摘要：人工濕地法處理廢水技術(shù)是利用生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)的原理，使用生物方法去除污染物質(zhì)。本文對(duì)人工濕地處理污水的機(jī)理研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并討論了人工濕地處理污水應(yīng)用的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：人工濕地；污水處理；凈化機(jī)理；發(fā)展方向

人工濕地污水處理技術(shù)是20世紀(jì)七八十年代發(fā)展起來的一種污水生態(tài)處理技術(shù)，它能有效地處理多種多樣的廢水，如生活污水、工業(yè)廢水、垃圾滲濾液、地面徑流雨水、合流制下水道暴雨溢流水等。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在歐洲與北美已有上萬座處理城市污水和多種工業(yè)廢水的濕地系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行，污水處理人工濕地在世界其它地區(qū)應(yīng)用的數(shù)目也在迅速增加。

人工濕地是人對(duì)自然濕地系統(tǒng)的模擬，利用生態(tài)的方法來去除污染物，以達(dá)到凈化污水的目的。人工濕地根據(jù)自然濕地生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)、生物的三重共同作用來實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的凈化作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的生態(tài)化處理。人工濕地與傳統(tǒng)的污水處理方法(活性污泥法等)相比，具有處理效果好、氮磷去除能力強(qiáng)、運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)管理方便、工程基建和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低，以及對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)能力強(qiáng)、能耗少、無須化學(xué)藥劑等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)、漁業(yè)的發(fā)展，又可供公共娛樂、野生動(dòng)植物保護(hù)和科學(xué)研究使用。

1人工濕地凈化污水機(jī)理

1.1人工濕地分類

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從工程設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，按照系統(tǒng)布水方式的不同或水在系統(tǒng)中流動(dòng)方式不同劃分為表面流人工濕地(自由表流濕地和構(gòu)筑表流)、潛流人工濕地(水平潛流人工濕地、垂直潛流人工濕地和復(fù)合式潛流濕地)。

1.2人工濕地構(gòu)成及凈化機(jī)理

人工濕地由填料、植物、微生物、藻類等幾種基本成分構(gòu)成。

人工濕地具有獨(dú)特而復(fù)雜的凈化機(jī)理，利用基質(zhì)——微生物——植物復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)調(diào)作用，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水的高效凈化。同時(shí)，通過營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分的生物地球化學(xué)循環(huán)，促進(jìn)綠色植物生長(zhǎng)并使其增產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)廢水的資源化和無害化。

人工濕地系統(tǒng)是在一定長(zhǎng)寬比及底面有坡度的洼地中，由土壤和填料(如卵石等)混合組成填料床，污水可以在床體的填料縫隙中曲折地流動(dòng)，或在床體表面流動(dòng)。在床體的表面種植具有處理性能好、成活率高的水生植物(如蘆葦、鳳眼蓮等)，形成一個(gè)獨(dú)特的動(dòng)植物生態(tài)環(huán)境，來對(duì)污水進(jìn)行處理。人工濕地可以促進(jìn)污水的循環(huán)和再生，使污水中所含污染物質(zhì)以作物生產(chǎn)的形式再利用或直接去除。污水中大部分有機(jī)物作為異養(yǎng)微生物的有機(jī)養(yǎng)分，最終被轉(zhuǎn)化為微生物體及CO2、H2O。污水中的不溶性有機(jī)物通過濕地的沉淀、過濾作用，可以很快地被截留進(jìn)而被微生物利用；污水中可溶性有機(jī)物則可通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解過程而被分解去除。隨著處理過程的不斷進(jìn)行，濕地床中的微生物也繁殖生長(zhǎng)，通過對(duì)濕地床填料的定期更換及對(duì)濕地植物的收割而將新生的有機(jī)體從系統(tǒng)中去除。

1.2.1懸浮固體物質(zhì)的分離與轉(zhuǎn)化

懸浮固體物質(zhì)在濕地中去除的基本機(jī)理即為絮凝和膠體顆粒的沉淀，在潛流濕地中相對(duì)低速的水流和大的接觸表面使得系統(tǒng)中的懸浮物去除率相對(duì)較高，大量植物根系和飽和狀態(tài)的基質(zhì)，使固態(tài)懸浮物被根系以及填料阻擋截留。潛流濕地系統(tǒng)像一個(gè)水平或垂直的重力過濾器，因此，使懸浮物通過在礫石和根區(qū)面的生物膜上的重力沉淀(自由沉淀和絮凝)，滲透，吸附作用而被分離。

1.2.2有機(jī)物的去除與轉(zhuǎn)化

濕地對(duì)有機(jī)物的去除主要是靠微生物的作用。土壤具有巨大的比表面積，在土壤顆粒表面形成一層生物膜，污水流經(jīng)顆粒表面時(shí)，不溶性的有機(jī)物通過沉淀過濾吸附作用很快被截留，然后被微小生物利用；可溶性有機(jī)物通過生物膜的吸附和微生物的代謝被去除。植物向土壤中傳輸氧氣，使得人工濕地中的溶解氧呈區(qū)域性變化，連續(xù)呈現(xiàn)好氧、缺氧及厭氧區(qū)域。因而土壤中存活著好氧菌、厭氧菌和兼性菌。好氧菌通過代謝將有機(jī)物分解為二氧化碳和水；厭氧菌發(fā)酵將有機(jī)物分解為二氧化碳和甲烷。污水中的大部分有機(jī)物最終被異養(yǎng)微生物轉(zhuǎn)化為微生物體、二氧化碳、甲烷和水、無機(jī)氮、無機(jī)磷。

1.2.3氮的去除與轉(zhuǎn)化

氮的去除通過好氧和厭氧反應(yīng)完成。濕地中大型植物根系上附著生物膜。有著好氧、厭氧、缺氧降解區(qū)。處于飽和狀態(tài)的基質(zhì)中生長(zhǎng)的水生植物，可以增加濕地基質(zhì)的透氣性，濕地植物能將空氣傳輸?shù)狡涓?，使其自身能在厭氧條件下生長(zhǎng)，由于擴(kuò)散(或泄露)作用，這些空氣在植物的每一須根周圍形成一層薄薄的好氧區(qū)，在這一微小的好氧區(qū)中會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)。硝化反應(yīng)則是在好氧環(huán)境下完成的，它主要是將NH3-N氧化成NO3-N，反硝化反應(yīng)則是在缺氧環(huán)境下完成的，主要將NO3-N還原成N2。由于氮的去除依賴于植物的吸收，所以在植物的枯萎和死亡期去除效率較低，每年濕地對(duì)氮的吸收大約在12~120gN/m3•a。在脫氮過程中，碳源是影響其效果的重要因素。在潛流濕地中，植物供給脫氮的有機(jī)碳要根據(jù)污水中COD與N的比和系統(tǒng)進(jìn)水中N的形態(tài)而定。從處理硝化的二次出水的研究中發(fā)現(xiàn)，覆蓋野草、濕地植物等增加生物量時(shí)，氮的去除率從30％提高到了80％。

1.2.4磷的去除與轉(zhuǎn)化

潛流濕地中對(duì)磷的去除主要是從腐爛植物、聚磷菌中攝取磷。另外，一些腐爛的植物組織，表面附帶介質(zhì)的金屬也會(huì)通過沉淀、交換等機(jī)理短期的去除磷，但是時(shí)間不會(huì)太長(zhǎng)，不超過1年，而且要依賴于粒狀物質(zhì)。磷的吸收與大多營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收一樣，主要在植物的生長(zhǎng)期，夏天和春天。濕地中每年對(duì)磷的去除量約為1.8~18gP/m2。

1.2.5病原菌的去除與轉(zhuǎn)化

病原菌是由固態(tài)懸浮物水中的懸浮物帶入濕地的中。它的去除與固態(tài)懸浮物的去除和水力停留時(shí)間有關(guān)。由固態(tài)懸浮物帶人的病原菌與固態(tài)懸浮物的去除機(jī)理一樣，通過沉淀、攔截等達(dá)到去除目的。病原菌被分離后分布在濕地的不同地點(diǎn)，但都必須與它們周圍有機(jī)群體競(jìng)爭(zhēng)存活。一般它們的存活率很低。如果接近水面，很容易被大氣降水或UV射線所消殺。

1.2.6金屬的去除和轉(zhuǎn)化

濕地對(duì)重金屬的去除主要是土壤或填料對(duì)重金屬的吸附和反應(yīng)，吸附有離子交換吸附和專性吸附。污水中重金屬離子濃度一般很低，不能與土壤中無機(jī)陰離子形成金屬沉淀，它可以與土壤中的有機(jī)質(zhì)絡(luò)合，增強(qiáng)重金屬對(duì)土壤的親和性。土壤中微生物對(duì)重金屬的去除也有相當(dāng)?shù)淖饔茫鼈兛赏ㄟ^胞外絡(luò)合作用、胞外沉淀作用固定重金屬，還可把重金屬轉(zhuǎn)化為低毒狀態(tài)，也有的轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的物質(zhì)。另外還有植物對(duì)重金屬的積累，重金屬以各種形態(tài)存在，其中溶解性的可被植物吸收在植物中積累，莖以上部分可隨植物的收割最終從濕地中去除，不溶性的可被介質(zhì)的過濾作用截留。還有大片密集的植株以及它們發(fā)達(dá)的地下部分形成的高活性根區(qū)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和浸水凋落物，使進(jìn)入濕地的污水流速減慢，這樣有利于污水中懸浮顆粒的沉降，及吸附于水中重金屬的去除。

1.2.7硫化物的去除

人工濕地對(duì)硫的去除主要是微生物的分解及植物的吸收。有機(jī)硫化物經(jīng)礦質(zhì)化被分解成硫化氫，部分硫化氫揮發(fā)逸出濕地，部分則通過硫磺細(xì)菌和硫化細(xì)菌的硫化作用形成硫磺、硫酸，它們與土壤中的各種離子結(jié)合形成無機(jī)硫化物。無機(jī)硫化物部分會(huì)被植物吸收利用，也有一部分會(huì)在反硫化細(xì)菌的作用下經(jīng)反硫化作用形成硫化氫，硫化氫再逸出濕地或又參與硫化作用。

2人工濕地的發(fā)展方向

人工濕地系統(tǒng)是一項(xiàng)低投資、低能耗、低運(yùn)行費(fèi)用、氮、磷去除率高的治理工程技術(shù)，在污水的修復(fù)方面表現(xiàn)了極大的發(fā)展?jié)摿Γ瑥亩玫焦姷钠毡榻邮芤?。因此，人工濕地今后的研究將集中在這樣幾個(gè)方面：(1)深入研究人工濕地污水處理的機(jī)理,建立合理的動(dòng)力模型，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)地試驗(yàn)；(2)提高人工濕地的污水凈化效果，包括對(duì)植物類型、基質(zhì)類型的優(yōu)勢(shì)組合，基因工程菌的構(gòu)建等；(3)加強(qiáng)人工濕地對(duì)工業(yè)廢水處理的研究，擴(kuò)大人工濕地的應(yīng)用范圍；(4)加強(qiáng)對(duì)人工濕地處理效果的實(shí)例分析，對(duì)其應(yīng)用成果進(jìn)行推廣和學(xué)習(xí)。

人工濕地系統(tǒng)是仿真獨(dú)特的土壤-水生植物-微生物和基質(zhì)組成的生態(tài)系統(tǒng)，在我國(guó)是一項(xiàng)正在被研究、應(yīng)用和發(fā)展的處理污水的新技術(shù)，由于它具有高效率、低投資、低運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)、低維持技術(shù)、處理量靈活、低能耗、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)，非常適合我國(guó)的國(guó)情，尤其是廣大農(nóng)村地區(qū)、中小城鎮(zhèn)地區(qū)的污水處理方法。

人工濕地系統(tǒng)是一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)，可以在其內(nèi)部形成良好的循環(huán)，隨著時(shí)間的推移，及對(duì)該技術(shù)研究的不斷深入和應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不斷取得，該技術(shù)將會(huì)日趨成熟，在水污染控制領(lǐng)域中發(fā)揮更加顯著的作用。

參考文獻(xiàn):

[1]王薇.人工濕地污水處理工藝與設(shè)計(jì)[J].城市環(huán)境與城市生態(tài),2001,(1).

[2]孫廣智,A.J.Biddlestone,K.R.Gray,等.人工蘆葦床污水處理技術(shù)[J].污染防治技術(shù),1999,12(1):1-4.

[3]中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所微生物室.土壤微生物研究方法[M].北京:科學(xué)出版社,1985.

[4]許光輝,鄭洪遠(yuǎn).土壤微生物分析方法手冊(cè)[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社,1986.

[5]戴樹桂.土壤環(huán)境化學(xué)[M].北京:高等教育論文出版社.

[6]安樹青.濕地生態(tài)工程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

[7]楊敦.人工濕地脫氮的機(jī)理及應(yīng)用[J].中國(guó)給水排水,2003.

[8]孔繁翔.環(huán)境微生物學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2000.

  使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”