人工湿地技术的应用与发展

1 、前言
随着工业的发展，水污染的加剧，同时淡水资源短缺与人民生活水平提高之间的矛盾日益加剧，水环境保护的任务也越来越艰巨。近年来，环境科学研究在迅速发展，正在积极探索水环境污染全球效应问题，各种水处理污染的方法层出不穷，其中生态处理技术——人工湿地技术由于其低投资，出水水质好，抗冲击力强，操作简单，建造和运行费用低(仅为传统二级污水处理厂的1/10----1/2),维护方便，氨氮去除率高，同时可使污水处理与环境生态建设有机结合，在处理污水同时创造城市生态景观等特点逐步被越来越多的国家接受，并广泛应用。
2 、人工湿地的定义及分类
2.1 人工湿地的定义
用人工湿地(Constructed wetland)来处理城市污水是发达国家近十年来才兴起的生态处理法,它是为处理污水而人为地在有一定长宽比和底面坡度的洼地上用土壤和填料(如砾石等)混合组成填料床，使污水在床体的填料缝隙中流动或在床体表面流动，并在床体表面种植具有性能好，成活率高，抗水性强，生长周期长，美观及具有经济价值的水生植物(如芦苇，蒲草等)形成一个独特的动植物生态体系。(1)
人工湿地去除的污染物范围广泛，包括N , P , SS , 有机物，微量元素，病原体等。有关研究结果表明，在进水浓度较低的条件下，人工湿地对BOD5的去除率可达85％――95％，COD去除率可达80％以上，处理出水中BOD5的浓度在10mg/l左右，SS小于20mg/l。(2)废水中大部分有机物作为异样微生物的有机养分，最终被转化为微生物体及CO2 , H2O。
人工湿地面积可视情况而言，可在市郊结合部，也可在污水处理厂出水的附近建造。一些人工湿地属预处理型，在那些目前还不具备建造污水处理厂的城乡结合部建造人工湿地，将生活污水排入，利用所种植物对其进行处理，然后再排入自然水系，保护水体；还有些湿地属于加强型，在污水处理厂附近建造人工湿地，将污水处理厂处理过的水引入，再经过人工湿地的加强处理，提高其水质，然后排入自然水系，作为其补充水源。
2.2 人工湿地的分类
根据湿地中主要植物形式人工湿地可分为：1、浮游植物系统; 2、挺水植物系统；3、沉水植物系统。其中沉水植物系统还处于实验室研究阶段，其主要应用领域在于初级处理和二级处理后的精处理。浮游植物主要用于N , P去除和提高传统稳定塘效率。目前一般所指人工湿地系统都是指挺水植物系统。挺水植物系统根据废水流经的方式，可分为表面流湿地(SFW)、潜流湿地(SSFW)、立式流湿地(VFW)。(3)表面流湿地和立式流湿地因环境条件差(易孳生蚊虫)，处理效果受气温影响较大以及对基建要求较高，现多不再采用。故人工湿地大部分采用潜流式湿地系统。
3 、人工湿地在国外研究应用发展
自西德1974年首次建造人工湿地以来，各种不同的湿地在世界各地已被用来处理大量不同的废水。1996年9月在奥地利维也纳召开的第四次国际研讨会，标志着人工湿地作为一种独具特色的新型废水处理技术已经正式进入水污染控制领域。
自由表面流湿地在欧洲发展缓慢。瑞典1994年在Wittgren建一座处理6500PE，占地22公顷的自由表面流湿地。在北美约200座湿地处理系统有2/3是自由表面流湿地，其中一半又是自然湿地。自然湿地的大小从1―1000公顷，其中一半在10－100公顷。人工自然表面流湿地通常较小，60％小于10公顷。自然湿地水力负荷小于人工湿地。系统水深范围5－90cm，30－40cm较普及。最常用的预处理是兼性或好氧塘，表明许多湿地系统用于现行塘系统的精处理。(4)地下潜流系统在欧洲应用较多，有几百座。在丹麦，德国，英国等国家都至少有200个系统在运行。此技术还在快速发展，特别是在一些东欧国家。绝大多数系统种植有芦苇，也有种植其它湿地植物的。在德国大多数系统介质是土壤，人们认为根的生长和芦苇根区会增加和稳定导水性，但几乎所有土壤系统都遇到表面断流问题。为保证潜流，英国和北美绝大多数采用砾石床。虽有些砾石床也堵塞，但主要是由于预处理不足。在欧洲此类系统趋向对近1000PE的乡村级社区进行二级处理；北美则趋向更多人口的高级处理。在澳大利亚和南非则用于处理各类废水。
美国EPA目前正在开发北美人工湿地数据库，地方数据库在其它国家已存在，为减少重复劳动和改良经验湿地设计方法，所有这些湿地都应通过公共数据库使世界各地的工程师和科技人员能够获得。这样的数据库可减少建设低效湿地的风险。两种湿地的设计指南现已出版，但改良工作仍然需要，有必要更细致的研究不同地区特征和运行数据以便在将来的建设中提供更合理的参数。竖流湿地在欧洲许多地方投入运行已有几十年。竖流系统至今未广泛使用是因为其需要更细致的建设和介质选择。最近国际会议上有几篇文章对竖流系统评价很高，目前世界上科技工作者正投入大量精力以改良人工湿地技术。潜流系统的处理效率可通过选择竖流系统，采用间歇负荷和合理选择介质而获得提高，还可引入一些传统处理技术的理论，如回流。此外，不仅对竖流系统，对所有人工湿地系统都需深入研究以改良优化工程设计参数，还需对系统的长期运行能力和管理问题进行研究。人工湿地不仅可用于城市和各种工业废水的二级处理，还可用于高级处理中的精处理和对农田径流的处理。在有些情况下，人工湿地可能是唯一使用的技术。(3)
4 、人工湿地在我国的应用与发展
4.1 深圳白泥坑人工湿地处理系统
我国自“七五”开始对人工湿地的研究，已建成一些示范工程，并于1990年7月在深圳建起我国第一个人工湿地污水处理工程――白泥坑人工湿地处理系统。
白泥坑人工湿地污水处理系统位于深圳市宝安县百泥坑村南500m处。水系沿山角流向海湾属海洋性气候。占地面积189亩，日处理量3100m3/d废水。其处理流程见图1

项目	单元数	长(m)	宽(m)	碎石粒径(mm)	碎石层厚(cm)	池底坡度 (%)	水力负荷(m3/m2.d)
第一级 第二级 第三级 第四级	3 2 3 3	42 47 30 31	11－12.5 18.5 19 19	10－50 10－30 5－10	40－100 50－120 150(水深) 60-100	1,1.5,2.0 2.0,3.0 0 0.5,1.0,1.0	95.4 95.4 (停留一天) 100.7

经过近两年的试验运转,出水效果较好。除氨氮指标效果不明显外;其余指标均能达到国家规定的二级处理排放标准。该工程无动力消耗,管理较方便,除每月作一次水质监测外,平时无需其它管理。从外观看,进水水质略显浑浊,但无色无臭,是一个村镇排出的生活污水及少量村办企业的废水汇合而成。
其运行费用为0.02元/m3仅为传统活性污泥法的10％。深圳百泥坑人工湿地处理系统与其它污水处理厂的比较见表2：(2)

工程名称	总投资 (万元)	单位污水 投资额(元/m3)	年运行费用 (万元)	吨水处理成本 (元/m3)	单位污水用地 (m2/m3)
深圳某厂 蛇口某厂 珠海某厂 海南某厂 白泥坑	3300 1500 547 42.9	660 833 574 138	>100 >100 >100 36.5 约2.0	>0.20 >0.20 >0.20 0.20 0.02	2.67 1.20 1.20 2.79

从表2可以看出，人工湿地的工程总投资，处理单位污水的投资额，年运行费用及单位污水的处理费用均比其它传统方法的费用低得多。
4.2 山东胶南市污水处理厂
胶南市位于山东半岛西南部，其市区三面环山，一面临海。其排水系统多采用雨污分流制，工业废水与生活污水量之比为1：4，工业废水主要来源于造纸，化工，印染，纺织，食品加工，酿造，橡胶，热电等企业。
以处理污水量61x104m3/d计，在建造污水处理厂前对各种处理流程进行了经济技术比较，见表3(5)

工程名称	特点	工程投资(亿元)	运行费用(万元/a)	处理成本(元/m3)	耗电量(kw.h)/m3	占地面积(hm2)
AB法	可有效去除有机物，对N,P去除率高	0.73	876	0.4	0.36	14
氧化沟	可有效去除有机物，对N,P去除率高	0.58	700	0.32	0.33	22
传统活性污泥法	可有效去除有机物，对N,P去除率低	0.66	788	0.36	0.40	14
一级处理排海法		0.82	296	0.14	0.25	8
芦苇湿地法	可有效去除有机物，对N,P去除效果较好，占地面积大	0.21	164	0.08	0.15	80

由表3可以看出,芦苇湿地处理工艺具有投资省、运行费用低和便于管理等特点,而胶南市风河下游北岸的大片盐碱荒滩恰好可满足该工艺占地面积大这一要求,因此芦苇湿地处理工艺成为最终选择。
建成的胶南污水处理厂设计处理规模为6×104ｍ3/,总投资为3000万元,占地面积为76.7ｈｍ2,全部为盐碱荒滩。
所采用的人工湿地为地表流芦苇湿地，该湿地系统的湿地有效占地为44.33hm2，水力负荷为13.5cm/d，由99小块芦苇湿地田组成，每小块长为140m，宽为32m，并联运行。
人工湿地的运行效果，该厂污水处理量为(0.7～1.4)×10ｍ/ｄ,进水中的ＣＯＤ为1000～2000ｍｇ/Ｌ、ＢＯＤ5为450～700ｍｇ/Ｌ、ＳＳ为700～1500ｍｇ/Ｌ。污水经过预处理后ＳＳ去除率达70%以上,ＣＯＤ去除率达25%以上,ＢＯＤ5去除率达20%以上,这大大减小了湿地田的负荷。湿地田进、出水指标
该厂的运行情况良好,各项指标均达到或优于国家标准。此外,湿地内鸥鹭、燕鹊栖息苇田,行人游客驻足观光,其生态效益可见一斑。
4.3 内蒙赤峰市宁城污水处理厂
宁城污水处理厂是赤峰市建委及宁城县建设局承担的国家建设部下达的“八五”科技研究重点课题“人工湿地污水处理技术在我国北方地区的研究和应用”的项目,该项目曾于1997年6月通过国家建设部科技司主持的技术鉴定,并于1998年6月将该项成果予以推广。
其工艺流程为原污水通过格栅,通过集水井、沉淀池,进入一级碎石床后,再进入二级碎石床,从二级碎石床流出处理水,排入天然河道。在一级碎石床栽植芦苇，在二级碎石床栽植香蒲。
采用此工艺处理每吨污水需土建费用427.00元,维护费用0.06元,占地面积3.6m2。
人工湿地污水处理技术的应用,有效地改善了东小河的生态环境,东小河下游的居民从此远离了恶臭和蚊蝇。改变了东小河的环境,提高了居民的生活质量。
5 、结束语
人工湿地污水处理系统是一个综合的生态系统，具有如下优点:①建造和运行费用便宜;②易于维护,技术含量低;③可进行有效可靠的废水处理;④可缓冲对水力和污染负荷的冲击;⑤可提供和间接提供效益,如水产、畜产、造纸原料、建材、绿化、野生动物栖息、娱乐和教育。但也有不足:①占地面积大;②易受病虫害影响；③生物和水力复杂性加大了对其处理机制、工艺动力学和影响因素的认识理解，设计运行参数不精确，因此常由于设计不当使出水达不到设计要求或不能达标排放，有的人工湿地反而成了污染源。另外，据已有数据,当上下表面植物密度增大时, 人工湿地系统处理效率提高,在达到其最优效率时,需２～３个生长周期，所以需建成几年后才达到完全稳定的运行。因此，目前人工湿地技术最大问题在于缺乏长期运行系统的详细资料。
总得来说, 人工湿地污水处理系统是一种较好的废水处理方式，特别是它充分发挥资源的生产潜力,防止环境的再污染,获得污水处理与资源化的最佳效益，因此具有较高的环境效益、经济效益及社会效益,比较适合于处理水量不大、水质变化不很大、管理水平不很高的城镇污水,如我国农村中、小城镇的污水处理。人工湿地作为一种处理污水的新技术有待于进一步改良，有必要更细致地研究不同地区特征和运行数据以便在将来的建设中提供更合理的参数。