湿地 ——地球之肾
每年的2月2日为世界湿地日(World Wetlands Day) ，湿地是环境保护的重要领域。湿地与森林、海洋并称为全球三大生态系统，孕育和丰富了全球的生物多样性，被人们比喻为"地球之肾"。 湿地公约委员会确定2008年世界湿地日的主题为“healthy wetland, healthy people”（健康的湿地，健康的人类）。 概念
人工湿地（CW—Constructed Wetland)污水处理技术是70年代末发展起来的一种污水处理新技术。它具有处理效果好、氮磷去除能力强，运转维护管理方便、工程基建和运转费用低以及对负荷变化适应能力强等特点，比较适合于技术管理水平不很高，规模较小的城镇或乡村的污水处理。 人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质
、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用。 人工湿地是一个综合的生态系统，它应用生态系统中物种共生、物质循环再生原理，结构与功能协调原则，在促进废水中污染物质良性循环的前提下，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。 特点
人工湿地处理系统具有缓冲容量大、处理效果好、工艺简单、投资省、运行费用低等特点，非常适合中、小城镇的污水处理。
分类
人工湿地处理系统可以分为以下几种类型：（1）自由水面人工湿地处理系统；（2）人工潜流湿地处理系统。（3）垂直水流型人工湿地处理系统。
湿地处理系统的设计
1.选址考察地质、地貌、水文、自然资源、人文资源、有关法律及公众意见。应因地制宜，尽量选择有一定自然坡度的洼地或经济价值不高的荒地，一方面减少土石方工程、利于排水、降低投资，另一方面防止对周围环境产生影响。
2.确定系统组合形式根据场地特征、处理要求和所处理污水的性质来确定。单一式、并联式、串联式、综合式。
3.确定水力负荷 根据文献或经验而定。
4.选择植物根据湿地植物的耐污性能、生长能力、根系的发达程度以及经济价值和美观等因素来确定。一般有芦苇、席草、大米草、水葫芦、水花生等，最为常用的是芦苇，插植密度为1~3株/m2。
5.计算表面积 As=Q/a：As—表面积；Q—进水流量；a—水力负荷。
6.确定长宽比
（1）表面流湿地：长宽比10：1或更大，根据地形来考虑，底坡降0%~1%。
（2）潜流湿地：根据达西定律Q=Ks*A*S
S—水力坡度；A—湿地床横截面积；Ks—潜流渗透系数。或厄刚公式As=5.2Q[LN（So-Se）]，So—进水BOD浓度；Se—出水BOD浓度；As—湿地床表面积。
7.结构设计
（1）进出水系统的布置：湿地床的进水系统应保证配水的均匀性，一般采用多孔管和三角堰等配水装置。进水管应比湿地床高出0.5m。湿地的出水系统一般根据对床中水位调节的要求，出水区的末端的砾石填料层的底部设置穿孔集水管，并设置旋转弯头和控制阀门以调节床内的水位。
循环氢压缩机（2）填料的使用：湿地床由三层组成表层土层、中层砾石、下层小豆石。表层土钙含量在2~2.5kg/100kg为好；砾石层粒径在5~50mm，铺设厚度0.4~0.7m。
（3）潜流式湿地床的水位控制：当接纳最大设计流量时，进水端不能出现雍水现象；当接纳最小流量时，出水端不能出现填料床面的淹没现象；有利于植物生长，床中水面浸没植物根系的深度应尽可能均匀。
8.编制施工计划加热搅拌
9.修改设计根据出现的问题对设计进行相应的修改。
10.施工
11.试运行
12.竣工交付使用
北方有许多小流域河道，是该流域内人们生产、生活的重要水源基础，该河道流经的范围相对较小并且水量不大，主要为山泉渗滤水或者冰雪溶化水，在严重干旱时期可能干枯。缺少水资源，给人们的生产、生活带了很大限制，再加上缺少足够的资金与重视，许多生产、生活废水直接排放到小流域的河道中，形成黑水河道（渠、沟），完全丧失了其提供水源，改善小流域河道环境的功能，成为了加剧小流域环境恶化的新的污染源。
人工湿地是一种人工建造和监督控制与沼泽地类似的湿地 ，它是利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，来实现区域污水净化的一种新型污水生态处理工艺。采用湿地改善水质并不是一个新的发明，当人们开始排放污水或废水时，湿地就开始用于净化污水，废水直接或者间接排入洼地，若当时没有湿地，污水的排放也会很快导致湿地的形成。即使今天，从单独的房屋和乡村农场排出的污水还在居住地的附近通过沟渠或地下
过滤系统处理，这在排放地形成了典型的湿地。
2、人工湿地的构成
不管是自然形成的人工湿地或者是人工湿地，都是由以下五部分中的全部或者部分组成：
①、具有各种透水性的基质；
②、适合在饱和水和厌氧基质中生长的植物
③、水体（在基质表面以下或者以上流动的水）；
④、好氧、兼氧或厌氧微生物；
⑤、无脊椎或脊椎动物。
湿地系统正是在这种有一定长宽比和底面坡度的洼地中，由土壤和填料（如砾石等）混合组成的填料床。废水在床体的填料缝隙中流动或者在床体表面流动，并在床体表面种植具有性能好、成活率高、抗水性强、生命周期长、美观及具有经济价值的水生植物（如芦苇、蒲草等），形成一个独特的动植物生态系统，对废水进行处理，从而利用处理后的水源进行生产、生活，利用水生经济植物进行再生产，提高人们生活水平。
3、人工湿地的特点：
人工湿地具有效率高、投资、运行及维护费用低、使用面广、耐冲击负荷强等特点。
①、去除效率高
人工湿地的显著特点之一就是对有机物有较强的降解能力。国内外有关城市污水处理研究表明，在进水浓度较低的条件下，人工湿地对BOD的去除率可以达到85%～95%，COD的
去除也可达到80%以上，处理后的出水完全满足生活杂用水水质标准，可满足人们的生产、生活需求。
②、投资、运行及维护费用低
据国外统计，一般湿地系统的投资和运行费用仅为传统的二级污水厂的1/10～1/2，对照我国建成的常规二级生化处理厂进行投资分析，也表明人工湿地的投资远远低于常规二级水处理设施。
表1 人工湿地与其它工艺比较表
从表1中可以看出，人工湿地的吨水吹费用仅仅为相近地区的鼓风曝气型项目烧烤箱投资的16%（珠海）～20%（深圳）。由于人工湿地基本上不需要机电设备，故维护上只是清理渠道及管理作物，一般农民完全可以承担，只需要个别专业人员定期检查。实践证明，低投资
、低运行费用和低维护技术将使得中小城镇、小流域河道采用人工湿地处理污水成为了可能。
③、适用面广
人工湿地适用面广泛，不仅可以用于以脱氮除磷为主要目的发三级处理，还可以直接用于污水的二级处理；不仅可以处理以耗氧有机物和N、P等营养为主的生活污水，而且可以处理以耗氧有机物、重金属和油类为主的工业废水；不仅可以应用于集中点源的治理，还以进行工艺改造后用于农业面源的污染、城市或公路径流等非点源污染的治理。
④、耐冲击负荷强
根据研究表明，采用人工湿地处理污水出水的水质稳定，无论的多有机物负荷还是对水力负荷在一定范围内的波动都有很好的适用性，而且其本身具有很好的扩充性，因此容易适应未来不确定的负荷增长。
⑤、综合效益高
申智惠人工湿地污水净化工艺能充分地利用大自然的大型植物极其基质的自然净化能力净化污水，并在净化污水的过程中促进大型动植物生长，增加绿化和野生动植物栖息的面积，有利于促进良好生态环境的建设。此外，还可直接和间接提供水产、畜产、造纸原料、建材、娱乐和教育等效益，真正实现生态效益、环境效益、社会效益和经济效益的协调统一。
4、人工湿地的分类
人工湿地按照水流方式的不同主要分为三种类型：地表流湿地、潜流湿地和垂直流湿地
地表流湿地：也称为自由表面流湿地系统，在地表流湿地系统中，污水在湿地的表面流动，为位较浅，一般在0.1～0.6之间。这种系统与自然湿地最为接近，污水中的绝大部分
有机污染物和去除是依靠植物生长在水下部分的根、茎和杆上的生物膜来完成的。因此这种系统难以充分利用生长在填料表面的生物膜和生长丰富的植物根系对污染物质的降解作用，其处理能力较低，卫生条件差，夏季容易滋生蚊虫产生臭味影响周围环境，在冬季或者北方地区发生表面结冰问题，处理效果受温度变化影响大，因此在实际工程中比较少用，该种湿地最重要的特点就是投资低。
潜流湿地：污水在湿地床的内部以推流的形式流动，因此也称为推流湿地。该湿地一方面可以充分利用填料表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和填料截留作用，提高其处理效果和处理能力；另一方面则由于水流在地表以下流动，故具有保温性较好、处理效果受气候影响小、卫生条件较好的特点，在目前研究和应用比较多的一种湿地处理系统。
垂直流湿地：系统中的水流综合了地表流湿地系统和潜流湿地系统的特性，水流在填料床上呈由上到下的垂直流，水流竟归床体后被铺设在出水端底部的集水管收集而排放出处理系统。由于这种系统的需要在池底布置集水管，基建要求较高，而且检修维护不便。目前垂直六湿地通常采用两级湿地床----下行池和上行池串联处理污水，即所谓的复合垂直流湿
地，简称复合流湿地。污水从下行池表面布水，处理水在上行池表面收集后排出系统。该系统具用较高的充氧效率和有效处理空间。
5、湿地植物的初步选择
5.1湿地植物选择的原则
湿地中生长的至于通常称为湿地植物，包括挺水植物、沉水植物和浮水植物等水生植物。常用的挺水植物主要有芦苇、灯心草、香蒲、蒲草、水葱等，某些大型沉水植物、浮水植物也常被用于自由表面流人工湿地系统，如凤眼莲、浮萍等，有些湿地系统甚至还采用木本植物来处理废水。一般说来，水生植物应用于人工湿地污水生态处理工程，首先必须考虑净化能力、抗逆性、综合利用价值和景观价值等几个方面。
1）、净化能力
水生植物的净化能力主要指去除污水中的污染物质和提高溶解氧的含量的能力。正常运行的人工湿地系统中，污染物质的去除主要是依靠附着生长在根系表面及其附近的微生物去除的，选择根系发达、根须较长的水生植物，能够大大扩展人工湿地净化污水的空间，提高其精华污水的能力。
2）、抗逆性
①抗冻抗热能力
苯丙酮合成由于污水处理是周年连续运行的系统，因此要求水生植物即使在恶劣的环境下也能基本正常生长。有些水生植物不能够自然越冬，在低温的情况下出现不同程度寒害或新陈代谢严重受阻，有些植物则相反，在高温季节不能够正常生长。类似这些对自然条件适应性较差或不能够适应的植物，都将直接影响到湿地系统的整体净化能力和出水的水质情况。
②抗病虫害能力
污水生态处理系统中的植物，容易滋生病虫害，抗病虫害能力直接关系到植物的生长和生存，也直接影响到起在处理系统中的净化能力及其整个湿地系统的正常运行。
③对周围环境的适应能力
由于人工湿地中的植物根系要长期浸泡在水中和接受浓度较高且变化大的污染物，因此，并不是所有的湿地植物都能够应用于处理污水系统中去的。所选用的水生植物除了耐污能力强外，对当地的气候条件、突然条件和周围环境、动植物分布等都要有很好的适应能力。
光通量测试
3）、综合利用价值
人工湿地处理系统由于每天产出大量的植物体，因此应该考虑所采用的水生植物的综合利用价值，否则，它将成为当地环境的一个新的污染源，其再生的污染物质往往会超过原生
污染物量。比如芦苇就是一种北方比较长见的水生植物，其综合利用价值就比一般的水生植物要好，可以适当应用的处理系统中。
4）、美化景观
采用合适的水生花卉植物作为湿地植物，不但能提高处理污水的能力，而且当花季到来时，一片郁郁葱葱、花团锦蔟的景象，将给人一个心旷神怡的感受。此时的人工湿地不再仅仅是一个污水处理系统，更是一个美丽的花园。通过移植出售部分花卉，不但使得植物吸收的氮和磷等污染物质从系统中得到移除，而且增加了处理系统的经济效益，从经济上刺激人们对处理系统加强管理的愿望，解决了人工湿地系统中植物收割难、管理难、效益低的问题。
6、国内外人工湿地技术应用现状及其发展趋势
6.1国外人工湿地技术应用现状
由于人工湿地在水处理方面具有突出的优点，因此，从它诞生不久，就显示出强大的生命力，在世界范围内得到广泛的应用，不仅在发达国家，还有许多发展中国家都有大量的人工湿地工程被建设和投入运行。
目前，仅在美国就约有600多座人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水，400多座的人工湿地被用于处理煤矿废水，50多个人工湿地用于处理生物污泥，近40个人工湿地应用处理暴雨径流，超过30个人工湿地系统 用于处理奶产品加工废水。在丹麦、德国、英国每个国家也至少有200个地下潜流湿地系统在运行，新西兰也有80多个人工湿地系统被投入使用。
国外人工湿地技术发展趋势
1）、开发人工湿地数据库和设计指南
气候田间、湿地的规模、负荷率、几何布置、植物种类构成及其废水的类型构成在各地变化很大，人工湿地很难有统一的设计和运行参数。为此，为减少重复劳动和改良实验湿地的设计方法，所有这些数据都应通过公共数据库使世界各地的工程师和科研人员能够获得。目前在美国，EPA开发出了北美人工湿地数据库和地方人工湿地数据库，，并整理出版发行了一些有关湿地的设计导则和指南，虽然是取得了初步的成果，但还有大量的工作要做，有需要更细致地研究不同地区特征和运行数据以便将来的建设中提供更加合理的参数。
2）、进一步研究人工湿地污水处理机理
人工湿地处理技术由于涉及机理的复杂性和涉及领域的广泛性，虽然有些机理研究已经得到初步认可，但仍有许多问题需要进一步研究，以便建立完整的反应动力学模型，广泛推广。
3）、改良人工湿地技术
面前世界上人民正投入大量的经理以改良人工湿地技术，将一些传统污水处理技术引入人工湿地。除了对现有的人工湿地系统进行研究以改良和优化工程设计参数外，对系统的长期运行能力和管理问题也正在得到深入的研究（例如：选择适当的操作方式、防止填料堵塞、选择新型填料、新型水生植物等）。
4）、人工湿地的应用范围不断扩大
早期的人工湿地主要是处理城市生活污水或者二级污水厂的出水，目前已经被许多学者或工程技术人员经过工艺改进或者与其他系统进行组合后，用于河道治理、农业面源污染治理等方面。
6.2我国人工湿地技术研究应用现状及发展趋势
我国人工湿地废水处理技术在我国发展相对较晚，“七五”期间才开始人工湿地的研究，目
前仍然处于起步阶段。在我国的南方和北方，有一定数量的人工湿地被投入研究和应用。在这些系统中，除了用于处理耗氧有机物和N、P等营养物为主的生活污水外，逐步扩大到各种各样的废水处理了。这些人工湿地都取得了良好的处理效果为我国的环境保护发挥了重要作用。
目前我国绝大多数城市采用活性污泥法或者生物膜法处理污水，这些工艺投资高、能耗大，运行管理要求高，相对于我国经济发展水平不高、能源短缺来说，许多地方尤其是小城市和乡村缺乏具有一定操作管理和技术水平的人员，而乡镇企业发展迅猛对当地造成了严重的环境污染，从而使得小流域河流丧失了生态功能，因此在这些地区发展这些高效、简易、低耗的污水处理技术具有很大意义，具有广阔的前景。
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