随着我国国民经济的高速发展和人口的不断
增加,工业污水、生活污水、农业面源污水的排放
量逐年增加. 由于大部分污水未经处理直接排入
水体,各种污染物的数量超过水体环境的自净容
量而引起水环境的日益恶化. 以湖泊富营养化及
生态系统退化为主要特征的水质恶化已成为许多
国家和地区经济持续发展的制约因素. 尽管各国
针对性地采取了一些措施,但仍难以遏止湖泊水
质恶化的趋势. 我国监测的78 条河流中,有70 %
受到废水的严重污染[1 ,2 ] . 目前世界上污水治理一
般采取离子交换树脂技术、功能高分子吸附技术、
生物吸附技术、电渗析技术、膜生物反应器技术
等,但由于复杂的发生机制和高昂的治理费用限
制了这些方法的应用范围. 探索高效、低耗、低成
本、易管理、可持续的污水处理技术是世界各国环
境治理的一个重要方向,对于我国这样的发展中
国家则有更加重大的意义. 人工湿地技术是国际
上近20 年发展起来的一种废水处理新技术,其特
点是投资少、效果好、运行维护方便、氮氧去除率
高,这方面的研究在世界范围内得到了迅速发
展[3 ,4 ] . 本文就湿地的定义、功能、构造、作用机制
等方面的问题加以综述.
1 湿地的定义
湿地分布广泛,类型繁多,仅从成因划分则有
海成、海湾成因、河成、湖泊成因和沼生湿地系统5
大类,不同湿地相互间差别很大,因此,很难给出
一个确切的定义. 不同学科领域研究的侧重点不
同,对湿地的定义也有所不同. 湿地的植物学定义
着眼于适应淹没或浸透土壤条件的植物;水文学
的定义则强调相对于地表的水位. 一个完整的湿
地定义应该涉及多学科的方法. 从生态学的角度
看,湿地是陆地与水系之间的过渡区域,其地表水
和表面积水的频度和持续时间很充分,在正常的
环境条件下能够供养适应于潮湿土壤植被的区
域[5 ] . 湿地通常有50 %以上的生物物种为水生或
适宜于水生生境,平均积水深度少于或等于2 m ,
必须有挺水或木本植物生长[6 ] . 按照《拉姆萨尔公
约》中的定义,湿地系统指天然或人工、长久或暂
时沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带(浅水湖泊、河
流、泛洪区等) ,包括静止或流动的淡水、半咸水或
咸水水体,以及海洋或地潮水深不超过6 m 时的浅
海水域. 1994 年的《中国湿地生态环境保护规划》
会议上对湿地的解释是:处于陆地与水域的交汇
处,水位接近或处于地表面,或有浅层积水,一般
以低水位时水深2 m 处为界,并具有以下特征: (1)
至少周期性的以水生、湿生植物为植物优势种; (2)
低层土主要是湿生土壤; (3) 在每年的生长季节底
层土被水淹没4 个月以上[7 ,8 ] .
X 收稿日期:2002 - 03 - 30
作者简介:文乐元(1974 - ) ,女,湖南邵阳人,硕士,主要从事园林植物的教学与科研工作.
2 湿地的生态功能
湿地是一种特殊的土地资源和生态环境,在
蓄水防洪、调节气温、降解污染、保护生物多样性
和维持区域生态平衡等方面起着不可替代的作
用. 湿地是多种珍贵水禽的栖息地[9 ] ;湿地可通过
蒸发和地下渗水, 消减洪峰流量, 减轻洪灾危
险[10 ] ;湿地还能有效地处理生活污水、农业排灌用
水和工业用水,大量截流陆源营养物质总氮和总
磷,大幅度减少BOD ,COD 含量[11 ] . 然而,由于人为
的围湖、围海造田;加之生活污水和工业废水的大
量排放,造成了湿地面积的大幅度减少以及湿地
生态环境的日益恶化,进而引起珍贵鸟类减少、污
染加剧、气候劣变[11 ]等一系列环境问题,这才迫使
人们逐渐认识到湿地保护的重要性[13 ] ,开始努力
采取模拟湿地即人工湿地的方法进行生态的保护
和污水的处理,并取得了一定的效果. 如采用人工
湿地保护繁殖丹顶鹤[9 ] ; 用人工湿地去除乳制品
废水中的COD ,BOD ,氨态氮和磷[14 ] . 在用人工湿
地处理铁矿酸性排放水[15 ] 、炸药车间排放水[16 ] 、
煤矿系统排废水过程中,人工湿地能使排放水的
pH 值升高,总氮和总磷下降,铜、铁、锰等离子大幅
度减少. 利用水葫芦———水草人工湿地在再生浆
造纸废水进行处理后,其出水水质也可达到排放
标准且可用于农灌[17 ] ;将地热源附近的天然沟渠
改建成人工湿地,地热废水经过石灰沉淀池进行
预处理,再经过植物塘的进一步净化,可达到出水
中的氟化物≤3 mg/ L ,全盐量≤200 mg/ L ,可直接
用于采暖、淋浴、理疗、温室栽培、养殖废水等方面
加以利用[18 ] . 在“八五”攻关课题“滇池防护带农田
径流污染控制工程技术研究”中,首次将处理城市
生活污水的人工湿地工程技术用于处理农田废
水,取得了满意的社会环境效益[19 ] .
3 人工湿地
人工湿地是一种人工建造和监督控制的与沼
泽类似的地面,它的基质通常是碎石,植物生长于
碎石床介质中. 人工湿地实际上是将沉淀池、稳定
塘、人工湿地有机结合处理污水的新模式,其一般
工艺流程如下. 第一个完整的人工湿地试验始于
1974 年西德的Othfrensen 湿地建造;我国人工湿地
的研究起步较晚,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
地污水处理系统[20 ] .
来
水
v 格
栅
v 第一级
人工湿地
v 氧化塘
(稳定塘)
v 第二级
人工湿地
v 出
水
人工湿地的构造可简述为:在一定长宽比及
底面坡降的浅池内或低洼地中,按一定的坡度填
充选定级配的填料(如碎石) ,在填料表层土壤中
种植一些处理性能好、成活率高、生长周期长、根
系发达、美观及具有经济价值的水生植物(如水葫
芦、菹草、芦苇等) ,构成一个湿地生态系统[21 ,22 ] .
在湿地处理系统设计中,应尽可能增加水流在其
中流动的曲折性,以增加该系统的稳定性、对外界
环境的抗性、延长该湿地的使用寿命及处理能力.
具体做法是将湿地多级串联或附加一些预处理及
后处理构建物(如石灰池) . 由于人工湿地污水处
理尚处于开发和应用研究阶段,缺乏成熟的设计
规范和经验,许多工作还有待进一步研究. 但一般
而言,其设计过程中应充分考虑以下几个因素.
3. 1 污水量和污水水质确定
进行污水量的调查和污水水质分析,确定处
理的规模以及有针对性地去除有关污染物,设计
处理后的污水必须达到一定的污水排放标准.
3. 2 污水处理工艺选择
人工湿地系统去除的污染物种类广泛,包括
BOD ,COD ,SS ,氮,磷,钾,微量金属,病原体等. 为
减免经常性的清污、降低人工湿地的作业困难,污
水的前期处理十分必要. 此外,应根据不同的污水
来源选择不同的处理工艺.
3. 3 人工湿地的植物选择
应选择耐污、净化、抗逆能力强的乡土植物作
为人工湿地的种植植物. 如美国人工湿地常用的
植物有芦苇、香蒲、灯心草、水葱、竹等;深圳市白
泥坑人工湿地栽种了芦苇、茳芏、灯心草、蒲草等.
有些人工湿地中还兼养耐污能力强的鲤、鲫等鱼
种组成水生生物塘,使整个湿地变成一个花草繁
茂、鱼儿欢跃的系统绿化工程.
3. 4 人工湿地的工艺参数
在人工湿地的设计中,湿地的长宽值可按下
式计算: W = Q/ Ks ×S ×d. 其中: W 表示湿地宽
(m) ; Q 表示湿地平均处理流量(m3/ d) ; d 表示湿
地深(m) ; Ks 表示填料导水率[m3/ (m2 ×d) ] ; S 表
示湿地床坡度. 为保证废水以推流方式流经湿地,
其长度应> 20 m;长宽比应> 3. 根据现有人工湿地
的设计与运行经验,一般单个碎石床的长度< 50
m ,宽度25～30 m[20 ] . 人工湿地的深度一般是按水
生植物根系自然扩展的深度来设计的,多数为0. 6
第2期 文乐元等:人工湿地———新型污水处理技术77
～0. 7 m[4 ,23 ] . 如草床深度为0. 76 m[24 ] ;芦苇床
推荐深度为0. 6～0. 7 m;茳芏、席草和灯心草湿地
池深度为0. 45～0. 6 m[25 ] ;香蒲、灯心草的湿地池
深度以0. 2～0. 6 m 为宜[26 ] .
根据废水的流经方式可将人工湿地分为3 类:
表面流型、潜流型、立式流型. 可根据不同的污染
物去除要求及地理条件选择建造不同的类型. 潜
流型人工湿地由于水在填充料的表面下渗流,可
充分利用各系统的协调作用,而且相对于其他类
型而言不容易滋生蚊虫,卫生条件较好,造价较
低,在我国应用较多[4 ,27～29 ] .
4 处理机制
人工湿地处理污水的原理复杂,目前还缺少
较为深入的研究. 现有研究认为湿地之所以能够
净化污水是其中物理、化学及生物协调作用和影
响的结果. 成熟的人工湿地,其填料表面吸附了许
多微生物形成的大量生物膜,植物根系广布于池
中,当污水流经人工湿地时,污水中的悬浮物(包
括不溶性有机物) 被填充料及植物根系阻挡截留
而沉淀在基质中,通过微生物的同化吸收和异化
分解得以去除;污水中的许多污染物还可以通过
植物根系和微生物分泌的一些物质发生离子交
换、离子吸附、化学沉淀等化学反应得以去除. 德
国学者Kickuth R. 的根区法理论认为,生长在湿地
中的挺水植物通过叶吸收和茎干的运输作用,将
空气中的氧转运到根部,再经过植物的根部表面
组织扩散. 这样,使根系周围的微环境依次呈现好
氧、缺氧及厌氧状态,十分利于硝化、反硝化作用
及微生物对磷的过量积累作用从废水中得以去
除,最后通过湿地基质的定期更换或收割使污染
物质最终从系统中去除. 人工湿地中物质的传递
与转化主要因含氧情况不同而有所差别,图1 可以
清楚地表现这一过程[21 ,22 ] .
图1 人工湿地中物质传递及变化过程
5 结束语
人工湿地由于其工艺较为简单、投资少、能耗
低、运行费低、维护、操作和管理方便,目前已引起全
世界环境科学家的高度重视,正逐渐被广泛应用. 此
外,由于人工湿地可以建成一个草木常青、花香飘
逸、鱼儿欢跃的具有自然美感的园林,因而较常规的
二级污水处理工艺具有更好的生态效益和经济效
益,在我国和世界必将有广泛的应用前景. |
