濕地是地球上水陸生態(tài)系統(tǒng)中獨特的、重要的生物生存環(huán)境和最富生物多樣性的自然生態(tài)景觀之一。它在抵御洪水、調(diào)節(jié)徑流、改善氣候、控制污染、美化環(huán)境和維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡等方面具有非常重要的作用，被譽為“自然之腎”。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀概述

1953 年，德國Max Planck 研究所的Dr.Kathe Seidel 博士在研究中發(fā)現(xiàn)蘆葦能夠去除污水中大量的有機和無機物質(zhì)，隨后開發(fā)出Max—Planck Institute Process 系統(tǒng)。1977 年由Kickuth 提出了“根區(qū)法”(采用栽種蘆葦?shù)乃綕摿鳚竦厥褂袡C物降解，硝化反硝化去除N，沉淀去除P)，標(biāo)志著人工濕地污水處理機理的初步萌芽。與此同時，美國的國家空間技術(shù)實驗室研究開發(fā)了“厭氧微生物和蘆葦處理污水”復(fù)合系統(tǒng)。此后，人工濕地處理污水技術(shù)不斷完善，并于20 世紀(jì)80，90 年代在歐洲、美國、加拿大、日本等地得到了廣泛的應(yīng)用。

按照工程設(shè)計和水體流態(tài)的差異，人工濕地污水處理系統(tǒng)可以分為表面流濕地、水平潛流濕地和垂直流濕地3 種主要類型，各類型在運行、控制等方面的諸多特征存在著一定的差異。其中，表面流濕地不需要砂礫等物質(zhì)作填料，造價較低，但水力負(fù)荷較低，該類型在美國、加拿大、新西蘭、瑞典等國有較多分布。水平潛流濕地的保濕性較好，對有機物和重金屬等去除效果好，受季節(jié)影響小，目前在歐洲、日本應(yīng)用較多。垂直流濕地綜合了前兩者的特點，但其建造要求較高，至今尚未廣泛使用。早期的人工濕地主要用于處理城市生活污水或二級污水處理廠出水，目前已被國內(nèi)外許多學(xué)者或工程技術(shù)人員，經(jīng)過工藝改進(jìn)或者與其他系統(tǒng)進(jìn)行組合后用于農(nóng)業(yè)面源污染、城市或公路徑流等非點源污染的治理[2]。此外，最近發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將重點轉(zhuǎn)移到利用人工濕地處理特殊工業(yè)廢水方面。將人工濕地用于處理特殊工業(yè)廢水，這是人工濕地未來發(fā)展的一個新特點和趨向[3]。

我國進(jìn)行濕地處理系統(tǒng)研究較晚，在“七五”期間才開始了人工濕地研究工作，仍處于起步階段。目前人工濕地的研究和應(yīng)用正方興未艾。繼天津市環(huán)保所建成的我國第一個蘆葦濕地工程之后，1989 年于北京昌平區(qū)、1990 年于深圳白泥坑等地建成了濕地處理系統(tǒng)示范工程，效果良好（BOD去除率90%，COD去除率80.47%，SS去除率93%）[4]。1990 年，國家環(huán)保局華南環(huán)保所與深圳東深供水局建立了人工濕地示范工程，處理規(guī)模為3 100m3/d，其出水達(dá)到了二級處理水平。1999 年，漳州市天寶造紙廠因地制宜，利用荒廢的低洼地建造小型水葫蘆—水草人工濕地，進(jìn)行廠外廢水治理，處理后出水灌溉香蕉園，實現(xiàn)了廢水不外排，具有農(nóng)業(yè)生態(tài)特征的廢水治理模式，為我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)造紙企業(yè)廢水治理提供了有益的參考。2002 年，日處理污水50 000 m3 的人工濕地污水處理廠在江蘇泅洪縣竣工,深圳市、沈陽市、上海市也在開展積極的設(shè)計、規(guī)劃工作。

2 研究內(nèi)容

2.1 人工濕地污染物的去除機理

人工濕地污染物的去除機理研究仍處于起步階段，人工濕地污水處理普遍認(rèn)同的機理是硝化反硝化去除N，沉淀去除P 的概括性描述，進(jìn)一步研究難度很大，因為涉及到生物、物理、化學(xué)等多個學(xué)科，而且難以從微觀角度定量化。

去除機理主要包括微生物、植物、土壤對污染物的去除機理。人工濕地有機物降解的基礎(chǔ)機制是微生物的硝化和反硝化活動，豐富的微生物資源為濕地污水處理系統(tǒng)提供了足夠的分解者。濕地植物對氮的去除主要通過以下途徑：氨的揮發(fā)作用、NH4+的陽離子交換作用、吸收、硝化和反硝化作用等。濕地植物對磷化物的處理除作為營養(yǎng)成分吸收外，還可以通過在苗床基質(zhì)中的吸附、絡(luò)合和沉淀反應(yīng)來去除。濕地土壤對有毒物質(zhì)的“凈化”機理，主要是通過沉淀作用、吸附與吸收作用、離子交換作用、氧化還原作用和代謝分解作用等途徑實現(xiàn)的。

2.2 人工濕地處理污水的效率

1）對有機物的去除效率。綜合國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對人工濕地凈化城市污水的研究數(shù)據(jù)，在進(jìn)水濃度較低的情況下，人工濕地對BOD5 的去除率可達(dá)85%～95%，對COD 的去除率可達(dá)80%，處理出水BOD5 的濃度在10 mg/L 左右，SS 小于20mg/L[5]。

2）對氮的去除效率。廢水中的氮以無機氮和有機氮兩種形式存在，無機氮可以被人工濕地中的植物吸收，合成植物蛋白質(zhì)，植物的收割對濕地系統(tǒng)除氮有直接貢獻(xiàn)，但這一部分氮僅占總氮量的8%～16%。微生物的硝化和反硝化作用在氮的去除中起著重要作用。目前人工濕地系統(tǒng)TN 去除率不高的主要原因是硝化-反硝化途徑不暢通，提高氮的去除率最重要的是提高濕地系統(tǒng)中的硝化作用強度。還有研究發(fā)現(xiàn)，人為提高濕地中BOD與NO3-N 之比（如添加秸稈或甲醇），氮的去除率會大幅度提高，能從30%左右上升至80%～90%，原因是BOD∶NO3-N 的比值太低時不利于反硝化作用的進(jìn)行，當(dāng)比值上升到2.3 時，反硝化率達(dá)到最大值。

3)對磷的去除效率。在人工濕地中磷主要是通過基質(zhì)的吸附、絡(luò)合及與Ca，Al，F(xiàn)e 和土壤顆粒的沉淀反應(yīng)及泥炭累積，植物的吸收，微生物去除等作用而去除。據(jù)資料顯示，人工濕地對各種類型污水中的TP 的去除率為47.0%～97.2%[6]。

2.3 影響人工濕地處理效率的因素

1）人工濕地的類型。人工濕地的類型不同對不同污染物的去除效率也有差異。水平潛流濕地對BOD，COD 等有機物和重金屬的去除效果較好，垂直流濕地對氮、磷的去除效果較好，表面流型濕地的處理效果一般。但如果將表面流型與潛流型、表面流型與垂直流型結(jié)合起來的復(fù)合濕地，去污效率會進(jìn)一步提高[7]。

2）濕地植物種類。一般來說，植物的生物量較大、根系比較發(fā)達(dá)、根系的輸氧能力比較強的話，其凈化能力就比較強[7]。其次，不同的植物對污染物的去除速率也不相同，日本學(xué)者對不同的植物去除氮和磷的速率進(jìn)行了研究。

3）基質(zhì)類型。一般來說，含有機質(zhì)豐富的基質(zhì)有助于吸附各種污染物；土壤基質(zhì)的去污能力不如礫石基質(zhì)[3]；含CaCO3較多的石灰石基質(zhì)可以有效地去除磷，沸石-石灰石組合的基質(zhì)可以有效地去除TN，TP [6]；煤渣-草炭基質(zhì)對磷具有較強的吸附能力，在不種植濕地植物的情況下對TP 的去除率可達(dá)到77.6%～85.0%，可以作為垂直流人工濕地系統(tǒng)的特殊基質(zhì)；花崗巖-粘性土壤基質(zhì)能高效地去除污水中的磷，對TP 的去除能力可達(dá)90%[5]。

4）濕地中微生物種類和數(shù)量。廢水中各類污染物的去除與濕地系統(tǒng)中生長的微生物種類和數(shù)量有關(guān)，相關(guān)系數(shù)的大小可以反映某一類微生物對某一類污染物的去除能力。不同微生物與BOD和COD 的去除率之間均有明顯的相關(guān)性，說明人工濕地微生物系統(tǒng)對BOD 和COD 去除率的貢獻(xiàn)；廢水中NH4-N 的去除與硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌都有明顯的相關(guān)性，說明硝化和反硝化作用是人工濕地系統(tǒng)去除氮的主要方式；廢水中磷的去除與濕地中的各類微生物均不具有明顯的相關(guān)性，這說明微生物不是人工濕地系統(tǒng)中去除的磷主要因素；廢水中總大腸桿菌的去除與放線菌和原生動物的數(shù)量有明顯的相關(guān)性，這說明人工濕地系統(tǒng)中的放線菌和原生動物是去除大腸桿菌的主要作用者[6]。

5）環(huán)境因子的影響與管理措施。溫度、水力停留時間、水力負(fù)荷、濕地的運行管理等均會對人工濕地的去污效果產(chǎn)生影響。水溫在20～25 ℃時生物去污的效果最好，低于10 ℃時，處理效果會明顯下降。因此，夏天的處理效果會好于冬天[9]。有研究表明，細(xì)菌的反硝化作用受溫度影響，在10～30℃范圍內(nèi)，高溫有利于反硝化。但溫度高于30 ℃，則會對硝化反硝化過程產(chǎn)生抑制作用[7]。也有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濕地運作一段時間（如3 年）后，去污效果基本不再受環(huán)境因子（如溫度、污水流量等）影響。

3 人工濕地污水處理技術(shù)研究展望

1）進(jìn)一步加強人工濕地處理污水機理的研究。人工濕地處理污水的機理非常復(fù)雜，設(shè)計的范圍也很廣。目前，雖然有些機理研究已經(jīng)得到初步的認(rèn)可，但仍然存在很多問題需要進(jìn)一步研究，如污水中的有機污染物、無機污染物、金屬污染物的去除過程與機理；根際微生態(tài)系統(tǒng)的綜合作用；有機物、無機化合物和金屬離子在濕地系統(tǒng)內(nèi)的相互作用及其對植物、微生物和土壤的影響等[9]。

2）人工濕地處理農(nóng)村污水示范研究。人工濕地在解決我國農(nóng)業(yè)面源污染和農(nóng)村生活污水方面具有獨特的優(yōu)勢，應(yīng)加大人工濕地處理農(nóng)村污水示范研究，探討適合我國國情的農(nóng)村污水處理方式，并通過集成示范，查找技術(shù)中存在的問題，為進(jìn)一步大范圍推廣打下良好的基礎(chǔ)，

3）濕地系統(tǒng)優(yōu)化運用研究。①加強濕地植物的篩選工作，選擇一些耐污能力強，去污效果好的濕地植物，同時加強多種植物的合理搭配的研究。

②重點研究在提高人工濕地氧化硝化能力的同時如何提高其反硝化能力，解決硝態(tài)氮的高效去除問題。③填料的類型直接影響濕地系統(tǒng)的凈化能力，尤其是對磷的去除。加強填料的篩選和如何防止填料堵塞，是今后應(yīng)該優(yōu)先考慮的工作。

4 結(jié)語

人工濕地系統(tǒng)是一個完整的人造生態(tài)系統(tǒng)，它形成了良好的生態(tài)循環(huán)，不僅具有較好的污水凈化效果，而且具有較好的生態(tài)和經(jīng)濟效益。目前發(fā)達(dá)國家已用人工濕地處理各種類型的廢水，發(fā)展中國家發(fā)展也應(yīng)大力發(fā)展人工濕地技術(shù)，在我國該項技術(shù)將會得到越來越廣的應(yīng)用。

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