人工湿地系统设计

摘要：随着我国各项工农业的快速发展，许多企业的生产废水中都含有大量高浓度的磷、氮等元素，如果这些工业废水没有经过处理或者处理不充分，就必然导致大量的化合物进入水体，最终导致严重的水体污染。而人工湿地是一整套污水处理生态系统，它与沼泽类似，由人工建造并监督控制，需要人为地将石、砂、土壤、煤渣等几种介质按特定的比例构成基质，并有选择地种植植物。最终实现对城市（镇）污水的处理。

关键词：水体污染；人工湿地；沼泽；基质

一、序言

据一项对全国669个城市的调查显示：有400个城市常年无法实现足够供水，而且其中有110个城市严重缺水。当前国内外常用的水体净化技术主要有4种：物理净化法；化学净化法；自然净化法；生物净化法。其中化学、物理净化法虽然可以在一定时间内改良水质，但无法从根本上解决水污染，而且会对水资源造成二次污染，破坏水系的生态环境。人工湿地就属于一种生物净化法，它依托于水生植物处理污水的原理，由人工建造具有湿地性质的污水处理系统，这种处理方法具有适用范围广、处理效果良好、成本低廉、建造和运行简单的特点。据测算，一座日处理污水10万立方米的人工湿地，除去系统自身所需的水量后，每年大约可获得达到养殖标准的净水3000万立方米。如果说湿地是“地球之肾”，那么人工湿地则可称之为“城市之肾”。人工湿地施工的工艺流程如图1所示。

图1 人工湿地施工工艺流程

二、人工湿地的组成

人工湿地是通过模拟天然湿地的结构与功能，结合所在城市的特点，选择合适的地理位置与地形，根据人们的需要人为的设计与建造而成。它主要由一下几个部分组成。

1、基质

基质要求具有透水性，主要采用的材料包括碎石、卵石、沙粒、沙土、土壤等，它们为微生物的生长提供稳定的依附基础，为水生植物提供载体和营养，为化学反应提供平台。

2、水生植物

植物对污水的净化能力主要依赖于它的的数量、根系的发达程度、输氧能力等因素。通常情况下，植物的生物量越大、根系越发达、根系的输氧能力越强，其净化能力也就越强。

根据湿地植物的根茎与水位、基质的关系，可以将它大致分为以下五大类：湿生(沼生)植物、挺水植物、浮叶植物、漂浮植物、沉水植物。

湿生和挺水植物的根部深入基质中，光合作用器官在水面上。是地球上最常见的植物之一；浮叶植物的根系虽然生长在基质中，但主要的叶片漂浮在水面；漂浮植物的根系通常不接触基质，而自由漂浮在水面；沉水植物则是完全生长在水下的植物。

3、微生物

微生物是人工湿地净化污水的实际操作者，它们把水体的富营养物质作为能源，将其转化为供自身生长的营养物质和能量[1]。人工湿地在处理污水之前，各类微生物的数量与自然湿地基本相同。但随着污水不断进入人工湿地系统，某些微生物的数量将逐渐增加，并在一定时间内达到最大值而趋于稳定。

4、各种水生动物等

包括各类原生动物、鱼类以及水体无脊椎或脊椎动物等。

三、人工湿地的结构形式

由于挺水植物的结构特点（植物生长的水分和光照都能得到充分满足），使得它能够成为人工湿地中数量最多、治污作用最明显的人工湿地植物[2]。根据挺水植物的系统分类，可将人工湿地形式分为表面流湿地、潜流湿地和垂直流湿地。

1、表面流湿地

废水处在填料表面，最接近于自然湿地，依靠长在植物水下茎、杆上的生物膜来完成对污水的治理。这种湿地形式的缺点在于其不能充分利用植物根系和填料，卫生条件不好，因此在设计中一般不采用。

2、潜流湿地

污水在填料表面以下渗流，因此可以充分利用植物根系上生物膜、填料表面以及其他各种作用来处理废水，而且卫生条件较好，在现实中被广泛采用。

3、立式流湿地

水流情况综合以上两种形式的特点，因为它对建筑施工要求较高，控制复杂，夏季易滋生蚊蝇，故目前应用得不是很多。

在对城市污水的各种治理措施中，人工湿地以其成本低、效益高的优点，受到人们的普遍关注。经研究得知，水生植物是影响人工湿地系统处理污水的最关键所在，因此，对植物的选择、配置与管理是否得当，将对人工湿地的治污效果产生最直接的影响。

人工湿地植物主要是喜温植物，在春夏季节净化污水效果较为明显，但是生活污水是在一年四季都存在的，所以在建造人工湿地时应当将各种植物综合搭配，以保证湿地系统在一年四季都能正常运行。还有研究表明，将挺水植物与沉水植物结合种植产生的空间效应，能够更好的实现对污水的处理。

四、苏州金鸡湖人工湿地对污水的处理

金鸡湖苏州工业园区的美丽风景是环绕金鸡湖、阳澄湖、独墅湖三湖展开的。秀美的金鸡湖作为中国最大的内城湖泊，成为苏州现代化的新标志。金鸡湖湖面总面积10768亩，湖水深度为平均2.5至3米，从过去的农村湖泊转变为城市湖泊，并且能够担当人工湿地净化污水的功能，苏州金鸡人工湖的这一转型涉及了景观绿化、文体娱乐、排水调蓄等多个方面。

随着我国工农业的迅速发展，很多污染物流入城市水系，对城市的生产生活用水造成巨大影响，其中威胁城市河湖的主要形式是水体的富营养化[3]。因此，治理城市水污染的重点就在于控制城市水系中的氮、磷含量，而人工湿地对此具有其独特优势。这是因为人工湿地有非常高的耐水能力和污染负荷能力。正是这些原因，使得人工湿地治污技术能够适合于我国国情，尤其适合于广大中小城市的废水处理，具有十分广阔的应用前景。

污水中的有机物种类较多，无法完全依靠植物本身对其清除，更主要的是依赖于水生微生物的作用。人工湿地治理污水的原理是：植物将氧气从上部输送到根部，在根部区域形成一个好氧环境，为好氧微生物提供生长条件，微生物以污水中的有机物为生长条件，从而将有机物质分解成为二氧化碳和水。最终达到去除氮、磷及其他污染物的目的，图3说明了人工湿地所营造的良性生态系统。

图2 人工湿地营造的生态系统

植物氮磷积累量PA的计算公式如下所示：

PA=PB×PC

其中PB为植物增加的生物量，PC为植物的氮磷含量；氮磷总去除率R的计算公式为

ICi和OCi分别第i次进水和出水的氮磷浓度，Qi为第i次进水量。

1、对有机物的去除

人工湿地主要依赖微生物来实现对有机物的去除。人工湿地中的基质具有巨大的比表面积，在基质表面形成一层生物膜，污水流经基质表面时，不溶性有机物在沉淀、过滤作用下被截留下来，以供微生物利用；可溶性有机物则是通过生物膜的吸附、吸收及生物降解而被分解去除。

2、对氮的去除

人工湿地系统对氮的去除作用主要是依赖于基质的吸附、沉淀、过滤、植物的吸收和微生物的硝化、反硝化作用来实现的。污水包含有有机氮和无机氮两种，一般情况下，有机氮被微生物分解转化，而无机氮则被植物所吸收。人工湿地系统中氮的转化如图1所示。另外，由于水生植物发达的根系作用，植物周围的好氧环境在氧浓度上循环变化，这也使得分解作用可以循环进行，提高了微生物的去氮效率。

图3 人工湿地系统中氮的转化

3、对磷的去除

人工湿地主要是通过微生物的积累、植物的吸收及湿地床的物理化学等几方面共同作用来实现对磷的去除。

六、结论

人工湿地系统是一个完整的生态系统，具有较好的经济、生态效益，并且具有一系列其他治污方法无可比拟的优点，人工湿地是一整套系统工程，人工湿地的研究和发展依然在不断地深入。人工湿地虽然在我国部分地区已经有所应用，但是在实施过程中也遇到了很多的困难，主要是对植物的选择、环境的控制等等。但是我们相信，这些困难最终是可以克服的，并将能取得更有效的成果。

参考文献

[1]吴晓磊.人工湿地废水处理机理[J].环境科学，1995，16(3):83-86.

[2]种云霄，胡洪营，等. 大型水生植物在水污染治理中的应用研究进展[J]. 环境污染治理技术与设备，2003， 4(2):36-40.

[3]朱斌，陈飞星，陈增奇。利用水生植物净化富营养化水体的研究进展[J].上海环境科学，2002，21(9):564-567.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。