人工湿地研究进展、分类、技术特点

人工湿地简介

引言

水质问题是人类在二十一世纪面临的一个严重挑战，人类社会的许多重大问题都与水质污染密切相关。由于气候的改变引起的全球温度提高，工业化造成的环境污染和人类的不合理活动造成的小环境改变等，水污染问题日益严重。目前全世界每年约有7.3亿吨的垃圾和4200多亿的污水排入江河湖海，污染了5.5万亿m3的淡水，这相当于全球径流总量的以上14%。

在中国，过去30年里，经济发生飞速发展，同时水污染也成为一个严重问题。特别是近年来随着工业化和城市化水平的提高，工业污水和城市生活污水的排放量不断增加，加上农业和水产养殖业排放的肥料、农药和粪便而产生的大量污水，目前许多城市出现了严重的水污染、一些河流爆发了前所未有的水污染危机，这些事件严重地破坏了生态的平衡、危害着人们的身体健康和经济的快速发展。

面对上述严峻形势，我国组织开展了《水体污染控制与科技重大专项》、《湖泊生态环境保护试点》等一系列水污染防控与水质改善工作，其中，“人工湿地”作为一种独具特色的生态污水处理技术，是实现河湖水质达标，全面提升水环境质量的重要措施。人工湿地具有处理效果稳定、投资低、管理方便和美化环境等优点，还可促进物质和生态环境的良好循环，在流域污染治理中具有突出的技术优势和广阔的应用前景，目前，已被广泛应用于城市污水厂尾水、农村生活污水、污染河水等污水处理和水质深度净化领域。

1 人工湿地的研究进展

1.1 人工湿地的定义

湿地是一种具有多功能的生态系统，被誉为“地球之肾”，具有保持水源、净化水质、蓄洪防早、调节气候和维护生物多样性等重要作用。《湿地公约》将其定义为：不问其为天然或人工长久或暂时性的沼泽地、泥炭地水域地带，静止

或流动的淡水、半咸水、咸水体，包括低潮时水深不超过6 m的水域。

自然湿地和人工湿地是自然界中常见的两类湿地。美国湿地专家博士Hammer等将人工湿地定义为：“一个为了人类利用和利益，通过模拟自然湿地，人为设计与建造的由饱和基质、挺水与沉水植被、动物和水体组成的复合体”。具体地，人工湿地就是通过模拟天然湿地的结构与功能，选择适宜的地理位置、地形，根据人们的需要人工建造和监督控制的湿地。因此，人工湿地的概念有广义和狭义之分。

广义的人工湿地是指人类为满足生产、生活、防灾、污水处理等目的人工修的湿地（如塘坝、鱼塘、水景、稻田、水库、潜流湿地等）。它以人类利益为主要目标，以社会服务为主要功能，不仅可以用于污水处理，还可以用于营造景观、恢复自然湿地等，因此可称为“功能性人工湿地”。其中，主要用于实现水质改善功能的人工湿地，可以称为水净化人工湿地。它可以分为水生植物系统（包括浮水植物系统、沉水植物系统、挺水植物系统）和湿生（耐湿）植物系统。

本文所指的人工湿地是狭义的人工湿地，即人工湿地污水处理系统。人工湿地污水处理系统是人工建造的、可控制的和人工化的湿地系统，其设计和建造是通过对湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合来进行污水处理。人工湿地对水的净化是填料、植物和微生物共同作用的结果。

1.2 人工湿地的发展与应用

1.2.1 人工湿地的发展历程

人工湿地污水处理技术发展可分为三个阶段，第一阶段（20世纪初~20世纪50年代），初始探索阶段，探索利用自然湿地进行污水处理。1903年，英国约克郡建成世界上第一处用于处理污水的人工湿地，并一直连续运行到1992年；1912年美国勒星顿靠近康珂河的Great Meadows湿地开始接受污水。第二阶段（20世纪50年代~20世纪90年代），机理研宄和试验阶段。1953年，德国Max Planck 研宄所的Dr. Kathe Seidel在研宄发现芦苇能除去污水中大量的有机和无机物质，随后开发出Kathe-Seidel institute process系统；1967年，根据Dr. Kathe Seidel的思路，荷兰开发了Lelystad系统，该系统是一个占地一公顷的星形自由水面流湿

地，随后这种湿地在荷兰大量建成；1973年，在Brook Haven国家试验中心建成北美第一个中试规模的人工湿地系统；1977年Kickuth提出“根区法”（标志着人工湿地污水处理机理的初步萌芽，激发和推动了对湿地污水处理技术的试验研究。此后，人工湿地污水处理技术在世界各地逐渐受到重视，掀起了人工湿地研究与应用的热潮。20世纪80、90年代人工湿地污水处理技术已在欧洲、美国、加拿大、日本等地得到广泛应用；同期，国家环保局华南环境科学研究所与深圳东深供水局在深圳白泥坑建成了湿地处理系统示范工程，初步获得了一些人工湿地污水处理系统的设计参数。第三阶段（20世纪90年代至今），人工湿地系统开始进入规模化的应用阶段。20世纪90年代初，在美国、丹麦、奥地利相继召开了人工湿地研讨会，提出了一些相关的机理，并建立了设计规范和数据库，标志着人工湿地作为一种新型污水处理技术进入水污染控制领域，进一步推到了人工湿地污水处理系统在世界各地的大规模推广和应用。

图1-1 人工湿地发展历程图

1.2.2 国内外应用现状

（1）国外的应用现状

自西德1974年建成第一座人工湿地以来，人工湿地在20世纪80年代得到

了迅速的发展。北美至20世纪70年代已有174座人工湿地，并对其进行了广泛的试验。20世纪80年代末和90年代初，美国相继召开了多次人工湿地研讨会，国际上也曾就人工湿地这一新型污水处理工艺召开过四次研讨会，总结各国人工湿地污水处理的经验，提出了相关的理论和参考设计参数。这标志着人工湿地作为一种独具特色的新型污水处理技术正式进入水污染控制领域。据统计，截至2006年，欧洲建有一万多座人工湿地，北美有近两万座人工湿地，亚洲、大洋洲、拉丁美洲也有越来越多的人工湿地建成和投入运行。这些人工湿地的规模可大可小，最小的仅为一家一户排放污水的处理，面积约40 m2，大的有占地数十亩至上千亩，可处理万人以上村镇的生活污水。

（2）国内的应用现状

国内的人工湿地研究起步较晚，直到“七五”期间才开始做较大规模的实验，取得了人工湿地工艺特征、技术要点和工程参数等方面的研究成果。从20世纪80年代末开始，先后在天津、北京昌平、深圳、成都和上海建设了人工湿地污水处理工程，并对污水处理的规律及机理进行了比较系统的研究。进入21世纪以来，我国在人工湿地污水处理技术，及其在工程应用方面都取得了较大的进展，目前全国已有数十座城市开展了人工湿地的研究，并有上百座人工湿地投入运行。污水处理量从10~100 m3/d的小规模到如10000 m3/d的大规模，应用于处理生活污水、市政污水、景观河湖水、工业污水、采矿污水等。这些人工湿地运行以来，产生了良好的经济和社会效益，为我国的环境保护做出了贡献。

1.3 人工湿地的组成及其作用

人工湿地的基本组成由水生植物、基质、微生物和水体等部分构成，其中，水生植物是人工湿地的最主要组成部分，主要有挺水植物（卢苹、香蒲、水葱等）、浮叶植物（睡莲、交实、存菜等）、漂浮植物（凤眼莲、水、浮萍等）和沉水植物（金鱼藻、苦草、菹草等）等四大类。基质是人工湿地的重要载体，一般由不同级配、比例的单一或混合填料（砾石、土壤、砂、煤渣、沸石等）构成。

1.3.1 水生植物

湿地中的水生植被主要发挥着控制污染、分泌氧气，维持系统稳定等作用。