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爱尔斯微课堂|梯级人工湿地对水污染的生态修复效果研究概况（一）
近年来，我国各地日益加大了对水处理设施的建设，其中人工湿地对于污水处理有显著优势。从1903年第一个使用湿地处理污水的英国学者开始，人类对湿地的潜能就在不断地探索和创新，基于人工湿地具备出水水质稳定、运行成本低、维护技术要求低、生态环保和效益高等特点，未来它的使用将越来越普遍。
结合实际运用人工湿地可分为多种类型，按照其系统布水方式或者水流方向，可分为表面流人工湿地（SFCW）、潜流人工湿地（SSFCW）。其中，潜流人工湿地又可以划分为两类：水平潜流人工湿地（HSCW）和垂直潜流人工湿地（VFCW）。而梯级湿地对污染物的去除效率显著高于单级人工湿地，应结合当地污水的特点，采用不同湿地植物、工艺流程配合进而去除N、P、NH4+-N和COD等污染物。
梯级湿地在生活污水中的应用效果
农村地区人口密度低，可用土地面积广，因地制宜进行湿地的建设，可将公园、景观池以及水塘等进行改造，所以湿地一般多用于农村，少用于城市。农村生活污水的特性是：①污水日夜变化系数大，居民用水分布较为分散，水量较小，管网收集系统不完善，污水处理设施较少，随机性强；②生活污水浓度低，变化大；③大部分生活污水的性质相差不大，水质波动大，可生化性强；④厕所排放的污水水质较差，但可进入化粪池用作肥料。部分病原微生物会以生活污水中含有的有机物作为养分而肆意繁殖，进而影响了人类身体健康和生活质量，并造成了传染病的出现和蔓延。近年来，梯级人工湿地各类组合工艺对生活污水中TN、TP、COD和NH4+-N的去除效果，见下表。
梯级湿地在生活污水的去除率（图中数据单位为%）
刘峰等人将垂直流-表流串联人工湿地系统处理生活污水根据装置内是否添加活性污泥、是否种植植物分为A、B两个实验。研究结果表明，污染物的去除主要发生在垂直流湿地中，添加活性污泥和植物对于污染物的去除效果有明显的改善。万玉文等人研究多级表面流人工湿地队伍浓度高的污水有更好更稳定更快度的去除效果。TN、TP、COD和NH4+-N等指标是污水处理中部分重要因素，还有很多其他指标，例如欧阳彤等研究多级AO+潜流湿地对生活污水中的EDCs及常规污染物的去除，多级AO+人工湿地对内分泌干扰物E1（雌酮）、E2（17β-雌二醇）、E3（雌三醇）和EE2（α-乙炔基雌二醇）的总去除率可分别达96.04%、92.45%、85.09%和88.38%。薛彦茵等人研究复合垂直流-水平流人工湿地系统随季节变化对部分污染物的去除效果，得出夏季的去除效果优于春秋的去除效果，TN、TP、COD和NH4+-N去除率可达到90.51%、96.30%、81.34%和91.73%；因受气温影响，植物大多不能正常生长，所以冬季的去除效果最低，去除率为31.63%、28.82%、25.27%和27.91%。
梯级湿地在市政用水的应用效果
市政污水主要来源于机关、商业、城市公共设施的污水和工业生产废水，污水中的污染物有动植物油、悬浮物、碳水化合物、蛋白质、表面活性剂、氮和磷的化合物以及微生物等。市政污水的特点①有机物含量低，污水的水质中可能携带微生物细菌以及病毒、处理过程一定要做好相关防护；②污泥质量差，碳水化合物的含量高而脂肪类的含量低；③我国市政污水中工业废水占比较大；④市政污水的来源分布广泛。
随着城市建设的发展、人们生活水平的提高，市政污水量也越来越多。市政污水涵盖范围广，水源丰富，处理时中水的水质变化大、使用范围广而且处理起来较为困难。处理前的污水中含有较高浓度的有机物，并且水质中的总溶解固体、BOD、COD、SS和氨等污染物的浓度变化较大，给污水处理带来了很大的困难。近年来很多学者在研究如何利用人工湿地的优势来净化市政用水。刘臻等人提出初期雨水径流多功能塘-梯级人工湿地处理技术，根据雨水的污染特征及其影响因素进行设计实验，得出多功能塘对初期雨水径流中颗粒性污染物去除有显著的效果，前期地表径流通过6h的预处理后，TN、TSS、COD和TP去除率分别是26.23%-23.90%、72.58%-86.34%、34.68%-67.19%和32.53%-75.86%，去处效果有明显的改善。林艳等人研究梯级渗滤人工湿地处理人工湖补水的污水，将湿地分为3级，对TN、TP、COD和NH4+-N的去除率平均在47%、55%、75%和75.5%左右。夏品华等人开发了梯级滞留塘/人工湿地生态净化技术，并在示范工程中进行实践。实验证明和潜流碎石床湿地相比，滞留塘更适用于山区河流污染的治理，梯级滞留塘系统工艺对TP、TN和NH4+-N的去除率分别可达 72.73%、40.24%和63.14%。
由于冬季气候原因，人工湿地的去除效果增加了很多的局限性。由于低温导致水面结冰，大多数的水生植物会受气温的影响而不能正常生长，抑制了湿地净化水质的作用。不同月份水生植物去除水体氮磷的效果有很大的差异，所以在冬季时需要选用耐寒性较强的水生植物，并且在植物枯萎时要进行及时的收割，避免造成二次污染。唐树平等人研究了不同月份西伯利亚鸢尾、菹草、狐尾藻、伊乐藻和燕麦草５种水生植物去除水体氮磷的变化特点：11和3月水生植物去除水体中氮磷的效果较好，12、1和2月去除效果较差。郭萧等人利用梯级河滩湿地净化贾鲁河水，研究了冬季植被的发育情况和水质净化效果，得出在水力负荷为140m3/（m2·h）连续运行时，人工湿地对河流水中COD、TN、TP和NH4+-N的去除率平均为29%、32%、67%和55%。
梯级湿地在工业用水的应用效果
随着科技的发展，工业废水的类型和用量日益增加，已成为自然界的公害。工业废水的来源广泛且差异性较大，其中造纸业、纺织业、化学、含油、农药、炼钢、制药、食品加工及饮料酒生产等产生的废水量大且污染严重。各工业废水中有机化合物、重金属、氮磷营养物、油脂类、色度、悬浮物、酸碱和细菌等的去除也是目前工业废水处理时所遇到的非常棘手的问题之一。工业废水的特点是：①高有机污染物浓度；②高含盐量；③高悬浮物浓度；④呈酸碱特性；⑤生化可降解性低；⑥具有色度；⑦水量和浓度波动大。
人工湿地在一定程度上实现了工业废水经过过滤、吸附以及离子交换等复杂过程后的水质净化目标，它是通过湿地系统中的营养物质以及水分的循环作用，使绿色水生植物快速生长，并达到净化湿地水质，使废水资源化的最终目标。人工湿地技术处理中有3种典型工业废水，即含重金属废水、高耗氧量废水和含油废水，基本涵盖了大部分的工业废水类型。
随着我国产业技术的进步，目前高污染性的工厂及工业园的建设的选地也逐渐转移到人烟稀少、土地广阔的乡镇地区，给我国村镇水资源及生态环境带来了威胁。满滢等人利用广谱高效毒害有机物的降解菌，研究固定化微生物反应器-人工湿地（IMR-ICW）的组合工艺对工业型村镇废水处理的工程应用研究。工程运行结果表明，组合工艺对COD、TN、NH3-N、TP和TSS的平均去除率分别达到 71.5%、59.5%、56.9%、46.0%和82.9%。近年来，河水、湖泊等水体富营养化现象加剧，影响其原因是水体中氮磷含量的超标。研究处理咸化富营养化水的脱氮机理就显得更为迫切。刘亚飞等人将实验分为有植物组和无植物组，实验表明湿地中随着盐浓度的升高，NO3-N的去除率均可大于95%。实验还表明在湿地系统中，除磷效率高且不受盐浓度的影响，在不同的盐浓度下，湿地除磷的效率均>90%。除磷效果主要依靠基质的吸附作用，是否种植植物在整个湿地除磷过程的作用并不显著。人工湿地对绝大多数污染物，包括SS、可降解有机物、氮磷化合物、重金属、表面活性剂和油脂类等，在适宜的条件下，均可有效地净化处理。并且人工湿地不管在建设方面、人工方面或是药剂方面，成本都是非常低的，这也是人工湿地处理工业废水的绝对性优势。湿地植物后期还可作为景观植物，后期维护相对方便，综合效益较高。
下篇将介绍3个国内典型人工湿地示范工程，敬请关注。
来源：环境保护科学 期刊
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