人工湿地系统及其在河流污染治理中的应用研究

王晓曲媛媛邓忠伟（烟台市环保工程咨询设计院山东烟台264000）

人工湿地系统及其在河流污染治理中的应用研究

王晓曲媛媛邓忠伟
（烟台市环保工程咨询设计院山东烟台264000）

人工湿地污染处理系统作为一项完整的生态系统，在河流污染治理等方面得到了广泛的应用。本文着重从人工湿地的种类、系统的构造以及污染物的去除机理等方面进行了阐述，并对影响人工湿地效果影响因素的分析，结合案例，提出了人工湿地系统在河流污染治理中的应用优势和下一步研究重点。

人工湿地；河流污染；应用

由于城市化、工业化进程的加快，大量的污水未经妥善处置便被直接排入到水体，导致了水环境遭到了破坏。根据《第一次全国水利普查公报》公布的数据显示，截止2011年底，我国流域面积50km2及以上的河流4.5万条，我国十大流域的水质总体呈现出轻度污染，一类省界水质断面比例占63.6%，但局部地区、局部水域的水质环境污染情况较为严重，为此，2015年1月，被称为“史上最严”的新《环境保护法》正式实施，同年4月，《水十条》正式出台，社会各界对环境污染尤其是水环境污染问题更为关切。

根据《2015年全国地表水水质月报（12月份）》公布的水质监测数据显示，全国380条河流的672个断面中，Ⅴ类和劣Ⅴ类的水质分别占到了5.4%、10.4%，Ⅴ类和劣Ⅴ类断面比例均较上个月升高了1.5%。黄河流域和淮河流域总体呈轻度污染，辽河流域呈中度五日，海河流域总体为重度污染。主要的污染指标为氨氮、化学需氧量、总磷、五日生化需氧量和高锰酸钾指数。在51个重点湖泊、水库中，滇池等4个湖泊为重度污染，巢湖、洞庭湖等4个湖泊为中度污染，河流水质整体状况应给予关注，切实采取措施防止污染扩大。

1　人工湿地系统概述

人工湿地的原理是结合了物理、化学和生物的三重协调作用，构建起基质-微生物-植物的人工复合生态系统。通过系统中的过滤、吸附、沉淀等等多道工序实现对污水的高效净化效果。此外，在人工湿地系统中所营造出的生态环境，能够促进各营养物质和水生生物的地球化学循环，也能很好的促进湿地系统中的绿色植物和微生物的生长，构建起良好的生态效果。

1.1人工湿地系统分类

随着人工湿地系统在现实应用中的日益广泛，各种类型的人工湿地被探索出来，依据不同的分类标准，人工湿地大体可以分为：（1）根据人工湿地中植物形式的不同，人工湿地系统可以分为浮游植物系统、挺水植物系统和沉水植物系统。目前，应用较多的是挺水植物系统和浮游植物系统，沉水植物系统目前还主要在实验室研究实验阶段，尚未被大范围的推广和应用。（2）根据污水在湿地中的水面位置的不同，人工湿地系统又被划分为潜流型和表面流人工湿地系统两种。其中，表面流人工湿地系统是在湿地中种植大量水生植物，然后将污水引入到湿地系统中，当污水从湿地的表面通过时，污水中的污染物会被湿地中的植物根茎拦截，从而达到去污效果。表面流人工湿地系统管理起来十分简便，造价较低，但不足之处是处理污水时，异味难以有效去除，尤其是在夏天容易滋生蚊蝇，因此，在实际中推广较少。潜流人工湿地系统，主要是将污水引入湿地后，让污水在湿地床中流过，由于湿地中预先设有良好的填料等物质，对污染物拦截具有良好效果，卫生条件要好于表面流人工湿地。（3）根据污水在湿地中水流方向的不同，人工湿地又被分为水平流人工湿地系统（HSFCW）和垂直流人工湿地系统（VSFCW）。

1.2人工湿地系统构造

（1）填料。人工湿地系统是在一定长度比及底面坡度的洼地中，填充一定的填料（如土壤、砾石等）形成填料床，在床表面种植具有处理性能好、抗水性强、生长周期长、成活率高又有一定美观和经济价值的植物（如芦苇等），构成独特的动植物生态系统。（2）植物。植物是人工湿地系统重要组成部分。可用于人工湿地的植物有芦苇、香蒲、灯芯草、风车草、水葱、浮萍等等，其中，应用较为广泛的是芦苇。水生植物在人工湿地中的作用主要是将污水中的部门污染物作为其生长的养料而诶吸收，植物还可以把一些有毒物质的重金属富集、转化、分解成无毒物质。人工湿地系统中选用的植物应选取适合当地或本区域天然湿地存在的植物，以保证植物适应当地气候环境的适应性。

1.3人工湿地系统去除污染物机理

（1）去除有机污染物。人工湿地系统对有机物具有较强的降解能力，污水中不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤之后被截留而被微生物利用，可溶性有机物则直接被植物根系和生物膜吸附、吸收和代谢而去除。去除有机污染物的作用机理是利用物理的截留沉淀和生物的吸收降解。（2）对氮的去除。污水中氮的去除主要是通过湿地微生物的硝化和反硝化作用，对氮的去除作用包括基质的吸附、过滤、沉淀以及氨的挥发等。（3）对磷的去除。人工湿地系统对污水中含磷污染物的去除是由植物吸收、微生物去除以及基质的物理化学作用完成，生物对磷的去除包括对磷的正常同化作用和对磷的过量积累，主要是通过强化后对磷的过量积累来完成。（4）对悬浮物和病原菌的去除。对潜流式的人工湿地，对悬浮物的去除主要通过湿地填料的吸附和截流。

2　人工湿地处理效果影响因素

对湿地处理效果影响的因素主要有温度、溶解氧、植物以及水文因素等。

2.1温度

人工湿地系统中的有机物去除主要靠生化反应，与其他生物法处理污染物一样，温度会直接影响系统中的生物活性，从而影响系统的污染降解效率，在人工湿地中，进水温度、表面流式都会受到温度的较大影响。通常情况下，水温越高，生化反应的效率就会越大，因此，到了严寒冬季时，人工湿地系统由于较低的水温，处理效率将会大为降低。

2.2溶解氧（DO）

污水进入人工湿地系统后主要有两个需氧因素：碳化需氧量和硝化需氧量，而水中的复氧的途径主要包括大气复氧和通过植物茎叶传到输送。因此，人工湿地系统中的植物稠密度会对湿地中的氧源具有较大影响，稠密的绿色植物在光合作用下会向四周释放氧气，增加湿地水面局部氧分压，提升大气复氧量。此外，植物的根系也会不同程度地向四周释放多余的氧气，因植物不同其释放的氧气量也有较大差异（见表1）。

表1　不同水生植物的输氧速率

2.3植物

湿地处理系统主要利用各种植物实现去污效果，因此，各种水生植物构成了湿地系统的主要特征。大量水生植物对于污水处理中的污染物去除的机理主要是为微生物生长提供了介面，尤其是那些挺水植物的茎秆还为冰层形成提供了支撑，为水中大量野生生物提供了栖息地，湿地系统本身也是对环境起到了很好的保护作用。

2.4水文因素

人工湿地系统区域较大，湿地处理系统中无论是地上还是地下水流变化也较大，湿地地上植物与腐殖层的水力传导能力和地下土壤的水力传到能力相差很大，水流的基本规律不同，呈现出水流阻力通过水深会影响到其接触时间，水流阻力增大，会延长污水的停留时间[1]，对于去污效果产生直接影响。

3　人工湿地在河流污染治理中的应用

人工湿地系统在我国河流处理中的应用最早可以追溯到上个世纪90年代的深圳市白泥坑人工湿地处理系统，经过20余年来的应用和发展，人工湿地系统得到了大范围的应用，在河流污染治理中发挥着越来越重要的作用。

3.1白泥坑人工湿地处理系统

白泥坑人工湿地污水处理系统位于深圳宝安，占地面积189亩，日处理量为3100m3/d废水，这也是我国第一个人工湿地污水处理工程（见图1）。经过近年来的不断试验运转和完善，出水效果较好，达到了国家规定的二级处理排放标准。该工程不需要动力消耗，管理也较为简便，除做好日常水质监测外，不需要其他额外的管理，从河流处理的外观效果来看，进水水质略显浑浊，无色无臭，对BOD的去除年均达到90%，COD年均达到80.47%[2]，运行的费用约为0.02元/m3，约为传统活性污泥法的处理成本的10%左右。

图1　白泥坑人工湿地处理系统

3.2胶南污水处理厂

山东胶南市排水系统采用雨污分流制，工业废水和生活污水量为1:4，工业废水主要来源于造纸、化工、印染、纺织、食品加工、橡胶、热电等企业，建成的胶南污水处理系统设计处理规模为60000m3/d，占地面积为76.7km2，全部为盐碱荒滩。经过对运行情况的分析发现，各项指标均达到甚至优于国家标准（表2）。

表2　预处理后芦苇湿地进、出水指标mg/L

4　结语

人工湿地系统具有自然湿地系统所具有的各种生态系统功能[3]。人工湿地系统在河流污水处理中的众多成功案例表明，人工湿地系统在河流污水处理领域具有良好的应用前景。人工湿地处理系统具有污水处理效果好、操作简单易管理、投资少见效快，后期维护和运行费用低，节能环保等优势。随着人工湿地系统在河流污染治理中得到的广泛应用，对其研究也日渐成为热门。下一步，除了对现有人工湿地系统研究以进一步改良和优化工程设计参数之外，也尽可能地模仿自然湿地，着重对水生植物的生理生态、种类筛选以及有毒有害污染废水净化等方面进行研究。

[1]张丹,高丽双.人工湿地系统在我国河流流域治理中的应用[J].中国资源综合利用,2014,32（2）：56-58.

[2]王久贤.白泥坑人工湿地水力学计算研究[J].广东水利水电, 1997（6）：50-52.

[3]高侃，范旭.人工湿地污水处理技术的应用现状与前景展望[J].吉林林业科技,2014,43（3）：38-41.

王晓（1982—），男，汉族，山东烟台人，本科，工程师，主要从事河流生态治理研究。