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摘要：人工湿地系统是一个综合性的生态系统，具有缓冲容量大、处理效果好。一般可达到二级和高级水平。它应用生态系统中物种共生、物质循环再生原理，结构与功能相关原则。在促进水中污染物质良险循环的前提下充分发挥资源的生产潜力，防止环境的再污染。获得污水处理与资源化的最佳效益。
关键词：人工湿地；生态系统；研究分析
中图分类号：K928.73
0 引 言
目前，我国城市污水处理普遍采用活性污泥法、氧化沟法、间歇性活性污泥法等。我国处理污水造价在1000元/t以上，运行费用在0.3-1.2元/t之间，而我国2050年以前要投入建设的污水处理厂还需投资1000亿元左右，再加上管网费用需投资2000亿元，那么年运营费用近100亿元。由于高昂的投资和运行费用，使得各种二级、三级处理技术难以大面积推广。事实也说明，单纯依靠传统的人工处理方法在我国当前的情况下尚难以从根本上解决水污染的问题，只能延缓其發展趋势。20世纪70年代以来，人工湿地处理技术的提出和发展，为综合解决上述问题提供了一种新的选择。
1 人工湿地填料的理化性能和吸附作用研究
填料（基质）、高等植物、微生物是人工湿地发挥净化作用的三个主要因素，在污水通过人工湿地的过程中，填料的吸附、过滤，植物的吸收、固定、转化、代谢及湿地微生物的分解、利用、异化等过程综合作用，互相关联影响着人工湿地的净化效果。在人工湿地系统中，填料的作用体现在两个方面：
1）作为湿地的填料骨架，为微生物提供附着表面；
2）填料的吸附作用，即利用本身的吸附性能和离子交换能力实现对废水污染物的去除。填料的性能优劣以及是否适用于所要处理的废水，对于净化效果有至关重要的影响作用。
不同的填料具有不同的污染物吸附性能。近年来，一些通透性好，比表面积大、具有吸附能力的多孔介质也被填充到人工湿地系统里，大大提高了污染物，特别是氮、磷的去除效果。
2 间歇运行的人工湿地系统微生物群落结构与硝化、反硝化能力研究
人工湿地系统拥有极其复杂的微生物群落，其污水处理系统是通过植物—基质—微生物的协同作用实现对污染物的净化，湿地中微生物对水中有机物和氮的去除起到至关重要的作用。准确的定量评价湿地微生物的数量和活性，对于构建人工湿地生态系统、提高污水处理效率，研究湿地去污机理等具有重要的科学意义和实用价值。
本研究通过对湿地床内沿程不同点位的芦苇根面、填料上的三种微生物（氨化细菌、亚硝化菌、反硝化细菌）的数量测定和湿地填料硝化、反硝化能力的分析，研究与氮去除相关微生物的空间分布规律及其与不同形态氮转化的相关关系，探讨氮在湿地床内的迁移转化规律，评价人工湿地系统氮去除能力的潜力，得到如下结论。
2.1 无论春季、夏季还是秋季，总体来看湿地中的微生物数量是氨化细菌>反硝化细菌>亚硝化菌；同种微生物相比，根面的微生物数量高于填料表面的数量。
2.2 氨化细菌数量夏秋季比春季高1-2个数量级，沿程总体各点位数量基本在两个数量级之间。亚硝化菌数量春夏秋季之间变化不大，沿程春季填料和根面都呈现出中部高于两端的变化规律。反硝化细菌数量春夏秋季之间变化不大，秋季沿程呈现出中部低于两端的变化趋势。
2.3 除秋季亚硝化菌与硝态氮含量相关关系不显著外，其余季节的亚硝化菌和反硝化细菌与氮各种形态转化去除量之间具有较显著的相关性，微生物种群数量是影响人工湿地氮去除的主要因子。
2.4夏季人工湿地沿程硝化能力基本一致，湿地内反硝化速率与总氮去除量变化趋势基本一致，具有显著相关性。
2.5 提高人工湿地脱氮效果主要需解决有机物去除与溶解氧和硝化、反硝化作用之间的矛盾。
3 间歇运行的潜流式人工湿地系统污染物去除效果研究
污水经过平流式沉砂池和初沉池预处理后进入人工湿地，在潜流式人工湿地植物床基质中流动时，随着迁移距离的延长，污染物质通过各种物理、化学和生化作用，逐步得到净化去除。但气温、水质变化、植物生长状况等都会影响人工湿地的去除效果。
在人工湿地填料作用和人工湿地微生物群落研究基础上，本部分通过对湿地沿程不同距离的水样进行水质监测，分析潜流式人工湿地的 pH 及溶解氧变化规律，重点研究污水中主要污染物质（有机物、N、P）在湿地中的降解变化规律，评价潜流式人工湿地的净化效果，得到如下结论。
3.1 潜流式人工湿地床溶解氧普遍较低，大多在 0.6mg/L 以下，从而限制了人工湿地对污染物的去除效果。从季节对比来看，春夏季比秋季溶解氧略高。
3.2 潜流式人工湿地系统中 CODCr的降解符合一级反应动力学方程。随着气温的降低，反应速率常数下降。有机物在湿地前部的去除率占整个系统总去除率的80%。CODCr去除率春、夏、秋季分别为 74.4%、47.7%和 50.9%。
3.3 人工湿地系统 TN 的去除率与季节有关，其中春季 TN 的去除率为 64.6%，氨氮为 70.7%；夏季 TN 的去除率为 91.4%，氨氮为 85.1%；秋季的 TN 去除率为 49.3%，氨氮为 50.5%。废水中有机氮的去除主要集中在湿地前部，在湿地沿程的 1/8 到 1/3 段距离，由于有机物较高的去除速率，反硝化速率下降，硝态氮出现累积。
3.4 植物生长和季节变化对磷的去除有较大影响。春季植物处于快速生长期，大量同化吸收污水中溶解态无机磷，因此 TP 具有较高的去除率为 44.1%，而秋季植物枯萎，TP 去除率只有 13.3%。
3.5 三个季节对比来看，季节对人工湿地系统处理效果影响较大，各种污染物质处理效果在春夏季比秋季好。温度降低导致植物、微生物生理活性降低，进而影响污水的净化效果。
4 组合系统中植物的选择与管理
植物是人工湿地系统的重要组成部分，它能直接吸收利用污水中的营养物质，对水质的净化有一定作用，尤其是对氮、磷的去除具有十分重要的作用。人工湿地植物筛选必须遵循以下原则：
1） 适应当地气候特征。
2） 能较长时间耐水浸并且耐污染能力强。
3）对氮、磷等污染物质的吸收效率高。
4）根系发达，生长期长，生物产量大。
5）具有比较广泛的用途，有一定的经济价值或观赏价值。
①潜流湿地植物
潜流湿地中自建立起，不断引进湿地植物品种，目前已形成比较复杂稳定的植物群落。为扩大植物季节选择性，种植了草本植物和乔木植物。乔木植物有水竹、水杉、杨柳、桉树，草本植物主要为黄花美人蕉、红花美人蕉、水芋、姜草、矮象草、香蒲、梭鱼草、风车草、芭蕉等。这些草本植物在适宜本地的气候，生长期从每年3月份开始到11-12月，长达9个月，可以保证湿地高效运行，冬季以基质吸附和乔木植物作用为主，使湿地系统在冬季仍具有处理效果。多种植物的搭配，增加了湿地系统的复杂性和稳定性，随季节水热条件的变化，湿地系统都能保持稳定运行。
② 表流湿地植物
表流湿地平均水深1.2m，污水停留时间较长，污水浓度相对较低，该单元以挺水植物和浮水植物为主，浮水植物以香蒲和水花生为主，此外还有部分挺水植物睡莲、浮萍，同时引入多种鱼类等水生生物。
总 结
组合人工湿地污水处理是一项不断被深化、应用的污水处理技术，具有传统技术所不可比拟的巨大的综合效益，在许多领域内成为传统污水处理工艺的廉价替代方案。利用组合人工湿地处理污水有着传统处理工艺不可比拟的优势：投资少，造价、运营成本低廉；系统组合具有多样性、针对性，能够灵活地进行选择；处理污水具有高效性；有独特的绿化环境功能。组合人工湿地技术从近年来国内外的研究进展和开发应用，以及包括去污机理、动力学模型等理论的进一步成熟，组合人工湿地作为一种经济有效的污水处理手段、必将成为我国污水处理的重要工艺而得到广泛应用。
关键词：人工湿地；生态系统；研究分析
中图分类号：K928.73
0 引 言
目前，我国城市污水处理普遍采用活性污泥法、氧化沟法、间歇性活性污泥法等。我国处理污水造价在1000元/t以上，运行费用在0.3-1.2元/t之间，而我国2050年以前要投入建设的污水处理厂还需投资1000亿元左右，再加上管网费用需投资2000亿元，那么年运营费用近100亿元。由于高昂的投资和运行费用，使得各种二级、三级处理技术难以大面积推广。事实也说明，单纯依靠传统的人工处理方法在我国当前的情况下尚难以从根本上解决水污染的问题，只能延缓其發展趋势。20世纪70年代以来，人工湿地处理技术的提出和发展，为综合解决上述问题提供了一种新的选择。
1 人工湿地填料的理化性能和吸附作用研究
填料（基质）、高等植物、微生物是人工湿地发挥净化作用的三个主要因素，在污水通过人工湿地的过程中，填料的吸附、过滤，植物的吸收、固定、转化、代谢及湿地微生物的分解、利用、异化等过程综合作用，互相关联影响着人工湿地的净化效果。在人工湿地系统中，填料的作用体现在两个方面：
1）作为湿地的填料骨架，为微生物提供附着表面；
2）填料的吸附作用，即利用本身的吸附性能和离子交换能力实现对废水污染物的去除。填料的性能优劣以及是否适用于所要处理的废水，对于净化效果有至关重要的影响作用。
不同的填料具有不同的污染物吸附性能。近年来，一些通透性好，比表面积大、具有吸附能力的多孔介质也被填充到人工湿地系统里，大大提高了污染物，特别是氮、磷的去除效果。
2 间歇运行的人工湿地系统微生物群落结构与硝化、反硝化能力研究
人工湿地系统拥有极其复杂的微生物群落，其污水处理系统是通过植物—基质—微生物的协同作用实现对污染物的净化，湿地中微生物对水中有机物和氮的去除起到至关重要的作用。准确的定量评价湿地微生物的数量和活性，对于构建人工湿地生态系统、提高污水处理效率，研究湿地去污机理等具有重要的科学意义和实用价值。
本研究通过对湿地床内沿程不同点位的芦苇根面、填料上的三种微生物（氨化细菌、亚硝化菌、反硝化细菌）的数量测定和湿地填料硝化、反硝化能力的分析，研究与氮去除相关微生物的空间分布规律及其与不同形态氮转化的相关关系，探讨氮在湿地床内的迁移转化规律，评价人工湿地系统氮去除能力的潜力，得到如下结论。
2.1 无论春季、夏季还是秋季，总体来看湿地中的微生物数量是氨化细菌>反硝化细菌>亚硝化菌；同种微生物相比，根面的微生物数量高于填料表面的数量。
2.2 氨化细菌数量夏秋季比春季高1-2个数量级，沿程总体各点位数量基本在两个数量级之间。亚硝化菌数量春夏秋季之间变化不大，沿程春季填料和根面都呈现出中部高于两端的变化规律。反硝化细菌数量春夏秋季之间变化不大，秋季沿程呈现出中部低于两端的变化趋势。
2.3 除秋季亚硝化菌与硝态氮含量相关关系不显著外，其余季节的亚硝化菌和反硝化细菌与氮各种形态转化去除量之间具有较显著的相关性，微生物种群数量是影响人工湿地氮去除的主要因子。
2.4夏季人工湿地沿程硝化能力基本一致，湿地内反硝化速率与总氮去除量变化趋势基本一致，具有显著相关性。
2.5 提高人工湿地脱氮效果主要需解决有机物去除与溶解氧和硝化、反硝化作用之间的矛盾。
3 间歇运行的潜流式人工湿地系统污染物去除效果研究
污水经过平流式沉砂池和初沉池预处理后进入人工湿地，在潜流式人工湿地植物床基质中流动时，随着迁移距离的延长，污染物质通过各种物理、化学和生化作用，逐步得到净化去除。但气温、水质变化、植物生长状况等都会影响人工湿地的去除效果。
在人工湿地填料作用和人工湿地微生物群落研究基础上，本部分通过对湿地沿程不同距离的水样进行水质监测，分析潜流式人工湿地的 pH 及溶解氧变化规律，重点研究污水中主要污染物质（有机物、N、P）在湿地中的降解变化规律，评价潜流式人工湿地的净化效果，得到如下结论。
3.1 潜流式人工湿地床溶解氧普遍较低，大多在 0.6mg/L 以下，从而限制了人工湿地对污染物的去除效果。从季节对比来看，春夏季比秋季溶解氧略高。
3.2 潜流式人工湿地系统中 CODCr的降解符合一级反应动力学方程。随着气温的降低，反应速率常数下降。有机物在湿地前部的去除率占整个系统总去除率的80%。CODCr去除率春、夏、秋季分别为 74.4%、47.7%和 50.9%。
3.3 人工湿地系统 TN 的去除率与季节有关，其中春季 TN 的去除率为 64.6%，氨氮为 70.7%；夏季 TN 的去除率为 91.4%，氨氮为 85.1%；秋季的 TN 去除率为 49.3%，氨氮为 50.5%。废水中有机氮的去除主要集中在湿地前部，在湿地沿程的 1/8 到 1/3 段距离，由于有机物较高的去除速率，反硝化速率下降，硝态氮出现累积。
3.4 植物生长和季节变化对磷的去除有较大影响。春季植物处于快速生长期，大量同化吸收污水中溶解态无机磷，因此 TP 具有较高的去除率为 44.1%，而秋季植物枯萎，TP 去除率只有 13.3%。
3.5 三个季节对比来看，季节对人工湿地系统处理效果影响较大，各种污染物质处理效果在春夏季比秋季好。温度降低导致植物、微生物生理活性降低，进而影响污水的净化效果。
4 组合系统中植物的选择与管理
植物是人工湿地系统的重要组成部分，它能直接吸收利用污水中的营养物质，对水质的净化有一定作用，尤其是对氮、磷的去除具有十分重要的作用。人工湿地植物筛选必须遵循以下原则：
1） 适应当地气候特征。
2） 能较长时间耐水浸并且耐污染能力强。
3）对氮、磷等污染物质的吸收效率高。
4）根系发达，生长期长，生物产量大。
5）具有比较广泛的用途，有一定的经济价值或观赏价值。
①潜流湿地植物
潜流湿地中自建立起，不断引进湿地植物品种，目前已形成比较复杂稳定的植物群落。为扩大植物季节选择性，种植了草本植物和乔木植物。乔木植物有水竹、水杉、杨柳、桉树，草本植物主要为黄花美人蕉、红花美人蕉、水芋、姜草、矮象草、香蒲、梭鱼草、风车草、芭蕉等。这些草本植物在适宜本地的气候，生长期从每年3月份开始到11-12月，长达9个月，可以保证湿地高效运行，冬季以基质吸附和乔木植物作用为主，使湿地系统在冬季仍具有处理效果。多种植物的搭配，增加了湿地系统的复杂性和稳定性，随季节水热条件的变化，湿地系统都能保持稳定运行。
② 表流湿地植物
表流湿地平均水深1.2m，污水停留时间较长，污水浓度相对较低，该单元以挺水植物和浮水植物为主，浮水植物以香蒲和水花生为主，此外还有部分挺水植物睡莲、浮萍，同时引入多种鱼类等水生生物。
总 结
组合人工湿地污水处理是一项不断被深化、应用的污水处理技术，具有传统技术所不可比拟的巨大的综合效益，在许多领域内成为传统污水处理工艺的廉价替代方案。利用组合人工湿地处理污水有着传统处理工艺不可比拟的优势：投资少，造价、运营成本低廉；系统组合具有多样性、针对性，能够灵活地进行选择；处理污水具有高效性；有独特的绿化环境功能。组合人工湿地技术从近年来国内外的研究进展和开发应用，以及包括去污机理、动力学模型等理论的进一步成熟，组合人工湿地作为一种经济有效的污水处理手段、必将成为我国污水处理的重要工艺而得到广泛应用。