簡介
人工濕地(constructed wetlmid，簡稱CW)污水處理技術是20世紀70年代末發展起來的一種污水處理和水環境修復技術，其是從生態學原理出發，模仿自然生態系統，人為將土壤、沙、石等材料按一定比例組成基質，並栽種經過選擇的耐污植物，培育多種微生物，組成類似於自然濕地的新型污水淨化系統。美國著名的濕地研究、設計與管理專家Hammer博士等將人工濕地定義為“一個為了人類利用和利益，通過模擬自然濕地，人為設計與建造的由飽和基質、挺水與沉水植被、動物和水體組成的複合體。"夏漢平對其定義進行了修改：人工濕地是通過模擬自然濕地的結構和功能，選擇一定的地理位置與地形，根據人們的需要人為設計與建造的濕地。1974年聯邦德國建造世界首個人工濕地處理系統，隨後該工藝在歐洲、美國和加拿大等國得到了推廣和套用，我國也於20世紀90年代開始人工濕地的研究和套用。
人工濕地在對廢水的處理過程中綜合了生物、物理、化學三方面的作用，通過基質過濾、吸附、沉澱、離子交換、絡合反應、硝化和反硝化作用、植物對營養元素的攝取和微生物分解等來實現對污水的高效淨化：濕地填料表面和植物根系中存在大量的微生物，形成生物膜，廢水流經濕地時，懸浮物被填料及根系阻擋截留，有機質通過生物膜的吸附及同化、異化作用得以去除。濕地系統中因植物根系對氧的傳遞釋放，使其周圍的微環境中依次呈現出好氧、缺氧和厭氧狀態，保證了廢水中的氮、磷不僅能被植物及微生物作為營養成分直接吸收，還可以通過硝化、反硝化作用及微生物對磷的積累作用從廢水中去除，最後通過濕地基質的定期更換或植物收割使污染物質最終從系統中去除。
技術參數
水力負荷：濕地的水力負荷與建造地點的水文因素以及處理水的有機負荷密切相關。水文因素包括當地的氣候、土壤條件(特別是滲透性)和植物種類。水力負荷一般為150-500 m /(ha·d)。
水位：濕地進水的水位是不變的，為使污水在床體內以推流式流動，需對床層的水位加以控制。如潛流式濕地床的水位控制：當接納最大設計流量時，進水端不能出現雍水現象；當接納最小流量時，出水端不能出現填料床面的淹沒現象。應有利於植物生長，床中水面浸沒植物根系的深度應儘可能均勻。
水力停留時間：為了達到一定的處理效果，必須有一定的水力停留時間。水力停留時間受濕地長度、寬度、植物、基底材料空隙率、水深、床體坡度等因素的影響。處理初級和二級出水時，6～7 d的停留時間較好。停留時間太短，會使污染物降解不夠充分，同時造成流速太大破壞植物的生長；停留時間過長，造成水流停滯和大面積厭氧區，影響濕地處理效果。同時應當考慮氣候及天氣因素的影響。
幾何尺寸：濕地床長度通常應為20一50 m。過長，易造成濕地床中的死區，且使水位難以調節，不利於植物的栽培。此外，濕地的長寬比也不應過大，建議控制在3：1以下。長寬比不滿足條件時，可用分置單元的措施處理。床深一般須根據濕地床水位確定，以保證濕地床中植物的生長及必要的好氧條件。對於蘆葦濕地系統，處理城市或生活污水時，床深一般取0．6～0．7 m。
床橫截面面積：與溫度、有機負荷無關，只受填料的水力學特性影響。在借鑑有關經驗的基礎上人們建議，通過填料橫截面的平均流速為Q/A。以不超過8．6 m/d為宜，以避免對填料根莖結構的破壞。濕地床底坡一般去1%～8%，須根據填料性質及濕地尺寸加以確定，對以礫石為填料的濕地床一般可取2%。
影響因子
溫度
濕地系統對污染物的去除主要依靠濕地植物的吸收、 填料的過濾及吸附、微生物的分解與轉化等作用來完成, 而植物與微生物的生長與繁殖能力受溫度的變化影響較大, 造成濕地系統在不同的季節有不同的生長量, 研究表明:人工濕地對污染物和氮磷的去除作用夏季明顯強於冬季。
pH值
大量研究表明, 微生物受pH值的影響較大, 如在低pH值條件下, 濕地中真菌類微生物的活性較強, 而高pH值條件下會影響濕地系統對氮磷的去除;濕地植物在不同的pH值條件下其活性有所不同, 如鳳眼蓮在不同pH值條件下其活性有所不同;pH值的變化還會影響土壤中離子的電離, 從而影響土壤對污水中有機物的吸附去除作用。
溶解氧與CO濃度
濕地系統中的氧氣和CO濃度的變化會影響植物的光合作用的速率, 從而影響植物對有機污染物的去除;植物根系的維管束可輸送氧氣到達濕地深層, 在濕地系統中形成好氧、缺氧和厭氧微處理 區, 溶解氧和CO的變化必然破壞濕地系統中的微環境, 從而會最終導致系統處理污染物的功能。
類型
人工濕地系以人工建造和監督控制的、與沼澤地相類似的地面。通過自然生態系統中的物理化學和生物三者協同作用以達到對污水的淨化。此種濕地系統是存一定長寬比及底面坡度的窪地中，由土壤和填料混合組成填料床。廢水在床體的填料縫隙或在床體表面流動，並往床體表面種植具有處理性能好、成活率高、抗水性強、生長周期長、美觀及具有經濟價值的水生植物，形成一個獨特的動、植物生態系統，對廢水進行處理。實際設計中．往往是將濕地進行多級串聯或附加必要的預處理、後處理設施構成。
人工濕地按污水在其巾的流動方式可分為兩種類型：①水面式人工濕地(簡稱FWS)；②潛流型人工濕地(簡稱SFS)。FWS系統中，廢水在濕地的土壤表層流動，水深較淺(一般在0.1～0.6m)。與SFS系統相比，其優點是投資省，缺點是負荷低。北方地區冬季表面會結冰，夏季會滋生蚊蠅、散發臭味，目前已較少採用。而SFS系統中，污水在濕地床的表面下流動，一方面可以充分利用填料表面生長的生物膜、豐富的植物根系及表層土和填料截留等作用，提高處理效果和處理能力；另一方面由於水流在地表下流動，保溫性好，處理效果受氣候影響較小，且衛生條件較好，是目前國際上較多研究和套用的種濕地處理系統，但此系統的投資比FWS系統略高。
工藝流程
人工濕地的基本流程人工濕地的工藝流程有多種，目前採用的主要有：推流式、階梯進水式、舊流式和綜合式4種，如圖所示。階梯進水可避免處理床前部堵塞，使植物長勢均勻，有利於後部的硝化脫氮作用；回流式可對進水進行一定的稀釋，增加水中的溶解氧並減少出水中可能出現的臭味。出水回流還可促進填料床中的硝化和反硝化作用，採用低揚程水泵，通過水力噴射或跌水等方式進行充氧。綜合式則一方面設定出水回流，另一方面還將進水分布至填料床的中部，以減輕填料床前端的負荷。
人工濕地的不同組合方式人工濕地的運行可根據處理規模的大小進行多種方式的組合，一般有單一式、並聯式、串聯式和綜合式等。在日常使用中，人工濕地還常與氧化塘等進行串聯組合。
套用
生活污水
近年來隨著我國城市化進程的加快，城市生活污水排放量明顯增加，全國年排污水量達數百億噸，但處理率極低。傳統的生化處理技術對氮、磷等營養物質去除效果不佳，且基建投資大，運行費用高（張自傑，1996），而人工濕地技術具有投資少、效果好、運行維護方便、氮磷去除率高的特點，為綜合解決上述問題提供了一條新途徑。
何蓉等（2004）通過小試裝置研究了表面流人工濕地對人工模擬生活污水的處理效果，結果表明，表面流人工濕地系統對污水中的COD、TN、TP均有較好的綜合淨化能力，去除率分別達到75%、75%、 73%，其中COD、TN達到一級排放標準分別需3、4 d 的表觀停留時間，TP達到二級排放標準則需6 d的 表觀停留時間。此外，濕地植物對TN、TP的去除有比較明顯的促進作用。
宋鐵紅等（2003）通過試驗分析了間歇流人工濕地去除生活污水中污染物的效能，結果表明，在進水指標COD 300～500 mg/L、氨氮40～60 mg/L、總磷 9～16 mg/L，水力停留時間4 d，各項指標去除率分別 為83%、75%、40%。由此推斷間歇流可以有效利用大氣復氧，緩解植物根系放氧不足的矛盾，有助於污染物的去除。
項學敏等（2009）採用改進的三級串聯垂直流人工濕地對大連市2個典型城市污水處理廠的二級出水進行深度淨化處理，並對該人工濕地在夏季、冬季和初春氣候條件下的運行效果進行對比，重點考察了其對COD、TN、NH4 - N和TP的去除效果。結果發現，該人工濕地對大連城市生活污水深度淨化效果顯著，其中COD和TP去除效果穩定，出水水質好於 《地表水環境質量標準》(GB 3838- 2002)Ⅲ類質量標準；而出水中 TN 和NH4 - N分別達到《城鎮污水處理 廠污染物排放標準》(GB 18918- 2002)一級 A 和一級 B 標準；不同季節人工濕地對各種污染物的去除率及脫除負荷差異不顯著。
造紙廢水
人工濕地對造紙廢水具有獨特而複雜的淨化機理，它能利用基質微生物植物這個複合生態系統的物理、化學和生物三重協調作用，通過共沉、過濾、 吸附、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現對造紙廢水的高效淨化，同時通過營養物質和水分的生物地球化學循環，促進綠色植物生長並使其增產，實現廢水的資源化和無害化（金建華等，2005）。
李亞治（2000）對水葫蘆—水草人工濕地處理再生漿造紙廢水的研究表明，在進水 pH 7.12～7.49，BOD、 COD、SS 濃度分別為 440.5、354.2、290.7 mg/L，水力負 荷 0.05 m/d 的條件下，BOD、COD、SS 的去除率分別為 98%、 93%和 89%，該系統性能穩定，出水水質達到排放標準且可用於農灌。
韓勤有等（2003）針對亞銨法製漿造紙廢水，利用物理化學法作為前處理使部分廢水資源化，剩餘廢水再經過生物塘—人工濕地處理，結果證明調節初沉—混凝、沉澱—過濾後COD去除率達到40%以上，生物塘COD去除率達到90%以上，人工濕地COD去除率達到45%以上。該工程投資少、運行費用低， 經過人工濕地長期運行處理後的廢水將以更低的污染物濃度排放，取得良好的社會、經濟、環境效益。
橡膠廢水
橡膠生產廢水含浮膠顆粒、橡膠乳清、植物蛋白、糖類、脂肪等大分子有機污染物，同時因生產過程有氨水、甲酸參與，廢水中污染物含量很高，有一定治理難度（農業部工人技術培訓教材編審委員會，1997）。
楊馗等（2003）利用導流明溝構建濕地系統處理橡膠廢水，出水COD 50～140 mg/L、BOD 15～30 mg/L、 NH N 5～30 mg/L、pH 6.90～7.15、SS 50～120 mg/L， 水質達到《污水綜合排放標準》（GB8978- 1996）二級標準，污染物去除率為 COD 97.4%～98.8%、BOD 97.5%～ 98.8%、NH N 63.9%～88.8%，去除效果穩定顯著。
汪秀華（2004）利用潛流式人工濕地處理橡膠廢水，結果主要污染物 COD、BOD、NHN去除率較高， 當 洗滌水的水力負荷為0.017m /（m ·d ）、停留時間為3d 時， COD、BOD、NH N 的去除率分別為 92.24%、95.49%、 68.67%；當綜合廢水的水力負荷為 0.016 m /(m ·d)、水力停留時間為 3 d 時，COD、BOD、NH N 的去除率分別為 91.07%、93.07%、75.55%。該系統耐衝擊負荷強，出水水質穩定。
養殖廢水
養殖廢水主要是牲畜的排泄物和沖洗水的混合物。污水中富含氮磷、有機物、高懸浮物，臭味大， 是一種高濃度有機廢水，其變化範圍較大，容易對廢水處理系統帶來負荷衝擊（廖新俤等，1995）。
廖新俤等（2002）分別以香根草和風車草按1.0 m×0.5 m×0.8 m建立人工濕地，通過四季測試研究其對豬場廢水N、P的淨化功能及其隨季節、進水濃度及水力停留時間變化的規律。結果表明，兩濕地對 NH N和S- PO 去除率受污水停留時間和污水濃度影響較大，香根草或風車草人工濕地在春季對 NH N和S- PO 有明顯的去除效果，在秋季則對TN 有去除效果，而且香根草濕地對TP的去除效果優於風車草濕地；秋春季人工濕地隨水力停留時間（ t ）延長，TP 或S- PO (Y)的去除遵從指數方程Y=Y· e 規律； 冬季和夏季進水濃度對濕地去除P影響較大，在相同停留時間內，冬夏季人工濕地隨進水濃度變化，進 出水S- PO 遵從直線方程y=a+bx規律。
何連生等（2004）對含高濃度有機物和氮磷的養殖場污水採用複合垂直流人工濕地進行處理，並考察了回流出水的循環強化處理效果。結果表明，循環出水能顯著提高對BOD、COD、SS和NH - N的 去除率，且對BOD的去除滿足Monod方程；大部分 NH - N被硝化，對NH - N的去除率與其表面負荷率呈線性關係；隨著硝化反應的進行，鹼度減少，pH 值不斷降低；循環出水可引入部分氧氣，延長了污染物和附著於植物根系微生物的接觸時間，提高了對污染物的去除率。
岳春雷等（2004）採用複合垂直流人工濕地循環淨化杭州植物園內低濃度養魚廢水，結果濕地出水的硝態氮、總磷、化學需氧量等絕大多數指標均達到國家地面水一類標準；濕地運行後，在不換水的條件下，養魚池內水質能保持較好的狀態，節約了地下水和電能，產生了顯著的經濟效益和生態效益。
油田廢水
籍國東等（2001）採用自由表面流蘆葦濕地處理超稠油廢水，結果當蘆葦床的水力負荷為3.33 cm/d 時，對於年平均進水COD 459.16 mg/L、石油類 27.65 mg/L、BOD 33.25 mg/L、TN 13.74 mg/L 的超稠油廢水，該系統的出水指標為COD 77.21 mg/L、石油類 1.42 mg/L、BOD 3.90 mg/L、TN 1.60 mg/L，去除率分別 為 COD 83.18%、石油類 94.86%、BOD5 88.37%、TN 88.36%，pH 值由 7.87 降至 7.77，處理後的超稠油廢水對土壤污染不明顯，對蘆葦生長和材質指標幾乎無影響。
夏漢平等（2003）利用香根草、蘆葦、寬葉香蒲和蒲草測試建植人工濕地及其處理煉油廢水的效果。在為期 2 個月的處理過程中，人工濕地在前期對煉油廢水的淨化效率很高，其對第一批高濃度廢水中氨氮、 COD、BOD 和油類的去除率分別為 97.7%、78.2%、 91.4%和 95.3%，對第一批低濃度污水上述指標的去除率分別為 97.1%、71.5%、73.7%和 89.8%。但隨著時間的推移，濕地淨化效果有一定程度的下降，然後逐漸趨於穩定。濕地對氨氮、COD、BOD 和油類的去除效率始終表現為氨氮 > 油類 >BOD>COD， 但植物對其淨去除量卻是COD>BOD>氨氮和油類。
2003年，吉林油田新大採油廠採用工廠式生物處理 + 人工濕地相結合的處理工藝來解決採油污水處理問題，在進水水質 COD<500 mg/L、BOD<200 mg/L、 SS<1000 mg/L、pH 6～9、石油類 <20 mg/L 的條件下，出水達到《污水綜合排放標準》(GB 8978- 1996)中的二級標準， 且運行穩定（劉建華等，2005）。
