赵艳锋¹  朱 琨¹  李伟玲²

（1.兰州交通大学  环境与市政工程学院，兰州  730070）

（2.河海大学  水资源环境学院，南京  210098）

摘要：文章主要介绍人工湿地的特点和处理废水的机理，包括人工湿地的类型、构建方式、净化机理与工艺流程等。通过分析人工湿地的应用实例，总结出人工湿地处理废水具有应用广泛、投资低廉、综合效益高的重要特点，在提出目前人工湿地存在的主要问题基础上讨论了现阶段人工湿地的研究状况和应用前景。

关键词：人工湿地，废水处理，净化机理，工艺流程

Principle and Related Efficiencies of Constructed Wetland for

Wastewater Treatment 

Zhao Yanfeng¹, Zhu Kun¹, Li Weiling²

(1. College of Environmental & Municipal Engineering  Lanzhou Jiaotong University,

Lanzhou 730070, Gansu, China);

(2. College of Water Resources & Environment  Hohai University ,

Nanjing 210098, Jiangsu, China)

Abstract: The paper summarizes the principle of wastewater treatment by using constructed wetland and introduces the relevant characteristics including the type and categories of constructed wetlands, constructional methods, cleanup mechanisms and technical flowchart etc. Through analyzing the characteristics of different style wetlands and application samples, the treatment efficiencies and existing problems of different style wetlands are compared, based on which the current researches and development situations of constructed wetlands are discussed, in meanwhile their prosperous utilization are forecast too.  

Keywords: constructed wetland, wastewater treatment, cleanup mechanism, technical flowchart

 

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作者简介：赵艳锋，(1980- ),男，山西临汾人，兰州交通大学环境工程系研究生，主要从事水污染控制方面研究

1   前言

目前，绝大部分城市污水处理厂所采用的传统二级活性污泥法处理工艺，虽然已经比较成熟，但仍然存在诸多问题，如工程投资高、能耗高、运转管理要求高以及处理效果受进水水质和水量波动影响大等；且受处理工艺的限制，对氮、磷等营养物质的去除也微乎其微，用这种水作为水体的补充水，水体富营养化无法解决，水华现象时有发生。随着我国城镇化进程的不断加速以及房地产业、旅游业的蓬勃发展，在很多人口不太密集的地区兴建了一批旅游点、疗养院和生活小区。这些特定功能的人口居住区在解决了供水的同时，并没有建设相应的下水系统与城市市政管网连接，因此对于这些分散广泛的点状污水源，不适合用常规的污水处理方法。起源于上世纪七十年代的人工湿地处理污水技术，是一种天然净化与人工处理相结合的复合工艺，不但能够直接处理污水，还可以对二级污水处理厂处理后的污水进行再处理或深度处理，而且能够根据污水量的大小采取合适的规模与之适应，因此该技术的发展为综合解决上述问题提供了新选择。

2   人工湿地生态系统处理废水的原理

2.1人工湿地的构建

湿地作为地球上具有多种功能的生态系统，可以沉淀、吸收和降解有毒物质，使潜在的污染物转化为资源，因而被誉为“地球之肾” [1]。 人们正是认识到湿地的作用，才根据不同污染物类型以及当地自然条件，有目的地构建起不同类型的人工湿地，模拟自然生态系统的运作机理，对各类污水加以有效处理。

人工湿地是一种由人工建造和监督控制的，与沼泽地类似的地面[2]。把选定的填料如砂砾等，按一定的坡度填在一定长宽比及底面坡降的浅池内或低洼地中，在填料表层土壤中种植一些处理性能好、成活率高、生长周期长、根系发达、美观及具有经济价值的水生植物，如：水葫芦、菹草、芦苇等，构成一种独特的“土壤—植物—微生物” 湿地生态系统[3]。其主要设计参数包括：污水类型、水流负荷、渗滤介质、滞水深度和时间、流路的可控性、植物类型及管理模式等。

2.2人工湿地的类型

人工湿地在废水处理中，主要应用两种类型，即地表流人工湿地和渗漏人工湿地。前者是废水水平流动，通过湿地而沉淀净化，后者是废水垂直流入，经渗透沉积后排水去除，它们具有不同的作用，可以根据需要选择。

目前，美国、澳大利亚、日本、英国、荷兰、德国等国家已广泛应用地表流人工湿地来处理废水[4]。废水从它表面流过，一般有一个或几个填料床组成，床底填有基质，并有防漏层来阻止废水渗入地下而污染地下水，在系统中种植一些水生植物如水葫芦、芦苇、菹草等。废水经常同表层水流相混合，在湿地内流动，持续时间一般为10天左右，这种类型的湿地对生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、悬浮物等指标的去除率高于渗漏人工湿地。渗漏人工湿地使污水从湿地表面纵向流入填料床的底部，床体处于不饱和状态，溶解氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统。渗漏人工湿地又可分为垂直潜流人工湿地和水平潜流湿地，可使氨氮含量较高的污水得到处理，但其缺点是对有机物的去除能力不如地表流人工湿地。

2.3人工湿地的净化机理与工艺流程

人工湿地对废水的净化处理包括了物理、化学和生物三种作用。湿地系统在运转时，填料表面和植物根系由于大量微生物的生长而形成生物膜[2]。废水流经生物膜会使大量的SS被填料和植物根系阻挡截留；有机污染物也通过生物膜的吸收、同化及异化作用而被去除。湿地床系统中因植物根系对溶解氧的传递释放，使其周围环境中依次呈现出好氧、缺氧和厌氧状态，保证了废水中氮、磷不仅能被植物和微生物作为营养成分而直接吸收，而且还可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用将其从废水中去除。污染物最终通过湿地床填料的定期更换或收割栽种的植物从系统中去除，人工湿地中各种物质的迁移和转化过程如图1所示。

图1  人工湿地中各种物质的迁移和转化过程

Fig.1 The transfer process of substances in constructed wetland

常用的人工湿地工艺流程有四种形式：推流式、阶梯进水式、回流式和综合式，流程形式如图2所示。人工湿地的具体运行方式可根据其处理规模的大小进行多种方式的组合，一般可以有单一式、并联式、串联式和综合式等。

图2  人工湿地的基本流程

Fig.2 The basic flowchart of constructed wetland

3   人工湿地在废水处理中的应用

3.1人工湿地的应用实例

人工湿地是近三十年来发展起来的一种废水处理新技术[5]，1974年在前西德首先建造第一例人工湿地，从此这项技术在美国、加拿大及欧洲一些发达国家得到迅速发展。目前，仅在美国就约有600多座人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水[6]，在丹麦、德国、英国每个国家也都至少有200个地下潜流湿地系统在运行，新西兰也有80多个人工湿地系统被投入使用[7]。我国人工湿地的研究起步较晚，于1990年7月在深圳建起我国第一个人工湿地污水处理工程白泥坑人工湿地污水处理系统。

(1)普莱多除氮人工湿地(River Road Nitrate removal wetlands)：普莱多除氮人工湿地位于加利福尼亚里弗赛德县，占地940hm2。该湿地的目标是完成对圣安娜河的净化，并改善濒危植物（如捕蝇草）的生活环境[8]。就目前运行来看，普莱多除氮人工湿地具有很高的脱氮效率，一个月可以去除大约2×104kg的硝酸盐，并且在夏季能把河水硝酸盐浓度从10mg/L降低到1mg/L以下。

(2)美国加州圣乔治人工湿地(San Joaquin Marsh, California)：该湿地于1995年开始设计，1997年夏季完成，占地27hm2, 日处理废水34.1万m3。湿地的主要目的是用于移除夏季和冬季产生的硝酸盐。夏季的硝酸盐移除目的在于降低纽波特湾的富营养化，冬季的硝酸盐移除目的在于降低圣迭戈和纽波特湾的硝酸盐含量。本项工程获得奥林奇国家工程奖。

(3) 美国加州罗迪特纳道葡萄酒酿造厂湿地（Turner Road Vintners Winery, Lodi, California ）：该湿地开始设计于1997年，完成于1998年，占地5.3hm2, 日处理废水2.73万m3。湿地的目的是用于去除一般的污染物并同时作为葡萄酒酿造厂的污水处理设施。

(4) 美国圣弗朗西斯科拉斯加林斯河谷湿地（Las Gallinas Valley Sanitary）：占地243hm2。该湿地的侧重点是去除重金属，尤其是稳定的金属硫化物：汞、铜、镉、铬、铅和锌。其目标是将一个滴滤系统中硝化渠里面的污染物去除。另外进一步设计了两个湿地：其中一个用于处理未经处理过的污水，并且附加了一个水池，这样它可以为季节性迁徙鸟类提供栖息地。另外一块湿地计划用于在暴雨出现的情况下去除小溪中可能的汞污染，以弥补植物不能吸收的那一部分。

(5) 澳大利亚西澳州珀斯埃伦河湿地（Ellen Brook Wetlands, Perth，Western Australia）：位于澳大利亚珀斯市，占地4hm2。该湿地设计用来去除来自农业和野生动物栖息地的富营养化物质，将保护珀斯市河口下游地区，避免出现富营养化，鱼死亡和恶臭。

(6)深圳市最初建造了占地面积12.6hm2的白泥坑人工湿地，处理规模为3100m3/d。而后洪湖公园的人工湿地，被国家环保总局列为2002年12项国家重点环境保护实用技术示范工程之一。目前，深圳已在观澜湖、沙田、布吉、龙岗新建了几个人工湿地，并设计了更大规模的人工湿地，包括洪湖二期、甘坑、石岩等数个项目。随着这些工程完工，深圳人工湿地处理污水总能力达42000m3/d[9]。

(7)北京市丰台区在水衙沟二期治理工程，拟在万丰路西侧建两个人工湖，水面3.5hm2。同时，一个5000m2人工湿地也将建成，这将是京城南部首个人工湿地景观。鉴于云南澄江县抚仙湖人工湿地净化技术试验工程取得明显成效，该省将在九大高原湖泊大力推广人工湿地技术。成都市有关部门也拟投资2000万元在凤凰河建设全国最大治污湿地。

3.2人工湿地的应用特点及优越性

人工湿地之所以被广泛地应用于废水处理，主要有三个原因：

(1)适用面非常广泛。人工湿地利用“土壤—植物—微生物”这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、微生物同化分解和植物吸收等途径去除废水中的悬浮物、有机物、氮、磷和重金属等[10]。因此，人工湿地不仅可以用于以脱氮除磷为主要目的的三级处理，还可以直接用于污水的二级处理;不仅可以处理以耗氧有机物和N, P等营养物为主的生活污水，而且可以处理以耗氧有机物、重金属和油类为主的工业废水不仅可以应用于集中点源的治理，还被国内外许多研究人员或工程技术人员经过工艺改造后用于农业面源污染[11]、城市或公路径流等非点源污染的治理。对于稳定运行的人工湿地，各污染物主要净化方式如表1所示[12]。

表1 人工湿地的净化方式

Table.1 The way of constructed wetland for wastewater treatment

机理	SS	BOD5	CODcr	DOC	N	P	重金属	病原微生物
物理沉降	▲	△	△	○	△	△	△	△
基质过滤	▲	●	○	○	○	▲	○	▲
基质吸附	●	○	○	○	○	▲	○	○
共沉淀	○	○	○	○	○	▲	▲	○
化学吸附	○	○	●	○	○	△	▲	○
化学分解	○	△	▲	△	○	○	○	▲
微生物代谢	▲	▲	▲	▲	▲	▲	○	○
植物代谢	○	○	●	○	△	△	○	●
植物吸收	○	○	●	○	●	●	●	○
自然死亡	○	○	○	○	○	○	○	▲
自然挥发	○	○	○	▲	△	○	○	○

注：▲最主要作用，●主要作用，△次要作用，○作用很小或无作用

(2)投资、运行费用低。“人工湿地日益受到青睐的一个关键原因，是因为它大大降低了城市污水处理成本”，它具有投资低、耗能少、操作简单、运行成本低廉的特点， “从运营成本和建设投入看，人工湿地可解决治污资金的不足问题” [9] 。深圳白泥坑人工湿地与其它工艺的经济效益比较见表2。

以表可见, 人工湿地单位污水投资额不足一般工艺的1/ 4 ,运行费用小于传统活性污泥地的10%。实践证明，低投资、低运行费用和低维护技术将使广大中小城镇采用人工湿地处理污水成为可能。

表2  人工湿地与其它工艺比较表

Table.2 Comparison between constructed wetland and other crafts

工程名称	处理方式	总投资(万元)	单位污水投资(元/ m3)	年运行费用(万元)	处理成本(元/m3)	年耗电(万度)	吨水耗电(度/t)	单位污水用地(m2/ m3)
深圳某污水厂	鼓风曝气	3300	660	＞100	0.20	319	0.175	2.7
珠海某污水厂	鼓风曝气	1500	833	＞100	0.20	420	0.60	1.2
海南某污水厂	氧化沟	547	574	36.5	0.20	102.4	0.28	1.2
白泥坑人工湿地	人工湿地	49.8	138	2.0	0.02	0	0	2.8

 (3)综合效益高。它作为一个生态系统，能维持生物多样性及构成景观的一部分，在去除污染物的同时，还可直接和间接提供水产、畜产、造纸原料、建材、娱乐和教育等效益，真正实现生态效益、环境效益、社会效益和经济效益的协调统一[13]。

3.3人工湿地处理废水的效果与局限性

随着研究的发展，对湿地去污能力的研究不再停留在定性上，而是更注重定量的研究。表3中列出了国内外一些人工湿地处理废水的效果[14]。

表3  国内外人工湿地处理废水的效果

Table.3 Efficiencies of domestic and international constructed wetland for wastewater treatment

废水类别	国别（地区）	流量（m3/d）	面积（m2）	主要污染物去除率%
				BOD5	CODcr	TN	TP
市政污水	美国	5564	18468	75	35	—	—
市政污水	美国	3710	90000	86	—	67	—
肉类加工废水	新西兰	0.6	54	—	70	30	25
牛奶加工废水	加拿大	0.7	57.6	—	＞85	—	＞50
UASB出水	巴西	6.0	40	—	＞80	＞55	＞50
市政污水	深圳洪湖	1000	2000	85.8	82.6	—	82.6
稠油采出水	辽河油田	54	2700	＞80	＞75	＞70	—
东胡湖水	中科院水生所	64.8	81	76.7	66.1	—	76.7
城市河水	成都活水公园	—	2400	＞85	＞85	＞90	＞90
市政污水	云南楚雄	100	210	91.0	84.9	—	87.1

从表中可以看出，人工湿地对各种类型废水均具有良好的处理效果。

国外通过对100多个废水处理型湿地的调查研究建立（Knight et al.,1992）的一个反映湿地去污能力的重要数据库是北美数据库NADB（North American Data Base）[15]。该数据库说明湿地对BOD、COD的去除率可达80～90%。对氮、磷的去除率，NADB数据显示值要稍低于一般实验室内测试的60%和90%[2]。有关人员对我国江苏新沂河污染河水进行人工湿地废水处理的试验结果显示，在我国冬季寒冷地区，人工湿地对污染河水COD、NH4-N和色度三项污染指标的平均去除率可以达到50.96%, 89.72%和71.87%[14]。

从实践的角度来说，人工湿地的去污能力会更强。因为它们的目的性更明确，而且可在最大程度上受人为控制。在欧洲和美国，凡是投入运行并达到成熟的人工湿地，尾水基本上都能达到排放标准。

虽然人工湿地对废水具有良好的处理效果，但是目前也存在一些未被克服的人工湿地生态系统处理废水技术发展的制约因素。首先人工湿地对磷的去除还存在争议，虽然在实验状态下可得到高效去除，可是实际运行起来磷的去除往往不能达到预想的效果，在出水中磷的含量甚至还会升高。造成这种情况的原因还不完全清楚,但可能与水流过慢根部区氧气量减少有关[16]。其次是人工湿地受环境条件，特别是区域地理和气候条件的限制比常规污水处理厂要大的多，夏季暴雨和冬季干冷都有可能对湿地造成致命破坏。最后湿地系统的寿命可能要比传统的污水处理厂短很多。因为湿地积累的悬浮固体往往使填料堵塞，从而逐步减少其处理能力，缩短了湿地的使用寿命。据估计，一般人工湿地处理废水的寿命可限于15~20年，这比常规污水处理设备的寿命要低的多[17]。

4   人工湿地的发展前景与展望

从人工湿地成功的应用实例可以看出，它是一种正在得到不断研究、应用和发展之中的废水处理实用新技术。但是由于人工湿地处理技术涉及机理的复杂性和涉及领域的广泛性，虽然有些机理研究己经得到初步的认可，但仍有许多问题需要进一步的研究。目前，各种污染物的去除反应动力学模型仍未完整地被建立起来，现有的模型基本为一些经验模型，限制了该技术更为广泛的应用。因此当前专业人士在投入大量精力进一步研究人工湿地污水处理机理的同时都在加强改良人工湿地技术，将一些传统污水处理技术引入人工湿地。如北美湿地工程公司(NAWE)借鉴污泥回流技术和鼓风曝气开发了循环流湿地工艺(US Patent 5,863,433)和通风强化床工艺(US Patent6,200,469)。这些工艺目前已被成功应用于数年前被认为气候太冷和污水浓度太高，而不适宜采用人工湿地处理污水的地区[18]。

美国EPA在大量成功试验和应用实例的基础上已经出版发行了一些有关湿地的设计导则和指南[19]，但国内对这项技术的研究以及有关工艺设计的资料和应用实例还比较少，因此必须借鉴国外的先进经验，根据我国不同地理地区的具体情况，深入地开展这方面的研究工作，取得适合于不同地区不同环境气候条件及不同废水特性的实用参数，不断更新和完善人工湿地和水体生态修复技术，克服其制约因素，以促进该技术在我国的广泛应用。

 

参考文献

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