人工湿地技术及其在富营养化湖泊污染控制中的应用
我国大部分湖泊水体水质下降，生态系统退化，蓝藻水华频繁暴发，湖泊富营养化呈现迅猛发展的趋势。国家环保总局2005年1月地表水水质报告显示：包括太湖、巢湖、滇池在内的我国大中型湖泊富营养化形势十分严峻。在湖泊富营养化水体的控制措施中，减少外源性污染物质尤其是外源性营养物质进入湖泊，是控制湖泊富营养化的关键措施之一。人工湿地技术是一种控制水体污染的生态工程措施，对水体富营化的关键因子氮、磷有较好的去除效果，在富营养化湖泊外源控制中，有着广阔的适用前景。
1 人工湿地技术类型及其去污机理
1.1 人工湿地技术及基本类型
人工湿地技术由天然湿地发展而来，是由特定的介质(按一定比例设计的填料，如土壤、砂或砾石等)，特定的植物(去污性能好、成活率高、耐水渍性强、生长期长、美观且有经济价值的水生或湿生植物)所组成的复杂、独特的生态系统。它改变了湿地的传统形态，通过科学的设计和改造，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对水体的净化。
按污水在人工湿地中流动的方式，一般可将人工湿地分为三种类型：表面流湿地(FreeSurfane Wetland，FSW)、潜流湿地(Subsurface Flow Wetland，SFW)和垂直流湿地(Vertical Flow Wetland，VFW)。
1.2 人工湿地去除营养物质的机理
人工湿地有着独特的吸附、降解去除水中多种污染物的功能。在这一过程中主要包括复杂界面的过滤过程和生存于其间的多样性生物群落与其环境间的相互作用过程。该过程既有物理的作用，也有化学和生物的作用。物理作用主要是湿地的过滤、沉积和吸附；化学作用主要是湿地床中砾石一土壤对金属离子的化学沉淀与离子交换；生物作用包括微生物的降解、转化和植物的吸收。
氮、磷等营养物质浓度的提高是导致湖泊富营养化的关键因素。人工湿地系统中氮的去除主要依靠微生物的分解转化作用和植物的吸收同化作用完成的。进入湿地系统中的氮主要以有机氮和氨氮的形式存在。在人工湿地系统内，植物光合作用过程中将氧通过植株-根系向湿地床输送，使得系统内部存在许多好氧、缺氧和厌氧微环境，为微生物的硝化和反硝化作用创造了良好条件。首先，水中的有机氮被异养微生物(氨化细菌)转化为氨氮，而后硝化细菌在好氧环境下将氨氮转化为亚硝态氮和硝态氮，最后通过反硝化微生物的脱氧作用以及植物根系的吸收作用将无机氮从水中去除。
人工湿地对磷的去除作用包括介质的吸收和过滤、植物吸收、微生物去除等。无机磷的吸收和过滤去除作用因湿地床的填料不同而存在差异。植物生长过程中通过同化作用将无机磷变成植物体的组成部分，最后通过收割去除。微生物对磷去除包括对磷的正常吸收和对磷的过量积累，不同含氧状态的人工湿地根区类似于污水脱氮除磷系统的A2A2O处理单元，使某些细菌在厌氧条件下吸收低分子的有机物(如脂肪酸)，同时将细胞原生质中聚合磷酸盐异染粒的磷释放出来(释磷)，并提供必需的能量以便它们在好氧条件下从水中吸收超过其生长所需的磷(聚磷)，并以聚磷酸盐的形式成为微生物细胞的内含物而被贮存起来，因此人工湿地有较高的除磷效果。
2 人工湿地技术发展现状及其在湖泊外源污染控制中的应用
2.1 人工湿地技术发展现状
人工湿地的起源可追溯到20世纪50年代。
1953年，德国学者首次指出通过种植适当的植物可以降低水体污染，其后Seidel博士同Kickuth博士合作，并由Kickuth博士于1972年提出根区理论，该理论的提出掀起了人工湿地研究与应用的热潮。1974年德国建成第一个人工湿地污水处理系统以来，该处理工艺飞速发展。随着人们对它认识的不断深入，人工湿地技术也在不断的发展与进步。
2.1.1 人工湿地技术应用范围的扩展
早期人工湿地主要用于处理城市生活污水或二级污水厂出水，随着对人工湿地技术的不断研究和探索，人们逐渐认识到了人工湿地更为广泛的应用前景，人工湿地开始逐渐应用于农业面源污染治理、城市或公路径流等非点源污染治理和湖泊富营养化治理中。
2.1.2 人工湿地技术的改良和创新
早期的人工湿地技术在功能和应用上普遍比较单一，仅作为污水处理工艺的一部分或仅单级系统对受污染水体进行净化。随着对人工湿地认识的不断进步，目前已有多种功能和类型的人工湿地应用于实践中，包括流态的组合和技术的改良。如中国科学院水生生物研究所的复合垂直流构造湿地系统，采用下行2上行流方式对污水中有机物、悬浮物和N，P等营养物质进行去除，其中试系统对COD、TSS和BOD的去除率分别为66.1%、72.4%和76.7%；实际工程对COD去除率为82.6%，BOD的去除率达到85.8%；北美湿地工程公司(NAWE)借鉴污泥回流技术和鼓风曝气开发了循环流湿地工艺和通风强化床工艺，这些工艺目前已被成功应用于气温较低和污水浓度较高的人工湿地净化工艺中。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研究。例如，选择适当操作方式以防止填料的堵塞；选择新型的填料以确保长期的除磷效果；选择新型的水生植物以提高湿地系统的综合效益等。
2.2 目前我国湖泊富营养化外源控制现状
绝大多数水体富营养化主要是外界输入的营养物质在水体中富集造成的，所以控制外源性营养物质，应该着重减少或者截断外部营养物质的输入。有效地控制面源和点源污染是湖泊富营养化治理的重要前提。
目前我国污水处理厂主要针对工农业废水和生活污水的点源污染，而且主要控制指标为有机物、重金属等，对氮磷的控制效果不理想，出水氮磷含量很难达标。大量氮磷含量较高的处理厂出水直接排入湖泊水体，导致氮磷等营养物质逐渐在湖泊水体中富集。如果在生化处理中加入脱氮除磷工艺削减出水氮磷含量，则投资又相对较高。采用人工湿地技术，可以有效缓解目前我国污水处理厂面临的氮磷去除方面的压力。另外在面源控制方面，农业面源污染占湖泊富营养化外源输入的一个很大的部分，而且由于农业面源污染比较分散，污水量大面广，一般治理技术都很难见效，治理难度大。从美国、日本等发达国家对农业面源污染治理，尤其是目前的发展趋势来看，采用人工湿地、土地处理系统等来进行农业面源污染治理居多。
2.3 人工湿地在湖泊外源污染控制中的应用优势
人工湿地作为一种独特的生态系统，以其特有的生态功能和存在形式及特点，能够在湖泊点源和面源污染控制方面发挥巨大的优势。
2.3.1 点源控制方面
我国目前城市污水厂主要针对的是高浓度有机物、重金属等废水的处理，忽视了对出水氮、磷的控制，导致其出水内大量含氮、磷等的营养物质直接排放进入水体，引起氮、磷等在水体内的富集，这是造成水体的富营养化重要原因之一。加强点源控制，应对城市污水处理厂的出水该考虑生态处理，削减出水氮、磷含量。人工湿地技术易与城市污水处理
工艺相结合，在削减氮、磷含量的同时，还可以进一步提高出水水质，同时人工湿地的低投资，低运行管理费用和适应性强使之能在点源控制中发挥重要的作用。
2.3.2 面源控制方面
在我国目前富营养化湖泊的治理和控制中，农业面源污染已成为一个亟待解决的问题。农业面源污染分散，污水量大面广，具有不稳定性，农村生活污水中氮、磷含量较高，未经处理直接排入湖泊水体，造成的污染十分严重，一般的治理技术难以应对此类型的污染。人工湿地生物和物理作用，适应了农业面源不稳定特性，而且其本身具有很大的灵活
性，对面源污染物有较好净化作用，能够应用于小城镇的生活污水处理中，大幅度削减农业面源给湖泊水体带来的负担，目前已有人对人工湿地在太湖流域小城镇生活污水治理的可能性进行了探讨。
在美国、德国等国家，人工湿地技术已成功应用于农业面源的控制中。对于地表漫流和暴雨径流等非点源污染，则可以通过收集，利用人工湿地进行净化。国外应用人工湿地净化污染水质方面已有许多成功的实例。德国利用水平流和垂直流湿地芦苇床系统处理富营养化水体中营养物质(N、P等)，并进行比较，结果表明，超过90%的有机污染和N、P等污染被去除。美国田纳西州人工湿地系统试验在不同水力负荷下对氨氮、总氮的去除规律，实验结果表明，二级系统氨氮去除率较一级系统高20%～50%，周期性落干可提高氨氮的去除率，水力停留时间的增长可以改善总氮的去除效果。加拿大潜流芦苇床湿地系统在植物生长旺季中的TN平均去除率为60%，TKN为53%，TP为73%，磷酸盐平均去除率为94%。英国芦苇床垂直流中试系统用于处理高氨氮污水，平均去除率可达93.4%。
我国进行人工湿地处理系统研究开始于“七五”期间，起步较晚，应用也较少，主要有天津芦苇湿地工程、北京昌平自由表面流人工湿地和深圳白泥坑人工湿地等。“八五”期间我国进行了全国范围的土地处理系统研究，但对人工湿地技术的研究还相对落后，应用范围较窄，主要集中在小试和中试规模的机理研究上。随着对人工湿地技术认识的不断进步，人工湿地在我国的应用越来越广泛，目前已有许多人工湿地工程投入运行，并达到了良好的效果。沈阳满堂河生态污水处理示范厂采用以人工湿地处理为主，浮动生物床预处理为辅的组合工艺，主要处理污染较重的满堂河水及沿岸的重点生活污染源排水，其出水水质达到了回用于景观水体的水质要求。
深圳洪湖人工湿地采用复合垂直流湿地系统，将污染较重的布吉河水通过湿地净化为洪湖补充清洁水，其出水水质参数中非离子氨和BOD能达到I类水质标准，COD能达到Ⅱ类标准，TN和TP能达到湖泊水库Ⅳ类标准；处理出水DO大大增加，各项污染指标的去除率均在80%以上。
近年来，我国湖泊富营养化日益严重，人工湿地在富营养化外源控制中的作用也逐步受到重视，但利用人工湿地技术控制湖泊富营养化外源污染的研究在我国刚刚起步，目前大多数研究和应用都集中在富营养化水体的治理方面。1994年，我国在滇池建立的人工湿地系统用以处理滇池流域农业面源污染，根据14个月运行监测，该湿地系统对TN平均去除率为35.5%～60%左右，对TP平均去除率为24.4%～47.8%。2002年，中国科学院南京地理与湖泊研究所和云南玉溪市环科所设计的抚仙湖人工构造湿地开始投入运行，监测结果表明对各项污染指标的去除率分别达到：COD87.8%、BOD68.7%、SS96.3%、TP32.4%、TN36.0%，出水水质也由处理前的Ⅳ类水质提高到Ⅲ类水质。2002年官厅水库潜流人工湿地处理系统，对官厅水库受污染水进行处理，结果表明当进水中的TN和TP浓度分别在5.0～9.0mg/L和0.65～0.85mg/L之间波动时，潜流人工湿地对它们的去除率分别为50%和40%左右，在夏季，系统对COD和NH42N的去除率可达50%和70%。
3 结 语
人工湿地技术在水污染控制方面的应用正处于快速发展时期，而人工湿地净化机理方面的研究则相对滞后，目前人工湿地对各种污染物的去除反应动力学模型仍未完整地建立起来，现有的模型基本为一些经验模型而无法得到广泛的应用。另外，人工湿地的实际应用中，由于各地选用的湿地类型不同，气候、规模、负荷、系统布置、植物选取等也各有差异，因而很难有统一的设计和运行参数进行指导，在提高冬季湿地的运行效果和介质防堵塞的问题上，仍然还有大量的研究工作要做。
人工湿地技术是一种近自然型水质净化新技术，深入开展人工湿地的研究与应用对控制我国湖泊面源污染具有深广意义。
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