1. 引言

水資源短缺是制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，全國(guó)660座城市中，有400多座城市缺水，100多座城市嚴(yán)重缺水 [1] 。水資源緊缺不僅僅在于水量型缺水，更重要的是污染造成的，形成日益嚴(yán)重的水質(zhì)型缺水。強(qiáng)化污水處理，保護(hù)現(xiàn)有可用水資源，是緩解我國(guó)水資源危機(jī)的治本之策。

目前，我國(guó)城市污水處理普遍采用活性污泥法、氧化溝法、間歇性活性污泥法等。我國(guó)處理污水造價(jià)在1000元/m³∙d以上，運(yùn)行費(fèi)用在0.13~1.12元/t之間 [2] 。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，需處理的污水量越來越大，新環(huán)境法的實(shí)施對(duì)處理要求也越來越高。但現(xiàn)有的污水處理技術(shù)由于其高昂的投資和運(yùn)行費(fèi)用，使得各種二級(jí)、三級(jí)處理技術(shù)難以大面積推廣。人工濕地技術(shù)作為一種經(jīng)濟(jì)有效的污水處理手段(基建投資為傳統(tǒng)方法的1/5至1/2；運(yùn)行費(fèi)用僅為傳統(tǒng)二級(jí)污水廠的1/10至1/5 [3] )，為綜合解決上述問題提供了一種新的選擇。

人工濕地是指人工建造的、可控制的和工程化的濕地系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)和建造是通過對(duì)濕地自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物作用的優(yōu)化組合來進(jìn)行廢水處理。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)，一般由人工基質(zhì)和生長(zhǎng)在其中的水生植物(如蘆葦、香蒲等)組成，是一個(gè)獨(dú)特的基質(zhì)–植物–微生物組成的生態(tài)系統(tǒng)。當(dāng)污水通過系統(tǒng)時(shí)，其中污染物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被系統(tǒng)吸收、轉(zhuǎn)化或分解，從而使水質(zhì)得到凈化。它利用生態(tài)系統(tǒng)中物種共生、物質(zhì)循環(huán)再生原理，結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)原則，在促進(jìn)廢水中污染物質(zhì)良性循環(huán)的前提下，充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力，防止環(huán)境的再污染，獲得污水處理與資源化的最佳效益，是一種同時(shí)具有環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益的廢水處理技術(shù)。

2. 人工濕地的分類

根據(jù)濕地中主要水流形式人工濕地可分為以下3類：表面流濕地(SFW, Surface Flow Wetland)、潛流人工濕地(SSFW, Subsurface Flow Wetland)和垂直流人工濕地(VFW, Vertical Flow Wetland) [4] [5] 。

2.1. 表面流人工濕地

表面流濕地也稱為自由水面系統(tǒng)，這種系統(tǒng)與值日濕地最為接近。此系統(tǒng)中污水在濕地的表面流動(dòng)，水深較淺(一般在0.1~0.6 m)，氧通過自由擴(kuò)散補(bǔ)給，進(jìn)水中所含的溶解性和顆粒性污染物與系統(tǒng)介質(zhì)和植物根系接觸，絕大部分有機(jī)污染物的降解由浸沒在污水中的植物莖基部生物膜上的微生物完成。常用的植物包括香蒲、蘆葦、慈姑、莎草等。其優(yōu)點(diǎn)是投資省，缺點(diǎn)是負(fù)荷低，對(duì)N、P的去除率偏低 [6] ，北方地區(qū)冬季表面會(huì)結(jié)冰，夏季會(huì)滋生蚊蠅、散發(fā)臭味，該類型在美國(guó)、加拿大、新西蘭、瑞典等國(guó)有較多分布，但目前已較少采用。

2.2. 潛流人工濕地

潛流人工濕地是由濾料層與植物共同構(gòu)造的系統(tǒng)，是一個(gè)由填料、植物與微生物共同組成的生態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)中污水在濕地床的內(nèi)部流動(dòng)。污水經(jīng)配水系統(tǒng)均勻分配并緩慢流過填料床植物根系并被其中的植物與微生物處理。介質(zhì)通常選用水力傳導(dǎo)性良好的材料，從進(jìn)口經(jīng)由砂石等系統(tǒng)介質(zhì)，污水在系統(tǒng)表面以下以近水平流方式流向出口。常用的植物包括蘆葦、香蒲、美人蕉等。其優(yōu)點(diǎn)是，由于此系統(tǒng)可以充分利用填料表面生長(zhǎng)的生物膜、豐富的根系及表土層和填料的截留作用，處理效率得到了提高；另外，由于水流在地表以下流動(dòng)，具有較好的保溫性，從而受氣候影響小、衛(wèi)士條件好。缺點(diǎn)是占地面積較大。

2.3. 垂直流人工濕地

垂直流人工濕地綜合了地表流濕地系統(tǒng)和潛流濕地系統(tǒng)的特性，水流在填料床中基本上由上向下垂直流動(dòng)，水流流經(jīng)床體后被鋪設(shè)在出水端底部的集水管收集而排出處理系統(tǒng)。垂直流人工濕地分單向垂直流型人工濕地和復(fù)合垂直流型人工濕地兩種。單向垂直流型人工濕地一般采用間歇進(jìn)水運(yùn)行方式，復(fù)合垂直流型人工濕地一般采用連續(xù)進(jìn)水運(yùn)行方式。其優(yōu)點(diǎn)是處理效率高、受氣候影響小、衛(wèi)生條件好，并且占地也有所減少。

3. 人工濕地的凈化原理

人工濕地對(duì)污水的凈化是填料、水生植物和微生物共同作用的結(jié)果。人工濕地正常運(yùn)行后，填料表面和植物根系中生長(zhǎng)出大量的微生物，污水流經(jīng)時(shí)，懸浮物被填料及根系阻擋截留，有機(jī)物通過生物膜的吸附及同化、異化作用而得以去除。濕地床層中因植物根系對(duì)氧的傳遞釋放，使其周圍的微環(huán)境中依次呈現(xiàn)出好氧、缺氧和厭氧狀態(tài)，保證了廢水中的氮、磷不僅能被植物及微生物作為營(yíng)養(yǎng)成分直接吸收，還可以通過硝化、反硝化作用及微生物對(duì)磷的過量積累作用從廢水中去除。最后通過濕地填料的定期更換或收割使污染物質(zhì)最終從系統(tǒng)中去除。

3.1. 人工濕地去除有機(jī)污染物的機(jī)理

對(duì)有機(jī)物有較強(qiáng)的降解能力是人工濕地的顯著特點(diǎn)之一。對(duì)有機(jī)物的去除作用，濕地床是通過物理的截留沉淀和生物的吸收降解的共同作用而實(shí)現(xiàn)。通過濕地的沉淀、過濾作用，系統(tǒng)中的微生物可以很快截留和利用污水中的不溶性有機(jī)物，而生物膜和植物根系的吸附、生物代謝降解等過程，又可以很快地分解去除污水出水中的可溶性有機(jī)物。資料表明：在進(jìn)水濃度較低的條件下，人工濕地對(duì)BOD5的去除率可達(dá)85%~95%，對(duì)COD的去除率可達(dá)80%以上 [5] 。

3.2. 人工濕地對(duì)氮的去除

對(duì)氮的去除作用，人工濕地處理系統(tǒng)包括氨揮發(fā)，基質(zhì)的吸附、過濾、沉淀，微生物硝化和反硝化作用，植物吸收等。有機(jī)氮在植物土壤系統(tǒng)中，在微生物的作用下首先被截留沉淀下來，然后轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮。氨離子很容易被土壤顆粒吸附(土壤顆粒帶有負(fù)電荷)，通過硝化作用，土壤微生物將氨離子轉(zhuǎn)化為 NO3−" role="presentation" style="display: inline; line-height: normal; text-indent: 0px; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; white-space: nowrap; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; padding: 0px; margin: 0px; position: relative;">NO−3${\text{NO}}_3^{-}$ 。作為植物生長(zhǎng)過程中不可缺少的物質(zhì)， NO3−" role="presentation" style="display: inline; line-height: normal; text-indent: 0px; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; white-space: nowrap; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; padding: 0px; margin: 0px; position: relative;">NO−3${\text{NO}}_3^{-}$ 可以被植物直接攝取，合成植物蛋白質(zhì)等有機(jī)氮，通過收割植物，從而將氮從濕地系統(tǒng)中去除 [7] 。

3.3. 人工濕地對(duì)磷的去除

人工濕地對(duì)磷的去除是由植物吸收、微生物去除及基質(zhì)的物理化學(xué)作用而完成的。廢水中的無機(jī)磷在植物吸收及同化作用下，可變成植物的有機(jī)成分，通過有規(guī)律的植物收割去除。然而，也有學(xué)者指出通過植物收割從濕地系統(tǒng)中去除的磷是非常少的，因此濕地填料一直被公認(rèn)為是濕地中磷的最終歸宿 [5] �；�質(zhì)的物理化學(xué)作用主要是填料對(duì)磷的吸收、過濾和與磷酸根離子的化學(xué)反應(yīng)。生物對(duì)磷的去除，包括對(duì)磷的正常同化作用和對(duì)磷的過量積累。一般二級(jí)污水處理中，當(dāng)進(jìn)水磷含量為10 mg/l時(shí)，微生物對(duì)磷的正常同化去除，僅是進(jìn)水總量的4.5%~19% [7] ，所以，微生物除磷主要是通過強(qiáng)化后對(duì)磷的過量積累來完成的。

3.4. 對(duì)金屬的去除

濕地中金屬的去除主要是依靠沉淀–吸附作用�；瘜W(xué)沉淀作用通過濕地的代謝而得到加強(qiáng)。濕地對(duì)金屬的去除不被認(rèn)為是重要的。

4. 人工濕地凈化的影響因素

濕地的污水凈化性能主要依賴于當(dāng)?shù)氐臍夂�、濕地中水流�?dòng)力學(xué)特性、植物種類、微生物類群及基質(zhì)組成。依據(jù)影響因素的特征可以將其分為人工濕地自身因素和外部因素，自身因素包括濕地床結(jié)構(gòu)、植物的選擇和系統(tǒng)的供氧狀況等；外部因素包括溫度和污水中物質(zhì)的毒性等因素。其中當(dāng)?shù)貧夂蚴侵饕�影響因素，因�(yàn)槠溆杏绊懫渌鼛醉?xiàng)因素的作用，濕地植物種類、微生物活性和土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生化循環(huán)都與氣候有關(guān)。如Hill和Payton用兩個(gè)串聯(lián)的表面流人工濕地系統(tǒng)處理家禽養(yǎng)殖廠污水試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)低溫對(duì)氨、硝酸鹽的去除有不利影響 [8] 。不同的植物種類和微生物類群對(duì)污水的凈化效果不同，全球濕地高等植物多達(dá)6700余種，但目前被用于人工濕地處理污水的不過幾十種，很多植物還從未試過，選擇對(duì)污水處理效果好、適應(yīng)性強(qiáng)的植物對(duì)人工濕地的凈化效果至關(guān)重要，如蘆葦屬和香蒲屬植物是使用頻率最高且比較有效的植物�；�質(zhì)的組成與水流過程及某些污染物的積累、釋放密切相關(guān)，因此，選擇合適的填料組成、設(shè)計(jì)合理的水流動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)可有效去除污染物質(zhì)。最近還有研究表明，有機(jī)污染物的轉(zhuǎn)化和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)與基質(zhì)中的氧化、還原條件及可獲電子受體量有很好的相關(guān)性。

5. 人工濕地污水處理在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用

1953年德國(guó)Kathe Seidel博士發(fā)現(xiàn)蘆葦對(duì)污水的凈化效應(yīng)，并開發(fā)出Max-Planck Institute Process系統(tǒng)。隨后，1977年Kichath提出了“根區(qū)法”，標(biāo)志著人工濕地污水處理機(jī)理的初步萌芽。1974年德國(guó)建成第一座人工濕地，與此同時(shí)，美國(guó)也開發(fā)了“厭氧微生物和蘆葦處理污水”復(fù)合系統(tǒng) [9] 。此后，人工濕地處理污水技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和完善。最初人工濕地主要用于生活污水和礦山酸性廢水的處理，后來也用于城市污水和各種工業(yè)廢水的二級(jí)處理等，目前多用于農(nóng)業(yè)面源污染、城市或公路徑流等非點(diǎn)源污染的治理。國(guó)外人工濕地已用于各種污水的處理，如：生活污水、礦業(yè)酸性污水、農(nóng)業(yè)廢水、垃圾滲濾液、暴雨雨水、富營(yíng)養(yǎng)化自然水體等 [10] 。人工濕地污水處理系統(tǒng)數(shù)量也得到長(zhǎng)足的發(fā)展，如：在美國(guó)已有600多處人工濕地工程用于處理市政、工業(yè)和農(nóng)業(yè)廢水 [11] 。丹麥、德國(guó)、英國(guó)至少有200處人工濕地系統(tǒng)在運(yùn)行 [12] 。新西蘭也有80多處人工濕地系統(tǒng)投入使用 [13] 。在歐洲應(yīng)用較多的則是地下潛流系統(tǒng)，特別是在一些東歐國(guó)家應(yīng)用廣泛。

我國(guó)對(duì)濕地處理系統(tǒng)的研究起步較晚，在“七五”期間才開始人工濕地的研究工作。首例采用人工濕地處理污水的工程是1987年由天津市環(huán)保研究所建成的1400 m³/d蘆葦濕地污水處理工程。之后，1989年建成了北京昌平500 m³/d自由水面人工濕地污水處理工程、1990年建成了深圳白泥坑人工濕污水處理工程、1993年建成的大冶鐵礦炸藥車間人工濕地污水處理工程、1999年建成的漳州市天寶造紙廠人工濕地污水處理工程、2002年將成的江蘇省泗洪縣人工濕地污水處理工程、2003年月建成的石巖人工濕地污水處理工程、2003年建成的澄江縣馬料河人工濕地污水處理工程、2004年月建成的江川縣漁村大河人工濕地污水處理工程、2008年月建成的江川人工濕地實(shí)驗(yàn)工程、2008年月建成的玉溪市九溪人工濕地污水處理工程、2008年月建成的昆明市體育城人工濕地污水處理景觀工程、2009年月建成的萍鄉(xiāng)市蘆溪縣南坑人工濕地污水處理工程等濕地項(xiàng)目都是我國(guó)應(yīng)用人工濕地處理污水的成功實(shí)例。此外，我國(guó)在人工濕地的機(jī)理研究方面也取得了很多成果。

6. 人工濕地在我國(guó)的應(yīng)用前景

人工濕地污水處理系統(tǒng)能夠有效地去除有機(jī)污染物，吸收氮和磷，防止環(huán)境受到再次污染，充分發(fā)揮了資源的生產(chǎn)潛力，能夠獲得污水資源化處理的最佳效益，因此是一種較好的廢水處理方式。并且，人工濕地污水處理系統(tǒng)是一種集環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益為一體的污水處理方式。其投資和日常運(yùn)行費(fèi)用僅為常規(guī)二級(jí)污水處理廠的1/10~1/2和1/5~1/3，具有高效率、低投資、低運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用、低維持費(fèi)用和基本不耗電的特點(diǎn)。利用人工濕地技術(shù)進(jìn)行污水處理，符合人類與水生生物協(xié)調(diào)發(fā)展的客觀要求，有利于促進(jìn)良性生態(tài)環(huán)境的建設(shè)，有顯著的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。這種方式尤其適合在中小城市和鄉(xiāng)村缺少具有一定操作管理和技術(shù)水平的人員的條件下使用，具有極其廣闊的應(yīng)用前景。

鑒于人工濕地占地面積大、廢棄后難恢復(fù)、受氣候及系統(tǒng)中植物影響較大等因素，我們?cè)趹?yīng)用人工濕地時(shí)應(yīng)當(dāng)做到：盡量節(jié)約土地，選擇荒廢的地段；結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況選擇合適的濕地系統(tǒng)和合適的植物；多與其他國(guó)家進(jìn)行合作，交流思想，以便使?jié)竦叵到y(tǒng)更好地服務(wù)于我國(guó)的污水處理事業(yè)。