我國是農(nóng)業(yè)大國，有八億農(nóng)業(yè)人口，很多農(nóng)村面臨生活污水失控的問題，由此帶來地表水質(zhì)量嚴重下降，農(nóng)村生活用水困難，人們的健康受到影響，生態(tài)平衡遭到破壞，這是目前農(nóng)村改善生活環(huán)境遇到的難題。農(nóng)村生活污水處理問題是當前農(nóng)村環(huán)境綜合整治的重要內(nèi)容。目前生活污水的生化處理技術(shù)已是十分成熟，可供選擇的工藝有普通活性污泥法、氧化溝法和人工濕地等，以及一些演變工藝。這些工藝花樣繁多，人們在不斷探索和改進，力圖使工藝更加高效和節(jié)能。
人工濕地系統(tǒng)是一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，它形成了內(nèi)部的良好循環(huán)并具有較好的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，具有投資低、出水水質(zhì)好、抗沖擊力強、增加綠地面積、改善和美化生態(tài)環(huán)境、維護和運行費用低廉等優(yōu)點。這項技術(shù)適合我國國情，尤其適合南方廣大中小城市、農(nóng)村的污水處理，具有廣闊的應(yīng)用前景。
1 人工濕地概念
濕地系主要自然或人工、長久或暫時之沼澤地，濕原，泥地或水域地帶。濕地是陸地與水體之間的過渡地帶，是一種高功能的生態(tài)系統(tǒng)，具有獨特的生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能，對于保護生物多樣性，改善自然環(huán)境具有重要作用。由于人類的不合理開發(fā)，濕地資源在我國受到很大破壞，在特殊時期和環(huán)境條件下，研究和建立人工濕地生態(tài)系統(tǒng)是對自然濕地生態(tài)系統(tǒng)的適度補充，也是對其功能退化的恢復(fù)性建設(shè)。
人工濕地是以人工建造和監(jiān)督控制的、與沼澤地相類似的地面,通過自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物三者協(xié)同作用以達到對污水的凈化。濕地能凈化污水，是自然環(huán)境中自凈能力很強的區(qū)域之一，它利用自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用，通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現(xiàn)對污水的高效凈化。
2 人工濕地的分類
人工濕地根據(jù)濕地中主要植物形式可分為:(1)浮生植物系統(tǒng)；(2)挺水植物系統(tǒng)；(3)沉水植物系統(tǒng)。沉水植物系統(tǒng)還處于實驗室階段，其主要應(yīng)用領(lǐng)域在于初級處理和二級處理后的精處理。浮水植物主要用于碳(Ｎ)、磷(Ｐ)去除和提高傳統(tǒng)穩(wěn)定塘效率。目前一般所指人工濕地系統(tǒng)都是指挺水植物系統(tǒng)。挺水植物系統(tǒng)根據(jù)水流形式可分為：自由表面流、潛流和豎流系統(tǒng)。自由表面流系統(tǒng)中，廢水在濕地的土壤表層流動，水深較淺。與潛流和豎流系統(tǒng)相比，其優(yōu)點是投資省，缺點是負荷低，夏季會滋生蚊蠅、散發(fā)臭味，目前已較少采用。潛流系統(tǒng)污水在濕地床的表面下流動，一方面可以充分利用填料表面生長的生物膜、豐富的植物根系及表層土和填料截留等作用，提高處理效果和處理能力;另一方面由于水流在地表下流動，保溫性好，處理效果受氣候影響較小，且衛(wèi)生條件較好，是目前國際上較多研究和應(yīng)用的一種濕地處理系統(tǒng)，但此系統(tǒng)的投資比自由表面流系統(tǒng)略高。
3 人工濕地的構(gòu)造
絕大多數(shù)自然和人工濕地由五部分組成:(1)具有各種透水性的基質(zhì)，如土壤、砂、礫石；(2)適于在飽和水和厭氧基質(zhì)中生長的植物，如蘆葦；(3)水體(在基質(zhì)表面下或上流動的水)；(4)無脊椎或脊椎動物；(5)好氧或厭氧微生物種群。
人工濕地系統(tǒng)正是在這種有一定長寬比和底面坡度的洼地中由土壤和填料(如礫石等)混合組成填料床，廢水在床體的填料縫隙中流動或在床體表面流動，并在床體表面種植具有性能好、成活率高、抗水性強、生長周期長、美觀及具有經(jīng)濟價值的水生植物(如蘆葦、蒲草等)形成一個獨特的動植物生態(tài)系統(tǒng)，對廢水進行處理。
濕地植物具有三個間接的重要的作用:(1)顯著增加微生物的附著；(2)濕地中植物可將大氣氧傳輸至根部，使根在厭氧環(huán)境中生長；(3)增加或穩(wěn)定土壤的透水性。植物通氣系統(tǒng)可向地下部分輸氧，根和根狀莖向基質(zhì)中輸氧，因此可向根際中好氧和兼氧微生物提供良好環(huán)境。植物的數(shù)量對土壤導(dǎo)水性有很大影響，蘆葦?shù)母伤蓜油寥�，死后可留下相互連通的孔道和有機物。不管土壤最初的孔隙率如何，大型植物可穩(wěn)定根系的導(dǎo)水性相當于粗砂２~５倍。而土壤，砂，礫石基質(zhì)具有:為植物提供物理支持;為各種復(fù)雜離子、化合物提供反應(yīng)界面，為微生物提供附著。流動水體為動植物、微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)。
4 人工濕地污水處理系統(tǒng)
人工濕地污水處理系統(tǒng)由預(yù)處理單元和人工濕地單元組成。通過合理設(shè)計可將生化需氧量(BOD5)、懸浮物(SS)、營養(yǎng)鹽、原生動物、金屬離子和其它物質(zhì)處理達到二級和高級處理水平。預(yù)處理主要去除粗顆粒和降低有機負荷。構(gòu)筑物包括酸化池(雙層沉淀池)、化糞池、組合塘、初沉池。人工濕地單元中的流態(tài)采用推流式、階梯進水式、回流式或綜合式。按進水方式可分為水平流(HF Horizontal-flow)和垂直流(VF Vertical-Flow)。
人工濕地的基本流程：階梯進水可避免處理床前部堵塞，使植物長勢均勻，有利于后部的硝化脫氮作用;回流式可對進水進行一定的稀釋，增加水中的溶解氧并減少出水中可能出現(xiàn)的臭味。出水回流還可促進填料床中的硝化和反硝化作用，采用低揚程水泵，通過水力噴射或跌水等方式進行充氧。綜合式則一方面設(shè)置出水回流，另一方面還將進水分布至填料床的中部，以減輕填料床前端的負荷。人工濕地的運行可根據(jù)處理規(guī)模的大小進行多種方式的組合，一般有單一式、并聯(lián)式、串聯(lián)式和綜合式等。在日常使用中，人工濕地還經(jīng)常與氧化塘等進行串聯(lián)組合。
5 人工濕地污水處理系統(tǒng)的特點
人工濕地系統(tǒng)具有如下優(yōu)點:(1)建造和運行費用便宜；(2)易于維護，技術(shù)含量低；(3)可進行有效可靠的廢水處理；(4)可緩沖對水力和污染負荷的沖擊；(5)可提供和間接提供效益，如水產(chǎn)、畜產(chǎn)、造紙原料、建材、綠化、野生動物棲息、娛樂和教育。
人工濕地不足之處:(1)占地面積大；(2)對生物學(xué)和水力學(xué)復(fù)雜性及重要工藝動力學(xué)參數(shù)研究不徹底；(3)易受病蟲害影響。人工濕地系統(tǒng)在達到其最優(yōu)效率時，需２~３個生長周期。
6 人工濕地污染物的去除機理
人工濕地對廢水的處理綜合了物理、化學(xué)和生物三種作用。人工濕地運行穩(wěn)定后，填料表面和植物根系中生長了大量的微生物形成生物膜，廢水流過時，懸浮物被填料及根系阻檔截留，有機質(zhì)通過生物膜的吸附及同化、異化作用而得以去除。濕地床層中因植物根系對氧的傳遞釋放，使其周圍的微環(huán)境中依次呈現(xiàn)出好氧、缺氧和厭氧狀態(tài)，保證了廢水中的氮、磷不僅能被植物及微生物作用營養(yǎng)成分直接吸收，還可以通過硝化、反硝化作用及微生物對磷的過量積累作用從廢水中去除，最后通過濕地基質(zhì)的定期更換或植物收割使污染物最終從系統(tǒng)中去除。人工濕地去除污染物的范圍廣泛,包括N、P、SS、有機物、微量元素、病原體等。
6.1 有機物的去除
人工濕地顯著特點之一是對有機物有較強的處理能力。不溶性有機物通過濕地的沉淀、過濾可以很快從廢水中截留下來，被微小生物加以利用；可溶性有機物則可通過生物膜的吸附及微生物的代謝過程被去除。研究表明：在進水濃度較低情況下，人工濕地對BOD5的去除率可達85%~95%。COD去除率可大于80%，城市污水通過濕地處理后，出水BOD5 在10 mg/L 左右。試驗還表明：不溶性BOD5(約占總BOD5 的50%左右)和COD 在進水5 m的距離內(nèi)可迅速地被去除；約90%的SS 在進水10 m以內(nèi)得以去除。廢水中大部分有機物最終被厭養(yǎng)微生物轉(zhuǎn)化為CO2、H2O和少量的剩余微生物殘體。
6.2 氮的去除
人工濕地處理系統(tǒng)對氮的去除作用包括基質(zhì)的吸附、過濾、沉淀以及氨的揮發(fā)、植物的吸收和微生物硝化和反硝化作用。氮是植物生長的必需元素，廢水中的無機氮包括NH3-N 和NO3-N，均可以被人工濕地中的植物吸收，合成植物蛋白質(zhì)，最后通過植物的收割形式從人工濕地的廢水中去除。一部分NH3-N 可轉(zhuǎn)化成NH3 后，以氣態(tài)的形式揮發(fā)到大氣中。微生物的硝化、反硝化作用對氮的去除起重要作用。根據(jù)根區(qū)法理論，人工濕地植物中根毛的輸氧，根區(qū)附近濕地土壤中連續(xù)出現(xiàn)好氧、缺氧、厭氧狀態(tài)，為自養(yǎng)型好氧微生物(亞硝酸菌、硝酸菌)和厭養(yǎng)型微生物反硝化細菌大量的存在提供了條件，使要求好氧條件的硝化反應(yīng)和要求厭氧的反硝化反應(yīng)可以同時完成。另外，對硝化反應(yīng)有抑制作用的是NH3-N、重金屬、氰化物及有機物，人工濕地對這些物質(zhì)也有一定的去除作用。因此人工濕地比一般污水處理系統(tǒng)具有較強的氮處理效率。根據(jù)試驗實測結(jié)果，人工濕地中氨化細菌、亞硝化菌、硝化菌、反硝化菌數(shù)量都處于較高水平，因此人工濕地具硝化、反硝化、脫氮的良好基礎(chǔ)和潛力。所以，人工濕地比傳統(tǒng)活性污泥處理系統(tǒng)(一般無法完成反硝作用)具有更強的氮的處理能力。
6.3 磷的去除
磷和氮一樣是生物的必需元素，但水體中磷又是富營養(yǎng)化的限制性元素，含量過高時又可造成藻類過度繁殖而成富營養(yǎng)化狀態(tài)。廢水中磷的存在形態(tài)取決于廢水中磷的類型，最常見的是磷酸鹽、聚磷酸鹽和有機磷酸鹽。人工濕地對磷的去除作用包括基質(zhì)的吸收和過濾、植物吸收、微生物去除及物理化學(xué)作用�；|(zhì)中的吸收和過濾對無機磷的去除作用，因填料不同而存在差異，若土壤中含有較多的鐵、鋁氧化物，有利于生成溶解度很低的磷酸鐵或磷酸鋁，使土壤固磷能力大大增加;若以礫石為填料的濕地，礫石中的鈣可以生成不溶性磷酸鈣而從廢水中沉淀。
植物吸收無機磷和吸收無機氮一樣，都是在吸收同化作用下，將無機磷變成植物體的組成部分，最后通過植物收割去除。微生物對磷去除包括對磷的正常吸收和對磷的過量積累，由于人工濕地根區(qū)附近土壤中不同的含氧狀態(tài)而相當于許多Ａ-Ａ-Ｏ處理單元，使某些細菌種類在厭氧條件下吸收低分子的有機物(如脂肪酸) ，同時將細胞原生質(zhì)中聚合磷酸鹽異染粒的磷釋放出來，提供必需的能量;又在好氧條件下，氧化所吸收的有機物，并提供能量，同時從廢水中吸收超過其生長所需的磷，并以聚磷酸鹽的形式成為微生物細胞的內(nèi)含物而被貯存起來，因此人工濕地有較高的除磷效果。
由于濕地中植物光合作用光反應(yīng)、暗反應(yīng)交替進行，根系輸氧的交替出現(xiàn)，以及系統(tǒng)內(nèi)部不同區(qū)域?qū)ρ跸牧康牟町�，�?dǎo)致了系統(tǒng)中厭氧、好氧的交替出現(xiàn)，使磷的過量釋放和過量積累得以完成。這是常規(guī)二級處理方式所難以滿足的。具體參見http://www.bnynw.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
7 人工濕地處理工藝流程
根據(jù)社會主義新農(nóng)村建設(shè)的發(fā)展思路，并結(jié)合農(nóng)村的排水系統(tǒng)現(xiàn)狀、污水處理規(guī)模小等情況，為在降低工程投資和運行成本的同時，達到提高村中綠地建設(shè)面積，確保污水的處理達標排放，尤其是對污水中氮、磷的去除，并實現(xiàn)處理污水可作為農(nóng)業(yè)灌溉用水，在前處理增加水解酸化池，形成“水解酸化+人工濕地”組合處理工藝。人工濕地處理污水主要工藝流程：污水→粗格柵→細格柵→沉砂池→綜合調(diào)節(jié)池→水解酸化池→第一級人工濕地→第二級人工濕地→第三級人工濕地→達標排放。
8 人工濕地技術(shù)在我國的應(yīng)用研究及實例
我國在“七五”期間開始人工濕地的研究。1989年，國家環(huán)保局華南環(huán)境科研所與深圳東深供水局在深圳白泥坑建立人工濕地實驗基地，占地18.9畝，處理3100 t/d的城鎮(zhèn)綜合污水，效果十分好。
1990年在北京昌平進行的自由水面流人工濕地。處理量為500t/d的生活污水和工業(yè)廢水。
1990年，天津環(huán)保科研所建立11個實驗單元研究蘆葦濕地對城市污水的處理能力，并對水力負荷，有機負荷，停留時間及季節(jié)等與污水中主要污染物間規(guī)律進行探索。
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)李科德等采用人工模擬蘆葦床處理生活污水，對其凈化機理進行了研究。結(jié)果表明，蘆葦根際具有較高的氧化還原電勢，為好氧微生物的活動創(chuàng)造了有利條件。蘆葦床內(nèi)根際微生物數(shù)量與污染物去除率之間有明顯相關(guān)性。污水中有機污染物是通過蘆葦床內(nèi)各種微生物協(xié)同作用去除；NH3-N主要是通過硝化反硝化連續(xù)反應(yīng)去除；SS和P的去除主要通過沉淀、過濾、吸附、固結(jié)等理化作用而實現(xiàn)。蘆葦床的優(yōu)勢菌屬：假單胞菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、黃桿菌屬，原生動物以腎形蟲居多。
中國環(huán)境科研院劉文祥在1994~1995 年，采用由漂浮植物、沉水植物、挺水植物及草濾帶組成的人工濕地對控制農(nóng)田徑流污染進行了研究。占地1257 m2，利用低洼棄耕地改造而成。
中科院南京植物所采用人工濕地系統(tǒng)處理酸性鐵礦廢水，面積130 m2，流量0.5 m3/h，運行兩個月表明：pH 由2.6 升到6.1，銅離子去除99.7%，鐵離子去除99.8%，錳離子去除70.9%，運行費5~10 萬元/年。
山東膠南市建設(shè)一座日處理6 萬t 污水的人工濕地系統(tǒng)，占地1000 畝，工藝為：格柵-沉砂池-調(diào)節(jié)池-人工濕地-排海。此系統(tǒng)利用海邊鹽堿地，投資三千萬元。
2005 年，浙江省長興縣在建設(shè)生態(tài)縣過程中，開展農(nóng)村生活污水處理示范工程項目，利用地下厭氧池及人工濕地法相結(jié)合的新型污水生態(tài)處理技術(shù)。經(jīng)過處理就可以降低水中的化學(xué)需氧量，而這上面種植的美人蕉、黑麥草，根系發(fā)達、喜濕、吸收能力強，其扎根在人工沙層中，污水滲入沙層后，含氨氮的水體腐殖質(zhì)、泥漿等物種被美人蕉發(fā)達的根系吸收并消耗掉。長興縣對14 個村和5 個集鎮(zhèn)投入資金千萬余元，實施了“人工濕地”處理。預(yù)計到2013 年，該縣農(nóng)村生活污水處理率將達到60%。(廣東化工)
