摘要： 本文阐述了人工湿地处理技术国内外的研究现状，人工湿地对有机物、氮、磷等的去除效率，分析了影响人工湿地处理效率的因素。表明人工湿地的类型、湿地植物种类、基质类型、湿地中微生物的种类和数量、温度、水力停留时间、水力负荷、湿地的运行管理等都会影响人工湿地的处理效率。根据人工湿地在污水处理中的研究和应用现状，指出了今后的研究方向。
关键词： 人工湿地 污水 效率 研究展望
采用人工湿地技术净化污水始于1953年德国的Max Planck研究所，该研究所的Seidel博士在研究中发现芦苇能去除大量有机物和无机物。到20世纪70年代末期逐渐发展成为一种独具特色的新型污水处理技术。人工湿地污水处理技术具有处理效果好、出水水质稳定、氮、磷去除能力强、运转维护管理方便、工程基建和运转费用低、对负荷变化适应能力强、适于处理间歇排放的污水等主要特点。同时，人工湿地对保护野生动物和提高局部地区景观的美学价值也有益处。因此，大力开发人工湿地污水处理技术，对我国水环境污染的治理具有重大的意义，在我国具有广泛的发展前景。
多年的研究表明，人工湿地能够利用基质-微生物-植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对废水的高效净化，同时，通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物生长并使其增产，实现废水的资源化与无害化。
1 人工湿地处理污水的效率
1.1 对有机物的去除效率
人工湿地对有机物有较强的净化能力，污水中的不溶有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很快被截留下来而被微生物利用；污水中的可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢过程而被分解去除。国内有关学者对人工湿地净化城市污水的研究表明，在进水浓度较低的情况下，人工湿地对BOD5的去除率可达85%～95%，对COD的去除率可达80%，处理出水BOD5的浓度在10mg/L左右，SS小于20mg/L[1-3]（表1）。
表1 人工湿地对有机物去除率比较
|
研究者 |
湿地类型 |
污水类型 |
去除率（%） |
备注 |
||
|
BOD5 |
COD |
SS |
||||
|
丁延华 |
|
毛纺厂废水和生活污水 |
85.8 |
81.2 |
93.8 |
人工湿地系统 |
|
岳春雷 |
垂直流 |
生活污水 |
92.59 |
91.42 |
88.81 |
人工湿地系统 |
|
靖元孝等 |
潜流型 |
生活污水 |
74 |
74 |
|
人工湿地系统 |
|
吴振斌 |
垂直流 |
东湖湖水 |
76.7 |
66.1 |
72.4 |
中试系统 |
|
崔理华等 |
垂直流 |
城市污水 |
88～92 |
76～87 |
|
试验阶段 |
|
成水平等 |
|
|
|
94 |
|
人工湿地系统 |
|
Y. Ann等 |
|
|
95 |
|
88 |
人工湿地系统 |
|
深圳白泥坑 |
|
生活污水 |
90 |
80.47 |
93 |
人工湿地系统 |
|
深圳市环科所 |
垂直流 |
生活污水 |
94.03 |
88.79 |
64.92 |
石岩一期人工湿地系统 |
1.2 对氮的去除效率
在人工湿地中氮主要是通过微生物的硝化和反硝化作用、植物的吸收、氨的挥发以及基质的吸附和过滤等过程而去除。废水中的氮以无机氮和有机氮两种形式存在，无机氮可以被人工湿地中的植物吸收，合成植物蛋白质，最后通过植物的收割形式从湿地系统中去除。但这一部分氮仅占总氮量的8%～16%。有机氮按图1的方式去除，微生物的硝化和反硝化作用在氮的去除中起着重要作用。吴振斌等[4]研究发现，湿地土壤的脲酶活性与TN的去除率有较明显的正相关性，所以认为可以把人工湿地根区土壤中脲酶的活性作为人工湿地去除污水中含氮污染物效果的一个评价指标。国内外学者的研究表明，利用人工湿地治理各种类型的污水，其TN的去除率达64%～98%[1、3、5]，见表2。
图1 人工湿地中氮的变化规律
人工湿地系统中氮去除效率取决于湿地植物根区附近土壤的氧化还原状况，因为硝化作用要求在好氧的条件下进行，而反硝化作用要求在厌氧的条件下进行。目前人工湿地系统TN去除率不高的主要原因是硝化-反硝化途径不畅通，由于系统缺氧，不能提供良好的硝化作用环境条件，因而不能产生大量的反硝化作用底物——硝酸盐，为反硝化作用打下基础。要使硝化-反硝化途径畅通，提高氮的去除率最重要的是提高湿地系统中的硝化作用强度。其措施包括：对进入湿地的污水进行暴气，以增加水中的DO；或使污水中的氮素物质在进入人工湿地前作预处理，使之转化成NO3-N；也可以增加湿地植物的密度，或采用间歇进水方法，提高系统中的氧浓度。还有研究发现，人为提高湿地中BOD:NO3-N之比（如添加秸秆或甲醇），氮的去除率会大幅度提高，能从30%左右上升至80%～90%，原因是BOD:NO3-N比值太低时不利于反硝化作用的进行，当比值上升到2.3时，反硝化率达到最大值。也有人提出可直接用C:N比来表示NO3-N的去除率，当C:N> 5:1时，反硝化效率最高[6]。
表2 人工湿地对氮的去除率比较
|
研究者 |
湿地类型 |
污水类型 |
去除率（%） |
备注 |
||
|
TN |
NH4-N |
NO3-N |
||||
|
丁延华 |
表面流 |
毛纺厂废水和生活污水 |
64.6 |
59.4 |
75.3 |
人工湿地系统 |
|
岳春雷 |
垂直流 |
生活污水 |
72.10 |
|
|
人工湿地系统 |
|
靖元孝等 |
潜流型 |
生活污水 |
64 |
|
|
人工湿地系统 |
|
成水平等 |
|
|
|
40～96 |
|
人工湿地系统冬季～夏秋 |
|
Y. Ann等 |
|
|
67 |
61 |
72 |
|
|
Comin等 |
|
农业径流 |
84～98 |
|
|
人工湿地系统，西班牙 |
|
崔理华等 |
垂直流 |
城市污水 |
|
75～85 |
|
试验阶段 |
|
G. Sun等 |
|
农业废水 |
|
93.1 |
|
人工湿地系统 |
|
胡焕斌 |
|
矿山废水 |
|
17.3～99.2 |
|
人工湿地系统 |
|
深圳市环科所 |
垂直流 |
生活污水 |
62.46 |
81.19 |
|
石岩一期人工湿地系统 |
2.3 对磷的去除效率
在人工湿地中磷主要是通过基质的吸附、络合及与Ca、Al、Fe和土壤颗粒的沉淀反应及泥炭累积，植物的吸收，微生物去除等作用而去除。据资料显示，人工湿地对各种类型污水中的TP的去除率为47.0%～97.2%[1、3]（表3）。
表3 人工湿地对磷的去除率比较
|
研究者 |
湿地类型 |
污水类型 |
TP去除率（%） |
备注 |
|
丁延华 |
|
毛纺厂废水和生活污水 |
55.1 |
人工湿地系统 |
|
岳春雷 |
垂直流 |
生活污水 |
94.25 |
人工湿地系统 |
|
靖元孝等 |
潜流型 |
生活污水 |
47.0 |
人工湿地系统 |
|
吴振斌 |
垂直流 |
东湖湖水 |
76.7 |
中试阶段 |
|
崔理华等 |
垂直流 |
城市污水 |
77～91 |
试验阶段 |
|
成水平等 |
|
|
82.8～90 |
人工湿地系统 |
|
Y. Ann等 |
|
|
76 |
美国 |
|
Bhamidmarri等 |
|
|
90 |
人工湿地系统 |
|
深圳市环科所 |
垂直流 |
生活污水 |
97.20 |
石岩一期人工湿地系统 |
3 影响人工湿地处理效率的因素
3.1 人工湿地的类型
人工湿地的水流类型不同，其对不同污染物的去除效率也有差异。水平潜流湿地对BOD、COD等有机物和重金属的去除效果较好，垂直流湿地对氮、磷的去除效果较好，表面流型湿地的处理效果一般。但如果将表面流型与潜流型、表面流型与垂直流型结合起来，去污效率会进一步提高[6]。根据对104座潜流型湿地系统和70 座表面流湿地系统的处理效果数据统计[7]，有如下结果。
（1）SS表面流湿地系统用于三级处理时出水SS< 20mg/L；用于二级处理时稍高，但通常也低于20mg/L。水平潜流湿地系统进水SS平均为140 mg/L，出水平均为12.4 mg/L。
（2）BOD5一般来说，当潜流湿地系统进水BOD5平均为114 mg/L时，则出水平均为17 mg/L；表面流湿地系统进水BOD5平均为41 mg/L时，出水平均为11 mg/L。
有的学者认为较高的长宽比可确保污水在湿地内流经较长距离，从而提高处理效果；但也有人认为正方形的处理效果好于狭窄的长方形，原因是当每天的灌入水量相同时，长方形的水流速度比正方形的要快，这样不利于污染物的沉淀。不过目前北美动物粪水处理湿地的长宽比值平均为6.5:1，成典型长方形，而并非1:1的正方形[6]。
3.2 湿地植物种类
不同种类的湿地植物对污染物的去除效率也有一些差异。.植物的净化能力主要与植物的生物量、根系的发达程度、根系的输氧能力等因素有关。一般来说，植物的生物量较大、根系比较发达、根系的输氧能力比较强的话，其净化能力就比较强。Adcock等[8]研究了水麦冬和芦苇两种人工湿地植物的地上、地下和总的生物量、生长情况和组织中营养成分的含量，结果表明水麦冬具有明显发达的根系和较高的地下生物量，对氮、磷的去除效果是芦苇的5倍。黄时达等研究了芦苇、灯心草和菖蒲等三种植物的污染物净化能力，结果发现灯心草的净化能力最强，CODcr的去除率达到42%～46%。高吉喜等研究比较了7种湿地植物，结果发现，慈菇和茭白的综合净化能力最高。彭江燕等研究了芦苇、水葱、黄菖蒲、美人蕉和风车草等5种植物的净化效果，结果表明，氮和磷的吸收比例顺序均为风车草> 美人蕉 > 芦苇 >黄菖蒲> 水葱，风车草有较高的氮磷去除能力。靖元孝的研究表明，种植风车草的潜流型人工湿地对TN、TP、COD和BOD的去除效率分别为64%、47%、74%和74%。崔理华等[7]的研究表明，种植风车草可提高NH4-N、TN和TP的去除率，与无植物系统相比分别提高2%～3%、4%～6%、10%～14%，说明风车草是一种很好的湿地植物。此外，长苞香蒲和水烛等大型水生植物种类具有粗壮的根系和许多发达的不定根，是较佳的净水植物。吴振斌等认为须根系比根状茎、匍匐茎等具有较好的污水净化效果。其次，不同的植物对污染物的去除速率也不相同，日本学者对不同的植物去除氮和磷的速率进行了研究，结果见表4。
每种湿地植物都有它自己的特点，如果选择几种湿地植物进行合理的搭配，不仅会使湿地的净化效率提高，而且净化效果也变得更稳定，还很有可能解决NO3-N的净化问题[6]。
表4 不同的植物对氮和磷的去除速率
|
植物 |
实验时间（月） |
总氮 |
总磷 |
||
|
平均去除速率g/m2·d |
流入平均水质（mg/L） |
平均去除速率g/m2·d |
流入平均水质（mg/L） |
||
|
空心菜 |
6~10 |
0.34~1.54 |
1.6~4.3 |
0.045 |
0.01~1.11 |
|
水芹 |
7~9 |
0.22 |
40~90 |
— |
— |
|
纸莎草 |
7~10 |
0.66~1.48 |
20~22 |
0.10~0.22 |
3.0~3.4 |
|
洋麻 |
7~10 |
0.81~1.41 |
20~22 |
0.18~0.21 |
3.0~3.4 |
|
水稻 |
5~9 |
0.05~0.37 |
2~31 |
— |
— |
3.3 基质类型
不同的基质对人工湿地的处理效果影响较大。人工湿地的基质又称填料，一般由土壤、细砂、粗砂、砾石、灰渣及石灰石、沸石等组成，不同的基质对人工湿地的处理效果影响较大，并且某些基质的组合要优于单一基质的处理能力。因此，根据污水中的污染物种类、特征可以选取不同的基质或采用几种基质的组合。一般来说，含有机质丰富的基质有助于吸附各种污染物；土壤基质的去污能力不如砾石基质[6]；含CaCO3较多的石灰石基质可以有效地去除磷，沸石-石灰石组合的基质可以有效地去除TN、TP [9]；煤渣-草炭基质对磷具有较强的吸附能力，在不种植湿地植物的情况下对TP的去除率可达到77.6%～85.0%，可以作为垂直流人工湿地系统的特殊基质[1]；花岗岩-粘性土壤基质能高效地去除污水中的磷，对TP的去除能力可达90%。
3.4 湿地中微生物种类和数量
废水中各类污染物的去除与湿地系统中生长的微生物种类和数量有关。表5[10]列出了芦苇湿地系统中不同微生物与废水中不同污染物去除率之间的相关系数（r）值。相关系数的大小可以反映某一类微生物对某一类污染物的去除能力。由表5可知，不同微生物与BOD和COD的去除率之间均有明显的相关性，说明人工湿地系统对BOD和COD有良好的去除率；废水中NH4-N的去除与硝化细菌和反硝化细菌都有明显的相关性，说明硝化和反硝化作用是人工湿地系统去除氮的主要方式；废水中磷的去除与湿地中的各类微生物均不具有明显的相关性，这说明微生物不是人工湿地系统中去除的磷主要因素；废水中总大肠杆菌的去除与放线菌和原生动物的数量有明显的相关性，这说明人工湿地系统中的放线菌和原生动物是去除大肠杆菌的主要作用者。
3.5 环境因子的影响与管理措施
温度、水力停留时间、水力负荷、湿地的运行管理等均会对人工湿地的去污效果产生影响。水温在20～25℃时生物去污的效果最好，低于10℃时，处理效果会明显下降，因此，夏天的处理效果会好于冬天[2、6]。陈博谦等的研究表明，细菌的反硝化作用受温度影响，在10～30℃范围内，高温有利于反硝化。但温度高于30℃，则会对硝化反硝化过程产生抑制作用[6]。Yang等也发现，当湿地运作一段时间（如3年）后，去污效果基本不再受环境因子（如温度、污水流量等）影响。
表5 芦苇湿地系统中不同微生物与污染物去除率之间的相关性（r）
|
微生物 |
BOD |
COD |
NH4-N |
PO43--P |
总大肠杆菌 |
|
真菌 放线菌 兼性厌氧菌 硝化细菌 反硝化细菌 原生动物 细菌总数 |
0.54 0.74 0.44～0.83 0.76 0.75 0.61～0.74 0.90 |
0.40～0.59 0.71 0.39～0.81 0.77 0.75 0.63～0.71 0.86 |
0.34～0.41 0.29～0.48 0.66 0.72～0.91 0.82～0.89 0.28～0.44 0.46～0.64 |
0.16 0.02～0.08 0.11 0.35 0.38 0.06～0.25 0.09～0.14 |
0.53 0.91 0.85 0.34～0.44 0.42～0.45 0.93～0.97 0.62～0.68 |
廖新俤等[2]的研究表明，在一定进水浓度范围内，香根草和风车草人工湿地对猪场废水主要污染指标的去除率受废水停留时间的影响，停留时间延长，去除率提高，但停留时间太长，湿地占地面积很大，从去除效果和实际需要出发，秋季和春季香根草和风车草人工湿地的水力停留时间可以选择3d或5d，但与3d比较，5d情况下虽然处理效果改进，但湿地占地面积大。此外污水负荷也会影响污染物的去除率，在冬季，进水浓度对湿地去除SS影响较大，从总趋势来看，SS的去除率随进水浓度的增大而下降；在夏季，进水浓度影响COD、BOD、和SS的去除率，其影响程度因不同范围的进水浓度而异。例如，在夏季，香根草和风车草人工湿地在进水浓度高达1000～1400mg/L情况下，COD去除率接近90%，即出水COD在100～150mg/L以下，当进水COD在400mg/L以下时，出水COD均在100mg/L以下，当进水COD在250mg/L以下时，出水COD可控制在50mg/L以下；在冬季，在进水浓度高达1003mg/L情况下，COD去除率在70%以上，即出水COD在300mg/L以下，当进水COD在345.68mg/L时，出水COD均在100mg/L以下。丁延华的研究表明，芦苇湿地的水力负荷应在6cm/d以下，有机负荷应在80kg/hm2·d以下，最佳停留时间为4～6d。表6～表9给出了湿地系统各环境因子与去除率的比较。
表6 湿地系统夏季与冬季去除率的比较
|
项目 |
BOD5 |
SS |
TN |
NH4-N |
大肠杆菌 |
|
夏季去除率（4～11） 冬季去除率（12～3） |
85.9 84.4 |
93.7 94.0 |
65.8 60.5 |
66.6 43.0 |
99.9 99.9 |
表7 污水滞留时间与去除率的关系
|
滞留时间（h） |
去除率（%） |
|
|
TN |
TP |
|
|
1 |
10 |
15 |
|
2 |
15 |
18 |
|
4 |
25 |
30 |
|
8 |
35 |
45 |
|
12 |
42 |
55 |
|
26 |
45 |
- |
|
35 |
70 |
75 |
表8 单位水面积污染物负荷与去除率的关系
|
单位水面积污染物负荷（m3/m2/日） |
去除率（%） |
|
|
TN |
TP |
|
|
0.3 |
35 |
42 |
|
0.6 |
23 |
30 |
|
1.15 |
10 |
18 |
表9 污染物负荷速度与去除率的关系
|
负荷速度（g/m2/日） |
去除速度（g/m2/日） |
负荷速度（g/m2/日） |
去除速度（g/m2/日） |
|
TN |
TP |
||
|
0.9 |
0.3 |
0.18 |
0.075 |
|
1.8 |
0.45 |
0.28 |
0.080 |
|
3.9 |
0.4 |
0.50 |
0.080 |
湿地在运行过程中，采取一些措施可以提高处理效果。例如，往水中加入一定量的明矾[Al2(SO4)3]会使磷的净化效率显著升高，主要原因是由于Al3+与PO43-结合生成AlPO4沉淀[6]。最近发现FeCl3固化磷酸根的效果比明矾好[3]。
4 人工湿地污水处理技术研究展望
4.1 进一步加强人工湿地处理污水机理的研究
人工湿地处理污水的机理非常复杂，设计的范围也很广，目前，虽然有些机理研究已经得到初步的认可，但仍然存在很多问题需要进一步研究，如污水中的有机污染物、无机污染物、金属污染物的去除过程与机理；根际微生态系统的综合作用；有机物、无机化合物和金属离子在湿地系统内的相互作用及其对植物、微生物和土壤的影响等[6]。
4.2 如何提高处理效果，使湿地系统可持续发展
（1）加强湿地植物的筛选工作，选择一些耐污能力强，去污效果好的湿地植物，同时加强多种植物的合理搭配的研究，因为单一物种的净化能力总是有限的。通过植物的合理搭配，既有利于群落的快速形成，也具有较高污染物净化能力，还具有较高的观赏价值，同时对人工湿地杂草生物的抑制以及对减少残体对湿地植物生长的影响均有重要意义。
（2）重点研究在提高人工湿地氧化硝化能力的同时如何提高其反硝化能力，解决硝态氮的高效去除问题。
（3）填料的类型直接影响湿地系统的净化能力，尤其是对磷的去除。因此，加强填料的筛选，特别是几种填料的合理搭配，也是今后应该优先考虑的工作。另外，如何防止填料堵塞，使其长久保持处理能力也是值得研究的一个课题。
4.3 加强人工湿地对特殊工业废水处理的研究，不断扩大应用范围
目前我国人工湿地技术的研究还停留在处理小规模的生活污水，而发达国家已将工作重点转移到处理特殊工业废水的研究上，如富集、净化重金属、有毒物质、石油化工废水等方面。因此，我们应加强这方面的研究，深入研究特征污染物对人工湿地系统中氧的供应及对植物输氧能力的影响；研究贫营养、低浓度、高盐、高毒、难降解有机废水的去污机理及其对人工湿地系统的影响，促进人工湿地在工业废水处理中的应用。
4.4 改良人工湿地技术
目前，世界各国都投入大量精力以改良人工湿地技术，将一些传统的污水处理技术引入人工湿地。如北美湿地工程公司（NAWF）借鉴污泥回流技术和鼓风暴气开发了循环流湿地工艺。这些工艺已成功地应用于数年前还被认为不适宜采用人工湿地处理污水的地区（气候太冷或污水浓度太高）。
5 结束语
人工湿地系统是一个完整的生态系统，它形成了内部良好的循环，不仅对污水有较好的净化效果，而且具有较好的生态效益和经济效益。发达国家已被用来处理各种类型的废水，发展中国家发展人工湿地技术的潜力更是巨大的，在我国该项技术将会得到越来越广的应用。
主要参考文献
[1] 崔理华, 朱夕珍, 骆世明, 等. 煤渣-草炭基质垂直流人工湿地系统对城市污水的净化效果[J]. 应用生态学报，2003, 14(4): 597-600
[2] 廖新俤, 骆世明. 人工湿地对猪场废水有机物处理效果的研究[J]. 应用生态学报，2002, 13(1): 113-117
[3] Ann, Y. et al. Influence of chemical amendments on phosphorus immobilization in soils from a constructed wetland[J]. Ecological Engineering, 2000, 14: 157-156
[4] 吴振斌, 梁威, 成水平, 等. 吴振斌,植物根区土壤酶活性与污水净化效果极其相关分析. 环境科学学报，2001, 21(5): 622-624
[5] Sun G. Gray K R, Biddlestone A J, et al. treatment of agricultural wastewater in a combined tidal flow-downflow reed bed system[J]. Water Science and Technology，1999, 40(3): 139-146
[6] 夏汉平. 人工湿地处理污水的机理与效率[J]. 生态学杂志，2002, 21(4):51-59
[7] 白晓慧, 王宝贞,余敏,等. 人工湿地污水处理技术及其发展利用[J]. 哈尔滨建筑大学学报，1999, 32(6): 88-92
[8] Adcock P W, Ganf G G. Growth characteristics of three macrophyte species growing in natural and constructed wetland system. Water Science and Technology，1994, 29(4): 95-102
[30] 黄时达, 杨有仪, 冷冰, 等. 人工湿地植物处理污水的试验研究[J]. 四川环境，1995, 14(3): 5-7
[9] 沈耀良, 王宝贞. 中国给水排水系统的除污机理[J]. 江苏环境科技，1997, (3): 1-6
[10] 徐丽华，周琪. 不同填料人工湿地系统的净化能力研究[J]. 上海环境科学，2002，21（10）：603-605
