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36MUNICIPALWATERTREATMENT 市政水处理水工业市场2011年第9期一、引言人工湿地（ConstructedWetland,CW）技术于20世纪70年代初首先出现在德国，由于其基建投资低、运行费用少、出水水质好、维护管理简单等明显的优点，该技术被迅速推广到世界各地，在美国、澳大利亚、欧洲、日本及一些非洲国家均有应用。我国在“七五”期间开始人工湿地的研究，并且在深圳白泥坑、四川活水公园、北京昌平等地建设了一批人工湿地工程[14]。复合垂直流人工湿地在“九五”期间，中科院水生所与德国科隆大学、奥地利维也纳农业大学等共同承担的欧洲联盟国际合作项目（合同号ERBIC18CT960059）中提出的[14]。复合垂直流人工湿地对污染物的去除是在一系列复杂的物理、化学和生物反应下共同完成的，其中起主要作用的是微生物、水生植物以及基质[14]。垂直流人工湿地是在水平流湿地之后发展起来的，由于其系统内的充氧更充分，有利于好氧微生物的生长和硝化反应的进行，因此对氮、磷的去除率较高[1]。近年来，黄河流域工农业发展迅速，黄河水污染日趋严重，黄河水处理难度越来越大，现有饮用水处理工艺难以适应当前黄河水水质状况[15]。鉴于人工湿地尤其是复合垂直流人工湿地的优越性，探讨采用复合垂直流人工湿地来对引黄水厂原水进行预处理的可行性，具有重要意义。二、人工湿地1、人工湿地的定义人工湿地（CW）是在自然湿地降解污水的基础上发展起来的污水处理生态工程技术，是一种由人工建造和监督控制的，人为地将土壤、沙、石等材料按一定比例组成基质，并栽种经过选择的耐污植物，培育多种微生物，组成类似于自然湿地的新型污水净化系统[1,2]。CW是通过基质的吸附、过滤，植物的吸收、固定、转化、代谢及基质中微生物的分解、利用、异化等过程综合作用，而实现其净化效果的。它不仅能有效去除污水中的悬浮物、有机污染物、氮、磷等；而且能有效去除病原微生物、重金属、藻毒素等外源生物活性物质。经CW处理的城镇综合污水可达到二级乃复合垂直流人工湿地处理受污染黄河水的可行性研究文/董金凯1 崔景立1 康雅2 贺锋3（1 机械工业第六设计研究院 郑州 450007；2 郑州市自来水投资控股有限公司 郑州 450013；3 中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室 武汉 430072） 摘要：介绍了人工湿地的发展过程、定义、分类及其净化机理。详细阐述了复合垂直流人工湿地的构造、应用及净化效果。简述了人工湿地处理受污染黄河水的研究进展。介绍了复合垂直流人工湿地应用于北京奥林匹克森林公园、武汉市月湖、杭州植物园的实例，证明了复合垂直流人工湿地的优越性。最后，指出了复合垂直流人工湿地有效净化受污染黄河水的可行性。 关键词：人工湿地 复合垂直流人工湿地 黄河水37水工业市场2011年第9期至一级标准；受污染的劣Ⅴ类地表水可达到Ⅱ～Ⅳ类，有时可以达到饮用水水源水质标准。它适用面广，除处理城镇生活污水外，还能广泛应用于农业、畜牧业、食品、矿山等工农业废水的处理[1,3-5]。与传统污水处理系统相比，人工湿地具有建设运行成本低，耗能少，出水水质好，运行维护简单，对负荷变化适应性强，有较强的氮、磷去除能力以及生态环境效益显著并兼具优良的景观效果，实现废水资源化等特点[6,7]。因此，近年来人工湿地在国内外的应用越来越广泛。2、人工湿地的分类人工湿地按照其系统内的水生植物的不同，可分为：浮水植物系统、挺水植物系统和沉水植物系统[8,9]。根据人工湿地系统的水流形式可将其分为：表面流湿地（SurfaceFlowWetland,SFW）、潜流湿地（SubsurfaceFlowWetland,SSFW）两类[10-13]。(1)表面流湿地SFW与自然湿地很相似，污水以较慢的速度流过，但表面流人工湿地是人为设计、监督管理的湿地系统，去污效果优于自然湿地系统。其中绝大部分有机物的去除是由水生植物和基质中的微生物群落来完成的。SFW中的氧主要来源于水面扩散、植物根系的传输和水中藻类的光合作用。它的优点是投资少、操作简单、运行费用低；但其缺点是负荷小、处理效果差，且系统的运行受气候影响较大，冬季寒冷地区表层容易结冰，夏季有滋生蚊蝇产生臭味等现象。(2)潜流湿地SSFW中的污水在介质间渗流，水面低于介质表面，因此呈潜流状态。在潜流状态下，可以充分利用填料表面和植物根系上的生物膜更有效地处理废水。由于水流一直在湿地内部流动，避免了表面流湿地中的恶臭和蚊蝇的滋生；潜流型人工湿地的作用位点多、微生物丰富、温度波动小、负荷较大、耐冲击、占地面积小、处理污水效率高；由于水在地表下流动，保温性能好，处理效果受气温影响较小。其缺点主要是控制相对复杂，投资和运行费用相比表面流人工湿地较高。SSFW又可分为水平流和垂直流两种。所谓水平流就是污水从一端进入湿地，以水平流动的方式经过湿地中的基质孔隙，从另一端流出。污水在基质间流动的过程中，污染物质在植物、微生物以及基质的共同作用下，通过一系列复杂的物理、化学以及生物作用得以去除。三、复合垂直流人工湿地复合垂直流人工湿地是由一个下行流池和一个上行流池组合而成的（见图1）。下行流池中表面为一排布水管，进水均匀地分布到湿地表面，能充分利用垂直流湿地的界面作用；上行池填料表面为集水管，用来收集出水，下行－上行池底由连通管相连，下行池比上行池略高。该工艺是中国科学院水生生物研究所的专利技术（一种污水处理方法及装置，专利号：ZL00114693.9）[1]。IVCW使水流更加充分，流过整个处理基质，解决了以往渗滤湿地“短路”的问题，并且形成了好氧与厌氧条件并存的复合水处理结构，显著提高了污染物特别是氮、磷的净化效率。该系统常年运行比较稳定，即使在冬季也有较好的净化效果；系统建造运行费用较低，尤其是运转费低；与景观建设相结合，基本克服了传统污水处理的不足，且具有美化环境的效果。四、复合垂直流人工湿地工程应用情况图1 复合垂直流人工湿地构造示意图38MUNICIPALWATERTREATMENT 市政水处理水工业市场2011年第9期复合垂直流人工湿地已是一项较为成熟的生态污水处理技术。它兼具优良的景观效果，管理简单，运行费用仅为常规污水处理的1/5~1/3[16]。目前国内在北京、武汉、深圳、海南和天津等地已建成、运行的复合垂直流人工湿地有80余处，它主要应用于受污染水体的修复和饮用水源的保护，产生了良好的社会、经济和生态效益。北京奥林匹克森林公园复合垂直流人工湿地系统南区湿地位于北京奥林匹克森林公园，总面积为41500m2，处理水量为2600m3/d的再生水和20000m3/d奥运湖循环水[16,17]。它是于2006年12月开始施工建设，于2007年8月建成投入试运行。通过实际运行，北京奥林匹克森林公园复合垂直流人工湿地的出水水质较好，主要污染指标达到了地表水环境质量标准（GB3838-2002）Ⅲ类。它系统有效地改善了公园内的龙型水系水质，特别是在奥运期间，在保证了奥运主湖水质良好的同时，为运动员和观众提供了优美的休息环境，取得了良好的生态、环境、经济和文化等综合效益。武汉月湖3号复合垂直流人工湿地系统位于武汉市大月湖东侧，处于武汉市汉阳新区月湖琴台文化艺术区内，设计规划面积约为4200m2，湿地平均标高为24.20m，处理水量为500～3500m3/d[18]。通过工程的运行及水质监测结果，显示系统具有较高的污染物去除率，主要水质指标达到地表水环境质量标准（GB3838-2002）Ⅲ和Ⅳ类。该工程昀终综合运行费用为0.08～0.12元/m3。该复合垂直流人工湿地系统，在注重水处理效果的同时，充分考虑到景观需求，实现了水质净化功能与景观美化功能的和谐统一，目前该湿地系统运行良好，其功能与形式已得到社会各方的认可，为城市受污染水体修复技术的推广提供了较好的示范。杭州植物园观鱼池复合垂直流人工湿地，位于杭州植物园内，建造于2001年5~8月，用于循环处理观鱼池内的养鱼用水[21]。该系统总面积600m2，其中A池500m2，B池100m2，底部和四周以水泥墙封闭防渗。以沙（厚40cm）和砾石（厚10cm）为基质。鱼池水通过布水管均匀流入系统各处。总注水量为160m3/d，自动间歇式注水。通过运行及水质监测，结果表明，自然水塘中氮的指标高于地表水环境质量标准（GB3838-2002）Ⅴ类水，磷高于Ⅳ类水。经过复合垂直流人工湿地处理后的进水的氮磷指标分别为Ⅲ类和Ⅰ类水。该湿地表无积水，大部分面积接近中生环境，适合更多植物种类的生长，产生了更好的处理效果和景观功能。五、人工湿地处理受污染黄河水的研究进展杨旭等（2008）开展了在低温条件下（水温0.3-15.9℃），采用水平潜流人工湿地在玉清湖水库进水口处对入库黄河水进行预处理的研究，考察了低温下黄河原水预处理效果[15]。比较了不同水力负荷条件下，湿地系统对污染物的去除效率及其变化趋势，同时考察了进水污染物含量的影响。结果表明：在运行期间，潜流人工湿地有较好的处理效果，COD、TP、TN、NH4+-N的平均去除率均分别达到43.13％、40.86％、42.56％、43.26％。根据GB3838-2002《地表水环境质量标准》，出水中COD达到I类，TP平均值达到Ⅱ类，TN平均值达到V类；NH4+-N平均值达到Ⅱ类。处理效果与温度正相关，在一定的水力负荷变化范围内（0.6~1.2m/d），系统处理效果无明显差别。修春海等（2008）采用人工湿地预处理微污染黄河原水，分别研究了推流式潜流人工湿地、往复式潜流人工湿地、芦苇床表流人工湿地、蒲草床表流人工湿地对总氮和COD的去除效果[19]。结果表明，推流式人工湿地和往复式人工湿地对总氮和硝态氮的去除效果无明显差别，但去除率要低于表流人工湿地。蒲草床表流人工湿地对总氮和硝态氮的平均去除率分别为84.33％和76.32％，去除效果好于芦苇床表流人工湿地。各人工湿地对COD的去除率在30％~65％之间，不同人工湿地对COD的去除效果差别不明显。人工湿地处理微污染黄河原水的效果明显，出水水质可满足城市供水水源水质标准的要求。YANGXu等（2009）研究了采用复合水平潜流人工湿地小试系统对引黄水库水源进行预处理，以提高饮用水原水的水质，降低进入水厂原水的污染负荷[20]。结果表明，在4m/d的水力负荷下COD、TN、NH4+-N、NO3--N、NO2--N和TP的平均去除率分别为49.68％、53.01％、48.48％、53.6l％、62.57％和49.56％。对39水工业市场2011年第9期净化机理进行了分析，表明潜流人工湿地的净化功能是在物理、化学、植物和微生物等因素的共同作用下实现的。上述研究表明：水平潜流人工湿地、推流式潜流人工湿地、往复式潜流人工湿地、芦苇床表流人工湿地、蒲草床表流人工湿地和复合水平潜流人工湿地等系统，均能对受污染黄河水进行有效的净化，为降低引黄水厂原水的污染负荷，提高饮用水原水的水质，提供了技术保障。六、复合垂直流人工湿地处理受污染黄河水的可行性复合垂直流人工湿地是对普通人工湿地的改进和强化，它具有更强的净化效果，特别是对COD、氮、磷等因子的去除效果更为显著。因此，它优于表面流和普通潜流人工湿地。鉴于水平潜流人工湿地、推流式潜流人工湿地、往复式潜流人工湿地、芦苇床表流人工湿地、蒲草床表流人工湿地和复合水平潜流人工湿地等系统对受污染黄河水具有较好的处理效果已有研究成果，可以推理复合垂直流人工湿地能对受污染黄河水进行较好的修复作用，从而减轻引黄水厂原水的预处理负荷，为提高引黄城市饮用水的水质提供技术支持和储备。[基金资助：湖北省杰出青年基金（2010CDA093）；国家自然科学基金（50808172）；国家“十一五”水专项（2009ZX07106-002-004）]参考文献[1]吴振斌.复合垂直流人工湿地[M].北京:科学出版社,2008.1-9.[2]贺锋,董金凯,谢小龙,等.北京奥林匹克森林公园人工湿地生态系统服务非使用价值的评估[J].长江流域资源与环境,20