1. 引言

水資源短缺是制約我國經濟發展的重要因素，全國660座城市中，有400多座城市缺水，100多座城市嚴重缺水 [1] 。水資源緊缺不僅僅在于水量型缺水，更重要的是污染造成的，形成日益嚴重的水質型缺水。強化污水處理，保護現有可用水資源，是緩解我國水資源危機的治本之策。

目前，我國城市污水處理普遍采用活性污泥法、氧化溝法、間歇性活性污泥法等。我國處理污水造價在1000元/m³∙d以上，運行費用在0.13~1.12元/t之間 [2] 。隨著經濟發展，需處理的污水量越來越大，新環境法的實施對處理要求也越來越高。但現有的污水處理技術由于其高昂的投資和運行費用，使得各種二級、三級處理技術難以大面積推廣。人工濕地技術作為一種經濟有效的污水處理手段(基建投資為傳統方法的1/5至1/2；運行費用僅為傳統二級污水廠的1/10至1/5 [3] )，為綜合解決上述問題提供了一種新的選擇。

人工濕地是指人工建造的、可控制的和工程化的濕地系統，其設計和建造是通過對濕地自然生態系統中的物理、化學和生物作用的優化組合來進行廢水處理。人工濕地污水處理技術是20世紀七八十年代發展起來的一種污水生態處理技術，一般由人工基質和生長在其中的水生植物(如蘆葦、香蒲等)組成，是一個獨特的基質–植物–微生物組成的生態系統。當污水通過系統時，其中污染物質和營養物質被系統吸收、轉化或分解，從而使水質得到凈化。它利用生態系統中物種共生、物質循環再生原理，結構與功能協調原則，在促進廢水中污染物質良性循環的前提下，充分發揮資源的生產潛力，防止環境的再污染，獲得污水處理與資源化的最佳效益，是一種同時具有環境效益、經濟效益及社會效益的廢水處理技術。

2. 人工濕地的分類

根據濕地中主要水流形式人工濕地可分為以下3類：表面流濕地(SFW, Surface Flow Wetland)、潛流人工濕地(SSFW, Subsurface Flow Wetland)和垂直流人工濕地(VFW, Vertical Flow Wetland) [4] [5] 。

2.1. 表面流人工濕地

表面流濕地也稱為自由水面系統，這種系統與值日濕地最為接近。此系統中污水在濕地的表面流動，水深較淺(一般在0.1~0.6 m)，氧通過自由擴散補給，進水中所含的溶解性和顆粒性污染物與系統介質和植物根系接觸，絕大部分有機污染物的降解由浸沒在污水中的植物莖基部生物膜上的微生物完成。常用的植物包括香蒲、蘆葦、慈姑、莎草等。其優點是投資省，缺點是負荷低，對N、P的去除率偏低 [6] ，北方地區冬季表面會結冰，夏季會滋生蚊蠅、散發臭味，該類型在美國、加拿大、新西蘭、瑞典等國有較多分布，但目前已較少采用。

2.2. 潛流人工濕地

潛流人工濕地是由濾料層與植物共同構造的系統，是一個由填料、植物與微生物共同組成的生態系統，系統中污水在濕地床的內部流動。污水經配水系統均勻分配并緩慢流過填料床植物根系并被其中的植物與微生物處理。介質通常選用水力傳導性良好的材料，從進口經由砂石等系統介質，污水在系統表面以下以近水平流方式流向出口。常用的植物包括蘆葦、香蒲、美人蕉等。其優點是，由于此系統可以充分利用填料表面生長的生物膜、豐富的根系及表土層和填料的截留作用，處理效率得到了提高；另外，由于水流在地表以下流動，具有較好的保溫性，從而受氣候影響小、衛士條件好。缺點是占地面積較大。

2.3. 垂直流人工濕地

垂直流人工濕地綜合了地表流濕地系統和潛流濕地系統的特性，水流在填料床中基本上由上向下垂直流動，水流流經床體后被鋪設在出水端底部的集水管收集而排出處理系統。垂直流人工濕地分單向垂直流型人工濕地和復合垂直流型人工濕地兩種。單向垂直流型人工濕地一般采用間歇進水運行方式，復合垂直流型人工濕地一般采用連續進水運行方式。其優點是處理效率高、受氣候影響小、衛生條件好，并且占地也有所減少。

3. 人工濕地的凈化原理

人工濕地對污水的凈化是填料、水生植物和微生物共同作用的結果。人工濕地正常運行后，填料表面和植物根系中生長出大量的微生物，污水流經時，懸浮物被填料及根系阻擋截留，有機物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，使其周圍的微環境中依次呈現出好氧、缺氧和厭氧狀態，保證了廢水中的氮、磷不僅能被植物及微生物作為營養成分直接吸收，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。最后通過濕地填料的定期更換或收割使污染物質最終從系統中去除。

3.1. 人工濕地去除有機污染物的機理

對有機物有較強的降解能力是人工濕地的顯著特點之一。對有機物的去除作用，濕地床是通過物理的截留沉淀和生物的吸收降解的共同作用而實現。通過濕地的沉淀、過濾作用，系統中的微生物可以很快截留和利用污水中的不溶性有機物，而生物膜和植物根系的吸附、生物代謝降解等過程，又可以很快地分解去除污水出水中的可溶性有機物。資料表明：在進水濃度較低的條件下，人工濕地對BOD5的去除率可達85%~95%，對COD的去除率可達80%以上 [5] 。

3.2. 人工濕地對氮的去除

對氮的去除作用，人工濕地處理系統包括氨揮發，基質的吸附、過濾、沉淀，微生物硝化和反硝化作用，植物吸收等。有機氮在植物土壤系統中，在微生物的作用下首先被截留沉淀下來，然后轉化為氨態氮。氨離子很容易被土壤顆粒吸附(土壤顆粒帶有負電荷)，通過硝化作用，土壤微生物將氨離子轉化為 NO3−" role="presentation" style="display: inline; line-height: normal; text-indent: 0px; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; white-space: nowrap; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; padding: 0px; margin: 0px; position: relative;">NO−3${\text{NO}}_3^{-}$ 。作為植物生長過程中不可缺少的物質， NO3−" role="presentation" style="display: inline; line-height: normal; text-indent: 0px; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; white-space: nowrap; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; padding: 0px; margin: 0px; position: relative;">NO−3${\text{NO}}_3^{-}$ 可以被植物直接攝取，合成植物蛋白質等有機氮，通過收割植物，從而將氮從濕地系統中去除 [7] 。

3.3. 人工濕地對磷的去除

人工濕地對磷的去除是由植物吸收、微生物去除及基質的物理化學作用而完成的。廢水中的無機磷在植物吸收及同化作用下，可變成植物的有機成分，通過有規律的植物收割去除。然而，也有學者指出通過植物收割從濕地系統中去除的磷是非常少的，因此濕地填料一直被公認為是濕地中磷的最終歸宿 [5] �；�質的物理化學作用主要是填料對磷的吸收、過濾和與磷酸根離子的化學反應。生物對磷的去除，包括對磷的正常同化作用和對磷的過量積累。一般二級污水處理中，當進水磷含量為10 mg/l時，微生物對磷的正常同化去除，僅是進水總量的4.5%~19% [7] ，所以，微生物除磷主要是通過強化后對磷的過量積累來完成的。

3.4. 對金屬的去除

濕地中金屬的去除主要是依靠沉淀–吸附作用�；瘜W沉淀作用通過濕地的代謝而得到加強。濕地對金屬的去除不被認為是重要的。

4. 人工濕地凈化的影響因素

濕地的污水凈化性能主要依賴于當地的氣候、濕地中水流動力學特性、植物種類、微生物類群及基質組成。依據影響因素的特征可以將其分為人工濕地自身因素和外部因素，自身因素包括濕地床結構、植物的選擇和系統的供氧狀況等；外部因素包括溫度和污水中物質的毒性等因素。其中當地氣候是主要影響因素，因為其有影響其它幾項因素的作用，濕地植物種類、微生物活性和土壤中營養物質的生化循環都與氣候有關。如Hill和Payton用兩個串聯的表面流人工濕地系統處理家禽養殖廠污水試驗時發現低溫對氨、硝酸鹽的去除有不利影響 [8] 。不同的植物種類和微生物類群對污水的凈化效果不同，全球濕地高等植物多達6700余種，但目前被用于人工濕地處理污水的不過幾十種，很多植物還從未試過，選擇對污水處理效果好、適應性強的植物對人工濕地的凈化效果至關重要，如蘆葦屬和香蒲屬植物是使用頻率最高且比較有效的植物�；�質的組成與水流過程及某些污染物的積累、釋放密切相關，因此，選擇合適的填料組成、設計合理的水流動力學特征參數可有效去除污染物質。最近還有研究表明，有機污染物的轉化和營養物質循環與基質中的氧化、還原條件及可獲電子受體量有很好的相關性。

5. 人工濕地污水處理在國內外的應用

1953年德國Kathe Seidel博士發現蘆葦對污水的凈化效應，并開發出Max-Planck Institute Process系統。隨后，1977年Kichath提出了“根區法”，標志著人工濕地污水處理機理的初步萌芽。1974年德國建成第一座人工濕地，與此同時，美國也開發了“厭氧微生物和蘆葦處理污水”復合系統 [9] 。此后，人工濕地處理污水技術得到了迅速的發展和完善。最初人工濕地主要用于生活污水和礦山酸性廢水的處理，后來也用于城市污水和各種工業廢水的二級處理等，目前多用于農業面源污染、城市或公路徑流等非點源污染的治理。國外人工濕地已用于各種污水的處理，如：生活污水、礦業酸性污水、農業廢水、垃圾滲濾液、暴雨雨水、富營養化自然水體等 [10] 。人工濕地污水處理系統數量也得到長足的發展，如：在美國已有600多處人工濕地工程用于處理市政、工業和農業廢水 [11] 。丹麥、德國、英國至少有200處人工濕地系統在運行 [12] 。新西蘭也有80多處人工濕地系統投入使用 [13] 。在歐洲應用較多的則是地下潛流系統，特別是在一些東歐國家應用廣泛。

我國對濕地處理系統的研究起步較晚，在“七五”期間才開始人工濕地的研究工作。首例采用人工濕地處理污水的工程是1987年由天津市環保研究所建成的1400 m³/d蘆葦濕地污水處理工程。之后，1989年建成了北京昌平500 m³/d自由水面人工濕地污水處理工程、1990年建成了深圳白泥坑人工濕污水處理工程、1993年建成的大冶鐵礦炸藥車間人工濕地污水處理工程、1999年建成的漳州市天寶造紙廠人工濕地污水處理工程、2002年將成的江蘇省泗洪縣人工濕地污水處理工程、2003年月建成的石巖人工濕地污水處理工程、2003年建成的澄江縣馬料河人工濕地污水處理工程、2004年月建成的江川縣漁村大河人工濕地污水處理工程、2008年月建成的江川人工濕地實驗工程、2008年月建成的玉溪市九溪人工濕地污水處理工程、2008年月建成的昆明市體育城人工濕地污水處理景觀工程、2009年月建成的萍鄉市蘆溪縣南坑人工濕地污水處理工程等濕地項目都是我國應用人工濕地處理污水的成功實例。此外，我國在人工濕地的機理研究方面也取得了很多成果。

6. 人工濕地在我國的應用前景

人工濕地污水處理系統能夠有效地去除有機污染物，吸收氮和磷，防止環境受到再次污染，充分發揮了資源的生產潛力，能夠獲得污水資源化處理的最佳效益，因此是一種較好的廢水處理方式。并且，人工濕地污水處理系統是一種集環境效益、經濟效益及社會效益為一體的污水處理方式。其投資和日常運行費用僅為常規二級污水處理廠的1/10~1/2和1/5~1/3，具有高效率、低投資、低運轉費用、低維持費用和基本不耗電的特點。利用人工濕地技術進行污水處理，符合人類與水生生物協調發展的客觀要求，有利于促進良性生態環境的建設，有顯著的社會、環境和經濟效益。這種方式尤其適合在中小城市和鄉村缺少具有一定操作管理和技術水平的人員的條件下使用，具有極其廣闊的應用前景。

鑒于人工濕地占地面積大、廢棄后難恢復、受氣候及系統中植物影響較大等因素，我們在應用人工濕地時應當做到：盡量節約土地，選擇荒廢的地段；結合當地的實際情況選擇合適的濕地系統和合適的植物；多與其他國家進行合作，交流思想，以便使濕地系統更好地服務于我國的污水處理事業。