人工湿地水净化系统

人工湿地水净化系统

一 理论基础

1． 湿地的概念及作用

湿地是指不问其天然或人工、常久或暂时之沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带，带有静止或流动、咸水或淡水、半咸水或咸水水体者，包括低潮时水深不超过6米的水域。因此，湿地不仅仅是我们传统认识上的沼泽、泥炭地、滩涂等，还包括河流、湖泊、水库、稻田以及退潮时水深超过6米的海水区。

湿地是水陆系统相互作用形成的独特生态系统，具有季节性或常年积水，生长或栖息喜湿动植物等基本特征，是自然界最富生物多样性和生态功能最高的生态系统，被喻为“地球之肾”。

联合国环境署2002年的研究数据表明，一公顷湿地生态系统每年创造的价值高达1.4万美元，是热带雨林的7倍，是农田生态系统的160倍。

湿地国际组织将每年的2月2日定为世界湿地日。

2． 湿地净化水质机理

湿地对水质的净化是一个复杂的过程，是湿地理化、生物作用综合效应的结果。包括沉淀、吸附、离子交换、络合反应、硝化、反硝化、营养元素吸收、生物转化和微生物分解等过程。

湿地植物在湿地系统中具有三个间接的重要作用：一是显著增加微生物的附着(植物的根、茎、叶)；二是湿地植物可将大气氧传输至根部，使根在厌氧环境中生长；三是增加或稳定土壤的透水性。

二 人工湿地 1. 人工湿地的概念

人工湿地概念是，由人工建造和监督控制，充分利用湿地系统净化污水能力的特点，通过自然生态系统中物理、化学和生物的三重共同作用来实现对污水的

净化。

这种湿地系统是在一定长宽比及底面有坡度的洼地中，由土壤和填料（如卵石等）混合组成填料床，污染水可以在床体的填料缝隙中曲折地流动，或在床体表面流动。在床体的表面种植具有处理性能好、成活率高的水生植物（如芦苇等），形成一个独特的动植物生态环境。

2. 人工湿地的分类

人工湿地因水流方式差异可分为以下3类：

表面流湿地（Surface Flow Wetlands缩写为SFW）：废水在填料表面漫流，它与自然湿地最为接近，绝大部分有机物的去处是由长在植物水下茎、杆上的生物膜来完成。这种湿地不能充分利用填料层极丰富的植物根系，卫生条件也不好，故设计中一般不采用。

潜流湿地(Subsurface Flow Wetlands缩写为SSFw)：水在填料表面下渗流，因而可充分利用填料表面及植物根系上生物膜及其他各种作用处理废水，而且卫生条件较好，故被广泛采用。

立式流湿地(Vertical Flow Wetlands缩写为VFW)：水流动况综合了SFW 和SSFW 的特点，但其建造要求高，易滋长蚊蝇，目前亦不多用。

3. 人工湿地的组成

人工湿地主要由五部分组成：一是具有各种透水性的基质，如土壤、砂、砾石；二是适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物，如芦苇等；三是水体(在基质表面上或下流动的水)；四是无脊椎或脊椎动物；五是好氧或厌氧微生物种群。

4. 人工湿地的特点

人工湿地处理系统的特点是：建造和运行费用便宜；易于维护，技术含量低；可进行有效可靠的废水处理；可缓冲对水力和污染负荷的冲击；可产生效益,如水产、畜产、造纸原料、建材、绿化、野生动植物栖息、娱乐和教育。对污染水进行处理。

5. 人工湿地的不足

人工湿地处理系统的不足之处是：占地面积大；不精确的设计运行参数；生物和水力复杂性及对重要工艺动力学理解的缺乏；易受病虫害影响。

6. 人工湿地技术的发展

第一个人工湿地的试验始于1974年，是在西德进行的, 运行结果相当理想。我国在“七五”期间开始了人工湿地的研究。

三 工程实例

1. 南京市建邺区南胡公园

南湖公园湖泊面积约5.6万㎡。

距离湖岸边3米处将建立环湖雨水收集渠，收集渠底部铺垫鹅卵石和粗沙，靠湖一侧留有出水孔，经鹅卵石和粗沙过滤后的雨水经出水孔流到人工湿地；在距离河岸3米范围内种植40㎡的香蒲、36㎡的水葱、72㎡的狭叶子大功劳及54㎡的睡莲等多种植物，再次对雨水进行净化，经过净化后的雨水流入南湖。

人工湿地总面积约4000㎡。另外，人工湿地与自然湖泊之间有近1米的落差，建成人工叠层瀑布，通过大型水泵将湖水抽到湿地，过滤、净化后的水又以瀑布的形式流入湖中。

2. 上海市徐汇区爱建园小区

面积在100多㎡，在局部范围内具有净化功能的小型“人工湿地园林” “上海湿地资源在城市绿化建设的应用途径研究”课题负责人崔心红博士介绍，水体的设计采用“复合垂直流”结构，分为具有落差的两个部分。水池最上层铺设扎有距离不等的小孔的水管，水下的第二层是40公分的砂层，最下层则是10公分的砾层，这个系统有助于水体流动，保持水体洁净。在第二层的砂层，种植着根系发达的水生美人蕉、小香蕉、欧洲芦荻、千屈菜等水生植物，与水中的小动物、微生物之间形成食物链，以净化水质。

3. 汉阳小莲花湖

建成运转的汉阳小莲花湖边1200㎡的人工湿地，该人工湿地由中科院水生

所主持修建。湿地中栽种有美人蕉、鸢尾等水生植物。每日可处理600立方米湖水，原属劣五类的湖水经过湿地的净化后，将达到三类水体水质要求。

4. 北京元大都公园

湿地位于元大都公园的东端，轻轨线与土城护城河（小月河）斜向交汇出一块三角地，形似龙头。目前已建成的面积达到17000㎡，名为“龙泽鱼跃”。端清澈的小溪，畅游的鱼儿，栖息的野鸭。是目前北京城区内最大的人工湿地。

湿地内种植有水生鸢尾、千屈菜、水葱、睡莲、芦苇等水生植物，还活跃着青蛙、泥鳅、小鱼、蜻蜓以及野鸭等。

5. 北京生命科学园

规划的园区水系统包括6部分：

(1)园区内各建筑组团产生的生活和实验室污水收集系统，位于地下；

(2)位于园区西北的生活污水污水处理温室，收集的污水在这里进行2级处理；

(3)环绕园区的线状湿地系统，经初步处理的污水缓慢绕园一周后成为干净水源进入；

(4)以湖泊水面、挺水植物群落为主的中央湿地；

(5)屋顶和园内绿地在降雨情况下形成的径流直接进入湿地系统，在绿地需要灌溉季节，可以直接从湿地系统取水；

(6)园区和外界的水交换系统。

6. 北京官厅水库黑土洼湿地

黑土洼工程包括库滨带和稳定塘两部分。库滨带工程是根据黑土洼沟区域地形、地貌及运行水位条件，沿黑土洼沟周边建设库滨生态系统，按照高程分别设置乔木带、灌木带、挺水植物带、沉水植物群落。溢流坝围成84万㎡的水域，形成稳定塘。

用隔膜将稳定塘沿纵向分隔为三个功能区：沉沙区、浮水植物区、厌氧净化区。永定河的来水经过引水工程进入黑土洼稳定塘后滞留一段时间，在沉沙区进行初步沉淀；水流在进入浮水植物区、厌氧区后，水中的生物链抑制藻类生长，

水生动植物和微生物直接从水中吸收和降解氮、磷等有机物，降低水库的富营养化指标，大部分悬浮物将在这一区域消失，水质得到净化。

示范工程建设2．52公顷水面的浮水植物带和6．84公顷的库滨挺水植物带。 为保持良好的水质，防止植物腐烂污染水体，浮水植物要求按季打捞、移种，库滨带的香蒲、芦苇、水草等植物要求在秋季收割，湿地中的杂草和凋谢物要及时清除。

7. 云南省澄江县抚仙湖湿地

云南省澄江县抚仙湖边的马料河湿地，人工栽种的水藻和水草充分吸收污水中的营养成分，把生活污水和农业生产污水变为清水后再流入湖泊。该工程占地近30亩，2003年10月建成运行，每天可净化污水4万多立方米，净化后的水质优于地表水三类标准。

8. 深圳市区内洪湖公园

在这块占地２３００㎡的人工湿地上，栽有芦苇、美人蕉等５、６种热带和亚热带植物，下面铺有沙子、细石等填料。

这块人工湿地可日处理污水１０００吨，与同等规模污水厂相比，人工湿地的建设费、运行费只是后者的二分之一和五分之一。

9. 云南红旗河口湿地

红旗河口生物减污试验示范工程主要包括水生植物种植示范区和漂浮植物净化区两块，总面积35公顷，总投资121.48万元。于2002年初开始建设，现在已经形成了两块分别以香蒲、茭草等挺水植物和凤眼莲、菱角为主的湖滨湿地，其植被覆盖率达到90％以上。

湿地中的水生植物在经过人工打捞、处理后，在去除了湖泊营养负荷的同时，也杜绝了“二次污染”的发生。

10. 云南窑泥沟湿地

窑泥沟湿地位于窑泥沟（农灌中沟）入湖口，占地22.5亩，工程总投资167.98万元（其中土地征用费58.5万元），日处理能力5720吨。

在投资与运行上，，污水处理厂的污水处理费用远远大于人工湿地如：禄充污水处理厂建于2001年8月投入使用，日处理污水1000吨，处理的是污染程度较低的污水，处理一吨污水的费用是0.55元，而窑泥沟湿地处理一吨污水的费用只有0.05元，是禄充污水处理厂的十分之一。而且人工构造湿地的建设费用也远远低于污水处理厂。

11. 北京奥林匹克公园

奥体公园水系面积约120公顷，每年需补水2000万立方米，日需水7．5万立方米。

为进一步改善中水水质，合理构建水生态系统，公园还将在湖畔规划修建人工湿地、渗滤沟、绿化过滤带、氧化塘等，让中水和雨水经过湿地处理后进入奥运湖。

另外，公园内所有非市内交通用途的道路将全部铺设透水路面，让地面具有很好的雨水回渗功能，增加水资源可利用量。并考虑将绿地较周围路面低5至10厘米，用以滞蓄、销纳屋顶和路面降雨。

12. 日本坂川古崎净化场

古崎净化场是利用卵石接触氧化法对水体进行净化。净化场主体结构是高

4.5m、长28m 的地下矩形廊道，内部放置直径15～40cm不等的卵石。用水泵将河水泵入栅形进水口，经导水结构后水流均匀平顺流入廊道。另外有若干进气管将空气通入廊道内。净化作用主要由以下三方面组成：①接触沉淀作用：污水经过卵石与卵石间的间隙，水中的漂浮物触到卵石即沉淀；②吸附作用：由于污染物自身的电子性质，或由于卵石表面生物膜的微生物群产生的黏性而产生吸附作用；③氧化分解作用：卵石表面形成一种生物膜，生物膜的微生物把污染物作为食物吞噬，然后分解成水和二氧化碳。通过净化场后，水质明显提高，效果十分显著。

13. 日本渡良濑蓄水池的人工湿地

渡良濑蓄水池位于日本枥木县，是一座人工挖掘的平原水库，总库容2640万m3，水面面积4.5km2水深6.5m 左右。

渡良濑人工湿地在蓄水池出水口建高3.5m、宽40m 的充气式橡胶坝，用以控制出水口。水流经引水渠到达设于地下的泵站。其所以设于地下，是为满足景观的要求。泵站安装单机流量为1.25m3/s的两台水泵。水体加压后流入箱形涵洞再流入芦苇荡。芦苇荡占地20hm2，最大净化水体能力为2.5m3/s。水流在芦苇荡中蜿蜒流动，以增加净化效果，遂从出口汇入集水池，再回到蓄水池，完成一次净化循环。人工湿地内主要种植芦苇，高2～3m。此外，还种植同属稻科的荻，高为1.0～2.5m。

在蓄水池中部建一批人工生态浮岛，种植芦苇等植物，其根系附着微生物，可提供充足氧气，并通过迁移、转化水中的氮、磷等物质，降解水中有机质。浮岛还设置为鱼类产卵用的产卵床，也为小鱼设有栖身地，水中的浮游植物成了鱼饵。

14. 韩国良才川水质生态—生物修复设施

采用卵石接触氧化法。净化设施日处理能力为32000t。净化的工作流程如下：拦河橡胶坝（长18m、高1m）将河水拦截后引入带拦污栅的进水口，水流经过进水自动阀，经污物滤网进入污水管，污水管连接有４座污水孔墙，污水孔墙两侧各有一座接触氧化槽（长20m、宽13.6m、高14.8m），共有8座。污水从孔墙的孔中流入接触氧化槽，氧化槽中放置卵石，污水通过氧化槽得到净化后分别流入４座清水孔墙，再汇集到清水出水管中，由清水出口排入橡胶坝下游。

五 人工湿地可能存在的问题及解决办法

1. 蚊蝇孽生

蚊子的幼虫多生活在溶解氧较低的水中，如果水体流速大于0.09米/秒，则蚊虫幼虫基本不能存活。

2. 水生植物病虫害传播

由于人工湿地创造了高湿的环境条件，易引发病虫害的传播。应该在日常养护管理中注意观察，及时将病株挖出隔离。

3. 净化能力不足

人工湿地所接纳的污水应在湿地内停留15小时以上，才会形成良好的净化效果。由于面积的和水体流速的限制，其净化能力可能受到影响。同时人工湿地的建设初期需较长时间才能形成稳定的菌群数量。可考虑联系专业机构进行菌种投放，从而加快菌群的形成。

4. 水生植物残体分解带来的二次污染

水生植物的死亡及自然更新，其枯枝败叶被微生物分解会导致水体的二次污染。在日常管理中应及时将植物残体去除，并在秋季对植物枯死的地上部分予以收割。

5. 安全性

由于湿地水池与人工湖湖面存在80cm 左右的高差，应采取相应安全措施如：加装护栏、温馨提示、专人巡逻等，防止游人失足跌入人工湖。