人工濕地污水處理技術(shù)是（cw-constructed wetland）一種人工將污水有控制地投配到種有水生植物的土地上，按不同方式控制有效停留時(shí)間并使其沿著一定的方向流動(dòng)，在物理、化學(xué)、生物共同作用下，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解等來實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化的生物處理技術(shù)。
采用人工濕地技術(shù)凈化污水始于1953年德國的max planck研究所，該研究所的seidel博士在研究中發(fā)現(xiàn)蘆葦能去除大量有機(jī)物和無機(jī)物。到20世紀(jì)70年代末期逐漸發(fā)展成為一種獨(dú)具特色的新型污水處理技術(shù)。人工濕地污水處理技術(shù)具有處理效果好、出水水質(zhì)穩(wěn)定、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、對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)能力強(qiáng)、適于處理間歇排放的污水等主要特點(diǎn)。同時(shí)，人工濕地對(duì)保護(hù)野生動(dòng)物和提高局部地區(qū)景觀的美學(xué)價(jià)值也有益處。因此，大力開發(fā)人工濕地污水處理技術(shù)，對(duì)我國水環(huán)境污染的治理具有重大的意義，在我國具有廣泛的發(fā)展前景。
2、人工濕地的類型
人工濕地的基本類型
①自由表面流人工濕地（fws）：和自然濕地相類似，水面位于濕地基質(zhì)層以上，其水深一般為0.3—0.5m，采用最多的水流形式為地表徑流，這種類型的人工濕地中，污水從進(jìn)口以一定深度緩慢流過濕地表面，部分污水蒸發(fā)或滲入濕地，出水經(jīng)溢流堰流出。這種類型的人工濕地具有投資少、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。
?、跐摿餍腿斯竦叵到y(tǒng)(sfs)：污水在濕地床的表面下流動(dòng)，利用填料表面生長(zhǎng)的生物膜、植物根系及表層土和填料的截留作用凈化污水。主要形式為采用各種填料的蘆葦床系統(tǒng)。蘆葦床由上下兩層組成，上層為土壤，下層是由易使水流通過的介質(zhì)組成的根系層，如粒徑較大的礫石、爐渣或砂層等，在上層土壤層中種植蘆葦?shù)饶退参铩摿魇綕竦啬艹浞掷昧藵竦氐目臻g，發(fā)揮植物、微生物和基質(zhì)之間的協(xié)同作用，因此在相同面積情況下其處理能力得到大幅提高。污水基本上在地面下流動(dòng)，保溫效果好，衛(wèi)生條件也較好。
根據(jù)污水在濕地中流動(dòng)的方向不同可將潛流型濕地系統(tǒng)分為水平潛流人工濕地、垂直潛流人工濕地和復(fù)合流人工濕地3種類型。不同類型的濕地對(duì)污染物的去除效果不盡相同，各有優(yōu)勢(shì)。
?、鬯搅鳚摿魇綕竦兀浩渌鲝倪M(jìn)口起在根系層中沿水平方向緩慢流動(dòng)，出口處設(shè)水位調(diào)節(jié)裝置，以保持污水盡量和根系接觸。
?、艽怪绷鳚摿魇綕竦兀浩渌鞣较蚝透祵映蚀怪睜顟B(tài)，其出水裝置一般設(shè)在濕地底部。和水平流潛流式濕地相比，這種床體形式的主要作用在于提高氧向污水及基質(zhì)中的轉(zhuǎn)移效率。其表層為滲透性良好的砂層，間歇式進(jìn)水，提高氧轉(zhuǎn)移效率，以此來提高bod去除和氨氮硝化的效果。
?、輳?fù)合流潛流式濕地：其中的水流既有水平流也有豎向流。在蘆葦床基質(zhì)層中污水同時(shí)以水平流和垂直流的流態(tài)流出底部的滲水管中。也可以用兩級(jí)復(fù)合流潛流式濕地進(jìn)行串聯(lián)的復(fù)合流潛流濕地系統(tǒng)，第一級(jí)濕地中污水以水平流和下向垂直流的組合流態(tài)進(jìn)入第二級(jí)濕地，第二級(jí)濕地中，污水以水平流和上向垂直流的組合流態(tài)流出濕地。
人工濕地的水流類型不同，其對(duì)不同污染物的去除效率也有差異。水平潛流濕地對(duì)bod、cod等有機(jī)物和重金屬的去除效果較好，垂直流濕地對(duì)氮、磷的去除效果較好，表面流型濕地的處理效果一般。但如果將表面流型與潛流型、表面流型與垂直流型結(jié)合起來，去污效率會(huì)進(jìn)一步提高。根據(jù)對(duì)104座潛流型濕地系統(tǒng)和70 座表面流濕地系統(tǒng)的處理效果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，有如下結(jié)果。
1.1ss表面流濕地系統(tǒng)用于三級(jí)處理時(shí)出水ss< 20mg/l；用于二級(jí)處理時(shí)稍高，但通常也低于20mg/l。水平潛流濕地系統(tǒng)進(jìn)水ss平均為140 mg/l，出水平均為12.4 mg/l。
1.2 bod5一般來說，當(dāng)潛流濕地系統(tǒng)進(jìn)水bod5平均為114 mg/l時(shí)，則出水平均為17 mg/l；表面流濕地系統(tǒng)進(jìn)水bod5平均為41 mg/l時(shí)，出水平均為11 mg/l。
3、人工濕地的構(gòu)造
人工濕地一般都由以下五種結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成：底部的防滲層；由填料、土壤和植物根系組成的基質(zhì)層；濕地植物的落葉及微生物尸體等組成的腐質(zhì)層；水體層和濕地植物（主要是根生挺水植物）。
①水生植物：首先，植物可以有效地消除短流現(xiàn)象；其次，植物的根系可以維持潛流型濕地中良好的水力輸導(dǎo)性，使?jié)竦氐倪\(yùn)行壽命延長(zhǎng)；第三，通過其中微生物的分解和合成代謝作用，能有效地去除污水中有機(jī)污染物和營養(yǎng)物質(zhì)，第四，水生植物能夠?qū)⒀鯕廨斔偷礁?，使植物根系附近有氧氣存在，通過硝化、反硝化，積累、降解、絡(luò)合、吸附等作用而顯著增加去除率。第五，致密的植物可以在冬季寒冷季節(jié)起到保溫作用，減緩濕地處理效率的下降。
②基質(zhì)層：基質(zhì)層是人工濕地的核心。基質(zhì)顆粒的粒徑、礦質(zhì)成分等直接影響著污水處理的效果。目前人工濕地系統(tǒng)可用的基質(zhì)主要有土壤、碎石、礫石、煤塊、細(xì)沙、粗砂、煤渣、多孔介質(zhì)(leca)、硅灰石和工業(yè)廢棄物中的一種或幾種組合的混合物?；|(zhì)一方面為植物和微生物生長(zhǎng)提供介質(zhì)，另一方面通過沉積、過濾和吸附等作用直接去除污染物。
③防滲層：防滲層是為了防止未經(jīng)處理的污水通過滲透作用污染地下含水層而鋪設(shè)的一層透水性差的物質(zhì)。如果現(xiàn)場(chǎng)的土壤和黏土能夠提供充足的防滲能力，那么壓實(shí)這些土壤作濕地的襯里已經(jīng)足夠。
④腐質(zhì)層：腐質(zhì)層中主要物質(zhì)就是濕地植物的落葉、枯枝、微生物及其他小動(dòng)物的尸體。成熟的人工濕地可以形成致密的腐質(zhì)層。
⑤水體層：水體在表面流動(dòng)的過程就是污染物進(jìn)行生物降解的過程，水體層的存在提供了魚、蝦、蟹等水生動(dòng)物和水禽等的棲息場(chǎng)所。
二 人工濕地去除污染物機(jī)理
1、有機(jī)物的去除
人工濕地對(duì)有機(jī)物有較強(qiáng)的凈化能力，污水中的不溶有機(jī)物通過濕地的沉淀、過濾作用，可以很快被截留下來而被微生物利用；污水中的可溶性有機(jī)物則可通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝過程而被分解去除。國內(nèi)有關(guān)學(xué)者對(duì)人工濕地凈化城市污水的研究表明，在進(jìn)水濃度較低的情況下，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%，處理出水bod5的濃度在10mg/l左右，ss小于20mg/l。隨著處理過程的不斷進(jìn)行，濕地床中的微生物相應(yīng)地繁殖生長(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。
2、氮的去除
濕地進(jìn)水中的氮主要以有機(jī)氮和氨氮的形式存在，氨氮被濕地植物和微生物同化吸收，轉(zhuǎn)化為有機(jī)體的一部分，可以通過定期收割植物使氮得以部分去除，有機(jī)氮經(jīng)氨化作用礦化為氨氮，然后在有機(jī)碳源的條件下，經(jīng)反硝化作用被還原成氮?dú)?，釋放到大氣中去，達(dá)到最終脫氮的目的。存在根系周圍的氧化區(qū)（好氧區(qū)），缺氧區(qū)和還原區(qū)（厭氧區(qū)），以及不同微生物種群的生物氧化還原作用，為氮的去除提供了良好的條件。微生物的硝化和反硝化作用在氮的去除中起著重要作用。
3、磷的去除
濕地對(duì)磷的去除是通過微生物的去除、植物的吸收和填料床的物理化學(xué)等幾方面的協(xié)調(diào)作用共同完成的。污水中的無機(jī)磷一方面在植物的吸收和同化作用下，被合成為atp、dna和rna等有機(jī)成分，通過對(duì)植物的收割而將磷從系統(tǒng)中去除；另一方面，通過微生物對(duì)磷的正常同化吸收。此外，濕地床中填料對(duì)磷的吸收及填料與磷酸根離子的化學(xué)反應(yīng)，對(duì)磷的去除亦有一定的作用。含有鐵質(zhì)和鈣質(zhì)的填料可與水中的po43-反應(yīng)而形成沉淀而去除，含有這些物質(zhì)的地下水滲入床體內(nèi)也有利于磷的去除.磷的去除是通過植物吸收、微生物去除及物理化學(xué)作用而完成。
4、懸浮物的去除
進(jìn)水的懸浮物的去除都在濕地進(jìn)口處5—10m內(nèi)完成，這主要是基質(zhì)層填料、植物的根系和莖、腐殖層的過濾和阻截作用，所以懸浮物的去除率高低決定于污水與植物及填料的接觸程度。平整的基質(zhì)層底面及適宜的水力坡度能有效提高懸浮物的去除效率。
人工濕地處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)
人工濕地是一種由人工建造和監(jiān)督控制的、與沼澤地類似的地面 ,它利用自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的凈化。人工濕地在污水處理上具有高效率、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)。
1、高效率
人工濕地的顯著特點(diǎn)之一是其對(duì)有機(jī)物有較強(qiáng)的降解能力。有關(guān)人工濕地對(duì)二級(jí)污水處理廠出水試驗(yàn)的研究表明, 以二級(jí)污水處理廠出水作為原水的條件下,人工濕地對(duì)bod5的去除率可達(dá)85%—95%,cod去除率可達(dá)80%以上,處理出水中bod5的濃度在5mg/l左右,ss小于8mg/l。
我國大多數(shù)的二級(jí)污水處理廠出水中n、p的含量較高，濕地對(duì)n、p有很高去除率,可分別達(dá)到80%、90%以上。而傳統(tǒng)的污水回用工藝對(duì)n、p的去除率僅能達(dá)到20%—40%。污水中的氮、磷可直接被濕地中的植物吸收,通過對(duì)植物的收割而從污水和濕地中去除,另外,氮還可通過濕地中微生物的硝化和反硝化作用去除,磷則通過微生物的積累和填料床的理化作用協(xié)同完成去除。此外，人工濕地對(duì)微量元素和病原體也有相當(dāng)高的去除率。
2、低成本
據(jù)國外統(tǒng)計(jì),一般濕地系統(tǒng)在污水處理方面的投資和運(yùn)行費(fèi)用僅為傳統(tǒng)的二級(jí)污水廠的1/10—1/2。在污水處理方面，由于人工濕地工藝無需曝氣、投加藥劑和回流污泥,也沒有剩余污泥產(chǎn)生,因而可大大節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用,通常只消耗少量電能,用于提高進(jìn)水水位(如果水位無需提升則無此項(xiàng)費(fèi)用),處理費(fèi)用一般僅為傳統(tǒng)工藝的1/5到1/6左右。
由于人工濕地基本上不需要機(jī)電設(shè)備,故維護(hù)上只是清理渠道及管理作物,一般農(nóng)民完全可以承擔(dān),只需個(gè)別專業(yè)人員定期檢查。高昂的運(yùn)行費(fèi)用常常是我國開展污水回用的限制條件,而人工濕地則避免了這些缺點(diǎn)。
3、低能耗
水處理工藝的能耗不僅是經(jīng)濟(jì)問題,同時(shí)也是環(huán)境問題,因?yàn)楹哪苓^程中產(chǎn)生的co2、so2等氣體,還會(huì)污染大氣環(huán)境。人工濕地基本上不耗能,運(yùn)行成本低廉。
4、處理靈活
人工濕地可根據(jù)污水處理廠的規(guī)模，可大可小、就地利用；建設(shè)施工方便，需要的構(gòu)筑物、處理設(shè)備少。
5、處理效果好
出水水質(zhì)可以因植物池內(nèi)填料的不同達(dá)到《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(gb3838-88)ⅱ類至ⅴ類標(biāo)準(zhǔn),處理后的水可用作飲用水水源和景觀用水的湖泊、水庫或河流中,亦可用作沖廁、洗車、灌溉、綠化及工業(yè)回用等。
6、美化環(huán)境
由于植物池內(nèi)種植的是濕地植物,如果選擇合適的植物品種如水竹、睡蓮、美人蕉等，可以美化環(huán)境,改善地面景觀。
缺點(diǎn)：
1、占用土地面積相對(duì)其它傳統(tǒng)工藝為大。
2、由于生物和水力的復(fù)雜性加大了對(duì)其處理機(jī)制、工藝動(dòng)力學(xué)和影響因素認(rèn)識(shí)理解的難度，致使該工藝設(shè)計(jì)運(yùn)行的參數(shù)不夠精確，若設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致出水不達(dá)標(biāo)。正因?yàn)槿绱?，選擇經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)施工合作方顯得尤為重要。
