地球的人工肾——人工湿地

提到湿地（wetland）这个名词，可能大家对它都不会感到陌生，它常常与“绿色的世界”、“鸟的天堂”联系在一起。湿地是与森林、海洋并称的地球三大生态系统之一，它维持着地球的生态平衡，为无数生物提供了赖以生存的空间，很多珍稀物种在这儿生活和繁殖；同时它也为人类提供大量食物、原料和水资源。而赋予湿地“地球之肾”这一美称，并不是因为以上提到的各种功能，而是因为湿地在调节气候、涵养水源、蓄洪防旱、降解污染等方面都起着重要作用。它就像人体的肾一样，在地球的物质与能源的“新陈代谢”中，起着净化水质，降解和去除各种污染物质的作用。

各国根据湿地保护、管理和利用的各种不同目的和需要，对湿地有不同的定义。现在被普遍引用的是根据1987年Ramsar公约中对湿地的定义，根据这个公约，湿地系指天然或人工，长久或暂时性的沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带，带有静止或流动，或为淡水、半咸水体者，包含低潮时不超过6米的水域。从形成原因看，湿地可分为天然湿地和人工湿地两种。一般情况下我们所谓的湿地均指天然湿地，而人工湿地（constructed wetland）这个词则是从20世纪70年代才开始流行起来的说法，其历史至今也不过30多年。

那么，什么是人工湿地呢？广义理解，人工湿地就是人工构筑而成的湿地。凡是满足湿地定义中所描述的各种特征，而同时又以人为因素作为先决条件的湿地都可归入到人工湿地的范畴。因此在这层含义上，水稻田也属于一种人工湿地。而狭义上的人工湿地则被定义为从生态学原理出发，模仿自然生态系统，人为将土壤、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，组成类似于自然湿地的新型污水净化系统。现在广泛提及的人工湿地都属于这种狭义上的湿地，而这篇文章在这儿为大家介绍的就是这类人工湿地。以下这几张就是人工湿地的图片。

人工湿地全景图

　　　　　　　　　　　　　　　  人工湿地近景

不管是广义还是狭义，人为控制是人工湿地区别于天然湿地的决定性因素。介质、水生植物和微生物是其基本构成,净化水质则是其主要功能。

虽然利用湿地改善水质并非一个新发明，早在古代中国和埃及，这种观念就贯穿在人们的日常生活中，但是在污水处理过程中通过人工调控来优化处理工艺的人工湿地直到20世纪60年代末期才开始逐渐受到各国有关领域的研究者们的关注，此后人工湿地进入实验室开发阶段。就像工业革命促使传统的手工业通向崭新的现代工业纪元一样，在天然湿地处理废水的基础上利用人工调控实现工艺优化也使之实现了质的飞跃。随着科技的不断进步和提高，科学家对人工湿地研究的日渐全面和深入，现在的人工湿地已发展成一种完备和独立的污水处理技术。

人工湿地模拟天然湿地，利用植物和微生物处理废水。首先，我们就来认识和了解一下人工湿地中的水生植物和微生物。

所谓水生植物，就是只能生活在水中或可以长期生活在非常潮湿乃至水达到饱和状态的土壤里的维管束植物。按他们在水域中的不同分布，可分为挺水、浮水和沉水植物三种。由于水生植物具有极高的观赏价值，还具有可收割、便于回收等优点，人工湿地在污水处理的领域成为一支独秀受到越来越多的青睐。人工湿地中的植物作为优势种，最大的功能在于它能直接吸收利用废水中的营养物质，同时还吸附和富集部分水体中的有毒有害物质。此外，由于水生植物具有庞大的根系，空气中的氧通过叶片最终被输送到植物的根区，这样，就为根区附近的微生物群落提供了生存所需的氧。其在人工湿地中发挥的作用具体见表1。常见的用于人工湿地的水生植物有蔍草、芦苇、香蒲、灯心草、菖蒲、莎草、茭草、水花生、田边草、黑麦草、兰花草和池杉等。美人蕉虽然属于湿生植物，但也广泛应用于人工湿地。水生植物能直接吸收利用废水中的营养物质，吸附有毒有害物质，那么，微生物在人工湿地中又扮演怎样的角色呢？简单来说，它们主要起分解作用。总体而言，微生物均靠“摄食”水体中的有机物或一些无机物为生。与人类需要摄取食物，利用氧气进行体内的新陈代谢活动一样，有些微生物也是需要氧气的，我们把这类微生物称为好氧微生物。它们利用被水生植物输送到根区的氧分解有机物，最后产生二氧化碳和水，这与人类进行的新陈代谢活动也是类似的。另外还有一些不能在有氧的环境下生存的微生物即厌氧微生物则在基质无氧的区域分解有机物。不管是哪一种微生物，它们的主要功能都是分解有机物。

总之，人工湿地对污水的处理过程，是物理、化学及生物作用共同作用的结果。基质、植物、微生物是人工湿地发挥净化作用的三个主要因素。在污水通过人工湿地的过程中，基质的吸附、过滤，植物的吸收、固定、转化、代谢及湿地微生物的分解、利用、异化等过程综合作用，互相关联影响着最终的净化效果。人工湿地的净化机制见表

人工湿地的净化机制

人工湿地可分为浮水植物系统、挺水植物系统和沉水植物系统三种类型，这与前面所提的植物种类相对应，在这儿就不再介绍。除了按湿地植物的种类进行分类外，现在引用最广泛的还是按水流方式所进行分类的人工湿地的叫法，它将人工湿地处理系统分为表面流湿地（Surface Flow Wetlands, SFW）和潜流湿地（Subsurface Flow Wetlands, SSFW）两类。下面，我们就具体谈谈这两种湿地类型。

（1）　　　 表面流湿地（SFW）

又称自由表面流（free water surface, FWS）。所谓表面流，就是废水在填料表面漫流，它与自然湿地最为接近；这种人工湿地水位较浅，底部含0.2m至0.3m的土壤或其他介质提供水生植物着根，并种植挺水性植物；由水位控制设施调整约0.1m至0.6m的水深；进流水在湿地表层开放性流动，水流经底部土壤层，并与植物的茎、根部接触，这种人工湿地的优点是设计简单，投资少，但缺点是负荷过小，水面冬季易结冰，夏季易孳生蚊蝇，并且散发臭气。由于该种湿地不能充分利用填料及丰富的植物根系，卫生条件也不好，现在设计中一般不采用。这种人工湿地早期主要在美国运用。图4就是一幅表面流湿地的鸟瞰图。

（2）　　　 潜流湿地（SSFW）

所谓潜流，就是废水在填料表面下渗流；这种人工湿地往往在中间填充约0.4m至0.6m厚的可透水性砂土或砾石作为介质，以此支持挺水性植物的生长；进流水被迫在表层下的砂土、根系及根系间流动，水在与基质和植物根系充分接触的同时被净化。由于这种湿地的水流一直在湿地内部流动，避免了表面流湿地带来的蚊蝇、臭气等弊端，因而卫生条件较表面流湿地好；同时，潜流型人工湿地的作用位点多，微生物丰富，占地面积小，处理污水效率高，因此这种湿地被广泛采用，欧洲等地区的人工湿地皆以潜流型为主。潜流湿地的实图和基本流程图分别见图5和图6。

潜流型人工湿地又分为两种，水平流（horizontal flow）和垂直流（vertical flow）。二者的区别在于后者运用管道、斜度等特殊设计使水流在湿地内部垂直分布，因此垂直流人工湿地的布水更均匀。由于垂直流人工湿地的发展比较晚，目前在实际应用中，水平流行湿地仍然占主要地位。这两种类型的湿地简要结构图分别见图7和图8。

为了更有效地去除水体中的各种污染物，在原有潜流湿地的基础上，科研人员还研究开发出了一种新型复合垂直流人工湿地（见图9）。它由下行流池和上行流池两部分组成，较好地解决了现有人工湿地的处理局限，对水体中的常规污染物均取得了较为理想的处理效果。

说到这儿，可能大部分读者会认为这就是人工湿地处理废水的全部，其实不然。一个完整的人工湿地污水处理系统其实由消化池、人工湿地和净化水再利用池三个基本部分构成(见图10)。

表面流湿地鸟瞰图

潜流型湿地实图

 潜流型湿地基本流程图

水平潜流湿地结构图

垂直潜流湿地结构图

复合垂直流人工湿地结构图

人工湿地污水处理系统示意图(内布拉斯加州)

污水首先进入消化池中进行预处理。在消化池中，主要由厌氧细菌分解污水中的有机物，经过一段时间后，被分解后的部分物质和污水中的颗粒物沉积在池底形成一层污泥层；而比重较轻的油脂类物质则浮在池面形成一层浮渣层。中间相对澄清的水则通过输送管道进入人工湿地进一步处理。由于在很多国家，将这种水直接排放到周围环境是违法的，因此经人工湿地处理后的净化水一般并不被直接排放。除非调查证明周围的土壤或水体对这种水的净化在其自净能力范围内，否则，这种净化水还需引流到净化水再利用池中作进一步处理。

与传统的污水处理工艺相比，人工湿地污水处理技术除了处理效果显著外，还具有建造、运行、管理费用低，操作简便和管理简单等特点，更重要的是，它模拟了自然生态系统，因此它们在实现水污染防治功能的同时，为野生动物营造一个良好的栖息地并加强邻近天然湿地在野生动物保育上的能力。目前，人工湿地除处理城镇生活污水外，它也被证明能应用于农业、畜牧业、食品、矿山、水产养殖等多方面。虽然人工湿地以最自然的方式在水环境污染防治方面发挥着重要作用，但要充分发挥其各种功能，使水生植物和微生物在处理污水的过程中相得益彰，使人工湿地与周围的环境和谐发展，还有很多的未知的领域有待大家进一步探索。

在人工湿地日渐广泛地应用于各个方面时，我们依稀感觉到人类心中的美好归属：回归自然。因此，在人工湿地频频进入大家眼帘的时候，请不要忘了：模拟并不意味着代替。作为在地球生存的人类，我们亟需做的是好好保护周围的自然环境，向大自然学习，顺应大自然发展的规律，与周围的环境和谐发展，千万不要等到地球满目疮痍时才来想如何为她疗伤。否则，就会与它当初产生的目的相去甚远。