自1950s開始系統性研究以來,人工濕地研究日趨深入,也得到了廣泛的應用。人工濕地(ConstructedWetland,CW)繼承了濕地的水陸交匯處概念,參與了人為因素,由人工構筑而成。人工濕地是指在自然或半自然凈化系統的基礎上發展起來的水處理技術,是一種人為地將石、砂、土壤、煤渣等介質按一定比例構成的、且底部封閉,并有選擇性植入水生植被的水處理生態系統,水資源保護和持續利用是主要目的。作為一種生態水處理方式,人工濕地與傳統水處理方式相比具有投資低、運行費用少、耗能低,且管理水平要求不高等優點,近年來被廣泛用來處理生活污水、工業廢水、暴雨徑流、富營養化水體等,并取得了良好效果;但也存在占地面積較大、效率不高等不足,限制了其應用。

?一、人工濕地的發展歷程

德國較早系統地開展人工濕地的研究與應用。1953年Seidel研究發現蘆葦能去除大量有機物和無機物,進一步的研究表明污水中的細菌在通過蘆葦床時消失,且蘆葦及其他大型植物能從水中吸收重金屬和有機物等。在此基礎上Kiehuth提出了“根區法”,1974年,完整的人工濕地在德國Liebenburg-Othfresen建成。目前,人工濕地技術已在全球廣泛應用。

相較于西方國家,我國對人工濕地的研究起步較晚,但是后來居上,發表論文數量僅次于美國,成為第二大研究國家。我國人工濕地的研究與應用大致上可分為三個階段:(1)2000年以前為起步探索階段。隨著生態治理技術的發展,開始了穩定塘、土地處理系統、人工濕地的研究。1990年,在深圳白泥坑建設了生產性的人工濕地用于污水處理,并以此為基地開展了濕地內部生物降解動力學、水力學等相關研究。(2)2000-2009年為迅猛發展階段。隨著水體污染控制與治理重大項目的實施,我國人工濕地研究及應用得到了迅猛的發展,論文數量迅速增加,研究范圍涉及到重金屬、藻類、藻毒素、農藥和酞酸酯等污染物的去除,人工濕地廣泛應用于生活污水、造紙廢水、礦山廢水、養殖廢水、農業面源污染等污水的處理,污水處理廠尾水的深度處理,湖泊河流等水體的生態修復,小流域綜合整治等。(3)2009年至今為規范應用階段。城鄉與住房建設部和環境保護部分別在2009年和2010年發布了人工濕地相關技術規范,人工濕地在我國各類水處理中得到廣泛的應用,同時也將水處理人工濕地與景觀、生態環境保護與修復相結合,既強調水處理效果,也注重景觀與生態效應。

二、人工濕地的應用與優勢

人工濕地選取的基質種類、粒徑不同,導致內部水力特性不同,局部微環境存在差異,微生物群落結構各有特色,同時,不同的基質對污染物的截留吸附效能也不同,從而影響人工濕地的處理效率。張翔凌等研究了不同組合的Zeolite、無煙煤、蛭石、高爐鋼渣、生物陶粒等填料對垂直流人工濕地水處理效果影響,結果表明組合填料的種類、裝填順序和裝填方式對凈化效果產生了較大影響。組合填料對COD的平均去除率較單一填料都有所提高;由上至下依次填充無煙煤、生物陶粒、沸石的組合填料具有較好的脫氮功能;由上至下依次填充無煙煤、蛭石、鋼渣的組合填料具有較好的除磷功能。不同粒徑的沸石、無煙煤、礫石人工濕地對總氮和總磷的去除率差異顯著,去除效率最高的分別是1~2mm沸石和2~4mm無煙煤。以給水廠脫水鋁污泥泥餅作為潮汐流人工濕地的填料,在處理養殖廢水時,COD、氨氮和總磷的平均去除率分別達到70%、90%和90%以上。

人工濕地作為一種生態處理技術,不僅改善水質,還具明顯生態效益。鑒于我國地表水污染現狀,人工濕地在污水處理廠尾水、城市黑臭水體、農村污水的治理及河道、湖泊的治理與修復保護等方面有廣大的應用前景。