人工濕地技術及其在富營養化湖泊污染控制中的應用
我國大部分湖泊水體水質下降，生態系統退化，藍藻水華頻繁暴發，湖泊富營養化呈現迅猛發展的趨勢。國家環保總局2005年1月地表水水質報告顯示：包括太湖、巢湖、滇池在內的我國大中型湖泊富營養化形勢十分嚴峻。在湖泊富營養化水體的控制措施中，減少外源性污染物質尤其是外源性營養物質進入湖泊，是控制湖泊富營養化的關鍵措施之一。人工濕地技術是一種控制水體污染的生態工程措施，對水體富營化的關鍵因子氮、磷有較好的去除效果，在富營養化湖泊外源控制中，有著廣闊的適用前景。
1 人工濕地技術類型及其去污機理
1.1 人工濕地技術及基本類型
人工濕地技術由天然濕地發展而來，是由特定的介質(按一定比例設計的填料，如土壤、砂或礫石等)，特定的植物(去污性能好、成活率高、耐水漬性強、生長期長、美觀且有經濟價值的水生或濕生植物)所組成的復雜、獨特的生態系統。它改變了濕地的傳統形態，通過科學的設計和改造，用自然生態系統中的物理、化學和生物的三重協同作用來實現對水體的凈化。
按污水在人工濕地中流動的方式，一般可將人工濕地分為三種類型：表面流濕地(FreeSurfane Wetland，FSW)、潛流濕地(Subsurface Flow Wetland，SFW)和垂直流濕地(Vertical Flow Wetland，VFW)。
1.2 人工濕地去除營養物質的機理
人工濕地有著獨特的吸附、降解去除水中多種污染物的功能。在這一過程中主要包括復雜界面的過濾過程和生存于其間的多樣性生物群落與其環境間的相互作用過程。該過程既有物理的作用，也有化學和生物的作用。物理作用主要是濕地的過濾、沉積和吸附；化學作用主要是濕地床中礫石一土壤對金屬離子的化學沉淀與離子交換；生物作用包括微生物的降解、轉化和植物的吸收。
氮、磷等營養物質濃度的提高是導致湖泊富營養化的關鍵因素。人工濕地系統中氮的去除主要依靠微生物的分解轉化作用和植物的吸收同化作用完成的。進入濕地系統中的氮主要以有機氮和氨氮的形式存在。在人工濕地系統內，植物光合作用過程中將氧通過植株-根系向濕地床輸送，使得系統內部存在許多好氧、缺氧和厭氧微環境，為微生物的硝化和反硝化作用創造了良好條件。首先，水中的有機氮被異養微生物(氨化細菌)轉化為氨氮，而后硝化細菌在好氧環境下將氨氮轉化為亞硝態氮和硝態氮，最后通過反硝化微生物的脫氧作用以及植物根系的吸收作用將無機氮從水中去除。
人工濕地對磷的去除作用包括介質的吸收和過濾、植物吸收、微生物去除等。無機磷的吸收和過濾去除作用因濕地床的填料不同而存在差異。植物生長過程中通過同化作用將無機磷變成植物體的組成部分，最后通過收割去除。微生物對磷去除包括對磷的正常吸收和對磷的過量積累，不同含氧狀態的人工濕地根區類似于污水脫氮除磷系統的A2A2O處理單元，使某些細菌在厭氧條件下吸收低分子的有機物(如脂肪酸)，同時將細胞原生質中聚合磷酸鹽異染粒的磷釋放出來(釋磷)，并提供必需的能量以便它們在好氧條件下從水中吸收超過其生長所需的磷(聚磷)，并以聚磷酸鹽的形式成為微生物細胞的內含物而被貯存起來，因此人工濕地有較高的除磷效果。
2 人工濕地技術發展現狀及其在湖泊外源污染控制中的應用
2.1 人工濕地技術發展現狀
人工濕地的起源可追溯到20世紀50年代。
1953年，德國學者首次指出通過種植適當的植物可以降低水體污染，其后Seidel博士同Kickuth博士合作，并由Kickuth博士于1972年提出根區理論，該理論的提出掀起了人工濕地研究與應用的熱潮。1974年德國建成第一個人工濕地污水處理系統以來，該處理工藝飛速發展。隨著人們對它認識的不斷深入，人工濕地技術也在不斷的發展與進步。
2.1.1 人工濕地技術應用范圍的擴展
早期人工濕地主要用于處理城市生活污水或二級污水廠出水，隨著對人工濕地技術的不斷研究和探索，人們逐漸認識到了人工濕地更為廣泛的應用前景，人工濕地開始逐漸應用于農業面源污染治理、城市或公路徑流等非點源污染治理和湖泊富營養化治理中。
2.1.2 人工濕地技術的改良和創新
早期的人工濕地技術在功能和應用上普遍比較單一，僅作為污水處理工藝的一部分或僅單級系統對受污染水體進行凈化。隨著對人工濕地認識的不斷進步，目前已有多種功能和類型的人工濕地應用于實踐中，包括流態的組合和技術的改良。如中國科學院水生生物研究所的復合垂直流構造濕地系統，采用下行2上行流方式對污水中有機物、懸浮物和N，P等營養物質進行去除，其中試系統對COD、TSS和BOD的去除率分別為66.1%、72.4%和76.7%；實際工程對COD去除率為82.6%，BOD的去除率達到85.8%；北美濕地工程公司(NAWE)借鑒污泥回流技術和鼓風曝氣開發了循環流濕地工藝和通風強化床工藝，這些工藝目前已被成功應用于氣溫較低和污水濃度較高的人工濕地凈化工藝中。除了對現有的人工濕地系統進行研究以改良和優化工程設計參數外，對系統的長期運行能力和管理問題也正在得到深入研究。例如，選擇適當操作方式以防止填料的堵塞；選擇新型的填料以確保長期的除磷效果；選擇新型的水生植物以提高濕地系統的綜合效益等。
2.2 目前我國湖泊富營養化外源控制現狀
絕大多數水體富營養化主要是外界輸入的營養物質在水體中富集造成的，所以控制外源性營養物質，應該著重減少或者截斷外部營養物質的輸入。有效地控制面源和點源污染是湖泊富營養化治理的重要前提。
目前我國污水處理廠主要針對工農業廢水和生活污水的點源污染，而且主要控制指標為有機物、重金屬等，對氮磷的控制效果不理想，出水氮磷含量很難達標。大量氮磷含量較高的處理廠出水直接排入湖泊水體，導致氮磷等營養物質逐漸在湖泊水體中富集。如果在生化處理中加入脫氮除磷工藝削減出水氮磷含量，則投資又相對較高。采用人工濕地技術，可以有效緩解目前我國污水處理廠面臨的氮磷去除方面的壓力。另外在面源控制方面，農業面源污染占湖泊富營養化外源輸入的一個很大的部分，而且由于農業面源污染比較分散，污水量大面廣，一般治理技術都很難見效，治理難度大。從美國、日本等發達國家對農業面源污染治理，尤其是目前的發展趨勢來看，采用人工濕地、土地處理系統等來進行農業面源污染治理居多。
2.3 人工濕地在湖泊外源污染控制中的應用優勢
人工濕地作為一種獨特的生態系統，以其特有的生態功能和存在形式及特點，能夠在湖泊點源和面源污染控制方面發揮巨大的優勢。
2.3.1 點源控制方面
我國目前城市污水廠主要針對的是高濃度有機物、重金屬等廢水的處理，忽視了對出水氮、磷的控制，導致其出水內大量含氮、磷等的營養物質直接排放進入水體，引起氮、磷等在水體內的富集，這是造成水體的富營養化重要原因之一。加強點源控制，應對城市污水處理廠的出水該考慮生態處理，削減出水氮、磷含量。人工濕地技術易與城市污水處理
工藝相結合，在削減氮、磷含量的同時，還可以進一步提高出水水質，同時人工濕地的低投資，低運行管理費用和適應性強使之能在點源控制中發揮重要的作用。
2.3.2 面源控制方面
在我國目前富營養化湖泊的治理和控制中，農業面源污染已成為一個亟待解決的問題。農業面源污染分散，污水量大面廣，具有不穩定性，農村生活污水中氮、磷含量較高，未經處理直接排入湖泊水體，造成的污染十分嚴重，一般的治理技術難以應對此類型的污染。人工濕地生物和物理作用，適應了農業面源不穩定特性，而且其本身具有很大的靈活
性，對面源污染物有較好凈化作用，能夠應用于小城鎮的生活污水處理中，大幅度削減農業面源給湖泊水體帶來的負擔，目前已有人對人工濕地在太湖流域小城鎮生活污水治理的可能性進行了探討。
在美國、德國等國家，人工濕地技術已成功應用于農業面源的控制中。對于地表漫流和暴雨徑流等非點源污染，則可以通過收集，利用人工濕地進行凈化。國外應用人工濕地凈化污染水質方面已有許多成功的實例。德國利用水平流和垂直流濕地蘆葦床系統處理富營養化水體中營養物質(N、P等)，并進行比較，結果表明，超過90%的有機污染和N、P等污染被去除。美國田納西州人工濕地系統試驗在不同水力負荷下對氨氮、總氮的去除規律，實驗結果表明，二級系統氨氮去除率較一級系統高20%～50%，周期性落干可提高氨氮的去除率，水力停留時間的增長可以改善總氮的去除效果。加拿大潛流蘆葦床濕地系統在植物生長旺季中的TN平均去除率為60%，TKN為53%，TP為73%，磷酸鹽平均去除率為94%。英國蘆葦床垂直流中試系統用于處理高氨氮污水，平均去除率可達93.4%。
我國進行人工濕地處理系統研究開始于“七五”期間，起步較晚，應用也較少，主要有天津蘆葦濕地工程、北京昌平自由表面流人工濕地和深圳白泥坑人工濕地等。“八五”期間我國進行了全國范圍的土地處理系統研究，但對人工濕地技術的研究還相對落后，應用范圍較窄，主要集中在小試和中試規模的機理研究上。隨著對人工濕地技術認識的不斷進步，人工濕地在我國的應用越來越廣泛，目前已有許多人工濕地工程投入運行，并達到了良好的效果。沈陽滿堂河生態污水處理示范廠采用以人工濕地處理為主，浮動生物床預處理為輔的組合工藝，主要處理污染較重的滿堂河水及沿岸的重點生活污染源排水，其出水水質達到了回用于景觀水體的水質要求。
深圳洪湖人工濕地采用復合垂直流濕地系統，將污染較重的布吉河水通過濕地凈化為洪湖補充清潔水，其出水水質參數中非離子氨和BOD能達到I類水質標準，COD能達到Ⅱ類標準，TN和TP能達到湖泊水庫Ⅳ類標準；處理出水DO大大增加，各項污染指標的去除率均在80%以上。
近年來，我國湖泊富營養化日益嚴重，人工濕地在富營養化外源控制中的作用也逐步受到重視，但利用人工濕地技術控制湖泊富營養化外源污染的研究在我國剛剛起步，目前大多數研究和應用都集中在富營養化水體的治理方面。1994年，我國在滇池建立的人工濕地系統用以處理滇池流域農業面源污染，根據14個月運行監測，該濕地系統對TN平均去除率為35.5%～60%左右，對TP平均去除率為24.4%～47.8%。2002年，中國科學院南京地理與湖泊研究所和云南玉溪市環科所設計的撫仙湖人工構造濕地開始投入運行，監測結果表明對各項污染指標的去除率分別達到：COD87.8%、BOD68.7%、SS96.3%、TP32.4%、TN36.0%，出水水質也由處理前的Ⅳ類水質提高到Ⅲ類水質。2002年官廳水庫潛流人工濕地處理系統，對官廳水庫受污染水進行處理，結果表明當進水中的TN和TP濃度分別在5.0～9.0mg/L和0.65～0.85mg/L之間波動時，潛流人工濕地對它們的去除率分別為50%和40%左右，在夏季，系統對COD和NH42N的去除率可達50%和70%。
3 結 語
人工濕地技術在水污染控制方面的應用正處于快速發展時期，而人工濕地凈化機理方面的研究則相對滯后，目前人工濕地對各種污染物的去除反應動力學模型仍未完整地建立起來，現有的模型基本為一些經驗模型而無法得到廣泛的應用。另外，人工濕地的實際應用中，由于各地選用的濕地類型不同，氣候、規模、負荷、系統布置、植物選取等也各有差異，因而很難有統一的設計和運行參數進行指導，在提高冬季濕地的運行效果和介質防堵塞的問題上，仍然還有大量的研究工作要做。
人工濕地技術是一種近自然型水質凈化新技術，深入開展人工濕地的研究與應用對控制我國湖泊面源污染具有深廣意義。
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