人工湿地净化污水的机理与其发展方向
摘要：人工湿地法处理废水技术是利用生态系统中物质循环的原理，使用生物方法去除污染物质。本文对人工湿地处理污水的机理研究现状进行了总结，并讨论了人工湿地处理污水应用的发展方向。
关键词：人工湿地；污水处理；净化机理；发展方向
人工湿地污水处理技术是20世纪七八十年代发展起来的一种污水生态处理技术，它能有效地处理多种多样的废水，如生活污水、工业废水、垃圾渗滤液、地面径流雨水、合流制下水道暴雨溢流水等。据调查统计，在欧洲与北美已有上万座处理城市污水和多种工业废水的湿地系统在稳定运行，污水处理人工湿地在世界其它地区应用的数目也在迅速增加。
人工湿地是人对自然湿地系统的模拟，利用生态的方法来去除污染物，以达到净化污水的目的。人工湿地根据自然湿地生态系统中物理、化学、生物的三重共同作用来实现对污水的净化作用，实现对污水的生态化处理。人工湿地与传统的污水处理方法(活性污泥法等)相比，具有处理效果好、氮磷去除能力强、运转维护管理方便、工程基建和运转费用低，以及对负荷变化适应能力强、能耗少、无须化学药剂等优点，同时它可以促进农业、渔业的发展，又可供公共娱乐、野生动植物保护和科学研究使用。
1人工湿地净化污水机理
1.1人工湿地分类
国内外学者从工程设计的角度出发，按照系统布水方式的不同或水在系统中流动方式不同划分为表面流人工湿地(自由表流湿地和构筑表流)、潜流人工湿地(水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地和复合式潜流湿地)。
1.2人工湿地构成及净化机理
人工湿地由填料、植物、微生物、藻类等几种基本成分构成。
人工湿地具有独特而复杂的净化机理，利用基质——微生物——植物复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对废水的高效净化。同时，通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物生长并使其增产，实现废水的资源化和无害化。
人工湿地系统是在一定长宽比及底面有坡度的洼地中，由土壤和填料(如卵石等)混合组成填料床，污水可以在床体的填料缝隙中曲折地流动，或在床体表面流动。在床体的表面种植具有处理性能好、成活率高的水生植物(如芦苇、凤眼莲等)，形成一个独特的动植物生态环境，来对污水进行处理。人工湿地可以促进污水的循环和再生，使污水中所含污染物质以作物生产的形式再利用或直接去除。污水中大部分有机物作为异养微生物的有机养分，最终被转化为微生物体及CO2、H2O。污水中的不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很快地被截留进而被微生物利用；污水中可溶性有机物则可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。随着处理过程的不断进行，湿地床中的微生物也繁殖生长，通过对湿地床填料的定期更换及对湿地植物的收割而将新生的有机体从系统中去除。
1.2.1悬浮固体物质的分离与转化
悬浮固体物质在湿地中去除的基本机理即为絮凝和胶体颗粒的沉淀，在潜流湿地中相对低速的水流和大的接触表面使得系统中的悬浮物去除率相对较高，大量植物根系和饱和状态的基质，使固态悬浮物被根系以及填料阻挡截留。潜流湿地系统像一个水平或垂直的重力过滤器，因此，使悬浮物通过在砾石和根区面的生物膜上的重力沉淀(自由沉淀和絮凝)，渗透，吸附作用而被分离。
1.2.2有机物的去除与转化
湿地对有机物的去除主要是靠微生物的作用。土壤具有巨大的比表面积，在土壤颗粒表面形成一层生物膜，污水流经颗粒表面时，不溶性的有机物通过沉淀过滤吸附作用很快被截留，然后被微小生物利用；可溶性有机物通过生物膜的吸附和微生物的代谢被去除。植物向土壤中传输氧气，使得人工湿地中的溶解氧呈区域性变化，连续呈现好氧、缺氧及厌氧区域。因而土壤中存活着好氧菌、厌氧菌和兼性菌。好氧菌通过代谢将有机物分解为二氧化碳和水；厌氧菌发酵将有机物分解为二氧化碳和甲烷。污水中的大部分有机物最终被异养微生物转化为微生物体、二氧化碳、甲烷和水、无机氮、无机磷。
1.2.3氮的去除与转化
氮的去除通过好氧和厌氧反应完成。湿地中大型植物根系上附着生物膜。有着好氧、厌氧、缺氧降解区。处于饱和状态的基质中生长的水生植物，可以增加湿地基质的透气性，湿地植物能将空气传输到其根部，使其自身能在厌氧条件下生长，由于扩散(或泄露)作用，这些空气在植物的每一须根周围形成一层薄薄的好氧区，在这一微小的好氧区中会发生氧化反应。硝化反应则是在好氧环境下完成的，它主要是将NH3-N氧化成NO3-N，反硝化反应则是在缺氧环境下完成的，主要将NO3-N还原成N2。由于氮的去除依赖于植物的吸收，所以在植物的枯萎和死亡期去除效率较低，每年湿地对氮的吸收大约在12~120gN/m3•a。在脱氮过程中，碳源是影响其效果的重要因素。在潜流湿地中，植物供给脱氮的有机碳要根据污水中COD与N的比和系统进水中N的形态而定。从处理硝化的二次出水的研究中发现，覆盖野草、湿地植物等增加生物量时，氮的去除率从30％提高到了80％。
1.2.4磷的去除与转化
潜流湿地中对磷的去除主要是从腐烂植物、聚磷菌中摄取磷。另外，一些腐烂的植物组织，表面附带介质的金属也会通过沉淀、交换等机理短期的去除磷，但是时间不会太长，不超过1年，而且要依赖于粒状物质。磷的吸收与大多营养物质的吸收一样，主要在植物的生长期，夏天和春天。湿地中每年对磷的去除量约为1.8~18gP/m2。
1.2.5病原菌的去除与转化
病原菌是由固态悬浮物水中的悬浮物带入湿地的中。它的去除与固态悬浮物的去除和水力停留时间有关。由固态悬浮物带人的病原菌与固态悬浮物的去除机理一样，通过沉淀、拦截等达到去除目的。病原菌被分离后分布在湿地的不同地点，但都必须与它们周围有机群体竞争存活。一般它们的存活率很低。如果接近水面，很容易被大气降水或UV射线所消杀。
1.2.6金属的去除和转化
湿地对重金属的去除主要是土壤或填料对重金属的吸附和反应，吸附有离子交换吸附和专性吸附。污水中重金属离子浓度一般很低，不能与土壤中无机阴离子形成金属沉淀，它可以与土壤中的有机质络合，增强重金属对土壤的亲和性。土壤中微生物对重金属的去除也有相当的作用，它们可通过胞外络合作用、胞外沉淀作用固定重金属，还可把重金属转化为低毒状态，也有的转化为毒性更强的物质。另外还有植物对重金属的积累，重金属以各种形态存在，其中溶解性的可被植物吸收在植物中积累，茎以上部分可随植物的收割最终从湿地中去除，不溶性的可被介质的过滤作用截留。还有大片密集的植株以及它们发达的地下部分形成的高活性根区网络系统和浸水凋落物，使进入湿地的污水流速减慢，这样有利于污水中悬浮颗粒的沉降，及吸附于水中重金属的去除。
1.2.7硫化物的去除
人工湿地对硫的去除主要是微生物的分解及植物的吸收。有机硫化物经矿质化被分解成硫化氢，部分硫化氢挥发逸出湿地，部分则通过硫磺细菌和硫化细菌的硫化作用形成硫磺、硫酸，它们与土壤中的各种离子结合形成无机硫化物。无机硫化物部分会被植物吸收利用，也有一部分会在反硫化细菌的作用下经反硫化作用形成硫化氢，硫化氢再逸出湿地或又参与硫化作用。
2人工湿地的发展方向
人工湿地系统是一项低投资、低能耗、低运行费用、氮、磷去除率高的治理工程技术，在污水的修复方面表现了极大的发展潜力，从而得到公众的普遍接受益。因此，人工湿地今后的研究将集中在这样几个方面：(1)深入研究人工湿地污水处理的机理,建立合理的动力模型，进行模拟实验和实地试验；(2)提高人工湿地的污水净化效果，包括对植物类型、基质类型的优势组合，基因工程菌的构建等；(3)加强人工湿地对工业废水处理的研究，扩大人工湿地的应用范围；(4)加强对人工湿地处理效果的实例分析，对其应用成果进行推广和学习。
人工湿地系统是仿真独特的土壤-水生植物-微生物和基质组成的生态系统，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。
人工湿地系统是一个完整的生态系统，可以在其内部形成良好的循环，随着时间的推移，及对该技术研究的不断深入和应用实践经验的不断取得，该技术将会日趋成熟，在水污染控制领域中发挥更加显著的作用。
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