人工濕地在城市水污染治理中的應用
摘要:人工濕地污水處理是由相互關聯的基質、植物和微生物通過物理、化學、生物過程的協同作用完成的，它只需要投入極少的人力和能源，就可以去除有機污染物、營養物質、固體懸浮物、重金屬物質，實現對生活污水、面源污染徑流、農田廢水、二級污水處理廠出水、河道末端水進行長期穩定的凈化處理。目前，該工藝在鄭州和成都得到了應用，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質積累、占地面積大、受季節影響等問題。人工濕地是耐用而高效的系統，不斷完善人工濕地的設計、性能、操作及維護，將能夠更有效地改善水質。
關鍵詞: 污水處理; 人工濕地; 生物凈化; 城市環境水利
相比工業污水，城市水污染一般污染物濃度低、水量大，不宜采用常規的污水二級處理方法，而適于采用人工濕地等生態凈化處理方法。人工濕地是20 世紀70 年代發展起來的一種新興污水處理技術，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、植物、微生物的物理、化學、生物三重協同作用下，對污水、污泥進行處理［1］。目前，一般所指的人工濕地都是挺水植物系統，根據污水在濕地中流動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，是目前研究和應用較多的一種人工濕地處理系統;垂直流人工濕地對基建要求較高，衛生條件差，目前研究和應用成果還不多。筆者基于表面流人工濕地和潛流人工濕地的凈化機理，分析了人工濕地在城市水污染治理中的應用案例、存在問題和發展前景。
1 人工濕地的凈化機理
人工濕地只需要投入極少的人力和能源，就可以去除有機污染物、營養物質、固體懸浮物、重金屬物質，實現對生活污水、面源污染徑流、農田廢水、二級污水處理廠出水、河道末端水進行長期穩定的凈化處理。人工濕地污水處理是由相互關聯的基質、植物和微生物通過物理、化學、生物過程的協同作用完成的，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 去除有機污染物
人工濕地對有機污染物具有較強的去除能力，不溶性有機物通過在濕地基質中的沉積等可以很快被截留，進而被微生物分解、利用，可溶性有機物則通過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，還可以通過硝化、反硝化和累積、降解、結合、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 去除機理。在表面流濕地系統中，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。對于低中度有機污染負荷，表面流人工濕地系統設計水深應小于600 mm，以確保有足夠的氧氣分布。表面流濕地系統去除BOD5 的一階模型為
Ce /Co = Aexp(-0．7KtAv1．75 LWdn /Q)
式中: Ce 為濕地出水BOD5 質量濃度，mg /L; Co 為進入濕地污水BOD5 質量濃度，mg /L; A 為濕地系統中距離入口處較近的未被除去的BOD5 的百分比; Kt 為一級反應的溫度，℃; Av 為單位體積微生物活動的表面積，m2 /m3 ; L 為濕地長度，m; W 為濕地寬度，m; d 為濕地深度，m; n 為濕地孔隙度，%; Q 為平均水力負荷，m/d。
(2) 潛流人工濕地的BOD5 去除機理。在大多情況下，潛流濕地系統很少有直接的大氣復氧，為了保持流動床表面以下的氧氣含量，需要對植物進行選擇。潛流濕地系統去除BOD5可采用一階推流反應動力學方程來估計所需的表面積，計算公式為
Ce /Co = exp(-Ktt)
As = Q(ln Co-ln Ce ) / (Ktdn)
式中: t 為水力停留時間，d; As 為濕地的表面積，m2。
1．2 脫氮作用
在人工濕地中，氮主要是通過微生物的硝化和反硝化作用、植物的脫氮作用、氨氮的揮發、基質的吸附和過濾等過程被去除的［4］。基質對氮的去除不具有持續性，其僅為微生物同化、降解和植物吸收提供中介，氨氮的揮發即使在夏季也相當微弱，因此濕地植物和微生物作用是脫氮的主要機理。污水中的氮包括無機氮和有機氮，其中: 無機氮占總氮的8% ～ 16%，可以被人工濕地中的植物吸收，合成植物蛋白質，隨著植物的收割從濕地系統中去除; 有機氮則主要依靠微生物的硝化和反硝化作用去除。
1．3 除磷作用
人工濕地的除磷機理主要包括基質對磷的吸附和沉淀、植物對磷的吸收、微生物對磷的同化吸收、無脊椎動物分泌物的除磷作用。除磷效果以基質吸附、植物吸收和微生物去除為佳，而磷最終從系統中去除，則依賴于濕地植物的收割和飽和基質的更換［4］。由于流量大，污水和土壤的接觸機會很有限，因此許多人工濕地系統的除磷效率不高。有學者提出選擇適當的土壤，通過提高黏土、鐵、鋁含量來增強除磷效果，然而黏土會影響排水能力，因而需要更大的處理面積。
1．4 去除懸浮物
表面流人工濕地和潛流人工濕地對懸浮物都有非常好的處理效果。受到基質層填料、植物根系和莖、腐殖層的過濾和截留，大部分固體懸浮物的去除過程發生在距離濕地進口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。在污水管道設計時應適當控制分散進水流量，以防止濕地渠道上游固體懸浮物去除效率過低，發生厭氧反應。如果濕地中的水體沒有植物對太陽光的遮蔽，藻類的生長可能會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較好。人工濕地的重金屬去除機理主要包括土壤的固定、去除作用，微生物的吸收、轉化作用，植物的存儲、揮發和根系的固定作用。美國加州桑迪的人工濕地的水力停留時間為5．5 d時，對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99%、97%、99%。
2 人工濕地在城市水污染治理中的應用案例
2．1 鄭州市CBD 中心湖水凈化處理人工濕地
鄭東新區CBD 中心湖水凈化處理人工濕地位于鄭東新區CBD 東西運河和南北運河交匯處，是龍湖水系的重要組成部分，占地面積約為4 萬m2，日處理水量約為1．0 萬m3，處理后中心湖水質可達Ⅲ類標準。
該人工濕地系統主要由中央控制系統、給排水管線和配電系統、溫室、人工濕地四大部分組成。作為發揮水質凈化作用的主體，人工濕地是由4 個跌水曝氣池、8 塊濕地及連通管線組成的，其中每個跌水曝氣池供兩塊濕地用水。跌水曝氣池為漿砌卵石結構，分為一級跌水池、二級跌水池、三級跌水池，通過瀑布式流水的方式為濕地水體進行充氧。每塊濕地由一級生物池、一級碎石床、二級生物池和二級碎石床組成，碎石床內和生物池內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境。中央控制系統是整個濕地系統的控制監測中心，設有水質分析實驗設備、配電控制系統、濕地監視系統和管理人員辦公設施等。溫室主要用于水生植物過冬和種苗培育。給排水管線和配電系統是濕地與中心湖之間以及濕地各池之間給水連接、水體循環等服務配套設施。
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路外側、寶成鐵路以東、鐵路西環線以南，是成都最大的人工治污濕地，也是成都規劃的一座污水處理廠，周邊正計劃配置游樂設施，目的是建成一個集休閑、旅游、環保、教育多功能于一體的生態樂園。根據《成都市市域排水工程體系規劃》，該人工濕地日處理污水能力為2．4 萬m3，將在成都市的排水規劃中被推廣使用。
集中到鳳凰二溝污水處理人工濕地的污水包括生活污水、工業污水、畜禽養殖污水。污水經過前處理系統，通過沉淀、曝氣、快速滲濾等方式進行處理后，流入污水處理的核心區域——人工濕地。該人工濕地共8 個處理系統，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，每個系統有4 ～ 5 個獨立的種植有不同植物的格子，污水在里面停留一段時間，再由人工控制流入下一個格子，可以根據植物特性完成不同的除污任務。
3 人工濕地應用存在的問題和發展前景
3．1 存在的問題
(1) 城市水污染加劇。我國城市水污染狀況總體呈現出以下幾個特征: 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重; ②多數水體呈有機污染特征，主要污染指標有COD、BOD5 和氨氮;③近年來，城市工業點源污染治理取得了顯著成效，但城市面源污染問題逐漸凸顯，治理難度很大; ④工業用水和生活用水急劇增加，導致城市排污量顯著增加，與之配套的節水和污水處理設施建設明顯滯后。總體來說，我國城市水污染治理面臨著水循環系統脆弱、水環境質量下降、水功能退化、污水處理設施不足等問題。
(2) 人工濕地自身存在的問題。雖然人工濕地處理工藝的出水水質能夠滿足城市中水回用的要求，但仍然存在一些問題: 有些濕地在運行過程中有機質積累引起填料空隙堵塞，導致處理能力下降; 人工濕地占地面積大，在寸土寸金的城市其發展受到限制; 植物和有機物吸收、降解作用呈現一定的季節變化規律，冬季污染物的去除效果較差; 人工濕地對細菌和病原體的去除效率有待提高。
3．2 應用前景
針對上述問題，可對人工濕地進行改進。
(1) 有機質積累。出現這種情況的根本原因是有機質負荷過高，需要采取措施控制人工濕地負荷。可以在一定范圍內將人工濕地分為兩級: 一級濕地作為宅前濕地，處理污染程度較輕、COD 負荷較低的景觀用水等，兼做休閑公園; 二級濕地作為公共濕地，距建筑物較遠，可用于處理廚房、廁所排出的生活污水，此類污水的污染負荷較高，需采用化糞池或沼氣池進行預處理，以避免有機物積累。
(2) 占地面積大。通過潛流式人工濕地、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展之間的矛盾。
(3) 季節影響。有關研究表明，在氣候寒冷的挪威，有厭氧池進行預處理的人工濕地系統，冬季運行效果與其他季節沒有明顯不同; 瑞士利用垂直－水平流濕地組合系統處理住宅區污水，冬季的去除性能也較理想［5］。通過技術手段可以克服低溫對人工濕地處理效果的影響，如在一級濕地上建造溫室等。
人工濕地的一個常見應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，也可被應用于處理農業高負荷有機物。許多濕地已經建成并用于處理礦井排水，僅在阿帕拉契就有超過500 個這樣的濕地系統。利用人工濕地處理雨水是這種工藝近年來新的應用，人工濕地的數量也在快速增多。
人工濕地是耐用而高效的系統。人工濕地處理污水或雨水是一種低成本、低能耗、低人工干預的過程。經過廣泛研究和實際應用，有識之士正在不斷完善人工濕地的設計、性能、操作及維護，使其能夠更有效地改善水質。
參考文獻:
［1］吳春英．吉林市人工濕地建設與生態旅游資源開發［J］．安徽農業科學，2009，37(3) : 1284 － 1285．
［2］ Comin F A．Nitrogen Removal and Cycling in Restored Wetlands Used as Filters of Nutrients for Agricultural Runoff［J］．Water Science and Technology，1997，35 (5) : 255 － 261．
［3］鄭亞杰．人工濕地系統處理污水新模式的探討［J］．環境科學進展，1995，3(6) : 1 － 8．
［4］王世和．人工濕地污水處理理論與技術［M］．北京: 科學出版社，2007．
［5］ Mahlum T，Jenssen P D，Warner W S．Cold － Climate Constructed Wetlands［J］．Water Science and Technology，1995，32(3) : 95 － 101．
作者簡介:秦明(1964-) ，男，上海人，高級工程師，主要從事水利工程建設管理工作。
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