人工湿地如何应用于我国分散污水的处理

人工湿地(CWs)处理技术起源于20世纪70年代，是一种处理污水的综合生态系统。CWs主要依靠介质填料、植物和微生物的物理、化学及生物协同作用来去除水中的污染物。随着近年来我国对污水处理要求的提高，CWs在小城镇及农村分散污水处理方面引起了较大的关注。本文对CWs在我国分散污水处理中的现状进行综述，旨在为今后CWs的研究及设计运行提供参考。

一、CWs的类型

CWs为人工修葺的洼地，在底面设置由土壤及填料组成的床体，并种植易于成活、生长速度快、具有吸收污染物能力的水生植物，待处理污水既能够在填料中流动，也可在滤床上部流动。CWs的净水是依靠填料、水生植物及水中微生物三者的生态复合作用完成的。这种生态系统可发挥过滤、沉淀、吸附、离子交换、植物吸收和微生物分解作用去除污染物。一些溶解性有机物可被植物根部吸收，通过收割植物而去除。微生物对可生化有机物作用后的最终产物是CO2和H2O。沉淀与过滤作用可以去除不溶性有机物。

CWs可分为表面流人工湿地(SFCWs)、潜流人工湿地(SSFCWs)。SFCWs易滋生蚊虫、且温度低时处理效果较差。SSFCWs包括水平潜流(HSFCWs)和垂直潜流(VSFCWs)两种水流途径。HSFCWs中水的流向为水平流，水流经介质填料的过程中污染物得以去除。HSFCWs能够比SFCWs承受更高的负荷，对有机物及重金属去除效果较好，且保温效果好，无恶臭和蚊蝇滋生，但是建造费用及维护和管理费高于SFCWs。VSFCWs中污水在湿地中呈竖流，使滤床常处于一种不饱和的状态，污染物去除效果好，尤其对氮及磷的去除效果更好。

二、CWs的组成

1.土壤基质

CWs的滤床是由人工配比的基质填料构成的，它能为植物和微生物的生长提供合适的环境。常用于CWs基质的有土壤、砂子和砾石等。基质的化学成分和物理性能，如粒径分布、介质的孔隙空间、不均匀性系数和渗透率等对处理效果有很大的影响。污染物处理效果的提高有赖于适合的基质材料。目前学者们也研究了一些替代的材料，如磷灰石、铝土矿、白云石、沸石、红土、石灰石、蛋白土和页岩等天然材料，还有工业副产品，如燃烧石油页岩、粉煤灰、储石、红泥等，以及人造产品类的明矾石、过滤轻质骨料与牡蜗壳。这些基质材料可通过沉淀、过滤、吸附和离子交换去除水中的污染物质。

2.植物

植物在CWs中发挥重要的作用，一方面能够吸收污染物，另一方面可以为野生生物提供重要的栖息地，美化环境。植物物种应尽可能是本土的、高增长率的、高生物量的、生态适应性强的并有高积累污染物的能力。用于CWs的植物主要有芦苇、凤眼莲、香蒲、营蒲、美人蕉、旱伞草、花叶芦竹、莲水芹、水葱和菱白等。植物对污水的净化可分为直接净化和间接净化，直接净化是指植物生长过程中吸收和富集了氮磷及重金属等污染物，间接净化是指植物能为微生物等提供有利的生长环境。

3.微生物

作为一种湿地生态系统，CWs中也生长繁殖着多种微生物，根据氧气条件的不同，存活有好氧、厌氧及兼氧微生物。CWs中的微生物数量也与湿地的植物有关系。各种微生物主要存在的环境是介质中或植物根部。在不同的微环境下，微生物可通过一系列生物化学作用将有机物降解。微生物在自身净水的同时，还能给予动物或植物营养成分。

4.藻类

CWs中藻类也是重要的组成部分。湿地中的藻类能够起到贮藏和转移养分的作用。藻类参与营养成分的吸收固定与释放的循环。且藻类能控制CWs水体的DO、CO2及水体pH值的昼夜变化，这种变化直接影响植物的生长。

三、CWs在我国分散污水处理中的研究与应用

1.实验室研究

在实验室研究方面，CWs着重在于基质填料与植物的选择及新型CWs工艺及复合CWs工艺的研发。目前主要研究的工艺有潮汐流CWs、自动增氧型CWs、复合CWs。复合CWs一般以水平潜流与竖流复合，或采用厌氧及好氧工艺与CWs复合。辅以的厌氧工艺有厌氧折流板(ABR)，好氧工艺有曝气生物滤池(BAF)。

实验室研究中湿地容积一般在1m3左右，水力负荷在0.1m3/(m2˙d)左右。基质有砾石、粉煤灰、河砂、沸石、竹碳及自制复合填料。植物有芦苇、香蒲、莺尾、美人蕉和再力花。待处理水的COD为40-800mg/L，TN为5-80mg/L，总磷为0.7-6mg/L，NH4+-N为4-64mg/L，SS为72-160mg/L。COD去除率可以达到69%-93%，TN去除率35%-50%，TP去除率49%-53%，部分实验结果可以达到GB18918-2002的一级B和一级A标准。

2.工程应用

单独的CWs处理技术在处理生活污水方面还不易达到水质标准，在实际应用中常常将不同工艺与CWs进行串联，充分发挥各种工艺的优势，以达到更好的污水处理效果。通常是将生物处理技术与人工湿地生态处理技术进行组合，充分的发挥两种工艺的优点，这也是当前分散生活污水的主流处理技术。如果污水中的悬浮物含量较大，则可利用格栅或沉淀池等物理设施来去除部分悬浮物。目前有采用的组合工艺有单独厌氧与CWs组合，还有厌氧及好氧与CWs的组合。

（1）CWs与厌氧工艺复合

厌氧工艺一般放在CWs之前作为预处理工艺。与CWs复合的厌氧工艺有水解酸化、厌氧发酵、厌氧折流板(ABR)等，通常配以SSFCWs。用于工程的填料有碎石，卵石、碳酸钙、高炉渣和粉煤灰。植物包括芦苇、美人蕉、再力花、香蒲、灯心草、大花金鸡菊、黄花莺尾、营蒲、梭鱼草水葱和菱白等。湿地容积在50-700m3左右。进水水质为分散的厨房及卫生间等洗菜、洗浴及冲厕等典型的分散污水水质。经复合工艺流程处理后一般均能达到GB18918-2002一级B标准。

（2）CWs与厌氧及好氧工艺复合

采用厌氧及好氧复合工艺时，厌氧工艺通常在CWs前作为预处理，好氧工艺可在CWs之前或之后。好氧工艺以生物接触氧化、氧化塘、MBR和A2O的O段为主。填料为碎石、卵石和混凝土砌块，植物有美人蕉、香蒲、营蒲、芦苇、水葱、水芹和芭蕉芋等。湿地处理水量最高可达500m3/d。CWs与厌氧及好氧工艺复合后工艺运行稳定、能达到很高的氮、磷去除率，通常出水水质可达到GB18918-2002一级A标准。

四、CWs用于分散污水处理存在的问题

CWs用于分散废水的处理是一项切实可行的方法，但运行过程中仍存在一定的问题，需要不断研究与改进。湿地的水力负荷、有机负荷、湿地面积的设计等还需进一步寻求设计依据；CWs截留氮磷等营养物质，会出现截留饱和的情况，要对负荷进行合理调控，并选取吸收性能好的植物来改善这一状况，避免营养过剩，处理效果变差。对于北方低温地区，应用CWs还要考虑如何保温的问题，低温会降低CWs中微生物的活性，影响湿地植物的繁殖和生长，使CWs的处理效果变差。还需进一步完善分散地区的排水系统与收集系统，在设计CWs时考虑污水收集率，还有超负荷时的处理措施，以及防止湿地床体污染地下水。

五、CWs用于分散污水处理的发展前景

基于CWs建设费用低、较低能耗及对氮磷去除能力较高，其在分散污水的处理方面具有极大的发展潜力。随着实验室研究的深入及工程实践的不断累积，今后CWs将有如下发展方向：（1）对CWs污水处理机理的不断深入探讨，对设计运行参数建立动力学模型，进行小试及中试实验，为工程实践提供参考。（2）进一步对植物的适用性及新型基质进行研究，并研究基地微生物的微观机理与作用。（3）不断积累CWs设计运行方面的经验，为CWs处理分散废水提供技术保障。