人工湿地污水处理技术研究现状分析

范莹　刘芊宏

摘要：文章介绍了人工湿地的发展现状，对人工湿地及其对不同污染物的污水处理原理进行了阐述，针对人工湿地污染物处理系统及其设计的关键因素进行了具体的说明，并结合人工湿地系统在各个领域的广泛应用，介绍了其污水处理方法及流程。

关键词：人工湿地；污水处理技术；去除机理；废水；悬浮物去除；有机物去除 文献标识码：A

中图分类号：X703 文章编号：1009-2374（2016）30-0099-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.048

1 概述

随着工业化发展，污水处理技术的发展和提高成为目前亟待解决的问题，而人工湿地技术作为一种可持续发展的污水处理技术方法也越来越引起人们的重视和研究，追溯其历史来源于1953年德国Kathe Seidel博士研究发现了芦苇能去除大量无机和有机污染物，随之激发了德国以及整个欧洲在这方面的研究，目前人工湿地技术已在欧洲得到了普遍的推广应用。而我国在人工湿地技术方面的研究起步较晚，1987年建立了第一个人工湿地，最初的人工湿地技术也仅仅应用在生活污水的处理上，具有处理污水出水水质稳定、对氮磷等有很强的去除能力、系统管理方便等特点，目前已逐渐推广至工业废水、养殖废水等领域中，代表了人工湿地技术在未来发展的一个新趋势。

2 人工湿地污水处理系统及原理

2.1 人工湿地概述

人工湿地通常是由填料层、微生物、水生植物、脊椎和无脊椎动物、水体5大部分组成，人工湿地系统一般可以分为3类，如表1所示：

由表1可以看出，表面流湿地由于以自然泥土作为基质，经济上建设花费较小，且人工湿地表面有较充足的氧气，但由于其污水仅仅在表面流动，所以占地面积大，且水力负荷较低，处理效率低下；垂直流湿地属于构造性人工潜流湿地，处理效率很高，尤其是针对氮磷的处理效率，且不容易堵塞，但是系统相对复杂且经济建设花费很高；水平潜流湿地是将需要处理的污水在填料层从进水端水平流向出水端，所以有很好的保温效果，因此有效地降低了恶臭以及蚊蝇产生的可能，对有机物以及重金属的去除效果尤其好。通常会针对这三种湿地系统的优缺点建立组合人工湿地，以达到高效的污水去除效果。

2.2 人工湿地污水处理原理

人工湿地系统主要是人工投放铺设的基质、种植的植物、引进微生物等形成一个微小局部的生态系统，形成了生态污水处理系统。下面我们将简要介绍人工湿地的集中污染物去除机理。

2.2.1 悬浮物去除。污水进入湿地系统时，悬浮物去除主要由湿地中的重力沉降、生物群落的吸附、絮凝共同作用完成。如果悬浮物含量比较高，那么可以通过设置格栅、沉砂池、沉淀池、厌氧沉淀塘等预处理设施，去除污水中的悬浮物，同时湿地中的多种微生物也会发生降解分解、代谢吸收、沉降等多种作用而同化组成细胞的成分，从而达到去除悬浮固体的作用。

2.2.2 有机物去除。有机物的去除都可以通过微生物降解去除，其中有机物中的可溶性的有机物可以通过植物吸收、转化，微生物降解等过程去除，不溶性的有机物主要通过填料的沉淀、过滤等物理作用去除。

2.2.3 磷的去除。人工湿地对磷的去除是通过微生物的氧化分解、植物分解、化学作用以及物理沉积等。其中物理作用主要是磷通过自身的重力作用以及湿地中的基质及植物根系阻拦而慢慢沉淀；化学作用主要是由于人工湿地中的磷会和其他的铁、钙、镁、铝等阳离子发生离子交换等化学沉淀作用。植物分解和同化作用主要是经过植物摄取、转化、植物吸收等，储存在一些水生植物体内的磷会随着植物的枯萎死亡而重新释放回水体中。如果以除磷为目的，可定期从湿地系统中收割植物。微生物作用主要是通过同化作用和超荷积累两种方式实现的，同化作用是自氧微生物和异氧微生物吸收、转换磷来实现。而超荷积累则是微生物在特定水体环境中，对磷的一种过度积累现象。

2.2.4 氮的去除。人工湿地氮的去除主要通过挥发、氨化、植物吸收、硝化和反硝化以及基质吸附等途径。同时由于氮也是植物、微生物细胞等所需的营养元素，所以一部分氮被植物、微生物吸收同化。一般人工湿地在中性和弱碱性之间，可采用收割去除的方法，当处理低浓度污水时，有很好的效果。

2.3 人工湿地污水处理系统

在人工湿地污水处理系统中，如图1中系统设计的关键在于湿地的水流方式、污水的停留时间以及湿地有效面积等，其中湿地的水流方式常见的有推流式、阶梯进水式、回流式以及综合式。污水的停留时间则可以定义为可用容积和平均水量的比值，即是：

式中：t代表污水的停留时间；V是湿地容积（m3）；ε是湿地孔隙率；Q是平均流量。

人工湿地的面积一般根据进出水中BOD5的浓度来确定，针对不同类型的人工湿地系统有不同的计算方法。针对表面流人工湿地，为了计算方便，在确定了水力负荷的前提下，通常可以采用如下公式计算表面流湿地面积：

式中：S代表湿地表面积（m2）；Q代表流量（m3）；代表水力负荷（cm/d）。

对于垂直潜流人工湿地，可由下列公式计算：

式中：S是湿地面积；Ci是进水BOD5值（mg/L）；Co是出水BOD5值；Vf是分批进料中每次的进水量；t是两次进水的间隔时间；h是湿地深度；k1是吸附参数；k2是反应参数。对于水平流人工湿地，其设计比较成熟，一般采用Kickuth方程：

式中：S是湿地表面积；Q是污水日流量；Ci是进水BOD5值（mg/L）；Co是出水BOD5值；k为常数。

3 人工湿地的应用

人工湿地技术处理污水目前已经从最初的处理生活污水拓展到各个领域的应用，下面我们将具体介绍人工湿地技术处理生活污水、养殖废水、橡胶废水、油田废水以及造纸废水等的方法。

3.1 生活污水

近年来随着我国城市化进程的加快，城市生活污水排放量也随之增加。传统的生化处理技术对氮、磷等营养物质去除效果不佳，且基建投资大，运行费用高，而人工湿地技术具有投资少、效果好、运行维护方便的特点，为综合解决上述问题提供了一条新途径。目前利用人工湿地处理生活污水国内已提出多种方法进行了测试并逐步投入使用，例如通过实验分析间歇流人工湿地对生活污水的处理性能，间歇流可以有效缓解植物根系氧气释放不足的缺点，从而达到污染物去除；另外采用实际实验证明，采用改进的三级串联垂直流人工湿地对城市污水处理厂的二级出水进行深度净化处理。结果发现，该人工湿地对城市生活污水深度净化效果显著，出水水质也达到了很好的效果。

3.2 养殖废水

养殖废水主要是牲畜的排泄物和冲洗水的混合物，所以污水中氮磷、有机物、高悬浮物含量较高，臭味大，是一种高浓度有机废水，通过对含高浓度有机物和氮磷的养殖场污水采用复合垂直流人工湿地进行处理，结果表明，随着硝化反应的进行，pH值降低；循环出水通过引入部分氧气，延长了污染物和附着于植物根系微生物的接触时间，提高了对污染物的去除率。

3.3 人工湿地处理橡胶废水

橡胶生产废水主要是浮胶颗粒、植物蛋白、橡胶乳清、糖类、脂肪等大分子有机污染物，同时由于生产过程有氨水、甲酸，导致废水中污染物含量很高，利用潜流式人工湿地处理橡胶废水，结果主要污染物COD、BOD5等去除率较高，系统耐冲击负荷强，出水水质稳定。

3.4 人工湿地处理油田废水

目前现有三种方法处理油田废水：第一，采用自由表面流的芦苇湿地处理超稠油废水，经过处理后的水大大减小了对土壤的污染程度，同时对芦苇自身的生长并没有产生损害；第二，采用香根草、蒲草以及芦苇等搭建人工湿地并进行处理炼油废水，经过实验测试证明，搭建的人工湿地在前期对炼油废水有很高的净化效率，尤其是氨氮等，但随着时间推移，其净化效果也随之出现一定程度的下降，然后逐步趋于稳定；第三，采用工厂式生物处理和人工湿地相结合的方法处理采油污水，目前也已经投入使用，达到了很好的效果，且系统运行也相对比较稳定。

3.5 造纸废水

人工湿地对于造纸废水的处理也有广泛的应用，因为它能够充分利用基质微生物植物这个复合生态系统的物理、化学和生物三重协调作用，通过过滤、离子交换、植物吸收以及微生物分解等来实现对造纸废水的高效净化，同时通过整个生态系统的生物循环实现废水的资源化和无害化。

4 结语

人工湿地作为一种可持续发展的污水处理技术手段，从最初的仅应用在生活污水的处理中，目前已被投入到广泛的应用中，并取得了很好的效果和效益，虽然人工湿地在污水处理方面的应用仍然存在一些问题，但随着人们环保意识的日益提高以及人工湿地技术的不断提高和完善，人工湿地技术在污水处理的各个领域将会发挥更大的作用。

参考文献

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