我國人工濕地研究進展及在寒冷地區的應用

鄭國臣 ，范曉娜 ，李云鵬 ，李 環 ，張繼民 ，彭 俊 ，錢 寧

（1.松遼流域水資源保護局，吉林 長春 130021；2.遼寧省江河流域管理局，遼寧 沈陽 110003）

1 人工濕地處理技術相關的研究

近年來，我國在人工濕地處理污水方面取得了較大進展。人工濕地生態系統示范工程主要有：東平湖人工濕地（山東）、撫仙湖人工濕地（云南）、微山南四湖人工濕地生態示范園、石巖河人工濕地公園、深圳寶安區石巖河人工濕地等。

1.1 人工濕地系統處理工藝研究

1）多級人工濕地-塘組合處理鄱陽湖區農業徑流機理及工藝優化。

2）薏米人工濕地對生活污水中鉻凈化能力及機理研究。

3）新型纖維填料人工濕地凈化效果及基質堵塞的機制研究。

4）垂直流人工濕地土壤堵塞過程的發生機理與調控機制研究。

5）人工增氧型濕地氧傳遞與利用機理研究。

6）潛流型人工濕地低溫域脫氮的生態過程及功能強化。

7）亞熱帶人工濕地植物多樣性的脫氮效能研究。

8）垂直流人工濕地硝化與反硝化作用的最優化及實時追蹤。

1.2 人工濕地的運行機理研究

1）人工濕地對富營養化水體藍藻種群的調控機理研究。

2）人工濕地中生物氧化錳的生成與調控機制研究。

3）人工濕地氮轉化分子生態過程耦聯機制研究。

4）人工濕地水動力學與生化反應動力學耦合模型研究。

5）基于泥炭為碳源的人工濕地反硝化脫氮機理研究。

6）水平潛流人工濕地水動力模擬及去污實證研究。

7）人工濕地中磷的有機賦存形態及其轉化規律研究。

8）垂直流人工濕地氮的去除過程機理及其遷移轉化規律研究。

9）生物質發酵產酸強化人工濕地反硝化機理與反饋調節機制。

1.3 人工濕地中生物多樣性研究

1）基于空氣微生物多樣性分析與定量危險評估的人工濕地環境安全研究。

2）人工濕地植物多樣性對氧化亞氮減排效應及機理研究。

3）碳氧調控下垂直流人工濕地凈化功能優化及微生物響應研究。

4）人工濕地中基質-植物-微生物系統的生態學研究。

5）人工濕地植物、基質與微生物在污水凈化中的協同與拮抗。

6）高效脫氮菌群生物強化南四湖人工濕地處理工藝及機理研究。

7）基質-植物-蚯蚓配置垂直流人工濕地凈化污水效果及機理研究。

8）高蓄能水生植物人工濕地污水凈化聯產生物質油研究。

9）鄉村小型生活污水生物生態除磷脫氮技術。

基于指示和病原微生物動態分布和生長動力學的人工濕地環境安全研究。

1.4 人工濕地中毒理性方面的研究

1）類固醇雌激素在人工濕地根區的生物降解機制及強化研究。

2）土霉素脅迫下人工濕地微生物的群落更替和抗性相應機制。

3）異化金屬還原菌溶礦作用對重金屬解吸運移的濕地原位研究。

4）人工濕地去除有機磷農藥毒死蜱機理及其生物響應研究。

5）人工濕地植物根系氧氣傳輸及其與系統凈化關系研究。

6）典型有機氯化物在人工蘆葦濕地中的運移過程與機制。

7）人工濕地系統中有機農藥污染物的微生物降解機制及控制研究。以上有關人工濕地的研究，為我國人工濕地污水處理技術的應用提供了科學和技術上的參考。

2 國內研究進展

按照布水方式的不同或水流方式的差異，人工濕地可分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地、垂直潛流人工濕地。近幾年的研究表明，越來越多的新型人工濕地應運而生，并得到越來越多的應用。

1）表面流人工濕地。張成祿[4]發明的無終端表面流人工濕地，具有高效處理能力的良性生態濕地系統，提出的潛表流交替人工濕地，潛流區域和表面流區域通過隔離墻分開，在處理效能與運行穩定性方面都有了明顯的改善。靖德兵[5]構建具有綜合效益的復合植被濕地污水處理系統，成本低廉、容易成活、復合植被且綜合效益高。鄭少奎[6]設計的分段式自由表面流人工濕地處理方法及系統，改善了表面流人工濕地處理效率低下的問題。

2）水平潛流人工濕地。張建[7]研究一種新型潛流人工濕地，具有簡單實用，不易堵塞，性能穩定，出水水質好，投資低，管理方便，運行費用低，占地面積小等特點。張成祿[4]研究的多級折返潛流人工濕地是一種多級折返潛流人工濕地，該人工濕地的床體內設有多級折流板，潛流式處理效果好，出水水質好。張建[8]提出的環流式表流人工濕地，該人工濕地包括床體、進水管、布水管、出水管和水生植物，床體呈環流式。

3）垂直潛流人工濕地。崔理華[9]提出的復合垂直流人工濕地，該技術應用于城鎮生活污水處理效能較高。魯敏[10]研究的輻流式人工濕地，構成由外圍進水、中心位置出水的輻流式人工濕地，具有占地面積小，有機負荷高，處理效能好等優點。夏世斌[11]提出的金字塔型人工濕地污水處理方法，污水經過人工濕地金字塔型層、人工濕地基質層處理后得到凈化。劉鵬[12]研究的用于污水處理的立體型人工濕地系統，該立體型人工濕地系統包括高位集水箱、多孔濾水垂直流人工濕地床。

4）復合人工濕地。張建[13]的復合流人工濕地裝置，主體由若干單元組成，單元之間由立板隔開，擋板豎直設在每個單元內，由上至下垂直流、水平潛流、由下至上垂直流、表面流，進入下一個單元后，再重復以上過程。吳永紅[14]報道的農田生態干渠-人工濕地水質改善與生態系統重建方法，將匯集的村鎮生活污水及少量工業廢水經預處理后流入農田生態干渠，與農田排水混合、凈化處理之后，經集水生物塘調控水量并流入人工濕地中進一步強化凈化。以上人工濕地運行以來，產生了良好的生態、經濟和社會效益，為我國的河湖健康做出了較大的貢獻。

3 北方人工濕地處理技術的應用狀況

針對北方地區氣候特點，沈陽環境科學研究院開展了水平潛流人工濕地技術在北方地區應用研究與工程示范。北方垂直潛流式人工濕地凈化污水的方法，采用一種有保溫措施、適于在冬季氣候寒冷、冰凍期較長的北方地區使用的且凈化效果良好的人工濕地凈化污水的方法；解決了冬季結冰期的防凍、防裂、防溢、防滲的治理技術問題；采用的多種保溫技術措施，冬季可保持填料床內被處理的廢水溫度在15～20℃，解決了人工濕地在北方不能過冬使用或冬季治理效果差的問題[15]。王培京[16]研究的北方低溫地區復合型人工濕地水質凈化系統，潛流濕地子系統由砂濾模塊、濕地模塊及曝氣配水井組合構成，工程措施和生態措施有機結合，對受污染來水進行多重凈化，投資省、效果好，具有顯著的經濟效益和生態效益。劉培斌[17]探討的北方低溫地區潛流人工濕地冬季運行方法，進水管為地埋管，以不凍冰為宜，引取冰下水溫高的水源；濕地單元內高密度種植蘆葦，蘆葦品種選擇桿高粗壯的品種，蘆葦生長后形成的高密度蘆葦蕩冬季不收割，利用蘆葦桿擋風，蘆葦自然凋落形成覆蓋層保溫；濕地單元出水處設置水位調節井，井內設水位調節管，改善了在冬季將濕地單元內的蘆葦割除的傳統做法，利用蘆葦葉和蘆葦桿保溫，既保證了濕地在冬季度的正常運行，不會造成二次污染，生態效果顯著。周有[18]研究的高緯度寒冷地區人工濕地污水處理生態系統，潛流池及表流式濕地中的人工介質填料層各層均選用自然材料，無需攪拌，曝氣也更節省能源，整個處理系統結構簡單、操作方便，運行費用低；還包括表流式濕地，在凈化污水的同時還生長濕地生物，使自然環境中的生物多樣并起到美化環境的作用。

4 結語

綜上所述，人工濕地在我國的應用已取得了長足的進步，目前在我國北京、沈陽、哈爾濱等北方地區，均有大量應用于污水處理的人工濕地系統。但仍然存在很多問題，在北方表現最突出的是運行穩定性、堵塞，溫度（特別是冬季）等問題。在我國北方地區，冬季氣候寒冷，低溫會造成濕地系統管道發生破裂，濕地植物休眠，根系微生物代謝減緩甚至停止等現象；冬季人工濕地對TP的去除率比夏季低15%左右，這說明人工濕地處理效率在冬季會大幅度下降。

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