人工湿地污水处理系统的应用研究及其发展前景
摘要根据自然湿地净化污染物的基本原理建立起来的人工湿地污水处理系统，充分利用湿地环境中发生的物理、化学和生物学作用的综合效应净化废水，它们包括沉淀、吸附、过滤、气化、固定、离子交换、络合反应、硝基化、反硝基化、营养元素的截取，生物转化和细菌、真菌的异化作用等具体过程。本文对人工湿地的废水处理系统和其在实践应用中的净化机理、构建类型及其应用前景作了简要介绍。
关键词人工湿地净化机理应用类型
各种水处理技术在实际应用中取得了不断的发展，特别是作为二级处理的活性污泥法以其工艺相对成熟、运行稳定、处理效果好而成为城市处理的主流工艺，但传统的活性污泥不仅基建投资大，运行费用高，且主要以去除碳源污染物为目的，对N、P等营养物质的去除微乎甚微，经处理后的出水排入水体后仍将引起“富营养化”等环境问题，三级处理虽可解决上述问题，但因投资和运行费用昂贵而难以大面积推广，同时事实也说明，单纯依靠传统的人工处理方法在我国当前的情况下尚难以从根本上解决水污染问题，只能延缓其发展趋势（王薇等，2001）。70年代以来，人工湿地处理技术的提出和发展，为综合解决上述问题提供了一种新的选择。
人工湿地作为一种新兴的生态废水处理工艺，与别的废水处理工艺相比，人工湿地具有其明显的优点：出水稳定、建造及运转费用低、维护简单、效果好，适用面广、对负荷变化的适用能力强。湿地处理系统不仅可处理耗氧有机物和氮、磷等营养物为主的生活污水，而且对含重金属、酸性有机与无机矿物质等工业废水也有良好的去除效果，另外建造的人工湿地还可为众多野生动物提供栖息地和具有美学价值等优点（Drizo等，1999；Sun等，1997）。这使得20世纪80、90年代，人工湿地在发达国家和发展中国家的城市生活污水中得到了广泛的应用。本文对人工湿地的废水处理系统和其在实践应用中的净化机理、构建的类型及其应用前景作了简要介绍。
1.湿地的概念
对湿地最通俗的理解是有水的陆地。换句话说，湿地可被视为一个内部过程长期为水所控制的生态系统（殷康前等，1998）。
到目前为止，对湿地仍未有明确的定义，这是因为湿地分布广泛，种类繁多，相互之间差异很大。不同学科的学者从不同角度对湿地下的定义有所不同。从动力学角度来看，湿地是区别于其它地貌系统（如河流地貌系统、海湾、湖泊等水体）的，具有不断起伏水位的、水流缓慢的浅水地貌系统（Mitsch等，1994）；从生态学角度来看，湿地是陆地与水生系统之间的过渡地带，其地表为浅水覆盖或者其水位在地表附近变化(Wilen 等，1993)；从资源学角度来看，凡是具有生态价值的水域（只要其上覆水体水深不超过6m）都可视为湿地加以保护，不管它们是天然的还是人工的、永久的还是暂时的(Wilen 等，1993)；而美国工程学会则干脆把湿地定义为在一定的频率和延续时间内被地面水或地下水淹没或浸润的地区(Wilen 等，1993)。从系统观点来看，湿地是一个半开放半封闭的系统，一方面湿地是一个较独立的生态系统，它有其自身的形成发展和演化规律，另一方面，湿地又不是完全独立，它在许多方面依赖于相邻的地景系统，和它们发生物质和能量的交换，也影响邻近系统的活动（Champion,1995）。
总之，湿地可归纳为是陆生生态系统和水生生态系统之间具有独特水文、土壤、植被与生物特性的生态系统，是人类重要的环境资本之一，被称为“自然之肾”
2.自然湿地生态系统的功能
湿地是重要的自然生态系统，也是最具有生物多样性的生态系统。湿地保护在维护大自然生态平衡、维持人类赖以生存的环境，保护生物多样性，有着很高的生态价值（中国湿地植被编辑委员会编著，1999）。
（1）清除污染、净化环境的功能
湿地土壤及生存于其中的多种植物群落、微生物群落具有吸附，吸收和分解污染物，净化环境的功能，它们在去除悬浮物，促进营养物质循环，产生氧气等方面亦有重要作用。因而湿地被喻为“自然之肾”，充当环境的过滤器，这种过滤器的优点具有环境和社会效益。沼泽还具有净化环境空气、吸附粉尘、净化污水的作用。
（2）湿地具有蓄水、调节气候和河川洪水的功能
沼泽土壤多为泥炭沼泽土和泥炭土，泥炭的空隙度大，呈海绵状，具有强大的持水能力。沼泽生长着茂盛的沼生植物和湿生植物，覆盖度达80%以上，植物的蒸腾量在总蒸腾量中起重要作用，沼泽蒸发量（包括植物蒸腾和株间蒸腾）大于同一气候类型下的裸地蒸发量。所以在干旱和半干旱地区，沼泽在调节气候方面的意义更大。
（3）沼泽还影响着大气的气体组成，吸收二氧化碳，释放大量氧气
根据布罗杰夫（1977年）资料，地球上的沼泽每年向大气圈释放1.6×108吨氧气，有利于全球CO2的平衡。
（4）湿地植被防止风土破坏和水土流失
湿地植被能防止或减轻洪水、强风对河口、江河岸和海岸线的侵蚀，特别是我国南方热带和亚热带沿海的红树林，具有削弱海浪和水流的冲力，有助于沉积物的沉降，保护海岸，同时防止暴风侵袭和减弱风力，保护农田和建筑物。
（5）湿地是物种基因库
湿地生态系统具有生物多样性的特点，是自然的优良物种基因库。1993年美国生态学会研究纲领中指出：地球上生物多样性大部分存在于半自然的森林、牧地、河流与沼泽之中。许多沼泽湿地都有重要的野生物种，这些野生物种，具有改善经济物种的品种，提高产量和抗病害力的特性，我国利用湿地野生植物的基因，改良经济物种的已取得成功。
湿地又是水禽的繁殖地、栖息地，在保护珍稀濒危动物，特别是水禽，保护生物多样性，维持大自然生态平衡方面具有重要作用。
3．人工湿地的研究历史及其特点
人工湿地生态系统（Constructed Wetlands）则是应用生态工程的原理和方法人为构建、恢复和调整的湿地，以利于湿地正常功能的运作和生态系统服务的可持续性。根据自然湿地净化污染物的基本原理建立起来的人工湿地污水处理系统，充分利用湿地环境中发生的物理、化学和生物学作用的综合效应净化废水，它们包括沉淀、吸附、过滤、气化、固定化、离子交换、络合反应、硝基化、反硝基化、营养元素的截取，生物转化和细菌、真菌的异化作用等具体过程。
采用人工湿地（constructed wetland）净化污水始于1953年德国的Max Planck研究所（House,1999），该研究所的Seidel博士在研究中发现芦苇能去除大量的有机和无机物。60年代末，Seidel 与Kickuth合作并由Kickuth于1972年提出了根区理论（Bris，1994），该理论的提出掀起了人工湿地研究与应用的热潮，标志着人工湿地作为一种独具特色的新型污水处理技术正式进入水污染控制领域。而有意识、有目的利用湿地来处理污水则始于70年代。70年代的污水处理系统大多利用原有的天然湿地，即保持了天然湿地的结构，大多以沼泽的形式出现，而且常被结合到氧化塘处理工艺中以提高氧化塘系统的处理效果。80年代后，人工湿地则发展到人工建造的，以不同粒径的砂石为基质的处理系统，并由实验进入应用阶段。1985年以来，美国田纳西河流域管理局在美国东南部建造了一系列的人工湿地以处理流域内的污水。国际上，就人工湿地污水处理系统这种新的污水处理工艺分别在美国的田纳西州（1988年）和英国剑桥（1990年）召开研讨会，总结了各国人工湿地处理污水的经验，提出了相关的机理及一些可行参考的设计规范和数据，标志着人工湿地系统作为一种独具特色的污水处理技术正式进入环境科学技术领域。1996年Kadlec和Knight 的《废水处理湿地》对自然和构建湿地废水净化功能给予了详尽地记述，同时对构建和管理废水湿地也给予详细地工作指导。我国目前在这方面的研究也有很大发展，成为许多生活区、办公区、工业区改善环境质量的有效手段，其中深圳市宝安县平湖镇白泥坑人工污水处理系统是世界上规模较
