2.2.4 湿地与人工湿地
2.2.4.1 湿地与人工湿地概念
美国联邦管理机构曾这样定义“湿地”的概念，认为湿地就是那些经常或维持被地表水或地下水淹没饱和，在一般情况下被饱和的土地，适合用于特有生物普遍生长的区域。所谓“人工湿地”是指在人工模拟天然湿地条件下，建造一个不透水层，使挺水植物生长在一个处于饱和状态基质上的一个湿地系统。美国著名的湿地研究、设计与管理专家Hammer博士等将人工湿地定义为：一个为了人类利用和利益，通过模拟自然湿地，人为设计与建造的由饱和基质、挺水与沉水植被、动物和水体组成的复合体。
湿地处理系统有自然湿地与人工湿地之分，自然湿地通常是指那些未经人工改造或稍许做了些人工改造如设置排水系统等）的湿地，自然湿地有时也被直接称为“湿地”；人工湿地一般专指那些基质为碎石或砂石材料构建成的湿地，也称构筑湿地（constructed wetland）。
2.2.4.2 湿地与人工湿地应用情况
湿地系统一般利用各种微生物、植物、动物和基质的共同作用，通过过滤、好氧和厌氧微生物降解、吸附、化学沉淀和植物吸收污水中的污染物，达到净化污水的目的。与天然湿地和非全部人工构筑的湿地系统不同，构筑湿地的基质材料、床体和进出水系统均是人工构筑成分，在此基础上保留湿地挺水水生植物，利用挺水植物根部泌氧性能，组成具有污染负荷和水力负荷都很高的水生植物碎石床人工湿地处理系统，替代传统的通过机械曝气方式形成的好氧–缺氧–厌氧（即A2/O法）污水处理工艺。
通常，当基质为碎石或砂石材料时，这类人工湿地有较好的去除有机污染物的能力，但脱氮除磷的能力很低，仅为20%～30%。只有以土壤为基质的下行流垂直渗滤天然湿地、以土壤为基质或以有脱氮除磷能力的复合基质为填料的人工湿地才具有很好的去除氮、磷的效果，通常氮去除率≥85%，磷去除率≥95%。该技术在西欧、北美、澳大利亚和新西兰、亚洲等国家和地区得到了广泛应用。如目前在德国正在使用的人工湿地大约有5000个，广泛用于从单个家庭到上千居民的社区生活污水的处理［39］。
韩国农村的居民分散居住，认为兴建集中处理的污水处理系统造价太高，小型和简易的污水处理系统更适合在农村应用。国立汉城大学（现国立首尔大学）农业工程系对湿地污水处理系统在田间进行了试验，容器长8m、宽2m、高0.9m，用混凝土制成。容器内填砂并种植芦苇，未经处理的学校生活污水从一端引入，从另一端的卵石层中排出。进入的污水水质为：pH值为7.85、DO为0.23mg/L、BOD5为124.4mg/L、SS为52.4mg/L、TN为121.13mg/L、TP为24.23mg/L；用经过湿地系统处理后的出水做水稻灌溉试验。
4种处理的试验得出的主要结论是：
①利用湿地系统处理过的污水灌溉，对水稻的生长和产量无负面影响；
②利用处理过的污水灌溉并加施肥料，水稻产量达5730.38kg/hm2，比常规稻田产量约高10%。
韩国试验研究的湿地污水处理系统，实质上也是一种土壤（砂土）-植物系统，至今已广泛用于欧洲、北美、澳大利亚和新西兰等地，湿地上多种植芦苇、香蒲和灯芯草，特别是采用土壤作为基质时，对病原体的去除效果好。但其缺点是需要大量土地，受气温和植物生长季节影响。
2.2.4.3 湿地与人工湿地的主要设计参数
从工程设计的角度出发，按照系统布水方式的不同和污水在系统中的流动方式不同，人工湿地可以分为自由表面流（free water surface，FWS）人工湿地和潜流（Subsurface flow）人工湿地，而后者又包括水平流（horizontal sub-surface flow，HF）和垂直流（vertical sub-surface flow，VF）两种类型［40，41］。不同类型人工湿地在污染物去除效果、工艺条件以及设计参数方面存在较大的差异。
大部分人工湿地系统的水力负荷在10～100mm/d之间［42］，水力负荷较小，处理能力有限。水平潜流人工湿地应用广泛，对悬浮物和有机物去除效率较高，但因其输氧能力差，湿地经常处于厌氧或缺氧状态，导致细菌对氨的氧化作用受限，除氮效率有限［41～43］。资料表明，潜流湿地中氮的去除率一般在30%～40%之间［44］。水平潜流湿地系统中的氧来自挺水植物根系的输送释放、大气向湿地的扩散和污水中的溶解氧，但三者的总和仍少于氨氧化需要的氧气量［45］。
近年来人们开始利用不同人工湿地处理单元之间的组合进行水处理以提高水处理效果，尤其是对氮素的去除。垂直流人工湿地通常用作预处理，为有机质的矿化作用和氨氮的消化作用提供足够的氧［46，47］。有的组合还将表面流人工湿地用作后处理单元，以进一步去除营养元素和细菌，强化处理效果。Lin等［48］及Jing和Lin［49］研究了自由表面流和潜流人工湿地组合处理单元处理水产养殖废水和污染的河水；Märt Oövel等［50］研究了人工湿地组合系统对校舍生活污水的处理效果。组合系统包括两个使用轻型聚合体的潜流过滤池：一个两室的垂直流人工湿地和一个水平潜流人工湿地，总面积432m2。校舍生活污水处理的具体效果为：BOD5、TSS、TP、TN、NH3-N的平均去除率分别为91%、78%、89%、63%、77%，平均出水浓度分别为5.5mg/L、7.0mg/L、0.4mg/L、19.2mg/L、9.1mg/L，满足了爱沙尼亚颁布的水法（the Water Act of Estonia）中的污水处理排放标准。欧洲有一个长期运行的人工湿地工程实例，其水力负荷率为800EP/hm2（即每公顷800人口当量），去除效率分别为：BOD和COD 80%～90%、细菌99%、氮35%、磷25%。该湿地在相同的水力负荷条件下，营养物质的去除率可优化达到50%的氮、40%的磷［51］。
人工湿地一般设计成有一定底面坡降的、长宽比大于3且长大于20m的构筑物。在构筑物内的底部上按一定坡度填充选定级配的填料（如碎石、砂、泥炭等），池底坡降及填料表面坡降往往受水力坡降和填料级配的影响，一般选值范围为1%～8%。在填料表层土壤（也可以不是土壤）中种植一些处理性能良好、成活率高、生长周期长，美观和经济价值高的水生植物（挺水植物）。设计湿地处理系统要求考虑增加系统稳定性和处理能力，实际工程设计通常附加一些预处理、后处理的构筑物，且往往会将人工湿地多级串联或不同类型人工湿地进行串联使用。池深的选择根据池形、水质和湿地净化植物的根系深度来决定，使大部分污水都能在植物根系中流动。在美国，利用芦苇人工湿地处理城市污水，池深采用60～70cm，而德国为60cm。
人工湿地的植物选择是十分重要的事情。因为对污水充氧的强弱取决于植物能否通过茎叶输导氧气以及根系的泌氧性能，只有具备这些性能的植物才符合处理工艺的要求，并获得良好的净化效果。适合人工湿地种植的挺水植物有芦苇（reed）［52-54］、香蒲（cattail）［55，56］、灯心草（rush）［57］、昌蒲（calamus）［58］以及风车草（水葵）［59］等。
2.2.4.4 工程适应性分析
分析湿地与人工湿地具有的优点与存在的主要问题有以下几个方面。
①用于暴雨径流或农业面源污染的自然湿地因处理进水污染物浓度低、水力停留时间长，表现出良好的效果。但由于污染负荷率低、水力负荷低，难以满足高强度的污水处理，加之占地面积大等缺陷，使其应用范围窄。
②用于污水处理的人工湿地对污水中的SS、BOD5、COD和病原菌有良好的去除效果。但是，人工湿地占地面积比较大；氮、磷去除效率差异也比较大，有些文献报道仅为30%～50%，而有些却认为可高达90%甚至98%。造成如此大差异的原因主要是湿地水力负荷、填料和工艺的不同。传统的人工湿地（表面流湿地和潜流湿地）主要是由于氧气供应不足，硝化作用受到抑制并进一步使反硝化作用受到抑制，使脱氮过程不彻底，从而导致氮的去除率不高。大量的研究证明，磷的去除主要是通过富含铁、铝和钙氧化物的填料的吸附与化学沉淀作用实现的。而国内外建造的绝大部分人工湿地的填料都是采用碎石、鹅卵石和砂子，从而影响了人工湿地对污水中磷的去除。
综上所述，直接影响工程技术的推广应用的是工艺存在的主要问题，这是更值得关注的事情。总体归纳湿地与人工湿地的问题是：a.与传统活性污泥法二级污水处理相比，水力负荷较小，占地面积较大；b.处理系统供氧不足，硝化和反硝化作用不充分，氮的去除率不太高；c.填料选择和搭配不合理，磷的去除率不理想；d.受气候、土壤和经济费用等因素的限制，温带和寒带区域难实现处理系统的终年稳定连续运行。
尽管如此，湿地和人工湿地因为投资低，对有机污染物、悬浮物和病原体的去除效果好，在农村居民家庭污水、村庄生活污水、农村暴雨径流废水以及农田面源废水处理中有推广应用的价值。其关键在于改进填料基质配比与提高氮、磷的去除能力。与其他工艺技术集成与组合可弥补上述缺陷。