人工湿地.docx

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人工湿地

一

（2）人工湿地污水处理系统

随着经济的不断发展，大多数的城市湿地己被污染，部分城市直接采用了人工

湿地污水处理系统协助修复湿地生态功能。

人工湿地是由人工建造可监督控制的生物污水处理系统，它利用生态系统中的

物理、化学和生物的三重协同作用，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污水的高效净化。

人工湿地净化废水的机理十分复杂如表2所。

人工湿地处理系统的核心是介质一

微生物一植物系统。

微生物是人工湿地系统的分解者，为植物提供了能源;植物通

过自身的光合作用和吸收作用降解氮、磷、重金属等污染物，根系分泌物和根际特

殊的环境促进土壤中微生物的生长，还可以抑制藻类的生长。

一个完整的人工湿地污水处理系统一般由三个部分:

预处理阶段，湿地处理，

排水处理。

在人工湿地的净化污水的整个流程中，要注意很多的问题，如介质粒径

大小、植物的选择、人工湿地的工艺流程的选择等，这些问题都会直接或间接的影

响到人工湿地的污水处理效果。

图3.7中国矿业大学人工湿地系统工艺流程

Fig3.7TheConstructedWetlandsProcessofChinaUniversityofmining&Technology

如何将人工湿地处理系统合理的应用到城市湿地公园中还是一个需要研究的

问题。

例如，中国矿业大学南湖新校区景观规划中，引入表流、潜流型湿地和生态

溪流相结合的工艺（如图3.7）处理校园内的日常污水，并进行了景观处理，提高

校区内的生态景观和‘E物多样性，获取良好的生态效益、社会效益和经济效益。

除

了这种将人工湿地的净化系统的直接应用外，还有可以将艺术和工程相结合的应

用。

1.洞穴2.通道3.水渠4.湿地5.小山

图3.8华盛顿州雷顿活水公园平面图

Fig3.8ThePlanMapsofWaterworksofRenton,

Washington

例如华盛顿州雷顿（Renton,

Washington）东区的水系花园，负责面

积为32公顷的暴雨径流，设计师将景

观艺术和湿地的自然过程巧妙结合，建

立了一个处理径流的水塘、一个扩展的

湿地和5个花园小区。

从图3.8中可以

看到，雨水从安装在“小山”花园空间

的铁管喷出，随后进入一条带有栅格的

水渠，在呈几何图形的柱子中穿行，这

种设计没有将水渠掩盖起来，最后水流

由“小山”的末端排入池塘，净化后的

水从这里被引入湿地，最后从湿地排入一条小溪。

跟随水的流程就可以亲眼目睹水

在流动的过程中逐步被净化的过程。

颗粒状的污染物首先在池塘中沉淀，然后流到

湿地，通过呈带状种植的湿地植物如莎草、灯芯草、黄莺尾、红枝山茱英等得以完

全的过滤，污水在流动的过程中完成最终的净化过程。

当参观者随着水处理系统路

线观看，可以观赏污水在花园中的净化过程和风景优美的花园区，都会感到神秘和

惊喜。

人工湿地污水处理系统自身是可再生的资源，具有高效、安全、可控制的特征。

在城市湿地公园中引入处理系统理论上说是可以实现的，如成都活水公园一样，将

整个净化过程展示给游人。

在不同规模的湿地中采用不同的工艺流程可以实现景观

的观赏性和实用性相结合，创造新型的城市湿地景观。

目前，在我国人工湿地在城

市湿地公园中应用还不是很多，还需要不断的探索。

在下一章的景湖公园的规划就

对人工湿地的应用进行了探索。

景湖公园是东湖科技开发区内的日常生活污水和雨水汇集处之一，在公园的整

个水体的规划中，应用人工湿地和蓄水池的方式，将流入到公园的污水净化，然后

排放到汤逊湖中，整个公园的内部水系进行了一个整体的循环再利用。

（1）公园内部的水系与周边的水系环境相结合。

公园内的水体与汤逊湖相连，

生活污水和径流雨水经过公园系统处理后直接排入到汤逊湖。

（2）景湖公园内的稳定的污水来

源是日常生活污水，水体质量差，固体

污染物、N,P等元素的含量超标，因

此，公园采用人工湿地处理系统对污水

进行净化。

公园内部的水体流程（如图

4.4）:

污水预处理沉淀池*人工湿地*

蓄水池*收集沉淀池（部分回流到预处

理池）*排入汤逊湖，与水体流程相平

行的空间序列是:

南入口广场*人工湿

地展示区（图4.5）*水上活动区，主入口广场。

污水过暗渠引入到污水的预处理

设施，首先经过栅格去除大颗粒的固体或难溶的物质，再流入到沉淀池，进行初沉

淀，经过初次沉淀的水再泵入人工湿地系统进行二次处理，再流入到蓄水池，最终

经过人工湿地和蓄水池净化的水汇集到集水池。

在集水池中，收集到的净化水的一

部分被排放到汤逊湖中，部分被运输到污水处理的沉淀池，稀释日常生活的污水的

浓度，提高人工湿地的污水处理效率。

预处理沉淀池设在南入口广场下，预处理设施主要由栅格和沉淀池组成。

沉淀

池设两个入水口，两个出水口。

两个入水口分别是污水的进水口和净化回流水的入

水口，出水口分别通向蓄水池和人工湿地种植池。

当出现连续降雨时，打开通往蓄

水池的出水口，雨水经过栅格处理后直接排放到蓄水池中，经由蓄水池排入到集水

池中，最终排入汤逊湖，蓄水池可以调蓄降雨，使雨水得到回收再利用。

在景湖公园中的人工湿地直接应用表面流、潜流和排水沟相结合的方式，相

结合的方式，根据表流与潜流的优缺点比较（表4），采用如下的工艺流程:

初级沉

淀池*潜流型湿地*表面流湿地*蓄水池*集水沉淀池*排水。

各个湿地的种植池

之间由一个排水渠进行调解水量。

二

1.3.5人工湿地污水处理机理

1.3.5.1污水净化原理

人工湿地处理污水的原理较为复杂，目前还没有较为深入的研究。

其去除

机理和去除途径和自然湿地的相同[}}o}。

多年的研究表明，人工湿地能够利用基

质一一微生物一一植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协同作用，

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，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，实现废水的资源化与无害化。

人工湿地净化污水主要机理见表

1一1}n-}4}。

污染物去除途径

1）SS去除途径

SS中含有有机物和无机物，但主要含有粪便有机质和有机颗粒物，如病菌。

颗粒的密度和大小变化很大，不同密度、大小的颗粒物具有不同的去除机理和

路径。

在人工湿地中SS的去除是相当迅速的物理过程。

主要去除机理为沉淀、

聚集和表面粘附。

布水、均流、湿地植物的均匀性、风、主导风向等影响水体

的湍动和混合及影响聚集、沉淀、再悬浮和细颗粒物表面粘附。

2）BODS.CODS，的去除路径

湿地中的不溶性的有机物主要是通过湿地的沉淀、过滤作用而被截留在湿

地中;可溶性的有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物降解过程而

被分解去除。

生物降解过程主要是通过好氧和厌氧代谢得到降解，从而降低污

水的BODS,COD}}o

和其它污水处理系统相比，湿地是个独特处理系统。

因为枯枝落叶的降解

和其他自然产生的有机物质，导致湿地中BODS得不到完全去除，出水的BODS

至少为2}7mg/L[70lo

3）氮的去除路径

大多数污水中N是主要成分。

N在环境中以多种形式存在，有复杂的循环

路径。

TN由不同比例的颗粒有机氮、溶解有机氮、氨氮、亚硝态氮和硝态氮构

成。

N:

和N20在氮循环中很重要。

矿化、生物吸收、硝化和异化（硝态氮到氨氮DNRA）是使氮的一种形式

转到另一种形式的过程。

这些过程是物质平衡过程，N在同一个系统内循环。

反硝化和氨氮的挥发是物质去除的过程，从而致使N从系统中得到去除。

大量

的研究表明潜流湿地中氮的去除路径主要为生物硝化一一反硝化[[7s-77]。

N0在湿

地中的主要转化过程见表）-2[73,74,7881]0

4）磷的去除路径

无机磷是湿地植物必需的养分。

废水中无机磷在植物吸收及同化作用下可

变成植物的AP04-P,DNA及RNA等有机成分，通过植物收割而去除。

物理化学作用包括填料对磷的吸附及填料与磷酸根离子的化学反应，这种

作用对无机磷的去除会因填料中A13+,C扩十、Fe3+可与P043"-P发生吸附和反应

而沉淀去除P043--P，其中POa3"-P与C扩十在碱性条件下发生作用，而与A13+

Fe3+主要是在中性或酸性环境条件下发生反应。

一般认为磷酸根离子主要通过

配位体交换而被吸附到A13+,Fe3+表面[}sz-ss}。

与此同时，大量的研究还发现废

水中的磷只是被吸附停留在土壤的表面，这种吸附沉淀反应也不是永久地沉积

在土壤里，至少部分是可逆的，如果污水中磷的浓度较低，土壤里就会有部分

磷被重新释放到水中。

土壤的作用在某种程度上是在作为一个“磷缓冲器”来

调节水中磷的浓度，那些吸附磷最少的土壤最容易释放磷[[8991]。

含钙质或铁质

的地下水渗入人工湿地也有利于磷的去除[42]0

微生物对磷的去除包括它们对磷的正常同化（将磷纳入其分子组成）和对

磷的过量积累。

由于植物中植物光合反应、暗反应交替进行，根毛输氧多少的交替出现，

以及系统内部不同区域对氧消耗量的差异，导致了系统中厌氧、好氧的交替出

现，使磷的过量释放和过量积累得以完成。

这是常规二级处理方式所难以满足

的。

在湿地系统中磷有着一系列的变化形式，见表I-3[71一73,92,93]0

三

4人工湿地的净化机理

4.1人工湿地对有机物的去除

人工湿地对污水具有较强的有机物去除能力，

主要是通过湿地床的物理截留沉淀和生物吸收降解

作用来去除有机物.。

一方面，污水中的不溶性有机

物通过湿地床中填料床的沉淀、过滤等物理沉积作

用很快地被截留下来，并可为部分兼性或厌氧微生

物所利用;另一方,面污水中的溶解性污染物,则通

过植物根系及填料表面生物膜的吸附、吸收及生物

代谢作用而被降解去除。

污水中大部分有机物最终

被异养微生物转化为微生物体及co2和H2O，这些

新生的有机体可通过填料定期更换，最终从湿地系

统去除。

4.2人工湿地对氮的去除

人工湿地对氮的去除主要靠微生物的氨化、硝

化和反硝化作用。

微生物中的氮基本以有机氮和氨

氮两种形式存在。

有机氮一般情况下在处理过程中

被异养微生物分解成氨氮，氨氮在硝化菌的作用下

被转化为无机的亚硝态氮和硝态氮最后通过反硝

化以及植物根系的吸收作用而从湿地系统中去除。

为此人工湿地对氮的去除主要是无机氮的去除

污水中无机氮的一小部分作为植物生长过程中不可

缺少的物质，可以直接被植物吸收并通过植物的收

割从污水和湿地中去除。

而大部分无机氮的去除是

通过微生物的硝化和反硝化作用来完成的。

人工湿

地中的溶解氧呈区域性变化，连续呈现好氧、缺氧及

厌氧种状态，相当于许多串联或并联A2OA处理

单元,使硝化和反硝化作用可以同时进行;在这种环

境下,首先通过硝化作用先将氨氮氧化成硝酸盐,再

通过反硝化作用将硝酸盐还原成气态氮从水中逸

出。

4.3人工湿地对磷的去除

人工湿地对磷的去除是通过植物的吸收、微生

物的积累及湿地床的物理化学等几方面共同作用完

成的。

污水中的小部分无机磷在植物的吸收和同化

作用下，被合成为ATP、DNA和RNA等有机成分，

通过对植物的收割而将磷从系统中去除；而大部分

是通过微生物对磷的正常同化吸收以及聚磷菌对磷

的过量积累，定期更换湿地床而将其从系统中去除。

此外，湿地的土壤对污水具有一定的净化作用。

土

壤是湿地的基质与载体，湿地土壤主要是通过离子

交换专性与非专性吸附、整合作用、沉降反应等过

程来实现净化作用。

4.4人工湿地处理污水的技术特点

人工湿地用于生活污水的处理，对化学需氧量、

五日生化需氧量、固体悬浮物

等的去除效率均可以达到90%,对总氮也能达到很

好的去除效果。

人工湿地污水处理技术与常规污水

处理技术相比有如下几个优势：

可保持较高的水里

负荷；处理效果稳定可靠，出水BOD5,SS,大肠杆菌

数明显优于二级生化处理，在某些场合可替代三级

生化处理；基建投资低，运行费用低；运行操作简单，

不需要复杂的自控系统；适宜处理间歇排放的生活

污水，耐污能力及水力负荷强，抗冲击性能好；具有

生态服务功能，有景观效应。

人工湿地处理污水

技术尚存在占地面积大、难降解的固体悬浮物堵塞

人工湿地处理系统、脱氮除磷效率不稳定等问题。

四

3.2净化机理

3.2.1基质一微生物一植物系统

人工湿地处理系统的核心是基质一微生物一植物系统，该系统具有生命

的基本特征，好比一个“活的过滤器”，其本身就是可再生的资源，它是一

个充分利用基质一微生物一植物系统的自然条件净化污水的生态系统，具有

高效、安全、可调控的特征。

系统中的基质材料一般为砾质砂十、砂壤十。

表层基质的颗粒较细，

孔隙率为45070-50070，且孔隙一半被填充，这样就构成了基质一水一空气三相

体系，通过基质物理作用、化学作用、物理化学作用和生物作用四大过程

有效过滤f3}10

3.2.2有机物的去除

不溶性有机物以SS形式通过湿地沉淀、过滤从污水中被截留下来，

被微小生物加以利用;而可溶性有机物则通过生物膜的吸附及其新陈代谢

作用被去除，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

化为微生物及C02,H20。

研究结果表明，人工湿地对BOD:

的去除率可

以达到85-95070,CODcr去除率可大于80070;城市生活污水通过湿地处理

后，出水BOD:

在lOml/L左右[37]0

3.2.3氮的去除

氮在湿地中是一个复杂的生物化学变化过程，包括了7种价态的多种

有机和无机的转换。

氮的去除主要通过微生物的硝化和反硝化作用进行的，由于湿地植物

根毛的输氧，湿地中连续呈现好氧、缺氧及厌氧状态，为保证硝化及反硝

化菌的大量存在提供了必要条件。

实际上，湿地中硝化和反硝化作用可同

时完成，所以人工湿地比一般城市污水处理系统具有较好的氮的处理效

率，人工湿地总氮去除率可大于60070

3.2.4磷的去除

人工湿地对磷的去除是由植物吸收、微生物去除及物理化学作用而完

成的。

如同无机氮一样，污水中的无机磷在植物吸收及同化作用下，可变

成植物的有机成分（如同ATP,DAN,RNA等），通过植物的收割而去除。

物理化学作用对无机磷的去除，将囚填料的种类有差别，所以从化学

反应的角度看石灰石是除磷效果最好的填料[39]。

另外，含铁质的地下水渗

入人工湿地，也将有利于磷的去除。

微生物对磷的去除，包括对磷的止常

同化作用和对磷的过量积累}3s}0

五

1.3.5人工湿地的组成及净化机理

人工湿地主要由湿地基质、植物、微生物等组.成，其中，有些大型自由表面流湿地还包

括一些动物等。

基质、植物、微生物对人工湿地处理水中污染物的贡献及机理各不相同。

多

年的研究表明，在人工湿地污水净化过程中，基质、植物和微生物三者相互联系且互为因果，

形成了一个共生系统172一v4]，利用基质一微生物一植物的物理、化学和生物的三重协同作用，通

过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物降解等来实现对废水的净化[75一771。

（l）人工湿地中基质的研究现状及其去污作用

l）人一[湿地中基质的研究现状

土壤，砂和砾石等是以往人们经常使用的人_!

;湿地基质[78]。

近年来，随着人工湿地处

理技术的发展，人们开始研究并挑选具有更优秀性能的材料作为湿地的基质。

基质除作为湿

地的填料骨架和为微生物提供附着表面外，其吸附、离子交换等功能，也在人工湿地的污染

物净化中发挥着重要作用[79，80]。

不同的基质材料对不同污染物的吸附性能及微生物附着性能

不同。

目前，国内外正在研究和应用的基质填料包括塑料、沸石等，特别是沸石，其铝硅酸

盐骨架结构的孔道和孔穴具有可供交换的阳离子，应用中表现出良好的离子交换性能，同时，

孔穴和孔道有很大的比表面积，允许一定大小的分子自由移动，决定了沸石对气体、液体均

具有良好的吸附性能。

另外，石灰石、页岩、煤渣、石英砂、草炭、高炉刚渣、粉煤灰（FA）、

陶瓷、活性炭、蛙石等，也均在实际应用中表现出了良好的工作性能。

徐国兴等[8l]研究了利用天然沸石作为填料用于过滤蒸馏水生产中的NH3一N，研究发现

其对NH3一去除效果较好。

同济大学徐丽花等182坏日用沸石、沸石石灰混合物以及石灰作为

人工湿地填料处理污水，并比较了不同基质填料的去除效果。

实验结果表明:

两种填料对

NH3一N的去除效果较好。

姚凤云1831对天然沸石去除自来水中的NH3一N进行了研究，试验结

果表明其对NH3一N的去除效果较好。

孙家寿等[84坏日用天然沸石复合剂吸附处理含磷废水，

试验表明:

吸附剂对磷的去除率达到98%。

另外，吉林大学的的权新军等[85】利用改性天然

沸石作为填料处理富营养化水体，试验结果表明，该材料对NH3一N的去除率可达到82%以

上。

蒋建国等[86l利用沸石吸附去除垃圾渗滤液中的NH3一N，小试结果表明:

当沸石粒径为

16一30目时，NH3一N的去除率达到了78.5%。

cinambell等[87]研究了利用斜发沸石从城市废

水中去除NH3一N，试验结果表明，出水中的NH3一N浓度低于相关排放标准。

此外，他们还

发现，斜发沸石吸附的NlesI3一N完全可以被NaCI洗脱下来，使沸石重新得以再利用。

Koon

等[88]利用斜发沸石作为填料去除生活污水中的NH3一N，研究了污水处理厂利用沸石进行脱

氮除磷的离子交换能力，试验结果表明，沸石能有效地去除生活污水中的氮，但对磷酸盐的

去除效果较差，去除率低于60%。

王宜明189]的研究表明，在利用碎石床和碎石土壤床作为人1_湿地的基质填料时，碎石

土壤床对磷的去除效果较好，但NH3一N的去除效率较低。

成水平190】利用花岗岩、砂私I土壤

按照一定比例组成混合介质人工湿地，用于处理城镇污水，出水水质达到国家地表水质量工、

H类标准，但NH3一浓度高于111类水质标准。

赵小蓉等19‘l对累托石处理NH3一N废水进行了

一定的试验研究，试验结果表明，累托石作为一种新型基质填料，对NH3一N有一定的离子

交换作用。

崔理华等[92]利用粉煤灰一土壤介质构建垂直流人工湿地处理化粪池污水，TP的吸

附去除率可以达到75%一92%。

尹连庆等[93】研究了粉煤灰基质人工湿地对生活污水的去除效

果，并与欧洲砾石床湿地去污效果进行了比较。

试验结果表明:

粉煤灰人_「湿地对COD、

NH3一N、TP、55均具有良好的去除效果，其中NH3一N的去除效果要明显好于砾石床。

2）人工湿地基质的去污机理

①基质填料一对污染物的截留机理

一些研究表明，基质填料对污染物的截留过程包括物理过滤、离子交换、专性与非专性

吸附、鳌合作用、沉降反应等1941。

而且，已有相关学者的研究证明:

土壤质填料对污水中

磷和重金属的净化就是通过上述反应实现的，其反应产物最终吸附或沉降在填料土体内，从

而使填制一土体内这些元素的含量急剧升高，几年之后，甚至可高达进水浓度的10一10000倍

以上。

另外，有一些学者认为:

植物根系的吸收、滞留与腐烂，填料土体内有机与无机成分

对金属的强烈吸附等，很有可能是填料具有强大聚积能力的原因。

还有一些学者认为，填料土体吸附金属的量在表层深10cm的范围内不会随深度增加而有明显的下降，也就是说，从

地表往下至少深10cm范围的土层，其吸附能力相差不大。

在成熟的人工湿地中，还存在着

各种沉积物和植物残枝等，其对污染物的净化起着重要作用。

总体来说，基质填料对污染物

的截留作用主要体现在以下三个方面:

A提供吸附表面

基质填料除了土壤、砾石外，还包括一些沉积物和植物残枝等，其可为微生物附着生长

提供适宜的附着面;与此同时，植物残枝在人工湿地介质中积累，增加了介质中的碳源，从

而为微生物的正常生命活动提供一定的物质基础。

作为填料存在的沉积物和植物残枝，不仅

为水生植物提供了生长环境，而且作为生物化学反应过程的场所。

此外，填料间隙还可容纳

许多污染物。

B渗透性影响水力条件

沉积物和植物残枝的透水性和孔隙度影响人工湿地中水的流动、水力停留时间和处理效

果。

一般来说，填料孔隙度越高，则水力停留时间延长，处理效果提高，但处理效率下降;

填料孔隙度越低，水力停留时间缩短，处理效果下降，但处理效率提高。

因此，基质的透水

性对人工湿地处理效果和效率发挥着重要作用。

C除磷作用

此类物质构成的填料可促进废水中悬浮物质的吸附和沉淀，一些含钙、铁、铝的介质还

可以固定磷队96]。

据有关资料推论，人工湿地中的磷主要通过介质的吸附、沉积及化学反应

去除。

还有一些资料表明:

在碱性条件下，磷主要与土壤及钙发生反应，而在酸性或中性条

件下，其与铁和铝离子发生反应[97]。

与此同时，大量的研究还发现，废水中的磷只是被吸

附停留在土壤表面，且这种吸附沉淀反应也不是永久沉积在土壤中，至少有一部分是可逆的，

土壤的作用类似于一个“磷缓冲器”，在污水的磷浓度较低时，一部分磷会被重新释放到水

中[98]。

②基质填料的吸附过程

A模型方程的建立

一般情况下，由于缺乏对吸附过程的充分了解，实际工程中的吸附装置的设计往往是基

于花费很大的中试试验数据。

为了更为有效地采用吸附剂，从而需要一个理论预测模型来促

进吸附装置的设计[99]。

当前，固定床吸附器的吸附模型有很多，但对于液、固吸附体系，

为了方便的解决问题，大多对模型做了很多的简化，如假定吸附为线性吸附、孔扩散或膜外

扩散为速率控制步骤等，且很少与试验数据相关联，模型预测所需传质扩散系数也只能由间

歇反应试验获得。

近些年来，随着计算机和数值计算技术的高速发展，从而使人们对液、固

吸附体系复杂的偏微分方程进行快速数值运算成为可能。

目前，国内对于这方面得研究还较

少。

B扩散机理

在基质填充床中，液、固体系吸附过程主要包括以下儿个步骤:

a吸附质在吸附剂的轴向扩散;

b由液相主体扩散至吸附剂表面的液膜扩散;

。

由吸附剂孔内液相扩散向吸附剂中心的内扩散;

d表面吸附反应。

溶质在基质填料内的吸附情况如图1.2所示。

（2）人工湿地中植物的研究现状及其去污作用

l）人工湿地植物的研究现状

人工湿地系统内植物的选择，一般应该选用当地或本地区天然湿地中存在的植物。

其主

要遵循以下原则:

A对污染物质具有较强的净化能力;

B具有一定抗逆性，抗冻、抗热，即使在恶劣环境下也能基本正常生长;

C抗病虫害，耐污能力强，对当地的气候条件、土壤条件和周围的动植物环境都应有很

好的适应能力;

D应易于管理，综合利用价值高，并可达到美化景观效果。

不同类别的水生植物在湿地生态环境中相互竞争，相互依存，因此，其构成了多姿多彩的湿

地植物王国。

00一，02]。

常见者其数目巨大，例如:

野生水生植物包括香蒲、芦苇、营蒲、石葛

蒲、伞草、凤眼莲、睡莲、眼子菜、芦竹、