人工湿地的一些原理

人工湿地的一些原理 The latest revision on November 22, 2020
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人工湿地的一些原理
耗氧有机物的去除
人工湿地对污水中耗氧有机污染物的处理效果较好，其对有机物的去除是由于人工湿地植物的吸收利用、基质的吸附及湿地内填料上微生物膜的联合作用的结果。

污水中的有机物分为不溶性有机物颗粒和可溶性有机物两部分：
不溶性有机物颗粒在湿地系统的处理原理与悬浮物处理原理相似，通过静置、沉淀、过滤被截留下来，通过微生物的同化作用被去除。

可溶性有机物的去除速
度较慢而且在好氧、缺氧和厌氧区，其去除途径各不相同。

氧气主要是通过植物的传输进入湿地介质中，因此根系区域内含氧相对较高，属于好氧区域，在此区域有机物的去除通过微生物的增殖和异化作用实现，即有机物经由同化作用合成为新的原生质和通过胞内酶在好氧条件作用下迅速完成生化反应，把有机物降解为二氧化碳、水等并放出能量。

其中，前者占大部分，所有这些增殖的微生物可以通过对填料的定期更换或者对湿地植物的收割而将其从湿地系统中除去。

在远离根系的缺氧区域，有机物通过生物膜被吸附，缺氧微生物通过代谢作用把好氧条件下难降解的有机物降解。

而在离根系区更远的厌氧区域，由于缺乏进行以上生化反应的溶解氧条件，因此发生的是厌氧消化过程，在这个过程中通过兼性细菌和厌氧细菌的发酵作用降解有机物，使部分有机物经过一级代谢和二级代谢分解为二氧化碳、硫化氢等所释放的能量供微生物增殖用。

有研究表明COD和BOD的去除与各种微生物数量都有明显的相关性。

由此可见，微生物的作用是人工湿地废水中有机污染物降解的主要机制。

湿地系统对磷的去除
进入湿地中的磷主要存在于土壤中，土壤对磷的裁留作用主要受土壤理化性质影响，包括土壤孔隙率、pH值、粒度、有机质含量、铁铝氧化物等。

一般来说：土壤孔隙率越大，湿地的容水体积就越大，水体中的磷在湿地内就能受到较长时间的吸附与吸收转化，净化效率也会相时增加。

在酸性和中性pH的条件下，根区跗近的亚硝化细菌和硝化细菌活动会增强，其中硝化作用占主导地位；而在碱性条件下时候，可溶性正磷酸盐的化学沉淀作用就占主导作用，从而影响湿地对磷的去除效率。

土壤对磷的储存能力与有机质含量有关，一般来说有机质含量越高，对磷的吸能力越强。

可溶性的无机磷化物比较容易与土壤中的三价铝、铁等发生沉淀和吸附反应。

湿地对磷的截留作用还与湿地的成因类型有关。

湿地的磷沉积作用是指进水中的可溶性磷酸盐通过物理作用导致磷存储于湿地内部的过程。

很多研究表明沉积物或泥煤层是湿地中磷的主要的长期汇，与陆地生态系统相比，湿地并不是磷的长期有效汇。

沉积物、枯枝落叶是天然湿地的主要储存磷的场所。

湿地系统通常都具有较好的静止沉积条件，在湿地表层具有较松散的枯枝落叶层和沉积物层。

但是在进水量剧增(如暴雨期)、在采样与进行植物收割时的人为行走、湿地中动物的活动以及收割后的湿地受强度较高的气流等影响下，湿她中的沉积物可能会再悬浮，进而导致沉积物中磷的释放。

天然湿地中的磷积累是泥炭地的起源，积累速度大概每年几毫米。

对重金属的去除
对重金属的去除主要是通过吸附和化学作用来实现的。

重金属进入人工湿地系统后，便可以在湿地的基质系统内发生多重反应。

进行吸附与解吸、络合与解络、沉淀与溶解的平衡反应。

在潜流型或垂直流湿地中，重金属与填料发生化学反应而留在填料中，最后被植物吸收，或在更换填料时被去除。

湿地系统是由固相和液相组成的疏松多孔体系，该体系形成天然的过滤作用。

同时也是污水中重金属与基质中各组成部分发牛化学反应的场所。

基质系统的固相结构归根结底是由岩石分化形成的大小不同的颗粒组成，由此，湿地的物理化学性质与生成土壤的岩石有关，而其颗粒大小的不同，湿地去除重金属性质也会有所区别。

在湿地基质中除矿物质外，还有部分有机质(约占l％～10％)。

土壤中含有的胶体颗粒包括有机胶体，无机胶体、有机无机复舍胶体，因而具有很大的表面积和表面能。

有利于吸附作用，在重金属的去除过程中具有很重要的作用。

从运行的情况看，人工湿地基本上都能满足其去除要求，但对于高浓度的重金属废水不应直接进入湿地系统。

可以采用预处理的方法使湿地中的金属浓度减低到危险水平以下，同时也可以在湿地系统中种植对重金属具有积累作用的植物。

土壤中微生物，也可通过胞合作用、胞外沉淀作用固定重金属，还可以把重金属转化为低毒状态，但也有的转化为毒性更强的物质。

正如许多金属是生物体生长的重要微量元素，微生物的生长和代谢也需要吸收一些具有特殊生物学功能的微量元素，例如cu是多酚氧化酶的组分并维持酸化酶的功能。

密集的植物种植，其根区交集成复杂的网络系统，可降低进人系统内的污水的流速，有利于污水中不溶于水的悬浮金属物质的沉降及吸附。

人工湿地植物对重金属的去除主要通过以下三种途径：
一是植物吸附，利用耐重金属植物根或茎叶部表面的吸附作用来使重金属固定于植物表面，降低土壤中有毒金属的移动，从而减少金属进一步扩散到环境中。

植物吸附直接在植物根部表面通过整合离子交换和选择性吸收等物理和化学过程共同作用来实现。

且不要求生物活性，因此可以说是植物去除重金属过程中最快的一步
二是植物挥发，将污染物吸收到植物体内，通过植物本身的作用，转化为毒性小的挥发物质，释放到大气中。

例如，挥发作用在汞和类金属元索se的去除中起着非常重要的作用。

通垃挥发作用去除的S可占到湿地系统中se总量的20％～25％。

除此以外，铅等重金属也可以通过植物的作用形成具有挥发性的物质。

三是植物吸收，即利用专性植物根，茎吸收重金属，并将其储存在植物茎叶里，最后通过收割植物茎叶去除，从而减少土壤中的重金属含量。

根系吸收的部分金属离子。

也可能会输送到其他器官。

但总的来说以根部积累为最多。

与湿地系统吸附和转化的金属总量相比，植物吸附是很小的一部分。

但是，也有另外一项研究显示栽种植物的湿地对污水中的重金属的去除能力高于无植物系统的。

湿地系统对氮的去除
湿地系统通过多种机理去除进水中的氮，这些机理主要包括生物、物理和化学反应几个方面的协同作用。

在植被污水净化系统中，忽略湿地和周围水体的氮交换量，湿地中的氮去除机理包括挥发、氨化、硝化/反硝化、植物摄取和基质吸附。

许多研究表明，湿地系统中主要去氮机理是微生物硝化/反硝化。

氨挥发由水中的PH值、铵根离子浓度、温度、风速、太阳辐射、水生植物种类、状态和数量以及系统的PH值日变化等多种因素来综合决定。

例如在有自由漂浮大型植物的系统中，氨挥发是重要的氮去除途径。

氨化将有机氮转化为无机氮，有氧时利于氨化，而厌氧时氨化速度降低。

湿地中氨化速度与温度、PH、系统的供氧能力、系统中的营养物质以及土壤的质地与结构有关。

温度升高10℃，氨化速度提高1倍。

氨化的最佳PH值为
6.5~8.5，饱水土壤中由于缓冲作用其PH值处于中性范围；排水良好时，由于
氨化过程中硝酸盐的积累和正一价氢离子的生成导致PH值的降低。

由于氨化和硝化竞争氧气，因此系统的供氧能力对氨氮的去除影响较大。

硝化是将铵离子生物氧化为硝酸根，是由两组自养型好养微生物通过两个过程来完成的，亚硝酸根是此反应的中间体。

硝化菌从铵或亚硝酸根的氧化过程获得能量，新细菌细胞合成二氧化碳为碳源。

反硝化是指氧气耗尽后最先发生的缺氧反应，即由异养微生物将硝酸根还原成分子氮。

反硝化以氮氧化物为最终电子受体，电子从电子供体经过几个载体系统转移到氧化程度更高的N。

得到的自由能存于ATP中，供反硝化细菌呼吸所用。

植物吸收的氮素主要是铵态氮和硝态氮，也包括一些小分子含氮有机物如尿素和氨基酸等。

植物摄取氮的潜在速度受其净生长量和植物组织中氮浓度的限制。

氮储存取决于植物组织氮浓度和最终生物量积累潜力。

因此在人工湿地的植物选择中宜选择生长快、组织氮含量高和单位面积产量高的植物作为氮同化和储存的植物。

还原态氨氮稳定而能被吸附到介质的活性部位。

但介质活性部位对氨氮的离子交换不可能作为氨氮去除的长期汇，通常认为氨氮吸附是快速可逆的。

因为系统中的氨氮通过硝化作用而减少，系统会自动重新建立交换平衡，所以，在间歇进水的系统会表现出由于吸附而去除大量的氨氮，因为吸附的氨氮在闲置阶段会损耗。

湿地可作为一些底栖动物、野畜、哺乳动物、爬行动物、节肢动物、脊柱动物和两栖类动物等的良好食物源，也为湿地氮的去除做出一定的贡献。

湿地植物的管理
管理通过定期收割等方式，控制植物无限制向其他地方蔓延。

为防止杂草的大量生长，每年春季植物发芽阶段可对湿地进行淹水。

防止一些旱生杂草的生长。

待植物生长良好，足以在与杂草生长竞争中占据优势时，恢复正常水位。

由观测结果和生物量实验结果表明，在此期间预防和清除过杂草的人工湿地单元植物长势和最后产量明显高于未预防和清除杂草的湿地单元。

植物管理主要是维护那预先种在人工湿地处理系统中的植物种群。

对于表面流型人工湿地来说，枯死的植物残体会随水漂走，容易滞留在系统表层，堵塞出水控制装置，如果不及去除，连会溢出堤堰两影响出水量及质量，这种情况在秋季尤为明显。

同时，停留在人工湿地中的湿地植物在长时间浸泡之下会分解出大量的氮，磷及有机物等。

使相应污染物的出水浓度增高。

但有研究表明，在表面流型人工湿地土壤层以上形成的植物残留物沉积层能够强化硝酸盐的去除效率。

因此表面流型人工湿地系统可根据处理目标及出水效果的实际情况来确定何时进行植物收割及去除叶片。

对于潜流型湿地系统产生的杂草。

从废水处理的角度来说。

是有一定好处的，虽然杂革会影响系境的美观，但有杂草还会对湿地植物形成一个良性的生物竞争，因此也要看实际情况进行清除，可以通过春季淹没或手工去除的方法来控制杂草的生长及蔓延。

对于个设计及管理良好的潜流型人工湿地处理系统来说，收割植物并不是一定要做的。

冬天燃烧植物可以用来控制害虫，而留一些落叶可以增加砂砾表面的绝热性，使湿地系统内维持较高的温度。

在植物生长高峰季节收割植物有利于去除系统中的氮含量，对系统中磷的去除非常有限。

不过在每年秋天收割植物后会使来年春天植物生长得更加旺盛。

湿地野生动物的管理
湿地处理系统中野生生物与多样性需要受到相应的保护与维持。

表面流湿地野生生物管理要把握引进有益生物和控制有害生物之间的平衡，而不是彻底消灭有害生物。

事实上，尽管大部分动物对湿地是有益的，但也不乏一些不利
于人工湿地成功运行的动物，特别是一些啮齿类动物，会破坏堤坝消耗有益的挺水植物。

一些以底泥为食的动物如鲤龟、泥鳅等，会破坏湿地植物的根系以及扰动湿地底部沉积物，导致出水悬浮物增加。

水禽也带来类似的系统麻烦问题，且它们的排泄物给人工湿地的运行带来了新的难题。

对于水禽，可以通过控制自由水面的面积来进行调控，不过应以湿地的污水处理工艺要求为准。

因此，在湿地处理系统设计、建造时，应该考虑引进有益生物和控制存害生物之间的生态平衡。

并且湿地野生生物的控制要因地制宜，要考虑其地理位置、污染物种类、湿地设计和管理要求等各种因素。

湿地系统的防止堵塞
针对人工湿地湿地堵塞的问题，可分两个阶段进行考虑，一是设计规划阶段，二是系统运行阶段。

在设计规划阶段时有以下措施可以考虑解决堵塞问题
(1)选择合适的填料粒径及级配
粒径较大的基质填料可以有效地防止湿地系统堵塞的发生，但如果粒径过大，水力停留时间就会缩短，净化效果因而也受到一定影响，因此需要在保证净化效果和防止堵塞两者之间选择一个最佳平衡点。

对于有多层填料的垂直流人工湿地，不同粒径填料之间配比组合的选择以及不同填料的分层也十分重要。

(2)合适的湿地植物
湿地植物能产生相当数量的有机物，为了避免堵塞的发生，可考虑选用根际复氧能力强、分泌难降解物质较少的植物并定期收割植物的地上部分，加强植物滤池的植物选种，既要考虑植物对系统渗透性能的影响，又要考虑净化效果，美化功能等方面的因素。

(3)对湿地进水进行预处理
人工湿地在处理悬浮物含量较高的污水，尤其是含大量工业废水的城市污水时，必须在湿地之前设置预处理设施，尽量去除污水中的悬浮物和漂浮物。

以免造成人工湿地进水系统堵塞无法正常运行配水，也可以减少湿地中的沉积，防止基质堵塞。

常见的预赴理设施有隔栅、沉砂池、曝气池、沉淀池，厌氧沉淀塘等。

湿地的监测
人工湿地处理系统的监测内容一般包括进出水水质、水位和生物状况指标等。

这些参数对系统的正常运行都是很关键的因素。

运行取样监测的频率由系统的规模和处理能力、进水水质变化和气候等因素决定。

监测的数据及资料需要由技术人员进行分析，并确定相应的运行方案得出系统的各项最佳参数使系统达判最大功效。

在日常条件下，应对进出水流量进行监测。

流量的监测对湿地系统中的污染物组成总量平衡及削减是非常关键的。

特别是出水口处的水位波动．其监测数据可以估算湿地的最大、最小和平均水深及其发生的频率，也可以解释湿地水力停留时间的变化和水位的变动对生物相的影响。

在湿地处理系统中进行的生物监测可以提供湿地中生物完整性的必要信息。

从生态意义和湿地的处理功能方面来看都是非常重要的。

根据湿地水质的监测数据，工作人员可以通过调整进水量，停留时间，污染负荷等使系统处于一个正常运行的状况，否则污染物负荷过大等因素可能造成去除率下降，系统使用寿命缩短，出水某些元素和有机物的浓度达到有毒的水平，出水水质恶化，对湿地生态系统产生不利影响。

进出水装置的管理
为了获得人工预期的处理效果，保持进出水流量的均衡性是非常必要的，这就要求管理者对进出水装置进行定期维护。

对进出水装置要进行周期性的检查并对流量进行校正。

同时要定期去除容易堵塞进出水管道的残渣。

对于使用格栅的人工湿地系统，必须定期清洗以防止细菌过量生长，这些细菌在低流量的情况下可能会影响水的流量分布可以采用高压水枪或机械方法对浸没在水中或埋在填料中的进出水管道进行定期的冲洗。

湿地系统的启动
人工湿地污水处理系统的启动一般要经历几个阶段：即系统调试、植物栽种、根系发展不稳定阶段和植物生长成熟，处理效果良好的稳定成熟阶段。

如以芦苇为人工湿地植物为例，
在初期，芦苇栽种后即需充水，初期可将水位控制在地面下25mm左右处，按设计流量运行刊3个月后，将水位降低至距床底0.2m处，以促进芦苇植物根系向深部发展。

待根系生长成熟，深入到床底后，将水位调节至地表下0.2m处开始正常运行。

进入稳定成熟阶段后，系统处于动态平衡。

植物的生长仅随季节发生周期性变化。

而年际间则处于相对稳定的状态，此时系统的处理效果充分发挥，运行稳定。

人工湿地系统从启动到成熟一般需1年左右时间。

对设计合理的人工湿地系统，在进水水质及水量变化不大时，一旦进人稳定成熟期，除设计中必要的进水动力需求外，系统可自流运行，也无需更多的维护。

湿地中的植物一般可于冬季干枯时定期收割或留做湿地表面保温材料。