人工湿地污水净化技术的探讨

□李彦博 □董永立（郑州市水利建筑勘测设计院）

1.引言

目前国际公认的湿地定义是国际湿地公约采用的广义湿地定义：不问其为天然或人工、常久或暂时性的沼泽地、湿原、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，包括低潮时水深不超过6m的水域。人工湿地(Constructedwetland)是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面。人工湿地主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用。

人工湿地与其它传统的污水处理方法相比，具有净化效率高、运行维护方便、建造费用低，以及环保、节能等优点。目前，国外已经将其广泛应用于河流、湖泊治理、城市雨水净化、工业废水处理、农业面源污染控制等诸多领域。近年来，我国掀起了研究利用人工湿地净化污水的浪潮，研究和实践证明，人工湿地净化污水是经济实用的有效途径。

2.人工湿地的组成及其分类

2.1 人工湿地的组成

人工湿地生态系统主要由湿地土壤、人工基质、水体、湿地植物、动物和微生物构成。

2.1.1.湿地土壤

湿地土壤是湿地的直接载体，湿地土壤的类型、结构直接决定着湿地植物的类型、数量和质量，并通过食物链影响湿地动物，从而影响整个湿地生态系统的物质生产。同时，湿地土壤也直接决定着湿地微生物的类群和数量，是微生物良好的生存场所。

2.1.2.人工基质

人工基质指为更好地提高湿地净化污水的性能而人工添加的基质，国内主要采用细沙、粗砂、碎石、瓦砾和灰渣等。人工基质可以过滤、吸附污水中的部分颗粒物，而且与部分颗粒物产生化学反应，从而进一步提高湿地土壤的过滤、净化性能。

2.1.3.水体

水体既是湿地的组成部分，也是湿地的净化对象。国外已经将人工湿地的净化对象水体扩展到生活污水、工业废水、雨水等，随着研究的深入，净化对象水体将得到进一步的扩展。

2.1.4 湿地植物

湿地植物是人工湿地的重要组成部分，它既维持着湿地的生态平衡，同时也起着重要的净化污水功能。芦苇、水葫芦是目前认为较适宜种植的湿地植物，但由于季节、水体等因素，应当辅以种植多种植物。

2.1.5 湿地动物

湿地具有复杂多样的植物群落，为一些鸟类和两栖类动物提供了良好的栖息场所。它们既维护了湿地的生态平衡，同时也起到提高湿地景观效果的作用。

2.1.6 湿地微生物

湿地微生物主要指一些真菌和细菌，如放线菌、硝化细菌等。有研究表明，湿地微生物在污水净化中起到非常重要的作用。

2.2 人工湿地的分类

人工湿地处理系统按照水体在湿地中的流动方式不同可分为以下几种：自由水面人工湿地处理系统；水平湿流湿地人工处理系统；垂直潜流型人工湿地处理系统。

2.2.1 自由水面人工湿地处理系统与自然湿地十分相似，其土床被水体所包裹，水深通常不超过4m，该类湿地全年或一年中的大多数时间都存在表面水。污水中的大部分有机物由湿地植物和土壤中的微生物分解，污水中大部分颗粒物被湿地植物拦截沉淀。这种人工湿地建造简单，运行管理方便，造价低廉，但容易受到季节的影响，夏季滋生蚊蝇，冬季结冰影响净化效果。

2.2.2.水平潜流湿地处理系统的水面维持在基质床的表面下，此类湿地的基质一般都由矿石和粗砂等组成，存在较多的孔隙，以使污水能迅速渗漏到整个基质床。污水中的污染物主要由土壤和人工介质中的颗粒以及植物的根系和微生物过滤、吸附、分解，净化效果较好，且受季节影响小，卫生条件好，但运行管理较难。

2.2.3.垂直潜流型人工湿地处理系统中，污水从湿地表面纵向流经湿地填料床的下部，当床体为不饱和状态时，系统充分利用填料截留、根系吸收及填料表面生长的生物膜对其进行降解消化，氧可通过大气扩散和植物根系传输等途径进入该湿地系统，此类湿地的硝化能力一般高于水平潜流湿地，所以常用于处理氨氮含量比较高的污水。但建造难度高，控制管理相对复杂，且处理污水中有机物的效果不好。

3.人工湿地净化污水的机理

人工是一个复杂的生态系统，它主要通过物理、化学、生物三重协同作用净化污水。

3.1 土壤和人工基质的净化机理

土壤和人工基质主要起过滤作用，它能够过滤掉污水中大部分的颗粒物。另外湿地土壤的有机质含量比较高，有较高的离子交换能力，因此，土壤可通过离子交换转化一部分污染物，而且可通过提供能源和适宜的厌氧条件等促进氮的转化。对磷而言，土壤颗粒对磷酸盐的吸收是一个重要的转化过程，吸收能力取决于黏土矿物中铁、铝、钙等元素的反映或对土壤有机质的约束能力。除吸收过程外，磷酸盐也可以同铁、铝和土壤成分等一起沉淀。上述过程包括磷酸盐在黏土矿物中的固定以及磷酸盐同金属的组合。

3.2 湿地植物的净化机理

湿地植物在人工湿地净化污水中起着重要的作用，可分为直接作用和间接作用。直接作用是植物自身吸附、分解、吸收污水中的污染物，从而达到净化污水的作用；间接作用是指植物为微生物等其它起净水作用的成分提供净化场所，从而起到间接的净化作用。目前，普遍认为湿地植物能通过吸收、吸附和富集等作用而去除污水中的污染物，包括对氮、磷的吸收利用和重金属的吸附和富集。另外湿地植物能够输送氧气，为根区提供好氧环境，从而促进有机物的分解和硝化细菌的生长，从而起到去除污水中氮及其它污染物的目的。

3.3 湿地微生物的净化机理

湿地微生物是人工湿地的重要组成部分，它既维持着湿地的生态平衡，同时它在污水净化过程中起着主导作用。污水中含有大量的有机物，其中大部分的分解和转化都是通过湿地微生物完成的。经相关性分析发现，湿地植物根区的细菌总数与BOD5去除率之间存在显著相关性；氨氮的去除率与根际硝化细菌和反硝化细菌数量的相关性极其显著。湿地微生物具有吸附作用，在微生物生长过程中，常常要吸收一些营养元索和重金属元索以保证微生物的生长和代谢，它们能分泌高分子聚合物，对重金属有较强的络合力。

此外，有研究发现湿地酶在湿地净化污水的过程中也起到了重要的作用。需要指出的是，以上人工湿地各组成部分在污水净化过程中起到的作用是相辅相成的，缺少任何部分都不能维持整个人工湿地的生态平衡，进而也不能保障污水净化效果。

4.结语与展望

通过研究表明，人工湿地净化污水与传统的污水净化方法相比，性能优越。然而人工湿地也存在一些问题，如易受季节影响、湿地植物的选择、微生物的筛选和驯化等将是今后需要继续研究的问题。但作为一种经济实用的污水处理方法，人工湿地净化污水生态系统受到各国的关注，也越来越多地被应用到各种领域。由于它造价低廉、适应性强、净化效果好、运行管理方便等优点，非常适合我国在农村以及城市近郊应用，因此，人工湿地污水净化技术具有较好的应用前景。

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