我國(guó)大部分湖泊水體水質(zhì)下降，生態(tài)系統(tǒng)退化，藍(lán)藻水華頻繁暴發(fā)，湖泊富營(yíng)養(yǎng)化呈現(xiàn)迅猛發(fā)展的趨勢(shì)。國(guó)家環(huán)�？偩�2005年1月地表水水質(zhì)報(bào)告顯示：包括太湖、巢湖、滇池在內(nèi)的我國(guó)大中型湖泊富營(yíng)養(yǎng)化形勢(shì)十分嚴(yán)峻。在湖泊富營(yíng)養(yǎng)化水體的控制措施中，減少外源性污染物質(zhì)尤其是外源性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入湖泊，是控制湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵措施之一。人工濕地技術(shù)是一種控制水體污染的生態(tài)工程措施，對(duì)水體富營(yíng)化的關(guān)鍵因子氮、磷有較好的去除效果，在富營(yíng)養(yǎng)化湖泊外源控制中，有著廣闊的適用前景。

1　人工濕地技術(shù)類型及其去污機(jī)理

1.1　人工濕地技術(shù)及基本類型

人工濕地技術(shù)由天然濕地發(fā)展而來，是由特定的介質(zhì)(按一定比例設(shè)計(jì)的填料，如土壤、砂或礫石等)，特定的植物(去污性能好、成活率高、耐水漬性強(qiáng)、生長(zhǎng)期長(zhǎng)、美觀且有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水生或濕生植物)所組成的復(fù)雜、獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)。它改變了濕地的傳統(tǒng)形態(tài)，通過科學(xué)的設(shè)計(jì)和改造，用自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的凈化。

按污水在人工濕地中流動(dòng)的方式，一般可將人工濕地分為三種類型：表面流濕地(FreeSurfane Wetland，F(xiàn)SW)、潛流濕地(Subsurface Flow Wetland，SFW)和垂直流濕地(Vertical Flow Wetland，VFW)。

1.2　人工濕地去除營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的機(jī)理

人工濕地有著獨(dú)特的吸附、降解去除水中多種污染物的功能。在這一過程中主要包括復(fù)雜界面的過濾過程和生存于其間的多樣性生物群落與其環(huán)境間的相互作用過程。該過程既有物理的作用，也有化學(xué)和生物的作用。物理作用主要是濕地的過濾、沉積和吸附；化學(xué)作用主要是濕地床中礫石一土壤對(duì)金屬離子的化學(xué)沉淀與離子交換；生物作用包括微生物的降解、轉(zhuǎn)化和植物的吸收。

氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度的提高是導(dǎo)致湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵因素。人工濕地系統(tǒng)中氮的去除主要依靠微生物的分解轉(zhuǎn)化作用和植物的吸收同化作用完成的。進(jìn)入濕地系統(tǒng)中的氮主要以有機(jī)氮和氨氮的形式存在。在人工濕地系統(tǒng)內(nèi)，植物光合作用過程中將氧通過植株-根系向濕地床輸送，使得系統(tǒng)內(nèi)部存在許多好氧、缺氧和厭氧微環(huán)境，為微生物的硝化和反硝化作用創(chuàng)造了良好條件。首先，水中的有機(jī)氮被異養(yǎng)微生物(氨化細(xì)菌)轉(zhuǎn)化為氨氮，而后硝化細(xì)菌在好氧環(huán)境下將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮，最后通過反硝化微生物的脫氧作用以及植物根系的吸收作用將無機(jī)氮從水中去除。

人工濕地對(duì)磷的去除作用包括介質(zhì)的吸收和過濾、植物吸收、微生物去除等。無機(jī)磷的吸收和過濾去除作用因濕地床的填料不同而存在差異。植物生長(zhǎng)過程中通過同化作用將無機(jī)磷變成植物體的組成部分，最后通過收割去除。微生物對(duì)磷去除包括對(duì)磷的正常吸收和對(duì)磷的過量積累，不同含氧狀態(tài)的人工濕地根區(qū)類似于污水脫氮除磷系統(tǒng)的A2A2O處理單元，使某些細(xì)菌在厭氧條件下吸收低分子的有機(jī)物(如脂肪酸)，同時(shí)將細(xì)胞原生質(zhì)中聚合磷酸鹽異染粒的磷釋放出來(釋磷)，并提供必需的能量以便它們?cè)诤醚鯒l件下從水中吸收超過其生長(zhǎng)所需的磷(聚磷)，并以聚磷酸鹽的形式成為微生物細(xì)胞的內(nèi)含物而被貯存起來，因此人工濕地有較高的除磷效果。

2　人工濕地技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其在湖泊外源污染控制中的應(yīng)用

2.1　人工濕地技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

人工濕地的起源可追溯到20世紀(jì)50年代。

1953年，德國(guó)學(xué)者首次指出通過種植適當(dāng)?shù)闹参锟梢越档退w污染，其后Seidel博士同Kickuth博士合作，并由Kickuth博士于1972年提出根區(qū)理論，該理論的提出掀起了人工濕地研究與應(yīng)用的熱潮。1974年德國(guó)建成第一個(gè)人工濕地污水處理系統(tǒng)以來，該處理工藝飛速發(fā)展。隨著人們對(duì)它認(rèn)識(shí)的不斷深入，人工濕地技術(shù)也在不斷的發(fā)展與進(jìn)步。

2.1.1　人工濕地技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)展

早期人工濕地主要用于處理城市生活污水或二級(jí)污水廠出水，隨著對(duì)人工濕地技術(shù)的不斷研究和探索，人們逐漸認(rèn)識(shí)到了人工濕地更為廣泛的應(yīng)用前景，人工濕地開始逐漸應(yīng)用于農(nóng)業(yè)面源污染治理、城市或公路徑流等非點(diǎn)源污染治理和湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理中。

2.1.2　人工濕地技術(shù)的改良和創(chuàng)新

早期的人工濕地技術(shù)在功能和應(yīng)用上普遍比較單一，僅作為污水處理工藝的一部分或僅單級(jí)系統(tǒng)對(duì)受污染水體進(jìn)行凈化。隨著對(duì)人工濕地認(rèn)識(shí)的不斷進(jìn)步，目前已有多種功能和類型的人工濕地應(yīng)用于實(shí)踐中，包括流態(tài)的組合和技術(shù)的改良。如中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所的復(fù)合垂直流構(gòu)造濕地系統(tǒng)，采用下行2上行流方式對(duì)污水中有機(jī)物、懸浮物和N，P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行去除，其中試系統(tǒng)對(duì)COD、TSS和BOD的去除率分別為66.1%、72.4%和76.7%；實(shí)際工程對(duì)COD去除率為82.6%，BOD的去除率達(dá)到85.8%；北美濕地工程公司(NAWE)借鑒污泥回流技術(shù)和鼓風(fēng)曝氣開發(fā)了循環(huán)流濕地工藝和通風(fēng)強(qiáng)化床工藝，這些工藝目前已被成功應(yīng)用于氣溫較低和污水濃度較高的人工濕地凈化工藝中。除了對(duì)現(xiàn)有的人工濕地系統(tǒng)進(jìn)行研究以改良和優(yōu)化工程設(shè)計(jì)參數(shù)外，對(duì)系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行能力和管理問題也正在得到深入研究。例如，選擇適當(dāng)操作方式以防止填料的堵塞；選擇新型的填料以確保長(zhǎng)期的除磷效果；選擇新型的水生植物以提高濕地系統(tǒng)的綜合效益等。

2.2　目前我國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化外源控制現(xiàn)狀

絕大多數(shù)水體富營(yíng)養(yǎng)化主要是外界輸入的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在水體中富集造成的，所以控制外源性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，應(yīng)該著重減少或者截?cái)嗤獠繝I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入。有效地控制面源和點(diǎn)源污染是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理的重要前提。

目前我國(guó)污水處理廠主要針對(duì)工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水的點(diǎn)源污染，而且主要控制指標(biāo)為有機(jī)物、重金屬等，對(duì)氮磷的控制效果不理想，出水氮磷含量很難達(dá)標(biāo)。大量氮磷含量較高的處理廠出水直接排入湖泊水體，導(dǎo)致氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)逐漸在湖泊水體中富集。如果在生化處理中加入脫氮除磷工藝削減出水氮磷含量，則投資又相對(duì)較高。采用人工濕地技術(shù)，可以有效緩解目前我國(guó)污水處理廠面臨的氮磷去除方面的壓力。另外在面源控制方面，農(nóng)業(yè)面源污染占湖泊富營(yíng)養(yǎng)化外源輸入的一個(gè)很大的部分，而且由于農(nóng)業(yè)面源污染比較分散，污水量大面廣，一般治理技術(shù)都很難見效，治理難度大。從美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染治理，尤其是目前的發(fā)展趨勢(shì)來看，采用人工濕地、土地處理系統(tǒng)等來進(jìn)行農(nóng)業(yè)面源污染治理居多。

2.3　人工濕地在湖泊外源污染控制中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

人工濕地作為一種獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，以其特有的生態(tài)功能和存在形式及特點(diǎn)，能夠在湖泊點(diǎn)源和面源污染控制方面發(fā)揮巨大的優(yōu)勢(shì)。

2.3.1　點(diǎn)源控制方面

我國(guó)目前城市污水廠主要針對(duì)的是高濃度有機(jī)物、重金屬等廢水的處理，忽視了對(duì)出水氮、磷的控制，導(dǎo)致其出水內(nèi)大量含氮、磷等的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)直接排放進(jìn)入水體，引起氮、磷等在水體內(nèi)的富集，這是造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化重要原因之一。加強(qiáng)點(diǎn)源控制，應(yīng)對(duì)城市污水處理廠的出水該考慮生態(tài)處理，削減出水氮、磷含量。人工濕地技術(shù)易與城市污水處理
工藝相結(jié)合，在削減氮、磷含量的同時(shí)，還可以進(jìn)一步提高出水水質(zhì)，同時(shí)人工濕地的低投資，低運(yùn)行管理費(fèi)用和適應(yīng)性強(qiáng)使之能在點(diǎn)源控制中發(fā)揮重要的作用。

2.3.2　面源控制方面

在我國(guó)目前富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的治理和控制中，農(nóng)業(yè)面源污染已成為一個(gè)亟待解決的問題。農(nóng)業(yè)面源污染分散，污水量大面廣，具有不穩(wěn)定性，農(nóng)村生活污水中氮、磷含量較高，未經(jīng)處理直接排入湖泊水體，造成的污染十分嚴(yán)重，一般的治理技術(shù)難以應(yīng)對(duì)此類型的污染。人工濕地生物和物理作用，適應(yīng)了農(nóng)業(yè)面源不穩(wěn)定特性，而且其本身具有很大的靈活
性，對(duì)面源污染物有較好凈化作用，能夠應(yīng)用于小城鎮(zhèn)的生活污水處理中，大幅度削減農(nóng)業(yè)面源給湖泊水體帶來的負(fù)擔(dān)，目前已有人對(duì)人工濕地在太湖流域小城鎮(zhèn)生活污水治理的可能性進(jìn)行了探討。

在美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家，人工濕地技術(shù)已成功應(yīng)用于農(nóng)業(yè)面源的控制中。對(duì)于地表漫流和暴雨徑流等非點(diǎn)源污染，則可以通過收集，利用人工濕地進(jìn)行凈化。國(guó)外應(yīng)用人工濕地凈化污染水質(zhì)方面已有許多成功的實(shí)例。德國(guó)利用水平流和垂直流濕地蘆葦床系統(tǒng)處理富營(yíng)養(yǎng)化水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(N、P等)，并進(jìn)行比較，結(jié)果表明，超過90%的有機(jī)污染和N、P等污染被去除。美國(guó)田納西州人工濕地系統(tǒng)試驗(yàn)在不同水力負(fù)荷下對(duì)氨氮、總氮的去除規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，二級(jí)系統(tǒng)氨氮去除率較一級(jí)系統(tǒng)高20%～50%，周期性落干可提高氨氮的去除率，水力停留時(shí)間的增長(zhǎng)可以改善總氮的去除效果。加拿大潛流蘆葦床濕地系統(tǒng)在植物生長(zhǎng)旺季中的TN平均去除率為60%，TKN為53%，TP為73%，磷酸鹽平均去除率為94%。英國(guó)蘆葦床垂直流中試系統(tǒng)用于處理高氨氮污水，平均去除率可達(dá)93.4%。

我國(guó)進(jìn)行人工濕地處理系統(tǒng)研究開始于“七五”期間，起步較晚，應(yīng)用也較少，主要有天津蘆葦濕地工程、北京昌平自由表面流人工濕地和深圳白泥坑人工濕地等。“八五”期間我國(guó)進(jìn)行了全國(guó)范圍的土地處理系統(tǒng)研究，但對(duì)人工濕地技術(shù)的研究還相對(duì)落后，應(yīng)用范圍較窄，主要集中在小試和中試規(guī)模的機(jī)理研究上。隨著對(duì)人工濕地技術(shù)認(rèn)識(shí)的不斷進(jìn)步，人工濕地在我國(guó)的應(yīng)用越來越廣泛，目前已有許多人工濕地工程投入運(yùn)行，并達(dá)到了良好的效果。沈陽滿堂河生態(tài)污水處理示范廠采用以人工濕地處理為主，浮動(dòng)生物床預(yù)處理為輔的組合工藝，主要處理污染較重的滿堂河水及沿岸的重點(diǎn)生活污染源排水，其出水水質(zhì)達(dá)到了回用于景觀水體的水質(zhì)要求。

深圳洪湖人工濕地采用復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)，將污染較重的布吉河水通過濕地凈化為洪湖補(bǔ)充清潔水，其出水水質(zhì)參數(shù)中非離子氨和BOD能達(dá)到I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，COD能達(dá)到Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，TN和TP能達(dá)到湖泊水庫(kù)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)；處理出水DO大大增加，各項(xiàng)污染指標(biāo)的去除率均在80%以上。

近年來，我國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化日益嚴(yán)重，人工濕地在富營(yíng)養(yǎng)化外源控制中的作用也逐步受到重視，但利用人工濕地技術(shù)控制湖泊富營(yíng)養(yǎng)化外源污染的研究在我國(guó)剛剛起步，目前大多數(shù)研究和應(yīng)用都集中在富營(yíng)養(yǎng)化水體的治理方面。1994年，我國(guó)在滇池建立的人工濕地系統(tǒng)用以處理滇池流域農(nóng)業(yè)面源污染，根據(jù)14個(gè)月運(yùn)行監(jiān)測(cè)，該濕地系統(tǒng)對(duì)TN平均去除率為35.5%～60%左右，對(duì)TP平均去除率為24.4%～47.8%。2002年，中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所和云南玉溪市環(huán)科所設(shè)計(jì)的撫仙湖人工構(gòu)造濕地開始投入運(yùn)行，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明對(duì)各項(xiàng)污染指標(biāo)的去除率分別達(dá)到：COD87.8%、BOD68.7%、SS96.3%、TP32.4%、TN36.0%，出水水質(zhì)也由處理前的Ⅳ類水質(zhì)提高到Ⅲ類水質(zhì)。2002年官?gòu)d水庫(kù)潛流人工濕地處理系統(tǒng)，對(duì)官?gòu)d水庫(kù)受污染水進(jìn)行處理，結(jié)果表明當(dāng)進(jìn)水中的TN和TP濃度分別在5.0～9.0mg/L和0.65～0.85mg/L之間波動(dòng)時(shí)，潛流人工濕地對(duì)它們的去除率分別為50%和40%左右，在夏季，系統(tǒng)對(duì)COD和NH42N的去除率可達(dá)50%和70%。

3　結(jié)　語

人工濕地技術(shù)在水污染控制方面的應(yīng)用正處于快速發(fā)展時(shí)期，而人工濕地凈化機(jī)理方面的研究則相對(duì)滯后，目前人工濕地對(duì)各種污染物的去除反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型仍未完整地建立起來，現(xiàn)有的模型基本為一些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ投鵁o法得到廣泛的應(yīng)用。另外，人工濕地的實(shí)際應(yīng)用中，由于各地選用的濕地類型不同，氣候、規(guī)模、負(fù)荷、系統(tǒng)布置、植物選取等也各有差異，因而很難有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行指導(dǎo)，在提高冬季濕地的運(yùn)行效果和介質(zhì)防堵塞的問題上，仍然還有大量的研究工作要做。

人工濕地技術(shù)是一種近自然型水質(zhì)凈化新技術(shù)，深入開展人工濕地的研究與應(yīng)用對(duì)控制我國(guó)湖泊面源污染具有深廣意義。

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