1.总论

2.项目背景

3.人工湿地处理生活污水的可行性分析

湿地系指不问其为自然或人工、长久或暂时之沼泽地,湿原,泥炭地或水域地带;带有或静止或流动,或为淡水,半咸水或为咸水水体者,包括低潮时水深不超过6m的水域。湿地是陆地与水体之间的过渡地带,是一种高功能的生态系统,具有独特的生态结构和功能。对于保护生物多样性,改善自然环境具有重要作用。由于人类的不合理开发,湿地资源在我国受到很大破坏。在特殊时期和环境条件下,研究和建立人工湿地生态系统是对自然湿地生态系统的适度补充,也是对其功能退化的恢复性建设。人工湿地是一种由人工建造和监督控制的,与沼泽地类似的地面。湿地能净化污水,是自然环境中自净能力很强的区域之一。它利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用,通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化。

湿地处理技术是本世纪七十年代蓬勃兴起的一种处理污水的方式，自西德年首先建造工程湿地以来，该工艺已在欧洲得到推广应用，在美国和加拿大等国也得以迅速发展，美国在年至年间就建起了几百个工程湿地。目前欧洲已有数以百计的工程湿地投入废水处理运行。据统计，捷克共和国到年止已建起了39个工程湿地。但我国对工程湿地的研究开始较晚，直到“七五”期间才开始了对工程湿地较大规模的研究。年7月，国家环保局华南环保所在深圳白泥坑建造了处理规模为m3/d的工程湿地示范工程。

工程湿地能广泛应用于城镇生活污水、农业、工业、畜牧业、食品、矿山等废水的处理。目前，工程湿地越来越多地应用到对氮、磷的处理。例如，北美湿地数据库记录的座工程湿地中，大部分用来处理二级污水厂出水或者水质较好的污水。因为常规的二级污水处理厂出水往往氮、磷偏高，而氮、磷在自然环境中累计往往会导致河流、湖泊发生富营养化，影响海洋生态，严重时发生水华和赤潮。工程湿地利用多种净化原理进行处理，具有运行费用低的优点，出水水质可以达到或超过二级污水处理水平，并且工程湿地具有生态价值和景观价值。

3.1湿地对污染物的去除机理

生活污水主要的污染物有三类。第一类为悬浮物SS，第二类为有机污染物COD和BOD5，第三类为无机营养盐氮和磷，此外，生活污水中还存在较低含量的重金属离子。下面针对各种污染物类型分别阐述湿地的去除机理或过程。

3.1.1对SS的去除

悬浮污染物在人工湿地中去除的基本机理是拦截、吸附、絮凝和胶体颗粒的沉淀。大量植物根系和饱和状态的基质，使悬浮污染物通过在基质和根区表面的重力沉淀、截留和吸附等作用被分离去除。但有研究表明，湿地进水中的SS过多容易导致湿地的堵塞，影响湿地的水流形态，从而影响湿地对污水的处理效果。因此，对于进入湿地的污水，最好能进行预处理减少其SS含量，并采用湿地的间歇性运行来延长湿地的使用寿命。

3.1.2对有机物的去除

人工湿地的显著特点之一是对有机污染物具有较强的去除能力。不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用,可以很快的被截流而被微生物利用,可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。

污水中的COD、BOD5的去除主要是靠微生物的吸附与代谢作用。在活性污泥或生物膜与污水接触初期，会出现很高的有机污染物去除率，这是由于污水中有机颗粒和胶体被吸附在微生物表面，从而被去除所至。但是这种吸附作用仅对污水中悬浮物和胶体起作用，对溶解性有机物不起作用。对溶解性有机物需靠微生物的新陈代谢和植物的吸收来完成，微生物在有氧的条件下将污水中一部分有机物合成新的细胞，将另一部分有机物进行分解代射以便获得细胞合成所需的能量，其最终产物是CO2和H2O等稳定物质，这就是污水中COD、BOD5的降解过程。微生物的好氧代谢作用对污水中溶解性有机物和非溶解性有机物都起作用，并且代谢产物是无害的稳定物质。国内有关对城市污水的研究表明污水中的不溶性BOD5(约占污水总BOD5的50%)和COD可在进水的5米内通过截留和沉淀作用而被快速去除;此外,资料表明,在进水浓度不高的情况下,湿地系统对BOD5和COD的去除率分别可达85%～95%和80%以上,处理出水中的BOD5浓度可在10mg/L左右。

3.1.3对N的去除

水中氮的去除转化包括很多过程，其中一部分氮可以被湿地中的植物吸收通过收割得以去除。另外,基质也可通过一些物理和化学的途径去除污水中一部分氮。但是氮主要还是在微生物作用下通过硝化、反硝化反应来去除的，植物根际复氧效率对处理效果有很大影响。有实验表明水面以下的植物部分以及附着其上和池壁上的藻类、微型植物通过光合作用产生的氧直接释放到水体能明显引起氧增，而水面以上植物部分光合作用向根部水体输氧的作用并不明显。

湿地处理过程的脱氮作用最主要包括好氧硝化作用和缺氧反硝化作用两个过程。

好氧硝化是指：污水中的有机氮，在好氧的条件下转化为氨氮，而后在硝化菌作用下变成硝酸盐氮，在缺氧的条件下，由反硝化菌作用，并有外加碳源提供能量的条件下，使硝酸盐氮变成氮气逸出。

缺氧反硝化是指：影响其脱氮效率的因素是温度、溶解氧、pH值以及反硝化碳源。生物脱氮系统中，硝化菌增长速度较缓慢，所以，要有足够的污泥龄或生物量，就可达到硝化与反硝化的目的。

人工湿地对氮的去除主要依靠微生物的氨化、硝化和反硝化作用,植物吸收和氨氮挥发所占比率还不到总去除率的20%。氮在污水中主要以有机氮和氨氮的形态存在,氨氮的去除主要取决于植物的供氧能力，植物输送氧至根区，在根茎部产生好氧环境消耗污染物，在这种环境下,氨氮被氧化为NO-2和NO-3，其机理是通过硝化反应先将氨氮氧化成硝酸盐，再通过反硝化反应将硝酸盐还原成气态氮而从水中逸出。

其反应如下：

总反应式为：

在远离植物的根部区域，床体呈厌氧、缺氧状态，NO3－N在反硝化细菌的作用下被还原为N2、N2O气体从污水中溢出。其反应式为:

其中生成的OH－可以与NH4－N反应生成NH3，可以从污水中挥发出去。NH4＋+OH－→NH3↑+H2O

反应中所需的碳源可以由进水和植物分解得到。

3.1.4对P的去除

进入人工湿地的污水中磷的存在形式最常见的有磷酸盐(包括PO4－3、HPO42－、H2PO4－)、聚磷酸盐和有机磷酸盐等。湿地除磷主要是通过湿地植物的吸收利用、填料的物理化学作用以及微生物的积累这三种途径来完成的。和氮一样，磷也是植物生长必不可少的元素之一。污水中的无机磷有一部分在植物的吸收和同化作用下，被合成为ATP、DNA、RNA等有机成分，主要通过植物的定时收割从湿地中去除。还有一部分无机磷则通过填料的吸附、吸收、过滤以及与填料中的Ca2+、Fe3+离子的反应生成难溶沉淀物而去除。

微生物对磷的去除是利用微生物对磷的正常同化吸收(将磷作为微生物体必需的成分C60H87O23N12P，而供微生物生长之需)，以及聚磷菌在好氧的情况下对污水中的溶解性磷酸盐的过量吸收作用,然后沉淀分离而去除。其中,最主要的是聚磷菌对磷的过量积累。湿地系统中植物根系的输氧及其传递作用，使得床体中呈现出连续的好氧、缺氧和厌氧状态,通过在厌氧条件下的放磷及在好氧条件下的摄磷（过量摄磷）有利于对磷的去除。

微生物在基质磷循环过程中还是发挥了重要的作用,主要包括：①改变无机磷化合物的溶解性；②矿质化有机磷化合物并释放无机磷酸盐；③将可利用的无机磷酸阴离子转化为细胞组分；④引起无机磷化合物的氧化或还原。总的来说,微生物的作用主要是对有机磷化物进行分解,产生无机磷化物，从而通过植物和部分微生物的吸收利用以及湿地基质的吸附达到有效去除磷的效果。

3.1.5对重金属的去除

湿地中金属的去除机理包括离子交换、与湿地中的基质螯合、或转化为不溶性物质沉淀，主要过程包括不溶性重金属随悬浮颗粒沉淀、溶解性重金属与基质和沉积物的离子交换和络合作用、溶解性重金属以难溶性化合物的形式沉淀或者植物对溶解性重金属的吸收作用。湿地中的植物在修复金属污染的过程中有着重要的作用，包括植物本身的作用以及植物根际分泌物的作用。植物本身作用包括三种类型:植物稳定、植物挥发和植物吸收。而根际分泌物在重金属污染的修复中的作用包括活化重金属元素，使其转化为植物可吸收态；改变金属的化学性质，从而改变其生物有效性和生物毒性，和重金属形成稳定的螯合体，起到固定和钝化作用，进而降低重金属在水体中的危害性。

3.2影响湿地处理效果的因素

3.2.1湿地基质

基质是人工湿地重要组成部分，对于去除污染物,特别是磷素污染物有着重要的作用。它的净化功能包括：(1)基质中植物根系吸收、转化、降解和生物合成作用；(2)基质中微生物降解、转化和生物固定化作用；(3)基质胶体及其复合体的络合和沉淀作用；(4)基质离子交换作用；(5)基质机械阻留作用。不同基质为植物和微生物提供的生存环境不同，从而影响水处理的效果。

3.2.2湿地植物

在人工湿地处理系统中,水生植物是重要有机组成部分,湿地中的植物不仅可以和基质一起过滤、截流水中悬浮物，还可吸收水中某些污染物质包括重金属从而将其去除。另外，由于植物对氧的输送、扩散等作用，可以在根部形成好氧区域，而对于氧扩散不到的区域会形成厌氧区域。这些区域的存在是湿地具有良好脱氮除磷效果的原因之一。植物还能固定污染区，防止污染源进一步扩散，由于植物根系的穿透作用，增强了介质的疏松度，从而加强和维持介质的水力传输能力。

3.2.3温度

人工湿地的净化作用主要是通过微生物的分解代谢和植物的作用完成的，这些作用受温度影响很大。另外，温度会影响水中溶解氧含量，从而影响好氧生物降解过程。在较低的温度条件下，污水净化的效果较差，甚至会造成湿地停止工作。这也是造成人工湿地水处理技术在寒冷地区难以推广的重要原因。

3.2.4溶解氧

人工湿地系统中,溶解氧有着重要的作用，表现在有机物、氮和磷的去除与溶解氧有密切关系。湿地中氧的来源有大气复氧、植物光合作用产生的氧气的传输、水面下植物以及根际附着的微型植物光合作用向根区释放氧气等过程。在扩散作用下在空间和时间上形成的的好氧厌氧交替分布有利于脱氮除磷。

3.2.5水力停留时间

水力停留时间影响湿地对总氮和总磷等的去除效果。在一定范围内，随着停留时间延长，氮磷去处效果会成指数提高；然而，当停留时间超过一定的范围后，处理效果会下降，同时可能存在污染物质重新释放或者发生可逆反应过程。因此，水力停留时间对于湿地设计非常重要。时间过短达不到好的处理效果甚至不达标，时间较长会提高处理效果，但过长是一种浪费，甚至会使湿地由污染物的“汇”地变为“源”头。

3.3湿地良性应用的条件分析

3.3.1湿地处理的进水要求

湿地并不能代替污水处理厂，因为湿地是一个自然生态的污染净化过程，其污染处理的过程需要一定的时间，因此，对于大量的污水，除非湿地面积足够，否则湿地处理并不能起到有效的污染去除作用。所以在中大城市中，由于收到土地利用的限制，利用湿地来进行污水处理被认为是不可行的，湿地的应用范围适合中小城镇或农村的废水处理。湿地进水在进入湿地前需进行一定的预处理（如调节池或沉淀池的使用能大大延长湿地的使用年限），以去除水体中的SS，防止湿地出现堵塞的情况。

3.3.2湿地的面积要求

根据国内外的研究成果，湿地的面积要求一般为：表面流湿地约10-20m2/t，潜流湿地约为2m2-5m2。

3.3.3湿地的管理要求

湿地运行时，是否存在完善管理是湿地运行期限长短的另一个重要方面，湿地管理包括湿地植物的收割，湿地运行方式的调整等。针对我国工程湿地建一个死一个的现状，究其原因，很大部分是因为没有对湿地进行有效管理而导致。

3.4结论

人工湿地系统是仿真的湿地生态系统，在我国是一项正在被研究、应用和发展的处理污水的新技术，由于它具有高效率、低投资、低运转费、低维持技术、处理量灵活、低能耗、处理效果好等优点，非常适合我国的国情，尤其是广大农村地区、中小城镇地区的污水处理方法。人工湿地系统是一新兴的废水处理技术，其中有许多不足或需改进之处，但是从目前应用来看，这项技术的应用已经日趋成熟，将会造福于人类，保护人类居住的环境健康。

封图来自网络

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汤奔，本站阔主，网名sanniu，湖北人。华南理工大学环境工程硕士。多次荣获科学技术奖，所负责产品入选国家重点环境保护实用技术，所负责项目多次入选国家星火计划。在环保设备及新技术上有比较专业的见解。任佛山市禅城区环保协会副秘书长，并长期在百度知道作为环保专栏行家，为网友解答环保方面的疑难杂症。

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