赵亚芳，白华清，孙 政

(中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川成都 610225)

人工湿地自20世纪70年代在德国首次投入使用以来，就凭借着好的出水水质、能够增加绿地面积、低投资、改善和美化生态环境、操作简单、维护和运行费用低廉等优点,被许多国家纷纷用于污水治理。人工湿地技术从研究、开发到工程应用，不断取得成功，在改善水质和生态环境方面发挥着不可替代的作用，受到了各国的普遍关注，展现出广阔的应用前景。

人工湿地建立在生态学基础上，是由人工建造且控制、运行与沼泽地类似的地面，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用人工基质、微生物、植物等对污水进行净化的一项新型生态污水处理技术。本文主要阐述了国内外人工湿地在处理污水中的应用现状，着重分析了人工湿地在处理微污染水源、污水处理厂尾水、其他污水方面的效果及遇到的问题，针对人工湿地出现的堵塞问题、易受季节影响、脱氮除磷效果不稳定、占地面积大、数据库匮乏等问题提出了相应的解决对策，以期为人工湿地的推广应用提供借鉴。

1 人工湿地的应用现状

国内外人工湿地被广泛用于处理低污染水、生活污水、生产废水等。低污染水有微污染的水源水、污水处理厂的尾水；生活污水有农村生活污水、城市生活污水；工业废水有采矿废水[1]、采油废水[2]、高盐度废水[3]、城市垃圾渗滤液[4]等。近年来，随着国民经济的发展，国家对污水治理和环境问题越来越重视，各省相继出台了地方污水治理标准及污水排放标准，人工湿地被广泛用于微污染水处理、污水深度处理、生活污水处理及工业污水处理。人工湿地的基建投资大约是传统二级污水处理厂建设成本的2/3，处理污水的运行成本大约是传统二级处理的1/2。本文对人工湿地在应用中的典型案例进行分析，并对人工湿地在污水处理过程中呈现的问题进行阐述，对解决问题的办法进行剖析。

1.1 大理州洱源县邓北桥人工湿地处理微污染水的应用

微污染水源的主要特点是污染物浓度低且水量巨大，采用高基建、高耗能强化的传统处理方法处理微污染水源，投资巨大，但采用人工湿地等组合工艺处理微污染水效果显著。永安江是洱海北部重要的支流之一，年径流量占洱海径流量的5%。从2010年8月—2012年8月，对永安江水质进行水质调查，水体主要超标污染物为TN，水体中TN、氨氮、TP质量浓度分别在0.40～4.20、0.050～0.800、0.000～0.279 mg/L，总体为《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中劣Ⅴ类水体，为满足《云南洱海绿色流域建设与水污染防治中长期规划》中提出Ⅲ类水的要求。在永安江中游建邓北桥人工湿地，湿地占地面积为65 800 m2，经处理后排放回永安江，邓北桥人工湿地的平面布置如图1所示，工艺流程如图2所示，微污染水源依次经过氧化塘-一级表流湿地-水平潜流湿地-二级表流湿地处理，达标后排放回永安江。

图1 人工湿地处理微污染水平面布置图Fig.1 Layout Plan of Constructed Wetland for Treatment of Micro-Polluted Water

图2 人工湿地系统处理微污染水流程图Fig.2 Flow Chart of Constructed Wetland System for Treatment of Micro-Polluted Water

经过人工湿地处理后，出水TN平均质量浓度为1.60 mg/L，最低质量浓度为0.00 mg/L，最高质量浓度为3.07 mg/L；出水氨氮平均质量浓度为0.130 mg/L，最低质量浓度为0.015 mg/L，最高质量浓度1.200 mg/L；出水TP平均质量浓度为0.350 mg/L，最低质量浓度为0.000 mg/L，最高质量浓度为0.210 mg/L，出水水质总体达到地表水Ⅲ类排放标准。

每年的12月—来年2月，TN、氨氮浓度最高，冬季的平均去除率仅为34.89%、43.76%。原因可能有以下几点：①冬季气温偏低，微生物的活性受限制，进而导致出水中TN及氨氮浓度偏高；②冬季植物自然枯死，植物对TN及氨氮的吸收量受到影响；③受到进水水质波动的影响，降水及上游居民的生活生产会影响进水的流量及人工湿地的负荷，导致进水中TN的最高值(3.07 mg/L)远高于其平均值(1.60 mg/L)，进水中氨氮的最高值(0.200 mg/L)也远高于其平均值(0.130 mg/L)[5]。此外，传统人工湿地与混合潜流人工湿地、垂直流人工湿地相比，具有启动慢、易堵塞、占地面积大等缺点。以下介绍混合型潜流人工湿地、垂直流人工湿地的应用。

1.2 贵阳综保区都溪河片区污水处理厂尾水深度处理的应用

都溪河片区污水处理厂以及人工湿地近期规模为5 000 m3/d，远期规模为10 000 m3/d，经过污水处理厂处理后的尾水达《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准后，排入混合型潜流人工湿地，经过人工湿地处理后的出水水质优于GB 18918—2002一级A标准，主要指标(BOD5、CODCr、氨氮、TP等)达到IV类水体标准，即“准IV类”。经过人工湿地处理后的水排入生态涵养区，混合型潜流湿地进出水水质如表1所示。

混合型潜流人工湿地区位如图3所示。

表1 混合型潜流人工湿地设计进出水水质标准Tab.1 Designed Water Quality Standard of Influent and Effluent for Mixed Subsurface Flow Constructed Wetlands

图3 混合型潜流人工湿地位置各区布置示意图Fig.3 Schematic Diagram of Layout of Each Area of Mixed Subsurface Flow Constructed Wetlands

混合型潜流人工湿地占地有效面积为12 500 m2，设计水深为1.5 m，混合潜流人工湿地由A～F区这6个区域组成，该系统可以完成“氨化-硝化-反硝化”的过程，使系统高效脱氮。此外，该系统也可有效地氧化还原性物质，改变水体氧化还原电位，促进水体中磷的去除(主要依赖于植物的吸收和磷的固定)，该混合型潜流人工湿地的主要设计内容如表2所示。

A区处于兼氧状态，漂浮植物通过根系吸收污水中的营养物质，利用生物挂膜来降低水体有机物含量；B～E区均采用微孔曝气，处于富氧状态，植物通过微孔曝气增加水体中的溶解氧，促使氨氮在硝化细菌作用下，转化为硝态氮，完成硝化作用，以降低水体中的氨氮含量，硝态氮在水体底部厌氧环境下被反硝化细菌还原成气态氮(N2、N2O)而进入大气。而磷元素则可以在水体底部矿化或被聚磷菌吸收，降低水体磷的含量；C～E区沉水植物选择耐污能力较强，依据沉水植物特性，深化吸收、降解水体中氮、磷及部分有机污染物。为了更好地应对季节性变化对人工湿地的影响，使脱氮除磷效果更好，使人工湿地的出水更稳定，成都市西区人工湿地采用下流式预埋微生物垂直流人工湿地。

表2 混合型潜流人工湿地分区布置Tab.2 Location of Mixed Subsurface Flow Constructed Wetlands

1.3 成都市西区污水处理厂尾水深度处理的应用

成都市西区污水处理厂主要收集犀浦和高新西区部分污水，现状规模为5.99万m3/d，一期、二期出水标准均执行国家一级A排放标准，随着《四川省岷江、沱江流域水污染物排放标准》(DB 51/2311—2016)标准的执行，西区污水处理厂的污水需深度处理后才能达标排放。因此，将西区污水处理厂的污水提升至垂直流人工湿地，经过人工湿地处理，出水达标后排放至清水河。下流式预埋微生物垂直流人工湿地的平面图如图4所示，工艺流程如图5所示，污水厂出水依次经过尾水提升泵房-人工湿地处理后达标排放。

图4 垂直流人工湿地平面布置图Fig.4 Flat of Vertical Flow Constructed Wetland

图5 垂直流人工湿地处理工艺流程图Fig.5 Flow Chart of Vertical Flow Constructed Wetland Treatment

图6 人工湿地构造图Fig.6 Structure Diagram of Constructed Wetland

人工湿地易堵塞，氮、磷去除效果不稳定、不理想，该系统针对以上问题做出了优化设计，工程采用下流式预埋微生物垂直流人工湿地。该人工湿地的具体构造如图6所示，湿地进水采用进水渠及布水管，湿地内部穿孔布水管及湿地底部穿孔收集管均采用硬聚乙烯塑料排水管，由分渠到总渠收集，科学设置布水系统，可防止填料堵塞。此外，湿地构筑物内自下而上放置砾石、大石、碎石、专业填料、砂、土，每铺设一层填料后，在该填料的表面放置固体专性菌种粉末(或颗粒)或放置包埋固定化的专性菌种填料，在砂、土内种植挺水植物，这些专性菌种包括高效的好氧、兼氧、厌氧、硝化、反硝化纯菌及高效的低碳源除磷脱氮填料(缓释碳源)，可有效提高脱氮除磷效果。

人工湿地进水水质为一级A标准，出水水质达到《四川省岷江、沱江流域水污染物排放标准》(DB 51/2311—2016)，具体参数如表3所示。

表3 设计进出水水质标准Tab.3 Designed Water Quality Standard of Influent and Effluent

1.4 人工湿地在其他污水处理中的应用

人工湿地在生活污水、生活污水+工业废水的处理方面也应用较多(表4)，人工湿地处理生活污水时能有效去除CODCr、BOD5，去除率分别可达到92.4%、94.5%，SS去除率可达88.8%；人工湿地处理工业废水+生活污水时，CODCr、BOD5去除率分别可达到85.8%、81.2%，SS的去除率可达93.8%；总体上，人工湿地对TN、TP的去除效果不稳定，具体与人工湿地的进出水水质、水量、人工湿地的种类有关。由表5可知，出水CODCr、BOD5可达GB 18918—2002一级A标准，出水SS的去除率接近一级A标准，部分可达标排放。

表4 人工湿地系统去除效率比较Tab.4 Comparison of Removal Efficiency in Constructed Wetlands System

表5 人工湿地进出水水质比较Tab.5 Comparison of Water Quality of Influent and Effluent for Constructed Wetlands

2 存在的问题及对策

2.1 堵塞问题及解决对策

堵塞是人工湿地存在的普遍问题，美国环境保护署(EPA)对100多个正在运行的人工湿地进行调查，其中，50%的人工湿地在投产后5年内存在堵塞问题[11]，堵塞后人工湿地会存在绕流甚至短流现象，影响污水的停留时间，导致出水水质不达标；另外，污水长期淤积在人工湿地表面，阻隔了氧气向湿地深层扩散，不仅降低了污染物的去除率，同时还会导致污水恶臭、滋生蚊虫。针对上述问题，提出以下几点建议。

2.1.1 预处理

预处理是解决人工湿地堵塞问题的重要手段，可有效降低人工湿地中有机负荷和悬浮物，还能提高污水的可生化性，减少后续处理单位的负荷。常见的预处理措施有沉砂池、粗细格栅、沉淀池、化粪池、除油池等。目前，很多学者研究了生物法与人工湿地的组合工艺，包括人工快速渗滤系统(CRI)[12]、SBR[13]、生物絮凝[14]、浮化生物床[15]、厌氧池[16]及生物接触氧化[17]等，研究发现经过这些预处理措施可以有效预防人工湿地堵塞的发生。

2.1.2 增加污水中的溶解氧

溶解氧使基质保持在好氧状态，可提高微生物的活性，也可有效防止堵塞。提高基质中溶解氧的方法有干湿交替布水、曝气等。干湿交替的方式有间歇式进水和停床轮休，在有水的时候可以使基质保持好氧的状态，促进微生物的代谢；在系统落干期间，由于微生物得不到污水中有机物持续供给，微生物进入了内源呼吸期，分解胞外聚合物，防止聚合物蓄积。李怀正等[18]研究干湿交替的轮休措施对人工湿地堵塞程度的影响，结果表明，轮休措施能有效改善人工湿地的堵塞问题，主要表现在采取措施以后单位基质中不可滤物质的含量较之前降低。张伟进[19]研究表明，曝气湿地基质的孔隙率比未曝气基质的孔隙率大很多，孔隙率的大小与曝气时长成正比。此外，还有其他复氧方式[20]，如跌水曝气、喷淋曝气、自然导气等。

2.1.3 选择合适的填料

填料的粒径、级配及种类对人工湿地的堵塞有一定的影响。莫凤鸾等[21]将湿地中小粒径的砂子改为大粒径的碎石后，成功解决了人工湿地的堵塞问题；Zhao等[22]研究表明，反级配的人工湿地能有效防止人工湿地的堵塞；詹德昊[23]认为，有机质主要积累在基质表层及上层，通过定期更换湿地填料可有效防止湿地堵塞；成都市西区污水处理厂提标工程通过科学计算除磷填料的数量，可保证整体填料在不堵塞情况下的使用寿命(10～50年均可)。因此，是否采用合理的级配以及是否定期更换表层填料关系到人工湿地是否容易堵塞。

2.1.4 选择合适的湿地植物

研究表明，约73%的人工湿地孔隙堵塞源于地上植物残体造成的有机物的积累[14]，约27%的孔隙堵塞由湿地植物的地下茎和根部造成。深圳石岩河人工湿地采用纸莎草作为湿地植物[24]，纸莎草由于茎杆柔软，叶与基质表面长期接触，腐烂后在其周围形成大面积的板结，导致人工湿地系统的堵塞。因此，选择残留物中难降解化合物水平较低、分泌物易降解、根性富氧能力强湿地植物，并注意合理密植、控制生长速度、定期收割减少植物残留，就可以有效防止孔隙堵塞。国内常用的植物有芦苇、美人蕉、香蒲、风车草、菖蒲、茭白等[25]。

2.1.5 投加蚯蚓

引入蚯蚓可缓解人工湿地的堵塞，同时增加人工湿地系统的生物多样性，延长食物链，提高净水能力，降低污染负荷，优化的蚯蚓人工湿地能依靠蚯蚓、植物、基质、微生物的联合作用实现污水的高效净化[26-27]。

2.2 易受季节性影响及解决对策

在设计建造新的人工湿地之前，应对其周围的人工湿地进行充分调研，分析调研结果，因地制宜。合适的植物配置及工程措施对人工湿地的稳定运行、对抗外界环境影响等方面具有重要的影响。

2.2.1 选择本土植物

山东荣成市人工湿地[10]、邓北桥人工湿地在运行期间，氨氮和TP的去除效果表现出明显的季节变化，其中，氨氮去除呈现夏季高、冬季低的现象，可能是冬季气温低，人工湿地中微生物活性低，代谢不旺盛导致。Michael等[28]建议，改进选择植物的标准，尽量选择原生植被，提高植物对当地气候和环境的适应能力。刘曦等[29]研究表明在云南大理邓北桥附近建造人工湿地时优先考虑荷花、梭鱼草、芦苇、风车草等。Lin等[30]建议在广东省建造人工湿地，优先考虑潜水植物。

2.2.2 选择有后续利用价值的植物

在秋季，大量的人工湿地植物收获，如果处理不当，容易造成污染物质的二次释放[31]，成为地表水和地下水的污染源。Lin等[32]针对秋季人工湿地植物大量收割，处理不当造成污染问题提出解决方法，即利用收获的人工湿地植物秸秆生产燃料乙醇，研究表明，芦苇是一种理想的生产乙醇的生物质能源，其在同步糖化发酵120 h后，乙醇的产率和含量较高，分别为104.84%和34.89%。在夏季，湿地很难维持正常的运行状态，亚热带地区绿狐尾藻湿地系统对养猪废水具有很好的处理效果，对TN、TP、氨氮和CODCr的平均去除率可达90%[33]。

2.2.3 采取工程措施

在冬季，通过补充碳源，水平潜流人工湿地对TN的去除率为76.01%[34]，垂直流人工湿地及水平潜流人工湿地对TN的去除率达71%；成都市西区污水处理厂提标工程考虑到运行初期及冬季、植物长势不好，在湿地前加入多种协调菌，如高效脱氮菌、固磷菌等，待植株长大后整个生态系统形成且具有良好去除氮、磷、有机物的功能时，不再添加生物菌种。因此，可通过定期收割人工湿地植物、选择适合当地气候的本土植物或通过投加协调菌的方法来缓解季节变化对污水处理效果的影响。

2.3 脱氮除磷效果不稳定及解决对策

人工湿地对SS、CODCr、BOD5及细菌的去除率可达90%以上，但氮、磷的去除率接近50%，为60%～86%[12，15]，针对这一问题，国内外专家提出了一些解决方法。钟乐等[35]采用电解的方法强化处理低碳氮比的污水，结果显示，电解强化技术对系统TN、氨氮、TP的去除率有明显提高，分别可达82.10%、88.30%、87.74%；王皓等[36]采用电解强化-三级串联潜流人工湿地的组合工艺处理农村生活污水，接种污泥来自合肥市望塘城市污水处理厂，每一级人工湿地都是由钢化玻璃构成，钢化玻璃后接出水池，钢化玻璃尺寸为L×W×H=1 500 mm×540 mm×248 mm，一级基质以沸石为主，二级、三级基质以废砖为主，在一级、二级装置中安装电解装置并为其提供恒定电流，选用美人蕉和芦苇等植物，待植物成活后开始试验，装置稳定运行17个月以后，取水样测定，结果表明，水力负荷为0.3 m3/(m3·d) 时，系统对TP、TN、氨氮的去除率分别可达93.13%、92.22%、95.22%，此时填料的沉淀和吸附作用对磷的贡献率在70%左右，出水水质可达《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。因此，氮、磷去除效果不理想时，可考虑应用电解强化工艺。此外，不同种类的潜水植物对营养物质的去除效率也不同[37]，根据进出水水质要求，合理地选择湿地植物，对水质的净化效果尤为重要。

2.4 占地面积大及解决对策

崔理华提出了一种复合人工湿地，污水经处理后，各项指标均能达到一级A标准，同时可减少占地面积。何强等[38]提出序批式深床人工湿地，湿地系统总用地为1.87 m2/m3污水；成都市西区污水处理厂提标工程采用下流式预埋微生物垂直流人工湿地占地少，用地仅为1～1.5 m2/m3污水，与传统二级处理工艺相比，湿地面积大大减小。以贵阳综保区都溪河片区人工湿地为例，设计规模同为10 000 m3/d，如果采用表流人工湿地，占地面积约10万m2；如果采用潜流人工湿地，占地面积约为2万m2；如果采用复合型潜流人工湿地，占地面积仅为1.25万m2。与传统的表流人工湿地相比，复合人工湿地及垂直流人工湿地更有利于湿地面积的减小。

2.5 数据库匮乏及解决对策

自2009年起，国家及部分相关部门针对人工湿地颁布了一系列的法律法规，主要是用于人工湿地的水力负荷、污染物负荷及人工湿地构筑物设计方面，由于颁布的部门不一样，各规范中对这3个参数的规定也有很大差异。此外，不同性质的污水、不同水力负荷和污染负荷的取值、湿地面积的计算结果不同，不能一概而论，且实际设计运行经验缺乏。针对上述问题，张翔等[39]对环保部规范、住建部导则以及各地关于人工湿地的规范进行了对比研究，建议统计各地区典型潜流人工湿地的实际运行数据，经过对比分析，得出每个区域最适合的参数，归纳运行及设计经验，制定出一些设计参数、取值规范、运行管理方案等，为后期人工湿地的建造提供依据。

3 结语

综上，尽管人工湿地运行除了受植物、微生物、基质等构成要素影响外，还受季节、气候、水质等外在环境因素的影响，显现出极强的非可控性及复杂性，但人工湿地是一种新型生态污水处理技术，具有传统二级处理工艺不可替代的优势，如造价低、投资少、出水水质好、能与其他工艺组合处理各种废水，自身本身就是一个小型的水生态景观系统，有独特的绿化功能。相对于人工湿地在污水修复方面的诸多优势和潜力，人工湿地运行易受外环境影响等问题都是次要的，并且这些问题可以通过不同的人工湿地组合工艺、优化的人工湿地处理结构、合理配置湿地植物、专业的维护与管理、专性菌种的放置、机理研究的深入、数据库的完善等来解决。因此，人工湿地在我国有广阔的应用前景。