环境工程学 人工湿地概述

由于微生物在氮的去除中具有重 要作用，因此，生长季节的高温条件， 可使系统中微生物活动加强，氮的去 除效率提高，一般植物对氮的吸收也 仅发生在生长季节里。对不同畜禽污 水人工湿地处理系统中N 水人工湿地处理系统中N的去除机制 认定的不同，可能与系统的构造、污 水的BOD负荷、植物类型及气候、淹 水的BOD负荷、植物类型及气候、淹 水状况等因素有关。
人工湿地处理畜禽污水的净化机理
湿地实际上是一种生态工程，它最适 合净化富营养化水，近些年来在全世界范 阔内得到了较大的发展。人工湿地污水处 理生态工程的净化原理是：湿地生态环境 中所发生的物理、化学和生物学作用的综 合效应，包括沉淀、吸附、过滤、分解、 固定、离子交换、络合反应、硝化和反硝 化作用、营养元素的摄取、生命代谢活动 的转化和细菌、真菌的异化作用等，从而 降低水体中N 降低水体中N、P等营养元素及有机物等 的含量，提高水质。
人工湿地的污水处理系统的 功能特点
湿地的功能是多方面的，可作 为直接利用的水源或补充地下水， 有效控制洪水，防止土壤滞留沉积 物、有毒物、营养物质，从而降解 环境污染，以有机质的形式存储碳 元素减少温室效应，保护海岸不受 风浪侵蚀，因此被誉为“ 风浪侵蚀，因此被誉为“自然之 肾”。
人工湿地处理污水具有高效率、低投 资、低运行费用、低维持技术、低能耗等 优点。具体如下：(1) 优点。具体如下：(1) 建造和运行费用便宜； (2)易于维护，技术含量低；(3)可进行有效 (2)易于维护，技术含量低；(3)可进行有效 可靠的废水处理；(4)可缓冲对水力和污染 可靠的废水处理；(4)可缓冲对水力和污染 负荷的冲击；(5)可促进废水中植物营养素 负荷的冲击；(5)可促进废水中植物营养素 的循环，使废水中所含的有用物质以作物 生产形式再利用；(6)可提供和间接提供效 生产形式再利用；(6)可提供和间接提供效 益，如水产、畜产、造纸原料、建材、绿 化、野生动物栖息、娱乐和教育。简而言 之，具有“一高三低一不” 之，具有“一高三低一不”的特点，即高 效率、低投资、低运行费用、低维持技术， 用地少和基本不用电。
许多研究者都认为由于畜禽污 水中高浓度的BOD 水中高浓度的BOD5，消耗了系统 中的氧，使得系统中溶解氧浓度过 低，限制了硝化作用的发生，因此 在现有的人工湿地系统中，硝化、 反硝化作用并不是畜禽养殖污水中 氮去除的主要机制。
植物吸收也是氮去除的一个重要机制， Tanner比较研究了8 Tanner比较研究了8种植物在奶牛场人工湿地系 统中的生长和营养物吸收情况，发现污水NH3-N 统中的生长和营养物吸收情况，发现污水NH 的平均去除率为65%~92%，对TN的平均去除率 的平均去除率为65%~92%，对TN的平均去除率 为59%~90%，且与植物生物量之间存在明显的 59%~90%，且与植物生物量之间存在明显的 线性关系，植物对N 线性关系，植物对N的吸收量占总去除量的 3%~20%，同时植物还可能通过影响植物碎屑、 3%~20%，同时植物还可能通过影响植物碎屑、 有机物对N 有机物对N的吸附或改变系统氧化还原环境等来 强化污水中N的去除。Martin等的研究则发现奶 强化污水中N的去除。Martin等的研究则发现奶 牛场污水中有机氮的去除与TSS和 牛场污水中有机氮的去除与TSS和BOD5的削减有 关，认为污水中固体物质的沉降及矿化可能是造 成有机氮去除的主要途径。
畜禽污水中氮的去除效率最不稳定，在不同研究 畜禽污水中氮的去除效率最不稳定，在不同研究 中处理效果差异极为显著，主要去除机理在不同研究 系统中也表现得不一样。 Faulkner 和Richardson的研究表明，反硝化作用 Richardson的研究表明，反硝化作用 是人工湿地系统中氮去除的主要途径。Gersberg等、 是人工湿地系统中氮去除的主要途径。Gersberg等、 Harberl和Perfler、Reed等也都报道了无论是表面流还 Harberl和Perfler、Reed等也都报道了无论是表面流还 是潜流湿地系统，生物硝化、反硝化都是污水中NH 是潜流湿地系统，生物硝化、反硝化都是污水中NH3N去除的主要途径。Gersberg和Laber等通过添加额外 去除的主要途径。Gersberg和Laber等通过添加额外 的碳源强化了湿地系统的反硝化作用，Laber等则通过 的碳源强化了湿地系统的反硝化作用，Laber等则通过 回流出水强化硝化与反硝作用使TN去除率达到72%。 回流出水强化硝化与反硝作用使TN去除率达到72%。 但Newman等却在表面流湿地系统处理牛奶房废水中 Newman等却在表面流湿地系统处理牛奶房废水中 发现，反硝化作用脱氮不到1%，固体物质的沉降及N 发现，反硝化作用脱氮不到1%，固体物质的沉降及N 的贮存才是其去除的主要途径。而Skarda等则把污水 的贮存才是其去除的主要途径。而Skarda等则把污水 中NH3的去除更多归功于挥发作用。
湿地系统正是在这种有一定长 宽比和底面坡度的洼地中由土壤和填 料(如砾石)混合组成填料床，废水在 如砾石) 床体的填料缝隙中流动，并在床体表 面种植具有性能好、成活率高、抗水 性强、生长周期长、美观及具有经济 价值的水生生物(如芦苇、蒲草等) 价值的水生生物(如芦苇、蒲草等)形 成一个独特的动植物生态系统，对废 水进行处理。
从国外研究表明，在进水浓度较低的 条件下，人工湿地BOD 条件下，人工湿地BOD5的去除率可达 85%～90%，COD的去除率可达80%以上， 85%～90%，COD的去除率可达80%以上， 处理出水中BOD 的浓度在10mg/L左右、 处理出水中BOD5的浓度在10mg/L左右、 SS小于22mg/L、而对N的去除率可达60%， SS小于22mg/L、而对N的去除率可达60%， 对P的去除率可达90%以上。据国外资料， 的去除率可达90%以上。据国外资料， 一般湿地系统的投资和运行费用仅为传统 的二级污水厂的1/10～1/2。对我国己建 的二级污水厂的1/10～1/2。对我国己建 成的常规生化二级污水处理厂投资分析表 明：人工湿地的投资远远低于常规二级水 处理设施。
P的去除主要归因于人工湿地系统中土壤、 的去除主要归因于人工湿地系统中土壤、 基质的吸附及微生物和植物的吸收作用，在污 水缓慢流过湿地系统的过程中，颗粒态的P 水缓慢流过湿地系统的过程中，颗粒态的P通 过沉降和滞留作用被去除，可溶态的P 过沉降和滞留作用被去除，可溶态的P则通过 基质、生物膜和碎石的吸附、络合、沉淀和微 生物及植物的同化作用被去除，但在没有收割 或其他恢复措施的情况下，这种贮存容量随着 系统使用时间的延长逐步趋向饱和，污水中P 系统使用时间的延长逐步趋向饱和，污水中P 的去除率下降。根据水力负荷和湿地系统特征 不同，这种初始平衡过程可持续几年至数十年 不等。而且，系统连续运行多年后，贮存的磷 还会被重新释放出来，净的去除总量反而下降， 在还原性土壤中，磷酸根中的磷也可能重新被 还原释放。
可溶性和易降解有机物则在污水缓慢流 可溶性和易降解有机物则在污水缓慢流 过湿地系统过程中被基质、植物根系及生物 膜吸附和吸收，在好氧、兼氧及厌氧微生物 作用下彻底分解为CO 作用下彻底分解为CO2和H2O，同时部分有机 物被同化合成新的微生物体，使废水中有机 负荷得以降低，在系统积累的有机物中，可 溶性有机物含量不足10%，90%为难降解的 溶性有机物含量不足10%，90%为难降解的 木质纤维素和腐殖质类物质。
但也有不足：(1)占地面积大；(2)不精 但也有不足：(1)占地面积大；(2)不精 确的设计运行参数；(3) 确的设计运行参数；(3) 生物和水力复杂及 对重要工艺动力学理解的缺乏；(4)易受病 对重要工艺动力学理解的缺乏；(4)易受病 虫害影响。人工湿地系统在达到其最优效 率时，需2 率时，需2～3个生长周期。因为据已有的 数据，当上下表面种植密度增大时，处理 效率提高，所以需要建成几年之后才达到 完全稳定的运行目前人工湿地技术的最大 问题在于缺乏长期的运行系统的详细资料。
人工湿地的概念
湿地是指不管其为自然或人工、长久或 暂时之沼泽地、湿原、泥碳地或水域地带； 带有或静止或流动，或为淡水，半咸水或为 咸水水体者，包括低潮时水深不超过6 咸水水体者，包括低潮时水深不超过6米的 水域湿地是陆地与水体之间的过度地带，是 一种高功能的生态系统，具有独特的生态结 构和功能，对于保护生物多样性，改善自然 环境具有重要的作用。由于人类的不合理开 发，湿地资源在我国受到很大的破坏。在特 殊的时期和环境条件下，研究和建立人工湿 地生态系统是对自然湿地生态系统的适度补 充，也是对其功能退化的恢复性建设。
人工湿地是一种人工建造和监 督控制的，充分利用湿地系统净化 污水的特点和自然生态系统中的物 理、化学和生物的三重协同重用， 通过过滤、吸附、共沉、离子交换、 植物吸收和微生物分解来实现对污 水的高效净化。
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人工湿地的分类
人工湿地根据湿地中主要植物形式可 以分为：(1) 浮生植物系统；(2) 以分为：(1) 浮生植物系统；(2) 挺水植物系 统；(3) 统；(3) 沉水植物系统。沉水植物系统还处 于试验室阶段，其主要应用领域在于初级处 理和二级处理后的深度处理浮生植物系统主 要用于N 要用于N、P去除和提高传统稳定塘效率。 目前一般所指人工湿地都是指挺水植物系统。 挺水植物系统根据水流的形式可建成自由表 面流湿地(简称SFW)、潜流人工湿地( 面流湿地(简称SFW)、潜流人工湿地(简称 SSFW)、竖流人工湿地(简称VFW)。 SSFW)、竖流人工湿地(简称VFW)。
其中湿地植物具有三个间接的 重要作用：(1) 重要作用：(1) 显著增加微生物的附 着(植物的根茎叶)；(2)湿地中植物 植物的根茎叶) (2)湿地中植物 可将大气氧传输至根部；(3)增加或 可将大气氧传输至根部；(3)增加或 稳定土壤的透水性。
植物通气系统可向地下部分输氧，根 和根状茎向基质中输氧，因此可向根际中 好氧和兼氧微生物提供良好环境。植物的 数量对土壤导水性有很大的影响，芦苇的 根可松动土壤，死后可留下相互连通的孔 道和有机物。不管土壤最初的空隙率如何， 大型植物可稳定根际的导水性相当于粗砂 2～5年。而土壤、砂、砂石基质具有：为 植物提供物理支持，为各种复杂离子、化 合物提供反应界面，为微生物提供附着的 重要作用。水体为动植物、微生物提供营 养物质。
畜禽污水中高浓度的有机、无机固体 物质，在湿地系统入口处通过沉降和过滤 作用得到去除，在湿地系统运行初期，系 统产生明显的有机物积累（包括湿地植物 残渣积累），积累主要发生在进口处 0~100mm基质层中，根据固体物质的体积 0~100mm基质层中，根据固体物质的体积 密度、分布方式及可降解性的差异，在系 统中产生不同程度的堵塞现象，从而影响 系统的水力特性，这是人工湿地系统在运 行过程中出现效率不断下降的重要原因。
人工湿地的构造
绝大多数自然和人工湿地由五部 分组成：(1)具有各种透水性的基质， 分组成：(1)具有各种透水性的基质， 如土壤、砂、砾石；(2)适于在饱和水 如土壤、砂、砾石；(2)适于在饱和水 和厌氧基质中生长的植物，如芦苇； (3)好氧或厌氧微生物种群；(4)水体 (3)好氧或厌氧微生物种群；(4)水体 (在基质表面下或上流动的水)；(5)脊 在基质表面下或上流动的水) (5)脊 椎或脊椎动物。其中前三种是人工湿 地最重要的组成部分。
SFW系统中，废水在湿地的土壤表层流动，水深较 SFW系统中，废水在湿地的土壤表层流动，水深较 浅(一般在0.1～0.6m)。与SSFW系统相比，其优点是投 一般在0.1～0.6m)。与SSFW系统相比，其优点是投 资省，缺点是负荷低。北方地区冬季表面会结冰夏季会 滋生蚊蝇、散发臭味，目前较少采用。SSFW系统是污 滋生蚊蝇、散发臭味，目前较少采用。SSFW系统是污 水在湿地床的内部流动，因而一方面可以充分利用填料 表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表土层和填料截 留等的作用，以提高其处理效果和处理能力；另一方面 则由于水流在地表以下流动，故具有保温性较好、处理 效果受气候影响小、卫生条件较好的特点。它在污水处 理中得到了广泛的应用。目前国际上采用的比较多是这 种工艺，但该系统的投资要略高一些VFW系统是综合了 种工艺，但该系统的投资要略高一些VFW系统是综合了 SFW和SSFW的特性，水流在填料床中基本上呈由上向 SFW和SSFW的特性，水流在填料床中基本上呈由上向 下的垂直流，水流流经床体后被铺设在出水端底部的集 水管收集而排出处理系统。这种系统的基建要求较高。