宋志文¹，郭本華¹，韓瀟源¹，曹軍²
（1.青島建筑工程學(xué)院，山東 青島266033；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽 110016）

　　摘要：潛流型人工濕地污水處理系統(tǒng)具有水力負(fù)荷和污染附和大，對(duì)BOD，COD，SS，重金屬等污染指標(biāo)去除效果好等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)際上較多研究和應(yīng)用的一種人工濕地處理系統(tǒng)。介紹了潛流型人工濕地污水處理系統(tǒng)的特點(diǎn)、構(gòu)成、運(yùn)行效果和應(yīng)用，指出了潛流型人工濕地系統(tǒng)的應(yīng)用前景和研究方向。
　　關(guān)鍵詞：潛流型人工濕地；污水處理；人工濕地
　　中圖分類號(hào)：X703.1　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B　文章編號(hào)：1009—2455(2003)06—0005—04

　　采用人工濕地(Constructed Wetlands,CWs)系統(tǒng)處理污水是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種污水處理技術(shù)。由于具有凈化效果好、工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)管理方便、能耗低、對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng)、工程基建和運(yùn)行費(fèi)用低、可實(shí)現(xiàn)廢水的資源化等特點(diǎn)，正越來越多地得到人們的關(guān)注^[1-2]。
　　我國(guó)在“七五”期間開展人工濕地的研究,分別在北京昌平、深圳白泥坑、天津等地建成不同處理規(guī)模的人工濕地處理工程，這些處理系統(tǒng)大多為自由表面流人工濕地，對(duì)于潛流型人工濕地的研究相對(duì)較少，并且大多為理論探討或?qū)嶒?yàn)研究^[3-6]。本文在論述潛流型人工濕地的類型、特點(diǎn)、構(gòu)成及應(yīng)用的基礎(chǔ)上．指出潛流型人工濕地系統(tǒng)的應(yīng)用前景和研究方向。

1 潛流型人工濕地處理系統(tǒng)類型及其特點(diǎn)

　　根據(jù)污水在人工濕地中的流動(dòng)方式可以把人工攫地劃分為自由表面流人工濕地和潛流型人工濕地。自由表面流人工濕地和自然濕地相類似，廢水從濕地表面流過。這種類型的人工濕地具有投資少、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是占地面積大，水力負(fù)荷低，去污能力有限，受氣候影響較大，夏季會(huì)孽生蚊蠅、散發(fā)臭味；潛流型濕地系統(tǒng)中，污水在濕地床的表面下流動(dòng)，利用填料表面生長(zhǎng)的生物膜、植物根系及表層土和填料的截留作用凈化污水。國(guó)外所建成的人工濕地中，潛流型人工濕地占相當(dāng)大的比例。如在新西蘭使用的大約80個(gè)人工濕地系統(tǒng)中，裹面流濕地占45％，潛流型人工濕地占33％，混合型人工濕地占14％^[7]。在美國(guó)、歐洲、澳大利亞和南非等地已建成的和正在建設(shè)的人工濕地處理系統(tǒng)中，大部分是潛流型濕地船^[8-9]。
　　 根據(jù)污水在濕地中流動(dòng)的方向不同可將潛流型濕地系統(tǒng)分為水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地2種類型。不同類型的濕地對(duì)污染物的去除效果不同，具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)^[10]。
　　 ①水平潛流濕地系統(tǒng)。水平潛流人工濕地因污水從一端水平流過填料床而得名。它由一個(gè)或幾個(gè)填料床組成，床體充填基質(zhì)。與自由表面流人工濕地相比，水平潛流人工濕地的水力負(fù)荷和污染負(fù)荷大，對(duì)BOD，COD，SS，重金屬等污染指標(biāo)的去除效果好，且很少有惡臭和孳生蚊蠅現(xiàn)象，是日前國(guó)際上較多研究和應(yīng)用的一種濕地處理系統(tǒng)。它的缺點(diǎn)是控制相對(duì)復(fù)雜，脫氮、除磷的效果不如垂直流人工濕地。
　　 ②垂直潛流濕地系統(tǒng)。在垂直潛流人工濕地中污水從濕地表面縱向流向填料床的底部，床體處于不飽和狀態(tài)，氧可通過大氣擴(kuò)散和植物傳輸進(jìn)人人工濕地系統(tǒng)．該系統(tǒng)的硝化能力高于水平潛流濕地，可用于處理氨氮含量較高的污水。其缺點(diǎn)是對(duì)有機(jī)物的去除能力不如水平潛流人工濕地系統(tǒng)．落干／淹水時(shí)間較長(zhǎng)，控制相對(duì)復(fù)雜。

2 潛流型人工濕地的構(gòu)成

　　 潛流型人工濕地主要由3部分組成：基質(zhì)、植物和布水系統(tǒng)。目前人工濕地系統(tǒng)可用的基質(zhì)主要有土壤、碎石、礫石、煤塊、細(xì)沙、粗砂、煤渣、多孔介質(zhì)(LECA)、硅灰石和工業(yè)廢棄物中的一種或幾種組合的混合物。基質(zhì)一方面為植物和微生物生長(zhǎng)提供介質(zhì)，另一方面通過沉積、過濾和吸附等作用直接去除污染物。潛流型人工濕地中使用的植物主要有香蒲、蘆葦、燈心草等，這些植物可增加濕地基質(zhì)的遇水性，此外還能與周圍環(huán)境的原生動(dòng)物、微生物等形成各種小環(huán)境，將氧氣傳輸至根區(qū)，形成特殊的根際微生態(tài)環(huán)境、這一微生態(tài)環(huán)境具有很強(qiáng)的凈化廢水的能力。在美國(guó)，大約40％的潛流型濕地只種植香蒲一種植物，歐洲國(guó)家則多數(shù)種植蘆葦，也有一些系統(tǒng)種植了多種組合植物。布水系統(tǒng)主要是將進(jìn)水按一定方式均勻地分布在處理系統(tǒng)中，并且保證不發(fā)生短流和堵塞，在潛流型人工濕地處理系統(tǒng)中多采用穿孔管布水系統(tǒng)。

3 潛流型人工濕地的凈化效果

3.1 對(duì)有機(jī)物的去除
　　潛流型人工濕地的顯著特點(diǎn)之一就是其對(duì)有機(jī)污染物有較強(qiáng)的降解能力。污水中的不溶有機(jī)物通過濕地的沉積、過濾作用．可以很快地被截留而被微生物利用；污水中的可溶性有機(jī)物則可通過植物根系生物膜的吸附、咀收及生物代謝過程而樁分解去除。資料表明，潛流型人工濕地系統(tǒng)的出水水質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)的二級(jí)生物處理^[1]。
3.2 對(duì)氰的去除
　　潛流型人工濕地對(duì)氮的去除作用包括吸附，過濾和沉積、氨揮發(fā)、植物吸收和微生物硝化和反硝化作用：微生物的硝化和反硝化作用在氮的去除過程中起著重要作用。在潛流型濕地系統(tǒng)中，氧的主要來源是植物根系．但這種能力是非常有限的，這就妨礙了任何流經(jīng)該水域水流十氨的硝化作用：為提高潛流型濕地的供氧量，町以采用周期性地改變水深促使根系向縱深生巴，增加暴露水面或地表漫流區(qū)以促進(jìn)表面復(fù)氧作用，或采用間歇布水的方式，以及采用頻繁注人和循環(huán)的多個(gè)平行床系統(tǒng)使大氣中的氧進(jìn)入到介質(zhì)中等方法。Platzer^[11]指出，潛流型濕地系統(tǒng)高的凈化能力主要是依靠土壤有效的通氣性，BOD，COD，氨氮的去除能力很高，但總氮的去除能力卻有限。Green^[12]研究了系統(tǒng)中氧的分布隨時(shí)間和空間的變化．并通過給濕地系統(tǒng)增設(shè)輸氣管，利用慢灌快排使系統(tǒng)充分進(jìn)氣．以增加內(nèi)部溶解氧的含量來提高系統(tǒng)的硝化反應(yīng)能力，結(jié)果大大提高了氨氮的去除串。
3.3 對(duì)磷的去除
　　潛流型人工濕地對(duì)磷的去除作用包括吸收、化學(xué)沉積、植物和藻類吸收、微生物作用等，其中基質(zhì)吸附起主要作用^[13]。基質(zhì)的理化性質(zhì)對(duì)磷的去除串有很大影響。Zhu等^[14]研究了鎂、鈣、鐵、鋁和磷的吸附關(guān)系，發(fā)現(xiàn)鈣與磷的吸附相關(guān)性量強(qiáng)。Geller^[15]也認(rèn)為鈣與鐵、鋁相比對(duì)磷具有更強(qiáng)的結(jié)合能力，潛流型濕地系統(tǒng)對(duì)磷的去除能力決定于這些礦質(zhì)元素在基質(zhì)中的含量。A Drizo等^[17]比較分析丁7種基質(zhì)對(duì)磷的去除能力，發(fā)現(xiàn)飛灰和頁(yè)巖具有最大的磷吸收．然后是鋁土礦、石灰石，綜合比較各種性能，A.Drizo認(rèn)為頁(yè)巖最適合作為潛流型濕地系統(tǒng)的基質(zhì)。H．Brizo等^[17]分析了13種丹麥不同地區(qū)沙的理化性質(zhì)和除磷能力，這些沙對(duì)磷的去除能力差別極大，決定磷的去除能力呈沙中鈣的含量，作者同時(shí)也研究了一些人工合成基質(zhì)的除磷能力，他認(rèn)為將這些人工基質(zhì)中的一種或幾種和沙混合使用可以顯著提高潛流型濕地系統(tǒng)的除磷能力。

4 潛流型人工濕地的經(jīng)濟(jì)分析

　　工程造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用是人們?cè)谶x擇和設(shè)計(jì)污水處理工藝時(shí)必須考慮的問題。美國(guó)分析了37個(gè)濕地污水處理系統(tǒng)的造價(jià)，其中19個(gè)自由衷面流濕地的平均造價(jià)為55000美元/hm²，18個(gè)潛流型系統(tǒng)的平均造價(jià)為215000美元/hm²：，因?yàn)樾枰~外的巖石供應(yīng)和填筑費(fèi)用，所以潛流型系統(tǒng)的造價(jià)比自由表面流系繞高，但是就負(fù)荷計(jì)算，潛流型系統(tǒng)顯示出優(yōu)越性，潛流系統(tǒng)的造價(jià)為163美元/m³，自由表面流系統(tǒng)為206美元/m^3[8]。國(guó)內(nèi)一些專家估算，潛流型人工濕地污水處理系統(tǒng)的占地面積大約是自由衷面流人工濕地系統(tǒng)的十分之一，建造費(fèi)用大約在130—150元/m²。

5 滑流型人工濕地的應(yīng)用

　　德國(guó)最早開展了潛流型人工濕地的研究^[18]。早期的潛沉型濕地處理系統(tǒng)主要用于處理城市生活污水或二級(jí)污水處理廠出水。經(jīng)過近30年研究與發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)在英國(guó)、美國(guó)、新西蘭、法國(guó)、澳大利亞、巴西、荷蘭等許多國(guó)家得到應(yīng)用推廣，一些發(fā)展中國(guó)家也開始使用改技術(shù)解決國(guó)內(nèi)的污水處理問題^[19]。與此同時(shí)應(yīng)用范圍電不斷擴(kuò)大，除了用于處理城市污水外，還應(yīng)用于工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)面源污染、垃圾滲出液暴雨徑流等多種廢水的處理，表現(xiàn)出良好的凈化效果，見表1。

表1　 潛流型人工濕地處理系統(tǒng)實(shí)例

6 結(jié)束語

　　眾多成功應(yīng)用的實(shí)踐證明，潛流型人工濕地是一項(xiàng)非常有效的污水處理技術(shù)，和國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)滯后，筆者認(rèn)為今后應(yīng)深入開展以下幾個(gè)方面的研究。①通過篩選耐污和凈化能力強(qiáng)的植物品種并進(jìn)行優(yōu)化組合，達(dá)到更好地調(diào)控潛流型人工濕地的凈化功能以及符合城市景觀建設(shè)的需要；同時(shí)建造適宜的濕地生態(tài)系統(tǒng)，使植物良好生長(zhǎng)，充分發(fā)揮其各種功能。②在系統(tǒng)地研究潛流型人工濕地中微生物種類分布規(guī)律和作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，通過高效微生物的篩選，人為適當(dāng)?shù)馗脑鞚竦匚⑸锶郝浣Y(jié)構(gòu)并調(diào)控濕地系統(tǒng)的凈化過程，從而提高人工濕地系統(tǒng)的運(yùn)行效果。③通過對(duì)基質(zhì)進(jìn)行篩選或人工合成，提高人工濕地對(duì)磷的持續(xù)去除效果。④應(yīng)用生態(tài)工程的原理和方法對(duì)人工濕地系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建和調(diào)整，以利于濕地正常功能的運(yùn)作和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)性。通過上述幾個(gè)方面的研究，構(gòu)建適合我國(guó)國(guó)情和不同地域特點(diǎn)的高效潛流型人工濕地處理系統(tǒng)，使其在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用和椎廣。

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作者簡(jiǎn)介：宋志文(1966—)，男，河北玉田人，青島建筑工程學(xué)院副教授，博士，現(xiàn)在從事環(huán)境生物技術(shù)方面的研究，發(fā)表文章10余篇，電話（0532）5072030，sszzww1015@sohu.com。