2.2.4　濕地與人工濕地

2.2.4.1　濕地與人工濕地概念

美國聯邦管理機構曾這樣定義“濕地”的概念，認為濕地就是那些經常或維持被地表水或地下水淹沒飽和，在一般情況下被飽和的土地，適合用于特有生物普遍生長的區域。所謂“人工濕地”是指在人工模擬天然濕地條件下，建造一個不透水層，使挺水植物生長在一個處于飽和狀態基質上的一個濕地系統。美國著名的濕地研究、設計與管理專家Hammer博士等將人工濕地定義為：一個為了人類利用和利益，通過模擬自然濕地，人為設計與建造的由飽和基質、挺水與沉水植被、動物和水體組成的復合體。

濕地處理系統有自然濕地與人工濕地之分，自然濕地通常是指那些未經人工改造或稍許做了些人工改造如設置排水系統等）的濕地，自然濕地有時也被直接稱為“濕地”；人工濕地一般專指那些基質為碎石或砂石材料構建成的濕地，也稱構筑濕地（constructed wetland）。

2.2.4.2　濕地與人工濕地應用情況

濕地系統一般利用各種微生物、植物、動物和基質的共同作用，通過過濾、好氧和厭氧微生物降解、吸附、化學沉淀和植物吸收污水中的污染物，達到凈化污水的目的。與天然濕地和非全部人工構筑的濕地系統不同，構筑濕地的基質材料、床體和進出水系統均是人工構筑成分，在此基礎上保留濕地挺水水生植物，利用挺水植物根部泌氧性能，組成具有污染負荷和水力負荷都很高的水生植物碎石床人工濕地處理系統，替代傳統的通過機械曝氣方式形成的好氧–缺氧–厭氧（即A²/O法）污水處理工藝。

通常，當基質為碎石或砂石材料時，這類人工濕地有較好的去除有機污染物的能力，但脫氮除磷的能力很低，僅為20%～30%。只有以土壤為基質的下行流垂直滲濾天然濕地、以土壤為基質或以有脫氮除磷能力的復合基質為填料的人工濕地才具有很好的去除氮、磷的效果，通常氮去除率≥85%，磷去除率≥95%。該技術在西歐、北美、澳大利亞和新西蘭、亞洲等國家和地區得到了廣泛應用。如目前在德國正在使用的人工濕地大約有5000個，廣泛用于從單個家庭到上千居民的社區生活污水的處理^［39］。

韓國農村的居民分散居住，認為興建集中處理的污水處理系統造價太高，小型和簡易的污水處理系統更適合在農村應用。國立漢城大學（現國立首爾大學）農業工程系對濕地污水處理系統在田間進行了試驗，容器長8m、寬2m、高0.9m，用混凝土制成。容器內填砂并種植蘆葦，未經處理的學校生活污水從一端引入，從另一端的卵石層中排出。進入的污水水質為：pH值為7.85、DO為0.23mg/L、BOD₅為124.4mg/L、SS為52.4mg/L、TN為121.13mg/L、TP為24.23mg/L；用經過濕地系統處理后的出水做水稻灌溉試驗。

4種處理的試驗得出的主要結論是：

①利用濕地系統處理過的污水灌溉，對水稻的生長和產量無負面影響；

②利用處理過的污水灌溉并加施肥料，水稻產量達5730.38kg/hm²，比常規稻田產量約高10%。

韓國試驗研究的濕地污水處理系統，實質上也是一種土壤（砂土）-植物系統，至今已廣泛用于歐洲、北美、澳大利亞和新西蘭等地，濕地上多種植蘆葦、香蒲和燈芯草，特別是采用土壤作為基質時，對病原體的去除效果好。但其缺點是需要大量土地，受氣溫和植物生長季節影響。

2.2.4.3　濕地與人工濕地的主要設計參數

從工程設計的角度出發，按照系統布水方式的不同和污水在系統中的流動方式不同，人工濕地可以分為自由表面流（free water surface，FWS）人工濕地和潛流（Subsurface flow）人工濕地，而后者又包括水平流（horizontal sub-surface flow，HF）和垂直流（vertical sub-surface flow，VF）兩種類型^{［40，41］}。不同類型人工濕地在污染物去除效果、工藝條件以及設計參數方面存在較大的差異。

大部分人工濕地系統的水力負荷在10～100mm/d之間^［42］，水力負荷較小，處理能力有限。水平潛流人工濕地應用廣泛，對懸浮物和有機物去除效率較高，但因其輸氧能力差，濕地經常處于厭氧或缺氧狀態，導致細菌對氨的氧化作用受限，除氮效率有限^{［41～43］}。資料表明，潛流濕地中氮的去除率一般在30%～40%之間^［44］。水平潛流濕地系統中的氧來自挺水植物根系的輸送釋放、大氣向濕地的擴散和污水中的溶解氧，但三者的總和仍少于氨氧化需要的氧氣量^［45］。

近年來人們開始利用不同人工濕地處理單元之間的組合進行水處理以提高水處理效果，尤其是對氮素的去除。垂直流人工濕地通常用作預處理，為有機質的礦化作用和氨氮的消化作用提供足夠的氧^{［46，47］}。有的組合還將表面流人工濕地用作后處理單元，以進一步去除營養元素和細菌，強化處理效果。Lin等^［48］及Jing和Lin^［49］研究了自由表面流和潛流人工濕地組合處理單元處理水產養殖廢水和污染的河水；M?rt O?vel等^［50］研究了人工濕地組合系統對校舍生活污水的處理效果。組合系統包括兩個使用輕型聚合體的潛流過濾池：一個兩室的垂直流人工濕地和一個水平潛流人工濕地，總面積432m²。校舍生活污水處理的具體效果為：BOD₅、TSS、TP、TN、NH₃-N的平均去除率分別為91%、78%、89%、63%、77%，平均出水濃度分別為5.5mg/L、7.0mg/L、0.4mg/L、19.2mg/L、9.1mg/L，滿足了愛沙尼亞頒布的水法（the Water Act of Estonia）中的污水處理排放標準。歐洲有一個長期運行的人工濕地工程實例，其水力負荷率為800EP/hm²（即每公頃800人口當量），去除效率分別為：BOD和COD 80%～90%、細菌99%、氮35%、磷25%。該濕地在相同的水力負荷條件下，營養物質的去除率可優化達到50%的氮、40%的磷^［51］。

人工濕地一般設計成有一定底面坡降的、長寬比大于3且長大于20m的構筑物。在構筑物內的底部上按一定坡度填充選定級配的填料（如碎石、砂、泥炭等），池底坡降及填料表面坡降往往受水力坡降和填料級配的影響，一般選值范圍為1%～8%。在填料表層土壤（也可以不是土壤）中種植一些處理性能良好、成活率高、生長周期長，美觀和經濟價值高的水生植物（挺水植物）。設計濕地處理系統要求考慮增加系統穩定性和處理能力，實際工程設計通常附加一些預處理、后處理的構筑物，且往往會將人工濕地多級串聯或不同類型人工濕地進行串聯使用。池深的選擇根據池形、水質和濕地凈化植物的根系深度來決定，使大部分污水都能在植物根系中流動。在美國，利用蘆葦人工濕地處理城市污水，池深采用60～70cm，而德國為60cm。

人工濕地的植物選擇是十分重要的事情。因為對污水充氧的強弱取決于植物能否通過莖葉輸導氧氣以及根系的泌氧性能，只有具備這些性能的植物才符合處理工藝的要求，并獲得良好的凈化效果。適合人工濕地種植的挺水植物有蘆葦（reed）^［52-54］、香蒲（cattail）^{［55，56］}、燈心草（rush）^［57］、昌蒲（calamus）^［58］以及風車草（水葵）^［59］等。

2.2.4.4　工程適應性分析

分析濕地與人工濕地具有的優點與存在的主要問題有以下幾個方面。

①用于暴雨徑流或農業面源污染的自然濕地因處理進水污染物濃度低、水力停留時間長，表現出良好的效果。但由于污染負荷率低、水力負荷低，難以滿足高強度的污水處理，加之占地面積大等缺陷，使其應用范圍窄。

②用于污水處理的人工濕地對污水中的SS、BOD₅、COD和病原菌有良好的去除效果。但是，人工濕地占地面積比較大；氮、磷去除效率差異也比較大，有些文獻報道僅為30%～50%，而有些卻認為可高達90%甚至98%。造成如此大差異的原因主要是濕地水力負荷、填料和工藝的不同。傳統的人工濕地（表面流濕地和潛流濕地）主要是由于氧氣供應不足，硝化作用受到抑制并進一步使反硝化作用受到抑制，使脫氮過程不徹底，從而導致氮的去除率不高。大量的研究證明，磷的去除主要是通過富含鐵、鋁和鈣氧化物的填料的吸附與化學沉淀作用實現的。而國內外建造的絕大部分人工濕地的填料都是采用碎石、鵝卵石和砂子，從而影響了人工濕地對污水中磷的去除。

綜上所述，直接影響工程技術的推廣應用的是工藝存在的主要問題，這是更值得關注的事情。總體歸納濕地與人工濕地的問題是：a.與傳統活性污泥法二級污水處理相比，水力負荷較小，占地面積較大；b.處理系統供氧不足，硝化和反硝化作用不充分，氮的去除率不太高；c.填料選擇和搭配不合理，磷的去除率不理想；d.受氣候、土壤和經濟費用等因素的限制，溫帶和寒帶區域難實現處理系統的終年穩定連續運行。

盡管如此，濕地和人工濕地因為投資低，對有機污染物、懸浮物和病原體的去除效果好，在農村居民家庭污水、村莊生活污水、農村暴雨徑流廢水以及農田面源廢水處理中有推廣應用的價值。其關鍵在于改進填料基質配比與提高氮、磷的去除能力。與其他工藝技術集成與組合可彌補上述缺陷。