人工湿地水质净化应用现状及发展前景分析

第２０期　范春辉，等：人工湿地水质净化应用现状及发展前景分析　・１５７・　人工湿地水质净化应用现状及发展前景分析　汪银梅　（徐＇￣Ｈｑ－程学院环境ｑ－程学院，徐州江苏２２１１１１）　摘要：人工湿地是一种生态工程水质净化技术，因其成本低、效果明显而成为研究的热点。首先从人工湿地的发展由来、类型和特　点以及去除机理方面进行阐述；然后从人工湿地在富营养化水体、各类污水、剩余污泥方面分析了人工湿地应用现状。最后总结　了国内外最新人工湿地水质效果技术和应用以及强化思路。　关键词：人工湿地；生态工程；水质净化；脱氮；生态修复　中图分类号：ｘ７０３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８—０２１Ｘ（２０１５）２０—０１５７—０３　’　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｑｕａｌｉｔｉｅｓ　ｉｎ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　Ｗｅｔｌａｎｄ　Ｗａｎｇ　Ｙｉｎｍｅｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｘｕｚｈｏｕ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ　２２１　１　１　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｗｅｔｌａｎｄ　ｉｓ　ａｎ　ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｗａｔｅｒ　ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｌｏｗ　ＣＯＳｔ，ｏｂｖｉｏｕｓ　ｅｆｆｅｃｔ，ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｗｅｔｌａｎｄ　ｂｅｃａｍｅ　ａ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｈｏｔｓｐｏｔ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ　ｏｒｉｇｉｎ，ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｗｅｔｌａｎｄ　ｔｙｐｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｗｅｔｌａｎｄ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｗｅｔｌａｎｄ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏ—ｐｏｌｌｕｔｅｄ　ｗａｔｅｒ　ｂｏｄｉｅｓ　ｐｕｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ，ｐｏｌｌｕｔｅｄ　ｗａｔｅｒ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｌｏｗ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｍａｔｔｅｒ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｍａｔｔｅｒ　ｉｎ　ｅｘｃｅｓｓ　ｓｌｕｄｇｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ｔｈｅ　ｌａｔｅｓｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｗｅｔｌａｎｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｗｅｔｌｎａｄ；ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｗａｔｅｒ　ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｄｅｎｉｔｉｒｆｉｃａｔｉｏｎ；ｂｉｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ　随着工业化进程加快、农业区径流和人口的急剧膨胀以　增加废水中污染物的降解速度，在远离根区的地方为兼氧和　及粗放的经济增长方式使大量的有机物、营养元素（氮、磷）　厌氧环境，有利于兼氧和厌氧净化作用，另一方面，水生植物　等输入地表水体，过量的污染物进入水体后超出水体的自净　根的生长有利于提高床基质层的水力传导性能　ｊ。　容量，而导致地表水体水质状况不断恶化　Ｊ。　人工湿地主要按照污水在湿地床体中流动的方式分为　基于天然湿地净化原理，２０世纪７０年代人工湿地被广　表面流、潜流和复合流三种形式。他们的分类方法是根据水　泛研究和应用于各种水体的处理和净化过程中，并取得良好　在人工湿地中的流动状态进行分类的，其净化过程存在一定　的效果。以地表水体净化为背景，从人工湿地净化特性和原　的差距，但是其基本原理相同　－６］。（１）植物的同化吸收作　理人手，综述了人工湿地研究的存在问题、应用及进展，并结　用；（２）基质的吸附作用；（３）基质表面、植物茎叶表面和根　合本课题组的研究成果提出了人工湿地脱氮的一些研究趋　系表面的微生物的氧化作用；此外还有蒸发、离子交换、沉　势，为人工湿地净化技术发展提供有益的参考和借鉴。　淀、稀释、扩散和拦截等等作用，还有文献表明，栖息在人工　１　人工湿地的基本特征　湿地内的各种动物因为觅食作用也会对人工湿地系统内污　人工湿地是根据天然湿地净化原理人工建造的工程化　染物迁移、转化提供可能。　生态系统。由基质、植物、微生物、动物和水体组成，具有较　２人工湿地应用状况　天然湿地更好的污染物去除效果等优点　。最早人工湿地　２．１　人工湿地修复富营养化水体　是英国于１９０３年建造用于处理污水，但是人工湿地在世界　人工湿地整治富营养化水体的工艺得到不断发展　。　各地逐渐受到重视并被运用是在２０世纪７０年代根区法理　张曾胜等　研究表明潜流人工湿地系统对农村高浊度富营　论被提出以后，该理论强调植物在人工湿地污水处理系统中　养化天然水体中ＴＮ和氨氮的去除率分别为３８．３％和１６．　的作用，它们能够为其根围的异养微生物供应氧气，从而在　５％，净化效果呈现出季节性变化，夏季净化效果最好。申欢　还原性基质中创造了一种富氧的微环境，微生物在水生植物　等　驯研究发现，人工湿地可以有效改善景观水体的水质，避　的根系上生长，他们就与较高的植物建立了共生合作关系，　免水华的发生，其作用原理是利用人工湿地的缓流作用实现　收稿日期：２０１５—０８—０２　基金项目：徐州工程学院校级科研项目（青年）（编号：ＸＫＹ２０１３４０７）　作者简介：汪银梅（１９８Ｏ一），江西九江人，硕士，助理实验师，主要从事水处理技术与固体废弃物资源化的研究。　山・东化工　ｌ５８・　ＳＨＡＮＤ０ＮＧ　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＩＮＤＵＳ　ｒＲＹ　２０１５年第４４卷　水体中悬浮物、砂子等沉降，根系的吸收、氧化、植物收割等　过程实现净化，底泥中的各种化学物质实现化学反应过程。　萎和死亡是人工湿地低温效果不佳的主要原因之一。丛海　兵等”　引种了两种陆地湿生的耐寒植物作为生态浮床植物　以研究低温条件下人工湿地的净化效果，黄菖蒲和西伯利亚　鸢尾耐寒能越冬，生长期长，管理工作量小。另外在低温地　对富营养化水体中氮磷的净化作用分别依靠微生物作用和　基质吸收作用，氮素污染物的去除主要依靠植物根系和基质　生物膜周边的好＊ｔ／缺氧等，实现氮素污染物的去除。而对　磷的去除主要依靠基质的吸收、吸附等作用。当然对于人工　湿地氮素污染物中硝酸盐的去除需要补充反硝化碳源（电子　供体）实现生物脱氮过程，对于反硝化碳源种类、反硝化效果　等过程是目前研究的热点之一；而磷去除过程中的基质饱和　而需要更换等问题，选择合适的基质及其吸附过程机理也是　区，提高湿地光照条件，在湿地周围栽树挡风或进行适当的　覆盖都可以在一定程度上强化人工湿地的脱氮效果　。　３．２构建复杂的生态系统，强化净化效果　Ｌｉｎ等　认为，生物共生机制、生物多样性及食物链原　理是生态工程重要的基本原理，通过人工构筑共生生态机制　和食物链的加环可以大幅度提高生态效应和生态净化功能。　目前研究的热点，如：利用矿化垃圾作为人工湿地基质实现　了良好的磷去除　。　２．２人工湿地对各类污水的净化　人工湿地对生活污水、工业污水等水体的净化过程中，　也表现出一定的效果。余江等利用人工湿地技术某城市污　水处理站进行好氧生物膜法＋人工湿地组合工艺处理，处理　出水实现稳定达标排放，好氧单元ＣＯＤ去除率达到８５．６％，　氨氮去除率达到４２％；人工湿地单元ＣＯＤ去除率达到５４％，　氨氮去除率达到９０．３％，并对粪大肠杆菌有一定去除能　力Ｈ　。杨琼等¨　建立了３条结构相同的潜流人工湿地带　（长×宽×高为３３　ｍ×３　ｍ×０．５　ｍ），连续２年监测，结果表　明：各湿地带对ＣＯＤ　、ＢＯＤ５、ＴＮ、ＮＨ３一Ｎ、ＴＰ和ｓＰ的平均　去除率分别为６５％、７４％、５３％、５２％、６７％和７０％；但人工湿　地出水中的菌体数量远高于国家污水排放标准，应结合其他　措施（如氯化消毒等）处理肠道菌群。对于一些特殊的化工　污水由于成本复杂、污染物种类单一，往往需要选择一些特　殊的植物和组合式湿地工艺。许明等针对化工园区污水厂　尾水水质和水量波动性较大、难降解物质多、Ｂ／Ｃ低等特点，　开展垂直流湿地一水平潜流湿地组合工艺深度处理化工园　区污水厂尾水实验研究。垂直流湿地主要进行硝化作用，对　氨氮去除率较高，水平流湿地主要进行反硝化作用，对硝氮　去除率较高，２种工艺组合达到去除总氮最佳效果　。　２．３　人工湿地处理剩余污泥　人工湿地系统处理污泥取自ＣＡＳＴ工艺污泥调节池中　剩余污泥，试验运行两个年度，ＣＯＤ、ＮＨ　一Ｎ、ＴＰ去平均除率　分别达到５０％、９０％、８５％，渗滤液ｓｓ平均去除率可达到　９９％　’　Ｊ。同时，人工湿地系统对于高有机质含量剩余污　泥也具有稳定化作用，采用污泥干化芦苇床处理剩余污泥，　污泥有机质含量、全氮含量和全磷含量分别平均为６３．１％、　７．１％和７．８％，试验运行两个年度，ＣＯＤ、ＮＨ３一Ｎ、，ｒＰ平均　去除率分别达到３５．６７％、５３．２％、１９．２３％，污泥的腐殖化率　不断上升，最高时可达４８．５％，直到后期逐渐稳定，污泥的腐　殖化指数也呈上升趋势，最高可达９１．２％［４．７．９　３。　３　人工湿地水质净化研究前景　３．１　选择耐低温的植物强化人工湿地脱氮效果　低温季节里植物的枯萎和死亡使人工湿地受区域、季节　等影响较大，为了提高抗低温，目前有较多的尝试，如：覆盖　保温、潜流保温等方式，但是效果均不是非常明显。植物枯　通过构建人工湿地系统的方式可以很好的提高水体脱氮系　统中的生物种群数量和捕食网的复杂度，也就在一定程度上　提高了人工湿地的净化效果和生态稳定度。李先宁　利用　半软性填料和引入滤食性贝类提高了生态修复系统的ＴＮ去　除效果，同样该原理应用于本课题组研制的浮式人工湿地中　也得到相同的效果。其基本原理是提高微生物的浓度、数　量、种群乃至植物的生长速率而达到良好的净化效果。　４结语　人工湿地系统虽然具有巨大的经济和生态以及景观价　值，但是也存在很多不足，占用面积较大，很容易产生堵塞问　题，本课题组在江苏省自然科学基金等课题的资助下尝试了　浮式生态浮床，解决了人工湿地占地大的问题，但是本研究　仍然处于研究阶段。　参考文献　［１］Ｗｅｎ　Ｙｕｅ，Ｃｈｅｎ　Ｙｉ，Ｚｈｅｎｇ　Ｎａｎ，ｅｔ　ａ１．Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｐｌａｎｔ　ｂｉｏｍａｓｓ　Ｏｉｌ　ｎｉｔｒａｔｅ　ｌ￣ｍｏｖａｌ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎ　ＳＯＵｒＣｅＳ　ｉｎ　ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ—ｆｌｏｗ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｗｅｄａｎｄｓ［Ｊ］．　Ｂｉｏｒｅｓｏｕｒｅｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１０，１０１（１９）：７２８６—７２９２．　［２］Ｗａｌｌａｃｅ　Ｓ．Ａｄｖａｎｃｅｄ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ｆｏｒ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｗｅｔｌａｎｄｓ［Ｊ］．　Ｂｉｏ　Ｃｙｃｌｅ，２００１，４２（６）：４Ｏ一４４．　［３］Ｋａｄｌｅｃ　Ｒ　Ｈ，Ｋｎｉｇｈｔ　Ｒ　Ｌ．Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｗｅｔｌｎａｄｓ［Ｍ］．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：Ｌｅｗｉｓ　Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，１９９６．　［４］崔玉波，尹军．剩余污泥人工湿地［Ｍ］．北京：化学工　业出版社，２０１２．　［５］朱彤．人工湿地污水处理系统应用研究环境科学研　究［Ｊ］．环境科学研究，１９９１，４（５）：１７—２２．　［６］于海霞．复合型人工湿地脱氮效能及水力复合影响规　律［Ｊ］．环境工程学报，２０１３，７（９）：３３５８—３３６２．　［７］张雁秋，曹文平，刘莉，等，基质对生态浮床净化效果　和大型水生植物生长的影响［Ｊ］．徐州工程学院学院学　报（自然科学版），２０１３，２８（４）：１８—２３．　［８］潘丽娟，阳小成．人工湿地脱除富营养化水体氮磷的进　展［Ｊ］．现代生物医学进展，２００８，８（１２）：２５８０—２５８２．　［９］张增胜，徐功娣．水平潜流人工湿地复合系统净化农村　高浊度富营养化水体的研究［Ｊ］．水处理技术，２００９，３５　（２）：４６—４９．　［１０］申欢，胡洪营，潘永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