潜流型人工湿地污水处理系统及其应用

宋志文¹，郭本华¹，韩潇源¹，曹军²
（1.青岛建筑工程学院，山东 青岛266033；2.中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110016）

　　摘要：潜流型人工湿地污水处理系统具有水力负荷和污染附和大，对BOD，COD，SS，重金属等污染指标去除效果好等优点，是目前国际上较多研究和应用的一种人工湿地处理系统。介绍了潜流型人工湿地污水处理系统的特点、构成、运行效果和应用，指出了潜流型人工湿地系统的应用前景和研究方向。
　　关键词：潜流型人工湿地；污水处理；人工湿地
　　中图分类号：X703.1　文献标识码：B　文章编号：1009—2455(2003)06—0005—04

　　采用人工湿地(Constructed Wetlands,CWs)系统处理污水是20世纪70年代发展起来的一种污水处理技术。由于具有净化效果好、工艺设备简单、运转维护管理方便、能耗低、对负荷变化适应性强、工程基建和运行费用低、可实现废水的资源化等特点，正越来越多地得到人们的关注^[1-2]。
　　我国在“七五”期间开展人工湿地的研究,分别在北京昌平、深圳白泥坑、天津等地建成不同处理规模的人工湿地处理工程，这些处理系统大多为自由表面流人工湿地，对于潜流型人工湿地的研究相对较少，并且大多为理论探讨或实验研究^[3-6]。本文在论述潜流型人工湿地的类型、特点、构成及应用的基础上．指出潜流型人工湿地系统的应用前景和研究方向。

1 潜流型人工湿地处理系统类型及其特点

　　根据污水在人工湿地中的流动方式可以把人工攫地划分为自由表面流人工湿地和潜流型人工湿地。自由表面流人工湿地和自然湿地相类似，废水从湿地表面流过。这种类型的人工湿地具有投资少、操作简单、运行费用低等优点。缺点是占地面积大，水力负荷低，去污能力有限，受气候影响较大，夏季会孽生蚊蝇、散发臭味；潜流型湿地系统中，污水在湿地床的表面下流动，利用填料表面生长的生物膜、植物根系及表层土和填料的截留作用净化污水。国外所建成的人工湿地中，潜流型人工湿地占相当大的比例。如在新西兰使用的大约80个人工湿地系统中，裹面流湿地占45％，潜流型人工湿地占33％，混合型人工湿地占14％^[7]。在美国、欧洲、澳大利亚和南非等地已建成的和正在建设的人工湿地处理系统中，大部分是潜流型湿地船^[8-9]。
　　 根据污水在湿地中流动的方向不同可将潜流型湿地系统分为水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地2种类型。不同类型的湿地对污染物的去除效果不同，具有各自的优缺点^[10]。
　　 ①水平潜流湿地系统。水平潜流人工湿地因污水从一端水平流过填料床而得名。它由一个或几个填料床组成，床体充填基质。与自由表面流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的水力负荷和污染负荷大，对BOD，COD，SS，重金属等污染指标的去除效果好，且很少有恶臭和孳生蚊蝇现象，是日前国际上较多研究和应用的一种湿地处理系统。它的缺点是控制相对复杂，脱氮、除磷的效果不如垂直流人工湿地。
　　 ②垂直潜流湿地系统。在垂直潜流人工湿地中污水从湿地表面纵向流向填料床的底部，床体处于不饱和状态，氧可通过大气扩散和植物传输进人人工湿地系统．该系统的硝化能力高于水平潜流湿地，可用于处理氨氮含量较高的污水。其缺点是对有机物的去除能力不如水平潜流人工湿地系统．落干／淹水时间较长，控制相对复杂。

2 潜流型人工湿地的构成

　　 潜流型人工湿地主要由3部分组成：基质、植物和布水系统。目前人工湿地系统可用的基质主要有土壤、碎石、砾石、煤块、细沙、粗砂、煤渣、多孔介质(LECA)、硅灰石和工业废弃物中的一种或几种组合的混合物。基质一方面为植物和微生物生长提供介质，另一方面通过沉积、过滤和吸附等作用直接去除污染物。潜流型人工湿地中使用的植物主要有香蒲、芦苇、灯心草等，这些植物可增加湿地基质的遇水性，此外还能与周围环境的原生动物、微生物等形成各种小环境，将氧气传输至根区，形成特殊的根际微生态环境、这一微生态环境具有很强的净化废水的能力。在美国，大约40％的潜流型湿地只种植香蒲一种植物，欧洲国家则多数种植芦苇，也有一些系统种植了多种组合植物。布水系统主要是将进水按一定方式均匀地分布在处理系统中，并且保证不发生短流和堵塞，在潜流型人工湿地处理系统中多采用穿孔管布水系统。

3 潜流型人工湿地的净化效果

3.1 对有机物的去除
　　潜流型人工湿地的显著特点之一就是其对有机污染物有较强的降解能力。污水中的不溶有机物通过湿地的沉积、过滤作用．可以很快地被截留而被微生物利用；污水中的可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、咀收及生物代谢过程而桩分解去除。资料表明，潜流型人工湿地系统的出水水质优于传统的二级生物处理^[1]。
3.2 对氰的去除
　　潜流型人工湿地对氮的去除作用包括吸附，过滤和沉积、氨挥发、植物吸收和微生物硝化和反硝化作用：微生物的硝化和反硝化作用在氮的去除过程中起着重要作用。在潜流型湿地系统中，氧的主要来源是植物根系．但这种能力是非常有限的，这就妨碍了任何流经该水域水流十氨的硝化作用：为提高潜流型湿地的供氧量，町以采用周期性地改变水深促使根系向纵深生巴，增加暴露水面或地表漫流区以促进表面复氧作用，或采用间歇布水的方式，以及采用频繁注人和循环的多个平行床系统使大气中的氧进入到介质中等方法。Platzer^[11]指出，潜流型湿地系统高的净化能力主要是依靠土壤有效的通气性，BOD，COD，氨氮的去除能力很高，但总氮的去除能力却有限。Green^[12]研究了系统中氧的分布随时间和空间的变化．并通过给湿地系统增设输气管，利用慢灌快排使系统充分进气．以增加内部溶解氧的含量来提高系统的硝化反应能力，结果大大提高了氨氮的去除串。
3.3 对磷的去除
　　潜流型人工湿地对磷的去除作用包括吸收、化学沉积、植物和藻类吸收、微生物作用等，其中基质吸附起主要作用^[13]。基质的理化性质对磷的去除串有很大影响。Zhu等^[14]研究了镁、钙、铁、铝和磷的吸附关系，发现钙与磷的吸附相关性量强。Geller^[15]也认为钙与铁、铝相比对磷具有更强的结合能力，潜流型湿地系统对磷的去除能力决定于这些矿质元素在基质中的含量。A Drizo等^[17]比较分析丁7种基质对磷的去除能力，发现飞灰和页岩具有最大的磷吸收．然后是铝土矿、石灰石，综合比较各种性能，A.Drizo认为页岩最适合作为潜流型湿地系统的基质。H．Brizo等^[17]分析了13种丹麦不同地区沙的理化性质和除磷能力，这些沙对磷的去除能力差别极大，决定磷的去除能力呈沙中钙的含量，作者同时也研究了一些人工合成基质的除磷能力，他认为将这些人工基质中的一种或几种和沙混合使用可以显著提高潜流型湿地系统的除磷能力。

4 潜流型人工湿地的经济分析

　　工程造价和运行费用是人们在选择和设计污水处理工艺时必须考虑的问题。美国分析了37个湿地污水处理系统的造价，其中19个自由衷面流湿地的平均造价为55000美元/hm²，18个潜流型系统的平均造价为215000美元/hm²：，因为需要额外的岩石供应和填筑费用，所以潜流型系统的造价比自由表面流系绕高，但是就负荷计算，潜流型系统显示出优越性，潜流系统的造价为163美元/m³，自由表面流系统为206美元/m^3[8]。国内一些专家估算，潜流型人工湿地污水处理系统的占地面积大约是自由衷面流人工湿地系统的十分之一，建造费用大约在130—150元/m²。

5 滑流型人工湿地的应用

　　德国最早开展了潜流型人工湿地的研究^[18]。早期的潜沉型湿地处理系统主要用于处理城市生活污水或二级污水处理厂出水。经过近30年研究与发展，该技术已经在英国、美国、新西兰、法国、澳大利亚、巴西、荷兰等许多国家得到应用推广，一些发展中国家也开始使用改技术解决国内的污水处理问题^[19]。与此同时应用范围电不断扩大，除了用于处理城市污水外，还应用于工业废水、农业面源污染、垃圾渗出液暴雨径流等多种废水的处理，表现出良好的净化效果，见表1。

表1　 潜流型人工湿地处理系统实例

6 结束语

　　众多成功应用的实践证明，潜流型人工湿地是一项非常有效的污水处理技术，和国外相比，国内的研究相对滞后，笔者认为今后应深入开展以下几个方面的研究。①通过筛选耐污和净化能力强的植物品种并进行优化组合，达到更好地调控潜流型人工湿地的净化功能以及符合城市景观建设的需要；同时建造适宜的湿地生态系统，使植物良好生长，充分发挥其各种功能。②在系统地研究潜流型人工湿地中微生物种类分布规律和作用机制的基础上，通过高效微生物的筛选，人为适当地改造湿地微生物群落结构并调控湿地系统的净化过程，从而提高人工湿地系统的运行效果。③通过对基质进行筛选或人工合成，提高人工湿地对磷的持续去除效果。④应用生态工程的原理和方法对人工湿地系统进行构建和调整，以利于湿地正常功能的运作和生态系统服务的可持续性。通过上述几个方面的研究，构建适合我国国情和不同地域特点的高效潜流型人工湿地处理系统，使其在我国得到广泛的应用和椎广。

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作者简介：宋志文(1966—)，男，河北玉田人，青岛建筑工程学院副教授，博士，现在从事环境生物技术方面的研究，发表文章10余篇，电话（0532）5072030，[email protected]。