三处不同类型人工湿地的运行比较分析
在全国范围内选择了3处人工湿地进行比较和综合评价，它们分别是山东威海荣成人工湿地、湖北武汉桃花岛人工湿地和辽宁沈阳浑南人工湿地。三者分别处在我国的东部、南方和北方，处理对象分别为城市污水、城市地表径流和小区生活污水，所选择的湿地类型、流型、湿地植物和基质组成也都存在着差别，但是3处湿地建成后都在成功地运行。本研究通过对3处处理湿地的综合比较，提出不同地区、不同气候条件、不同处理对象在应用人工湿地时的设计原则，总结不同类型人工湿地的适用范围及在运行时应注意的问题，为人工湿地技术更广泛、更科学地推广应用提供一定的理论依据。
1地理与气候
荣成市人工湿地位于山东半岛最东端，属于暖温带季风型湿润气候区，年平均气温为12℃左右，年平均日照2600h左右，年平均降雨量800mm左右。
武汉市桃花岛人工湿地示范工程位于武汉市城区的西南部，属亚热带大陆季风性（湿润）气候，年平均气温15.8～17.8℃，年无霜期一般为211～272d，年平均日照时数1810～2100h，年降雨量1150～1450mm。
浑南新区人工湿地位于沈阳市浑南新区，属于北温带受季风影响的半湿润大陆性气候，年平均气温在8.9℃左右，最低气温为-30.6℃，发生在1月份，年平均日照时数为2554h，年平均降水量为727.4mm，7～8月降水量占50%左右。
2工程概况
荣成污水处理厂采用芦苇湿地处理工艺，处理系统占地面积80hm2，处理规模为2.0万m3/d，于1998年10月投入运行，承担约12万居民的生活污水及少量工业废水。进水水质情况为:COD，200～350mg/L;BOD5，80～120mg/L;SS，150～200mg/L;TP，2～4mg/L;####NH+4-N，10～30mg/L;pH，7～8。湿地类型采用渗滤型人工湿地，是对原有的天然芦苇湿地进行改造，实现单元化，基质没有更换仍采用原有土壤，该湿地建在市郊，远离居民区，与海相邻，出水直接排海，有力地缓解了海水水质的污染。湿地运行至今达7a时间，运行比较正常，为了保证湿地功能的长效发挥，2005年在湿地的预处理部分增加了浮动生物床强化一级处理，来保证整个系统的处理效果。
桃花岛示范工程主要用于控制桃花岛小区1.33km2汇水面积的初期暴雨径流，主要由储存塘系统、景观塘系统、水平潜流人工湿地系统、复合人工湿地系统等工程组成（见图2）。储存塘系统总面积20800m2，设计蓄水量14500m3;水平潜流人工湿地采用半地上式布置，面积5000m2，平均深度0.7m，采用由砾石、碎石、砂子和种植土组成的组合基质，设计处理水量为700～1200m3/d，设计进水水质指标为:SS，120mg/L;TP，1.6mg/L;TN，20mg/L;CODCr，160mg/L。
景观塘系统总面积3100m2。复合人工湿地系统包括一个垂直流人工湿地、3个水平潜流人工湿地和两个表流人工湿地，垂直流人工湿地面积为300m2，水平潜流人工湿地面积为1500m2，平均深度0.5m，采用由砾石、碎石和砂子组成的组合基质，设计处理水量为560～900m3/d，设计进水水质指标为:SS，120mg/L;TP，1.6mg/L;TN，20mg/L;CODCr，160mg/L。桃花岛人工湿地邻湖而建，离居民区很近，湿地出水直接排入湖中。湿地自建成运行至今已有2a多时间，运行一切正常。
浑南人工湿地占地10.1万m2，包括:雨水湿地生态工程、污水湿地生态工程（见图3）、污泥矿化床湿地工程3部分。其中，污水人工湿地占地6000m2，每天处理6000人住宅小区的生活污水，约1000t/d;雨水湿地占地74000m2，每天处理2km2汇水区内雨水约2000t/d;污泥矿化湿地工程占地21000m2，每年处理湿地污泥2000t/a。污水处理湿地采用垂直流形式，种植湿地植物芦苇，平均深度1.5m，采用碎石、砂子和种植土组成的组合基质，设计进水水质:COD，300mg/L;BOD，150mg/L;SS，50mg/L。浑南污水处理湿地位于居民区附近，出水用于周围的景观建设和作为中水回用。湿地运行至今将近3a，基本达到稳定运行。
3处理效果
对荣成人工湿地污水处理系统COD、BOD5、SS、###NH+4-N、TP监测数据进行统计分析，结果表明荣成人工湿地对污水中污染物具有很好的去除效果，特别是对SS、COD和BOD5等指标，但对NH+4-N和TP的去除效果相对较差。SS、COD、BOD5出水浓度分别为（27.8±6.7）、（91.0±13.7）mg/L和（23.8±4.6）mg/L，去除率分别为（71.8±8.4）%、（62.2±10.1）%和（70.4±9.6）%。NH+4-N出水浓度为（11.3±2.6）mg/L，去除率为（40.6±15.3）%。TP的去除效果最差，出水浓度为（2.00±0.28）mg/L，去除率为（29.6±12.8）%。气温季节性变化能够影响荣成人工湿地污水处理系统对有机污染物的去除效果。每年的4～6月对COD、BOD5去除效果最佳，1月和12月去除效果最差。不同季节间人工湿地处理效率的差别主要体现在对#####NH+4-N的去除，每年7～9月去除效果最佳，1～3月去除效果最差。TP的去除受温度季节性变化影响相对较小。
桃花岛人工湿地示范工程中的塘—潜流人工湿地生态工程适合城市地表径流污水的处理，塘系统的沉降作用去除了大量的SS及其携带的其它污染物，有效地防止湿地的堵塞和减轻湿地的污染负荷，湿地系统进一步净化处理保证了良好的出水水质。储存沉降塘—水平潜流人工湿地系统处理效果为:对各污染物的去除率分别为:CODCr，75.4%～79.1%;TP，81.8%～84.3%;TN，64.9%～69.8%;SS，93.8%～94.7%;其中人工湿地对其进水中CODCr、TP、TN、SS的去除率分别为60.7%～64.8%、73.4%～75.6%、43.2%～48.4%、60.3%～66.4%，污染负荷COD约为0.01kg/（m2•d），出水达到污水综合排放标准的一级标准。景观塘—复合潜流人工湿地系统处理效果为:对各污染物的去除率分别为:CODCr，84.0%～85.4%;TP，89.6%～91.8%;TN，92.2%～94.4%;SS，95.8%～97.1%，出水可以达到地表水水质标准（GB3838-2002）的Ⅳ类标准;其中复合潜流人工湿地对其进水中CODCr、TP、TN、SS的去除率分别为69.0%～73.1%、82.6%～86.6%、89.0%～90.4%、64.7%～69.2%，对TN具有独特的去除效果。在无雨期，湖水被引入该生态处理系统，既维护了生态处理系统的处理功能和生态功能的长效维持，又改善了湖水水质，保证了生态系统的良性循环。
浑南新区人工湿地对污染物具有很好的去除效果，特别是对CODCr、NH+4-N、TP和BOD5的去除率都超过了90%;SS的去除率虽然不高，但是由于进水SS的浓度很低，出水中SS的浓度不超过20mg/L;湿地对TN的去除效率比较低。CODCr、NH+4-N、TP和BOD5的出水浓度分别为（19.5±10.2）、（1.30±0.88）、（0.25±0.16）mg/L和（2.66±0.84）mg/L，去除率分别为（90.05±3.50）%、（94.80±4.81）%、（92.25±5.36）%和（94.68±1.83）%;而TN的出水浓度和去除率分别为（38.15±2.27）mg/L和（26.66±3.99）%。湿地进出水一年四季的温度变化不大，出水温度低于进水温度1～2℃，冬季进水温度维持在10℃左右;废水经过湿地的处理后，出水中的溶解氧得到了一定程度的提高，这主要是由于垂直流人工湿地本身所具有的良好的氧传输能力。湿地出水中各种污染物浓度表明湿地具有较好的除污能力，出水中升高的DO也证实了废水在湿地中流动的过程中得到了较为彻底的净化，存在的主要问题是出水中的TN浓度大大超过出水的要求，这主要是由于垂直流湿地较强的氧传输能力能够使氨氮得到根本的硝化，但是由于碳源和微环境的影响反硝化反应的效率比较低，使得硝酸盐不能实现有效的转化，氮污染问题在该湿地中没有得到有效的解决，富营养化的潜在危害仍然存在。湿地的处理效果受季节变化的影响比较小，这主要是由于该系统的布水装置为上下两套，下层布水装置在冬季开始启用，有效地保证了进水温度不会过低，另外在冬季为了保温，该系统上层铺设20cm厚的草炭土。
4效益分析
荣成人工湿地的处理成本为0.16元/m3。另外，湿地芦苇在冬季进行收获，主要用于当地造纸厂的原料，也具有一定的经济效益。湿地出水排往入海前的小海，目前小海水质情况不断得到改善，主要用于适于在海水淡水交汇处生存的水产品的养殖，环境效益和经济效益都比较显著。
桃花岛人工湿地的运行成本为0.184元/m3。汇处理系统均采用生态工程的方法，建成后兼作公共娱乐区、生态公园，增加了景观的视觉美感和观赏价值，同时给游人和当地的居民提供了良好的休憩场所，改善了城市人文景观，提升了人们的生活质量，增加了植被覆盖率，保持了生物多样性，减少了水土流失，改善了生态环境。
浑南新区人工湿地的运行成本为0.715元/m3。另外湿地出水可以作为中水回用，也可以作为景观用水;景观和社会环境效益明显，在城市中建设可以调节城市小气候、降低城市热岛效应和改善城市环境质量和自然生态景观。
5讨论
从地理气候的角度看，山东半岛的暖温带季风气候和武汉的亚热带季风气候更适宜采用人工湿地技术，因为在该气候条件下，植物的生长期更长，冬季持续时间不长，而且寒冷程度不高;而北温带的辽宁植物的生长期仅在7个月左右，冬季时间比较长而且气温很低，极端低温可以达到零下30℃以下，人工湿地在北温带甚至冬季更长的地区采用，湿地的冬季运行必须在设计时被充分考虑，这将关系到湿地的处理效果和功能的长效发挥。
不更换基质的渗滤型湿地应该建设在远离居民区的市郊，这样可以使湿地本身的蚊蝇和气味问题远离城市，渗滤型湿地的占地面积较大，远远大于潜流湿地，所以只能在原有的天然沼泽湿地进行改造而成，或将邻海邻地表水体的土地、利用价值不高的河漫滩等进行改造而成。潜流人工湿地可以在居民区附近建设，潜流湿地基本避免了气味和蚊蝇的问题，而且可以改善周围的生态，美化环境，提高人与自然的亲和力。人工湿地通常可以邻水而建，在达到设计的控污目标的同时可以拦截地表径流，防止径流直接进入水体导致地表水体的水质恶化。人工湿地可以处理各种污水，只是对于不同类型湿地和不同污水，其处理负荷存在着差异，如渗滤型湿地的水力负荷较低，垂直流湿地的SS负荷较低等。湿地的初期运行一般都比较良好，系统功能要达到长效维持，在运行过程中需要根据实际的运行进行相应的调整;渗滤湿地的功能维护需要强化一级处理来做保证。人工湿地的类型虽然存在着差异，但湿地采用预处理是必须的，污水在进入湿地前需要经过格栅、沉淀甚至过滤等预处理，强化一级处理单元的增加可以改变湿地的运行方式，实现湿地的高水力负荷低污染负荷的运行方式，有助于湿地的除污功能和生态功能的发挥。
水平潜流人工湿地、渗滤湿地可以有效地去除COD、SS和TP，但对TN的去除效果比较差，这是由于氮去除反应中的硝化反应受氧限制效率很低造成的。垂直流湿地SS的污染负荷较低，可以有效地去除COD和TP，也可以实现充分的硝化，但TN的去除率仍很低，反硝化由于碳源的缺乏难以进行导致此结果。水平潜流和垂直流组合的复合流湿地既可以有效去除COD、SS、TP等，也能够高效去除TN，因为它使水平潜流和垂直流优势互补，使硝化反应和反硝化反应不在同一环境下进行，复合流人工湿地是一种值得研究和推广的湿地形式。
浑南湿地的单吨污水的运行成本远高于其它两处湿地，说明垂直流人工湿地在造价方面要更高一些，这主要跟垂直流湿地的布水和收水系统比较复杂，而且深度通常比水平潜流湿地深等原因有关。人工湿地的运行费用如果可以维持在0.2元/t以下，则仅为传统污水处理工艺期望运行费用的1/5，环境效益和社会效益都比较显著。
6小结
湿地处理工艺作为一种自然生物处理方法，利用闲置盐碱地，具有投资少、运行管理简单、费用低、处理后出水水质稳定的特点;从长远考虑，具有改进生态结构，促进物质能量的循环，保护湿地系统，防止近海区域赤潮的发生的优点。另外，污水直接资源化可利用净水沟进行淡水养殖，水生植物种植，能获得一定的经济效益。
通过比较不难发现全国各地都在利用人工湿地污水处理技术，不同类型的人工湿地都在被推广和应用，处理对象也多种多样。对于人工湿地技术采用的是否合理，该技术是否具有普适性和空间移植性，在不同地区是否应该采用不同的类型等许多问题，研究者和应用者都存在着认识上的分歧或者说观点不统一。
传统的渗滤湿地、水平潜流人工湿地和垂直流湿地都存在自身的优缺点，而且也都有一定的应用范围。但是，如今在不断的研究和应用中发现人工湿地的应用范围在被不断的拓宽，特别是在中国，人工湿地成为一种可以跟传统污水处理技术相媲美的一种污水处理技术，近几年在全国范围内得到大力的推广和应用，不但处理对象在不断增多，而且处理负荷也在不切实际地增加;研究报道铺天盖地，但可供参考的有价值的文献少之又少，以致于到目前为止在国内没有一个可供参考的普遍性的人工湿地设计规范，当然这种窘境在世界范围内也同样存在。这些问题值得我们去深度思考。
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