人工濕地污水處理技術研究進展
濕地是地球上水陸生態系統中獨特的、重要的生物生存環境和最富生物多樣性的自然生態景觀之一。它在抵御洪水、調節徑流、改善氣候、控制污染、美化環境和維護區域生態平衡等方面具有非常重要的作用，被譽為“自然之腎”。
1 國內外研究現狀概述
1953 年，德國Max Planck 研究所的Dr.Kathe Seidel 博士在研究中發現蘆葦能夠去除污水中大量的有機和無機物質，隨后開發出Max—Planck Institute Process 系統。1977 年由Kickuth 提出了“根區法”(采用栽種蘆葦的水平潛流濕地使有機物降解，硝化反硝化去除N，沉淀去除P)，標志著人工濕地污水處理機理的初步萌芽。與此同時，美國的國家空間技術實驗室研究開發了“厭氧微生物和蘆葦處理污水”復合系統。此后，人工濕地處理污水技術不斷完善，并于20 世紀80，90 年代在歐洲、美國、加拿大、日本等地得到了廣泛的應用。
按照工程設計和水體流態的差異，人工濕地污水處理系統可以分為表面流濕地、水平潛流濕地和垂直流濕地3 種主要類型，各類型在運行、控制等方面的諸多特征存在著一定的差異。其中，表面流濕地不需要砂礫等物質作填料，造價較低，但水力負荷較低，該類型在美國、加拿大、新西蘭、瑞典等國有較多分布。水平潛流濕地的保濕性較好，對有機物和重金屬等去除效果好，受季節影響小，目前在歐洲、日本應用較多。垂直流濕地綜合了前兩者的特點，但其建造要求較高，至今尚未廣泛使用。早期的人工濕地主要用于處理城市生活污水或二級污水處理廠出水，目前已被國內外許多學者或工程技術人員，經過工藝改進或者與其他系統進行組合后用于農業面源污染、城市或公路徑流等非點源污染的治理[2]。此外，最近發達國家已經將重點轉移到利用人工濕地處理特殊工業廢水方面。將人工濕地用于處理特殊工業廢水，這是人工濕地未來發展的一個新特點和趨向[3]。
我國進行濕地處理系統研究較晚，在“七五”期間才開始了人工濕地研究工作，仍處于起步階段。目前人工濕地的研究和應用正方興未艾。繼天津市環保所建成的我國第一個蘆葦濕地工程之后，1989 年于北京昌平區、1990 年于深圳白泥坑等地建成了濕地處理系統示范工程，效果良好（BOD去除率90%，COD去除率80.47%，SS去除率93%）[4]。1990 年，國家環保局華南環保所與深圳東深供水局建立了人工濕地示范工程，處理規模為3 100m3/d，其出水達到了二級處理水平。1999 年，漳州市天寶造紙廠因地制宜，利用荒廢的低洼地建造小型水葫蘆—水草人工濕地，進行廠外廢水治理，處理后出水灌溉香蕉園，實現了廢水不外排，具有農業生態特征的廢水治理模式，為我國鄉鎮造紙企業廢水治理提供了有益的參考。2002 年，日處理污水50 000 m3 的人工濕地污水處理廠在江蘇泅洪縣竣工,深圳市、沈陽市、上海市也在開展積極的設計、規劃工作。
2 研究內容
2.1 人工濕地污染物的去除機理
人工濕地污染物的去除機理研究仍處于起步階段，人工濕地污水處理普遍認同的機理是硝化反硝化去除N，沉淀去除P 的概括性描述，進一步研究難度很大，因為涉及到生物、物理、化學等多個學科，而且難以從微觀角度定量化。
去除機理主要包括微生物、植物、土壤對污染物的去除機理。人工濕地有機物降解的基礎機制是微生物的硝化和反硝化活動，豐富的微生物資源為濕地污水處理系統提供了足夠的分解者。濕地植物對氮的去除主要通過以下途徑：氨的揮發作用、NH4+的陽離子交換作用、吸收、硝化和反硝化作用等。濕地植物對磷化物的處理除作為營養成分吸收外，還可以通過在苗床基質中的吸附、絡合和沉淀反應來去除。濕地土壤對有毒物質的“凈化”機理，主要是通過沉淀作用、吸附與吸收作用、離子交換作用、氧化還原作用和代謝分解作用等途徑實現的。
2.2 人工濕地處理污水的效率
1）對有機物的去除效率。綜合國內外有關學者對人工濕地凈化城市污水的研究數據，在進水濃度較低的情況下，人工濕地對BOD5 的去除率可達85%～95%，對COD 的去除率可達80%，處理出水BOD5 的濃度在10 mg/L 左右，SS 小于20mg/L[5]。
2）對氮的去除效率。廢水中的氮以無機氮和有機氮兩種形式存在，無機氮可以被人工濕地中的植物吸收，合成植物蛋白質，植物的收割對濕地系統除氮有直接貢獻，但這一部分氮僅占總氮量的8%～16%。微生物的硝化和反硝化作用在氮的去除中起著重要作用。目前人工濕地系統TN 去除率不高的主要原因是硝化-反硝化途徑不暢通，提高氮的去除率最重要的是提高濕地系統中的硝化作用強度。還有研究發現，人為提高濕地中BOD與NO3-N 之比（如添加秸稈或甲醇），氮的去除率會大幅度提高，能從30%左右上升至80%～90%，原因是BOD∶NO3-N 的比值太低時不利于反硝化作用的進行，當比值上升到2.3 時，反硝化率達到最大值。
3)對磷的去除效率。在人工濕地中磷主要是通過基質的吸附、絡合及與Ca，Al，Fe 和土壤顆粒的沉淀反應及泥炭累積，植物的吸收，微生物去除等作用而去除。據資料顯示，人工濕地對各種類型污水中的TP 的去除率為47.0%～97.2%[6]。
2.3 影響人工濕地處理效率的因素
1）人工濕地的類型。人工濕地的類型不同對不同污染物的去除效率也有差異。水平潛流濕地對BOD，COD 等有機物和重金屬的去除效果較好，垂直流濕地對氮、磷的去除效果較好，表面流型濕地的處理效果一般。但如果將表面流型與潛流型、表面流型與垂直流型結合起來的復合濕地，去污效率會進一步提高[7]。
2）濕地植物種類。一般來說，植物的生物量較大、根系比較發達、根系的輸氧能力比較強的話，其凈化能力就比較強[7]。其次，不同的植物對污染物的去除速率也不相同，日本學者對不同的植物去除氮和磷的速率進行了研究。
3）基質類型。一般來說，含有機質豐富的基質有助于吸附各種污染物；土壤基質的去污能力不如礫石基質[3]；含CaCO3較多的石灰石基質可以有效地去除磷，沸石-石灰石組合的基質可以有效地去除TN，TP [6]；煤渣-草炭基質對磷具有較強的吸附能力，在不種植濕地植物的情況下對TP 的去除率可達到77.6%～85.0%，可以作為垂直流人工濕地系統的特殊基質；花崗巖-粘性土壤基質能高效地去除污水中的磷，對TP 的去除能力可達90%[5]。
4）濕地中微生物種類和數量。廢水中各類污染物的去除與濕地系統中生長的微生物種類和數量有關，相關系數的大小可以反映某一類微生物對某一類污染物的去除能力。不同微生物與BOD和COD 的去除率之間均有明顯的相關性，說明人工濕地微生物系統對BOD 和COD 去除率的貢獻；廢水中NH4-N 的去除與硝化細菌和反硝化細菌都有明顯的相關性，說明硝化和反硝化作用是人工濕地系統去除氮的主要方式；廢水中磷的去除與濕地中的各類微生物均不具有明顯的相關性，這說明微生物不是人工濕地系統中去除的磷主要因素；廢水中總大腸桿菌的去除與放線菌和原生動物的數量有明顯的相關性，這說明人工濕地系統中的放線菌和原生動物是去除大腸桿菌的主要作用者[6]。
5）環境因子的影響與管理措施。溫度、水力停留時間、水力負荷、濕地的運行管理等均會對人工濕地的去污效果產生影響。水溫在20～25 ℃時生物去污的效果最好，低于10 ℃時，處理效果會明顯下降。因此，夏天的處理效果會好于冬天[9]。有研究表明，細菌的反硝化作用受溫度影響，在10～30℃范圍內，高溫有利于反硝化。但溫度高于30 ℃，則會對硝化反硝化過程產生抑制作用[7]。也有研究發現，當濕地運作一段時間（如3 年）后，去污效果基本不再受環境因子（如溫度、污水流量等）影響。
3 人工濕地污水處理技術研究展望
1）進一步加強人工濕地處理污水機理的研究。人工濕地處理污水的機理非常復雜，設計的范圍也很廣。目前，雖然有些機理研究已經得到初步的認可，但仍然存在很多問題需要進一步研究，如污水中的有機污染物、無機污染物、金屬污染物的去除過程與機理；根際微生態系統的綜合作用；有機物、無機化合物和金屬離子在濕地系統內的相互作用及其對植物、微生物和土壤的影響等[9]。
2）人工濕地處理農村污水示范研究。人工濕地在解決我國農業面源污染和農村生活污水方面具有獨特的優勢，應加大人工濕地處理農村污水示范研究，探討適合我國國情的農村污水處理方式，并通過集成示范，查找技術中存在的問題，為進一步大范圍推廣打下良好的基礎，
3）濕地系統優化運用研究。①加強濕地植物的篩選工作，選擇一些耐污能力強，去污效果好的濕地植物，同時加強多種植物的合理搭配的研究。
②重點研究在提高人工濕地氧化硝化能力的同時如何提高其反硝化能力，解決硝態氮的高效去除問題。③填料的類型直接影響濕地系統的凈化能力，尤其是對磷的去除。加強填料的篩選和如何防止填料堵塞，是今后應該優先考慮的工作。
4 結語
人工濕地系統是一個完整的人造生態系統，它形成了良好的生態循環，不僅具有較好的污水凈化效果，而且具有較好的生態和經濟效益。目前發達國家已用人工濕地處理各種類型的廢水，發展中國家發展也應大力發展人工濕地技術，在我國該項技術將會得到越來越廣的應用。
［參考文獻］
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［5］姜翠玲，崔廣柏.濕地對農業非點源污染的去除效應［J］.農業環境保護，2004，21（5）：471-473.
［6］Batty LC，Atkin L，ManningDA. Assessment of the ecological potential of mine-water treatment wetlands using a baseline survey of macroinvertebrate communities［J］. Environmental Pollution，2005，138：412-419.
［7］白曉慧，王寶貞，余敏.等.人工濕地污水處理技術及其發展利用［J］. 哈爾濱建筑大學學報，1999，32（6）：88-92.
［8］彭超英，朱國洪，尹國.等.人工濕地處理污水的研究［J］. 重慶環境科學，2000，22（6）：43-45.
［9］徐麗花，周琪.不同填料人工濕地處理系統的凈化能力研究［J］.上海環境科學，2002，21（10）：603-605.
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