞，在潜流型人工湿地处理系统中多采用穿孔管布水系统。
3.潜流人工湿地的工艺流程
人工湿地的工艺流程有多种，目前采用的主要有：推流式、阶梯进水式、回流式和综合式4种。
阶梯进水可避免处理床前部堵塞，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出水中可能出现的臭味。出水回流还可促进填料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出水回流，另一方面还将进水分布至填料床的中部以减轻填料床前端的负荷。
人工湿地的运行可根据处理规模的大小进行多种方式的组合，一般有单一式、并联式、串联式和综合式等，如下图所示。在日常使用中，人工湿地还常与氧化塘等进行串联组合 。
4.潜流型人工湿地的净化基本原理
4.1反应净化机理
针对人工湿地在去除污染物过程中所发生的反应，其净化机理，主要是通过物理作用、化学作用和生物作用来去除水中的污染物质。物理作用，主要包括重力对可沉固体、BOD5、氮、磷、难溶有机物等的沉淀作用、填料和植物根苗对污染物的过滤和吸附作用等。化学作用则主要是指人工湿地系统中由于植物、填料、微生物及酶的多样性而发生的各种化学反应过程，包括化学沉淀、吸附、离子交换、氧化还原等。生物作用则是依*微生物的代谢（包括同化、异化作用）、细菌的硝化与反硝化、植物的代谢与吸收等作用，达到对污染物的去除。它也是人工湿地系统净化污水最重要的一种作用。
4.2构成净化机理概述
从人工湿地的构成来看，其净化机理如下：基质、水生植物和微生物是人工湿地的重要组成部分，基质为微生物的生长提供稳定的依附表面，为水生植物提供载体和营养物质，并通过一些物理和化学途径（如吸附、过滤等）净化污水；水生植物除直接吸收利用污水中的营养物质及吸附、富集一些有毒有害物质外，还有输送氧气到根区和维持水力传输的作用；微生物的代谢作用是污水中有机污染物降解的主要机制。
同时基质、植物和微生物还相互联系，互为因果，形成一个系统。废水可以在人工基质缝隙中流动或在床体的表面流动，并在床的表面种植具有污水处理机能好、成活率高、抗水性能强、生长周期长、美观及具有经济价值的水生植物。当废水流经时，固体物被人工基质及植物根系阻拦截留，有机质通过生物膜的吸附，同化及异化作用而得以去除。因湿地植物根系对氧的传递释放以及根系上附着的微生物对氧的消耗，植物根系周围的微环境中依次呈现出好氧、缺氧和厌氧状态，有利于硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用，达到除氮磷的效果，最后通过湿地基质的定期更换或植物收割使污染物质最终从系统中去除。一般地污水中不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很快地被截留而被微生物利用。污水中可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程被分解去除。
5.潜流人工湿地对各种污染物的净化
5.1人工湿地对SS的去除
污水中可沉降的SS主要依*湿地系统中的物理沉降作用去除。由于湿地中水的流动其极缓慢，水浅，加上植物茎秆的阻挡作用，SS在进水口几米内能有效地去除。实验表明，几乎所有的固体物在系统最初的20%面积处得到去除[29]。胶体状的SS主要依*微生物的作用、填料渗滤作用去除。
5.2对有机物的去除
潜流型人工湿地的显著特点之一就是其对有机污染物有较强的降解能力。污水中的不溶有机物通过湿地的沉积、过滤作用，可以很快地被截留而被微生物利用。污水中的可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢过程而被分解去除。资料表明，潜流型人工湿地系统的出水水质优于传统的二级生物处理。
5.3对氮的去除
潜流型人工湿地对氮的去除作用包括吸附、过滤和沉积、氨挥发、植物吸收和微生物硝化和反硝化作用。微生物的硝化和反硝化作用在氮的去除过程中起着重要作用。在潜流型湿地系统中，氧的主要来源是植物根系，但这种能力是非常有限的，这就妨碍了任何流经该水域水流中氨的硝化作用。为提高潜流型湿地的供氧量，可以采用周期性地改变水深促使根系向纵深生长，增加暴露水面或地表漫流区以促进表面复氧作用，或采用间歇布水的方式，以及采用频繁注入和循环的多个平行床系统使大气中的氧进入到介质中等方法。Green研究了系统中氧的分布随时间和空间的变化，并通过给湿地系统增设输气管，利用慢灌快排使系统充分进气，以增加内部溶解氧的含量来提高系统的硝化反应能力，结果大大提高了氨氮的去除率。
5.4对磷的去除
潜流型人工湿地对磷的去除作用包括吸收化学沉积、植物和藻类吸收、 微生物作用等。其中基质吸附起主要作用。基质的理化性质对磷的去除率有很大影响。Zhu等研究了镁、钙、铁、铝和磷的吸附关系，发现钙与磷的吸附相关性最强。Celler也认为钙与铁、铝相比对磷具有更强的结合能力。潜流型湿地系统对磷的去除能力决定于这些矿质元素在基质中的含量。A.Drizo等比较分析了7种基质对磷的去除能力，发现飞灰和页岩具有最大的磷吸收，然后是铝土矿、石灰石，综合比较各种性能。A.Drizo认为页岩最适合作为潜流型湿地系统的基质。H.Brix等分析了17种丹麦不同地区沙的理化性质和除磷能力，这些沙对磷的去除能力差别极大，决定磷的去除能力是沙中钙的含量。研究认为将这些人工基质中的一种或几种和沙混合使用可以显著提高潜流型湿地系统的除磷能力。
6.潜流人工湿地的发展与现状
德国最早开展了潜流型人工湿地的研究。早期的潜流型湿地处理系统主要用于处理城市生活污水或二级污水处理厂出水。经过近15年研究与发展，该技术已经在英国、美国、新西兰、法国、澳大利亚、巴西、荷兰等许多国家得到应用推广。一些发展中国家也开始使用该技术解决国内的污水处理问题，与此同时应用范围也不断扩大。除了用于处理城市污水外， 还应用于工业废水、农业面源污染、垃圾渗出液暴雨径流等多种废水的处理，表现出良好的净化效果。
我国在“七五”期间开展人工湿地的研究，分别在北京昌平、深圳白泥坑、天津等地建成不同处理规模的人工湿地处理工程。这些处理系统大多为自由表面流人工湿地，对于潜流型人工湿地的研究相对较少。
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