摘要:人工濕地污水處理是由相互關(guān)聯(lián)的基質(zhì)、植物和微生物通過(guò)物理、化學(xué)、生物過(guò)程的協(xié)同作用完成的，它只需要投入極少的人力和能源，就可以去除有機(jī)污染物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、固體懸浮物、重金屬物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生活污水、面源污染徑流、農(nóng)田廢水、二級(jí)污水處理廠出水、河道末端水進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定的凈化處理。目前，該工藝在鄭州和成都得到了應(yīng)用，均取得了很好的效果，然而人工濕地在城市水污染治理中還存在有機(jī)質(zhì)積累、占地面積大、受季節(jié)影響等問(wèn)題。人工濕地是耐用而高效的系統(tǒng)，不斷完善人工濕地的設(shè)計(jì)、性能、操作及維護(hù)，將能夠更有效地改善水質(zhì)。

關(guān)鍵詞: 污水處理; 人工濕地; 生物凈化; 城市環(huán)境水利

相比工業(yè)污水，城市水污染一般污染物濃度低、水量大，不宜采用常規(guī)的污水二級(jí)處理方法，而適于采用人工濕地等生態(tài)凈化處理方法。人工濕地是20 世紀(jì)70 年代發(fā)展起來(lái)的一種新興污水處理技術(shù)，它將污水、污泥有控制地投配到人工建造的濕地上，在土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用下，對(duì)污水、污泥進(jìn)行處理［1］。目前，一般所指的人工濕地都是挺水植物系統(tǒng)，根據(jù)污水在濕地中流動(dòng)的方式可分為表面流人工濕地、潛流人工濕地、垂直流人工濕地，其中:表面流人工濕地與自然濕地最為接近，投資較低，但占地面積大、處理能力低，一般情況下難以被采用; 潛流人工濕地占地面積約為表面流人工濕地的15%，且保溫性能好、處理效果受氣候影響小，是目前研究和應(yīng)用較多的一種人工濕地處理系統(tǒng);垂直流人工濕地對(duì)基建要求較高，衛(wèi)生條件差，目前研究和應(yīng)用成果還不多。筆者基于表面流人工濕地和潛流人工濕地的凈化機(jī)理，分析了人工濕地在城市水污染治理中的應(yīng)用案例、存在問(wèn)題和發(fā)展前景。

1 人工濕地的凈化機(jī)理

人工濕地只需要投入極少的人力和能源，就可以去除有機(jī)污染物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、固體懸浮物、重金屬物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生活污水、面源污染徑流、農(nóng)田廢水、二級(jí)污水處理廠出水、河道末端水進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定的凈化處理。人工濕地污水處理是由相互關(guān)聯(lián)的基質(zhì)、植物和微生物通過(guò)物理、化學(xué)、生物過(guò)程的協(xié)同作用完成的，其效果受到上述因素及其相互作用的直接或間接影響。

1．1 去除有機(jī)污染物

人工濕地對(duì)有機(jī)污染物具有較強(qiáng)的去除能力，不溶性有機(jī)物通過(guò)在濕地基質(zhì)中的沉積等可以很快被截留，進(jìn)而被微生物分解、利用，可溶性有機(jī)物則通過(guò)植物根系生物膜的吸附、吸收及厭氧、好氧生物代謝降解被分解和去除［2 － 3］。植物根系對(duì)氧的傳遞釋放，不僅可使污染物被植物、微生物吸附，還可以通過(guò)硝化、反硝化和累積、降解、結(jié)合、吸附等作用顯著提高污染物的去除率。

(1) 表面人工流濕地的BOD5 去除機(jī)理。在表面流濕地系統(tǒng)中，BOD5 的去除主要是由吸附在植物根、莖以及落入水中的葉子上的微生物完成的。對(duì)于低中度有機(jī)污染負(fù)荷，表面流人工濕地系統(tǒng)設(shè)計(jì)水深應(yīng)小于600 mm，以確保有足夠的氧氣分布。表面流濕地系統(tǒng)去除BOD5 的一階模型為

Ce /Co = Aexp(-0．7KtAv1．75 LWdn /Q)

式中: Ce 為濕地出水BOD5 質(zhì)量濃度，mg /L; Co 為進(jìn)入濕地污水BOD5 質(zhì)量濃度，mg /L; A 為濕地系統(tǒng)中距離入口處較近的未被除去的BOD5 的百分比; Kt 為一級(jí)反應(yīng)的溫度，℃; Av 為單位體積微生物活動(dòng)的表面積，m2 /m3 ; L 為濕地長(zhǎng)度，m; W 為濕地寬度，m; d 為濕地深度，m; n 為濕地孔隙度，%; Q 為平均水力負(fù)荷，m/d。

(2) 潛流人工濕地的BOD5 去除機(jī)理。在大多情況下，潛流濕地系統(tǒng)很少有直接的大氣復(fù)氧，為了保持流動(dòng)床表面以下的氧氣含量，需要對(duì)植物進(jìn)行選擇。潛流濕地系統(tǒng)去除BOD5可采用一階推流反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程來(lái)估計(jì)所需的表面積，計(jì)算公式為

Ce /Co = exp(-Ktt)

As = Q(ln Co-ln Ce ) / (Ktdn)

式中: t 為水力停留時(shí)間，d; As 為濕地的表面積，m2。

1．2 脫氮作用

在人工濕地中，氮主要是通過(guò)微生物的硝化和反硝化作用、植物的脫氮作用、氨氮的揮發(fā)、基質(zhì)的吸附和過(guò)濾等過(guò)程被去除的［4］?；|(zhì)對(duì)氮的去除不具有持續(xù)性，其僅為微生物同化、降解和植物吸收提供中介，氨氮的揮發(fā)即使在夏季也相當(dāng)微弱，因此濕地植物和微生物作用是脫氮的主要機(jī)理。污水中的氮包括無(wú)機(jī)氮和有機(jī)氮，其中: 無(wú)機(jī)氮占總氮的8% ～ 16%，可以被人工濕地中的植物吸收，合成植物蛋白質(zhì)，隨著植物的收割從濕地系統(tǒng)中去除; 有機(jī)氮?jiǎng)t主要依靠微生物的硝化和反硝化作用去除。

1．3 除磷作用

人工濕地的除磷機(jī)理主要包括基質(zhì)對(duì)磷的吸附和沉淀、植物對(duì)磷的吸收、微生物對(duì)磷的同化吸收、無(wú)脊椎動(dòng)物分泌物的除磷作用。除磷效果以基質(zhì)吸附、植物吸收和微生物去除為佳，而磷最終從系統(tǒng)中去除，則依賴(lài)于濕地植物的收割和飽和基質(zhì)的更換［4］。由于流量大，污水和土壤的接觸機(jī)會(huì)很有限，因此許多人工濕地系統(tǒng)的除磷效率不高。有學(xué)者提出選擇適當(dāng)?shù)耐寥?，通過(guò)提高黏土、鐵、鋁含量來(lái)增強(qiáng)除磷效果，然而黏土?xí)绊懪潘芰Γ蚨枰蟮奶幚砻娣e。

1．4 去除懸浮物

表面流人工濕地和潛流人工濕地對(duì)懸浮物都有非常好的處理效果。受到基質(zhì)層填料、植物根系和莖、腐殖層的過(guò)濾和截留，大部分固體懸浮物的去除過(guò)程發(fā)生在距離濕地進(jìn)口5 ～10 m處，去除率的高低取決于污水與植物及填料的接觸程度。在污水管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)控制分散進(jìn)水流量，以防止?jié)竦厍郎嫌喂腆w懸浮物去除效率過(guò)低，發(fā)生厭氧反應(yīng)。如果濕地中的水體沒(méi)有植物對(duì)太陽(yáng)光的遮蔽，藻類(lèi)的生長(zhǎng)可能會(huì)造成出水口附近水體懸浮物增加，影響凈化效果。

1．5 去除重金屬

受污水與植物、填料接觸程度的影響，表面流人工濕地對(duì)重金屬的去除能力有限，而潛流人工濕地的重金屬去除效果則相對(duì)較好。人工濕地的重金屬去除機(jī)理主要包括土壤的固定、去除作用，微生物的吸收、轉(zhuǎn)化作用，植物的存儲(chǔ)、揮發(fā)和根系的固定作用。美國(guó)加州桑迪的人工濕地的水力停留時(shí)間為5．5 d時(shí)，對(duì)重金屬污染物的去除效果較好，其中銅、鋅、鎘的去除率分別達(dá)99%、97%、99%。

2 人工濕地在城市水污染治理中的應(yīng)用案例

2．1 鄭州市CBD 中心湖水凈化處理人工濕地

鄭東新區(qū)CBD 中心湖水凈化處理人工濕地位于鄭東新區(qū)CBD 東西運(yùn)河和南北運(yùn)河交匯處，是龍湖水系的重要組成部分，占地面積約為4 萬(wàn)m2，日處理水量約為1．0 萬(wàn)m3，處理后中心湖水質(zhì)可達(dá)Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

該人工濕地系統(tǒng)主要由中央控制系統(tǒng)、給排水管線和配電系統(tǒng)、溫室、人工濕地四大部分組成。作為發(fā)揮水質(zhì)凈化作用的主體，人工濕地是由4 個(gè)跌水曝氣池、8 塊濕地及連通管線組成的，其中每個(gè)跌水曝氣池供兩塊濕地用水。跌水曝氣池為漿砌卵石結(jié)構(gòu)，分為一級(jí)跌水池、二級(jí)跌水池、三級(jí)跌水池，通過(guò)瀑布式流水的方式為濕地水體進(jìn)行充氧。每塊濕地由一級(jí)生物池、一級(jí)碎石床、二級(jí)生物池和二級(jí)碎石床組成，碎石床內(nèi)和生物池內(nèi)栽種的水生植物包括香蒲、蒼蒲、蘆葦、水竹、水蔥等，這些水生植物能夠吸附水體中的氮、磷元素，既凈化水體又美化環(huán)境。中央控制系統(tǒng)是整個(gè)濕地系統(tǒng)的控制監(jiān)測(cè)中心，設(shè)有水質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)設(shè)備、配電控制系統(tǒng)、濕地監(jiān)視系統(tǒng)和管理人員辦公設(shè)施等。溫室主要用于水生植物過(guò)冬和種苗培育。給排水管線和配電系統(tǒng)是濕地與中心湖之間以及濕地各池之間給水連接、水體循環(huán)等服務(wù)配套設(shè)施。

2．2 成都鳳凰二溝水處理人工濕地

成都鳳凰二溝水處理人工濕地位于成都三環(huán)路外側(cè)、寶成鐵路以東、鐵路西環(huán)線以南，是成都最大的人工治污濕地，也是成都規(guī)劃的一座污水處理廠，周邊正計(jì)劃配置游樂(lè)設(shè)施，目的是建成一個(gè)集休閑、旅游、環(huán)保、教育多功能于一體的生態(tài)樂(lè)園。根據(jù)《成都市市域排水工程體系規(guī)劃》，該人工濕地日處理污水能力為2．4 萬(wàn)m3，將在成都市的排水規(guī)劃中被推廣使用。

集中到鳳凰二溝污水處理人工濕地的污水包括生活污水、工業(yè)污水、畜禽養(yǎng)殖污水。污水經(jīng)過(guò)前處理系統(tǒng)，通過(guò)沉淀、曝氣、快速滲濾等方式進(jìn)行處理后，流入污水處理的核心區(qū)域——人工濕地。該人工濕地共8 個(gè)處理系統(tǒng)，種植的植物包括蘆葦、傘草、水葫蘆、水芹、香蒲、再力花、美人蕉等，每個(gè)系統(tǒng)有4 ～ 5 個(gè)獨(dú)立的種植有不同植物的格子，污水在里面停留一段時(shí)間，再由人工控制流入下一個(gè)格子，可以根據(jù)植物特性完成不同的除污任務(wù)。

3 人工濕地應(yīng)用存在的問(wèn)題和發(fā)展前景

3．1 存在的問(wèn)題

(1) 城市水污染加劇。我國(guó)城市水污染狀況總體呈現(xiàn)出以下幾個(gè)特征: ①污染范圍大，城市周邊的主要河流和水域都受到了不同程度的污染，尤其以納污溝渠污染最為嚴(yán)重; ②多數(shù)水體呈有機(jī)污染特征，主要污染指標(biāo)有COD、BOD5 和氨氮;③近年來(lái)，城市工業(yè)點(diǎn)源污染治理取得了顯著成效，但城市面源污染問(wèn)題逐漸凸顯，治理難度很大; ④工業(yè)用水和生活用水急劇增加，導(dǎo)致城市排污量顯著增加，與之配套的節(jié)水和污水處理設(shè)施建設(shè)明顯滯后?？傮w來(lái)說(shuō)，我國(guó)城市水污染治理面臨著水循環(huán)系統(tǒng)脆弱、水環(huán)境質(zhì)量下降、水功能退化、污水處理設(shè)施不足等問(wèn)題。

(2) 人工濕地自身存在的問(wèn)題。雖然人工濕地處理工藝的出水水質(zhì)能夠滿足城市中水回用的要求，但仍然存在一些問(wèn)題: 有些濕地在運(yùn)行過(guò)程中有機(jī)質(zhì)積累引起填料空隙堵塞，導(dǎo)致處理能力下降; 人工濕地占地面積大，在寸土寸金的城市其發(fā)展受到限制; 植物和有機(jī)物吸收、降解作用呈現(xiàn)一定的季節(jié)變化規(guī)律，冬季污染物的去除效果較差; 人工濕地對(duì)細(xì)菌和病原體的去除效率有待提高。

3．2 應(yīng)用前景

針對(duì)上述問(wèn)題，可對(duì)人工濕地進(jìn)行改進(jìn)。

(1) 有機(jī)質(zhì)積累。出現(xiàn)這種情況的根本原因是有機(jī)質(zhì)負(fù)荷過(guò)高，需要采取措施控制人工濕地負(fù)荷。可以在一定范圍內(nèi)將人工濕地分為兩級(jí): 一級(jí)濕地作為宅前濕地，處理污染程度較輕、COD 負(fù)荷較低的景觀用水等，兼做休閑公園; 二級(jí)濕地作為公共濕地，距建筑物較遠(yuǎn)，可用于處理廚房、廁所排出的生活污水，此類(lèi)污水的污染負(fù)荷較高，需采用化糞池或沼氣池進(jìn)行預(yù)處理，以避免有機(jī)物積累。

(2) 占地面積大。通過(guò)潛流式人工濕地、垂直流人工濕地、人工濕地景觀化等方式，可有效緩解人工濕地占地面積大與城市發(fā)展之間的矛盾。

(3) 季節(jié)影響。有關(guān)研究表明，在氣候寒冷的挪威，有厭氧池進(jìn)行預(yù)處理的人工濕地系統(tǒng)，冬季運(yùn)行效果與其他季節(jié)沒(méi)有明顯不同; 瑞士利用垂直－水平流濕地組合系統(tǒng)處理住宅區(qū)污水，冬季的去除性能也較理想［5］。通過(guò)技術(shù)手段可以克服低溫對(duì)人工濕地處理效果的影響，如在一級(jí)濕地上建造溫室等。

人工濕地的一個(gè)常見(jiàn)應(yīng)用是處理初次或二次生活污水。模仿自然濕地處理生活污水的人工濕地，也可被應(yīng)用于處理農(nóng)業(yè)高負(fù)荷有機(jī)物。許多濕地已經(jīng)建成并用于處理礦井排水，僅在阿帕拉契就有超過(guò)500 個(gè)這樣的濕地系統(tǒng)。利用人工濕地處理雨水是這種工藝近年來(lái)新的應(yīng)用，人工濕地的數(shù)量也在快速增多。

人工濕地是耐用而高效的系統(tǒng)。人工濕地處理污水或雨水是一種低成本、低能耗、低人工干預(yù)的過(guò)程。經(jīng)過(guò)廣泛研究和實(shí)際應(yīng)用，有識(shí)之士正在不斷完善人工濕地的設(shè)計(jì)、性能、操作及維護(hù)，使其能夠更有效地改善水質(zhì)。

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作者簡(jiǎn)介:秦明(1964-) ，男，上海人，高級(jí)工程師，主要從事水利工程建設(shè)管理工作。

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