淺談污水處理與水環境保護中人工濕地技術應用

周海洋

（廊坊市生態環境局，河北 廊坊 065000）

1 人工濕地污染物凈化原理

1.1 人工濕地的定義

人工濕地是指為了創造濕地環境或人為控制濕地生態學環境的功能而使用人工手段去建成的濕地，其主要通過土壤、植物、微生物和人工介質處理廢水和污泥，為水域提供氧氣。一般情況下，濕地建設技術會利用吸附、滯留、過濾、氧化還原和沉淀等許多環節中的材料循環和再生原理相結合。濕地可以很好地貯藏水，調節氣候，可以為所有動植物提供棲息地，大部分美麗的濕地被用作池塘，以提供觀賞，且還能用作蓄水池或充當灌溉區。所以，無論是自然濕地還是人工建設的濕地，都在廢水處理和生態環境保護中起著重要作用。

在20世紀50年代，人工濕地建造技術問世。近年來，中國大力研發相關的濕地建設技術和環境凈化工程，使濕地建設技術在各種產業中得到了越來越多的應用。在實際建設中，人工建成的濕地一般適用于人口稀少的偏遠鄉村以及污染比較輕微的地區。在實際應用中，人工建成的濕地一般使用微生物處理廢水，這樣會使污水處理得更加徹底和清潔，和傳統的污水處理工程來對比，人工濕地的處理方式對于勞動力和材料資源需求較少，而且能夠在很大程度可以節約成本，讓人們可以方便地進行維護管理[1]。

1.2 具體的凈化原理

一般來說，人工濕地技術是根據水體、基質、水生植物、微生物和各種腐殖質的生物作用，通過沉淀、過濾和吸附等多種方式綜合去除水中大量的有機懸浮物和重金屬陽離子的復雜有機反應。在一個綜合系統中，懸浮固體的去除主要是通過物理過程在人工濕地完成。例如，當這些懸浮固體與濕地基質、植物的根莖和水草莖之間發生強烈碰撞時，已經被過濾[2]，因此，可以快速去除懸浮固體。而溶解顆粒有機物通常被認為是水中一種可被微生物直接降解的顆粒固體有機物。在實際運行中，在進水系統中經過沉淀或進行過濾后，溶解的顆粒有機物將直接傳輸出水到周圍的諸如植物的塊莖或者草根生長區域以及植物基質細胞表面的其他生物細胞膜。根據需要溶解的過氧化物濃度的不同，可通過溶解好氧、缺氧和厭氧三種生物降解。

由于濕地中的氮或氨氮結合存在，所以用于脫硝的氮主要通過水中微生物氨化、硝化和磷的反惰性作用來直接實現。與以往的水利污水處理技術工藝系統相比，濕地處理技術系統在一定程度上能有效去除不易發生降解的雜質有機物，這些研究結果表明，水生植物的消化代謝和直接利用吸收雜質對于難降解雜質有機物的濕地去除過程會有一定抑制作用。因此，濕地處理系統可以在一定的程度上有效處理各種水利工業的廢氣和生活廢水。

2 人工濕地技術的實際應用及問題

（1）對農村地區而言，有不少土地資源可使用，如使用化便器、沉淀罐、厭氧水解池、生物濾池等，處理生活污水十分簡單。目前，人工濕地管理技術已成為我國村鎮污水處理的主要技術手段之一。而生活污泥的處置通常使用潛流式人工濕地，其不同于面流式人工濕地。潛流人工濕地技術對于氮、磷和懸浮液的去除能力較強，去除率分別可達40%、40%和70%。

（2）在我國，河道、湖泊、公園等城市水域已廣泛遭受環境污染，而土與水體的富營養化現象更嚴重。因此，使用人工濕地技術，能高效解決上述水域的環境污染問題。其中，還有些居住區利用小型人工濕地處理帶有污染的雨水。同時他們還能夠貯存經處理后的雨水，并將其回收用于社區綠化。此外，還可以利用人工濕地技術處理污泥處理廠的尾水[3]。

（3）人工濕地技術可以修復污染水體，可將城市中的污染水體泵入面流人工濕地進行凈化，或者在污染水體周圍建立潛流人工濕地，以去除氮、磷和有機物，最后流回地表水體。

（4）人工濕地技術不但能凈化本地空氣，還能夠調控自然天氣。根據相關調查發現，在實際應用中，濕地蒸發的水分較多。因此，人工技術培育的植物，增加了濕地的供水能力，這樣不但可以合理調控城市的環境溫度，還可以合理調控城市附近的天然濕地，從而減少了人工濕地對城市的熱島效應，以此提高了城市空氣質量。

（5）人工濕地技術能有效去除污水中的氮、磷。由于大部分地區水體富營養化問題嚴重，所以污水中含有大量的磷和氮。根據相關研究，傳統的污水處理方法雖然能有效處理氮、磷，但會加劇地表水的富營養化[4]。同時，傳統脫氮除磷技術的投資成本和使用成本較高，且二次污染明顯。但通過借助濕地植物，能高效消除城市污水中的氮、磷等物質，提升了本地飲用水水源的水質。此外，人工濕地技術還有助于補給地下水。目前，由于地下水開發利用空間的逐步拓展，導致地下水資源逐漸減少，使部分區域水位降低的問題更加嚴峻。但使用人工濕地技術能有效補給地下水，從而避免了地面的沉降。

（6）一般來說，人工濕地系統可以采用多種方式將系統內的自然水轉化而成為蒸汽，以增加系統局部空氣中的濕度，并通過降雨將其減少到周圍區域，從而調節周圍氣候。相應的科學研究結果表明，濕地面積蒸發熱容量通常大約是人工水面蒸發熱容量的2～3倍。同時，人工濕地種植的各類濕地各種植被和自然環境馴化的水生生物促進了濕地熱容的不斷優化，這是人工種植濕地面積蒸發熱容量大的主要影響因素，同時，濕地的局部氣候調節適應能力強于人工水面也是主要影響因素之一。因此，人工濕地不但可以有效降低一個區域濕地溫度，還可以有效改善一個區域濕地空氣中的濕度，從而有效緩解濕熱島效應，改善濕地空氣質量。同時，通過人工濕地各種植物的水生光合作用和濕地呼吸作用以及地球大氣中二氧化碳的動態交換，可有效實現大氣中濕地二氧化碳和濕地水的一種動態平衡，從而有效降低了濕地溫室極性氣體及其二氧化碳的排放含量，這對當地區域的經濟發展非常有利。可具體表現出，人工濕地在調節一個區域局部的氣候、促進當地經濟低碳化和社會發展等多方面具有重要作用。

（7）在實際應用中，如果人工智能濕地保護系統想要達到最優化的效率，至少需要連續兩到三個月的生長周期，才能有效保證其穩定正常運行。但目前總體來看，人工利用濕地最主要的技術問題仍然集中在長期優化運行系統設施，除需要對于人工利用濕地系統設施進行長期優化系統設計以及技術研究外，還需要對其長期的系統運行管理能力與運營等問題進行深入研究。

3 人工濕地去污技術原理

3.1 去掉污泥中的礦物質

在人工濕地中，污泥中會存在著許多污染物，而氮肥就是其中一類。污泥中產生的氮肥，主要分為有機氮和無機氮。有機氮主要包括尿素、嘧啶以及嘌呤等，而無機氮則主要包括氨氮、硝酸鹽和亞硝酸鹽等。所以，許多細菌可以吸附淤泥中的氮。而濕地中的植物在吸收氮肥的同時，也會對土壤起到相應的保護功能，同時，氮肥在實際循環中也會自動溶解并揮發。當這些過程完成后，污泥中的大部分氮肥被吸附并消除[5]。

3.2 去除污水中的磷化合物

污水中的磷是以正磷酸鹽、聚磷酸鹽以及有機磷的形態共存。人工濕地去除污泥中含磷物質的方式較多，主要分為水生植物吸附、基質植被吸附和土壤吸收、生物同化光合作用、微生物累積光合作用等。大量的實驗結果證實，茭白和蘆葦結合后能產生較好的除磷效應，除磷概率約在55%～66%之間。

3.3 降解污泥中的有機污染物

人工濕地有很強的降解有機污染物的能力。在城市污水中，其固體有機物主要包括三部分：不溶性污水有機物、可溶污水有機物，以及細粒狀污水有機物。這些污染物中的有機污染物，通常直接會被植物的根部或其微生物所吸收，然后作為不溶性水的有機物，再通過有機硝化和其他反應性硝化作用的相互作用，最后通過過濾和沉淀釋放出來，再被其他微生物直接分解。而其他可溶性有機物一般直接被植物和其他微生物吸收和綜合利用，再進一步轉化為氮、二氧化碳和水等無機物。

3.4 去除污水中的懸浮固體

在實際應用中，因污水中含有大量懸浮固體，其中，大部分會含有某些化學污染物，很有可能含有許多致病細菌，會給人類和自然環境帶來一定危害。但人工濕地技術可以通過過濾、沉淀和吸附等方式去除細菌和懸浮物，有效提升了污水了凈化效率。

4 人工濕地去污技術存在的問題

4.1 脫氮效率較低

在人工濕地系統中，除氮機制有揮發、氨化、硝化與反硝化、植物攝取和基質吸附等作用。在這些方法中，微生物硝化與反硝化是最主要的去除方法。在實際應用中，除氮機制因人工濕地不同種類會有很大差異，所以，除氮效率的差異也就很大。目前，人工濕地的基質大多數使用礦渣、土壤、砂礫和石灰巖，但這些材料去除氮一般沒有特別理想的效果。

由于生物脫氮的制約因素為生物反硝化過程，因此，通過為反硝化細菌提供適當的生長環境，就可以促進脫氮工藝的進行，在理論上能夠使所在區域達到預定的期望目標。在實際處理過程中，為了提高人工濕地去除氮的生物學能力，最常用的方法之一就是補充液體和固體碳源。但考慮到經濟方面的制約問題，天然纖維素和人造高聚物等固體碳源的再生，在節約成本和資源使用方面都是更好的方法，這也是未來的重要研究領域。

4.2 除磷效果不穩定

在人工濕地系統中，除磷主要是通過微生物和植物的吸附過程來進行，因此，基質的選擇和基質中的吸附程度對磷的去除效率有顯著影響。在實際應用中，沙子和底層土壤對污染物的凈化能力和其成分一般是相關的，其成分在大多數情況下影響最大的是活性鈣、膠體氧化鐵和鋁，而沙子和土壤基質中的此類物質通常含少量較少，這就導致這類材質限制了消毒的能力，而人工濕地的吸收又很容易飽和，最終導致去除污染物的效率降低，甚至會失去基質有限的吸附能力，所以，尋找能夠高效除磷的特殊填料是當務之急。

4.3 出現堵塞問題

堵塞是人工濕地的常見問題。潮濕的人工濕地表面可以認為是填充基質后的生態過濾器，在其工作過程中，懸浮固體的去除和沉積以及生物的過度生長都會導致濕地堵塞。而濕地堵塞會導致人工濕地系統中出現小面積的環境失衡或死域，導致蚊蟲滋生和氣味蔓延，從而降低了污染物的去除效率，限制了濕地壽命，甚至本身也會發生環境污染。因此，基質堵塞問題嚴重影響了人工濕地系統在污水處理領域的推廣應用，所以，必須要確定基質堵塞的原因和因素，并根據存在問題找到有效的疏通和防止堵塞的工藝技術。

4.4 運營成本過高

在實際應用中，基質的成本是由濕地單位中填料的體積、質量和高度決定的。總的來說，填料的總成本是建設濕地過程中所有成本中最高的，需要占用總成本的50%左右，數量非常驚人。且當濕地的基質達到飽和階段，就需要對基質進行替換，就成本而言，這在資源、經濟、工程、環境等方面都有一定的限制。一是替換要消耗大量材料，二是運行成本會大幅增加，除此之外，更換不當還會導致整個人工濕地系統的破壞甚至崩潰，因此，基質的選擇應基于材料的可用性高、效率好、成本小和無毒的原則。在設計人工濕地時，選擇的基質應首先考慮當地的高性能材料，且在可以去除污染物的同時，還要考慮到改善人工濕地的廢水處理成本和降低其他后續成本的問題，盡可能的要延長生態工程系統的使用壽命。

5 結語

綜上所述，人工濕地處理系統的具體實施模式是一種集濕地環境效益、經濟效益和其他社會效益于三位一體的濕地污水綜合處理系統模式，其投資少，日常管理運行維護成本低。此外，人工濕地處理污水具有脫氮效果好、除氮和磷凈化能力強、對濕地負荷溫度變化大的適應性強等幾大特點。因此，更適用于處理技術低和管理水平低、處理水量小的城市污水工程。