第1章人工湿地概述
作为具有多种服务功能的*特生态系统，湿地是地球上*富生物多样性的生态景观和人类*重要的生存环境之一。湿地不仅为人类的生产、生活提供多种资源，还具有巨大的环境功能和效益，在抵御洪水、调节径流、蓄洪防旱、控制污染、调节气候、控制土壤侵蚀、促淤造陆、美化环境等方面发挥着重要作用，被称为“自然之肾”。
人工湿地（constructed wetland，CW）是一种人工模仿自然湿地，结合物理、化学和生物的处理方式，利用基质、微生物和植物的复合生态系统来高效净化水质的技术。人工湿地因具有建设成本低廉、管理简便、净化效果稳定等优点而受到广泛的重视，已成功应用于城镇综合污水、受污染地表水、面源污染、污水处理厂尾水深度净化和回用等工程实践中。近年来，人工湿地在河流补水净化和生态修复等方面也得到了越来越广泛的应用，取得了良好的社会效益、经济效益和环境效益。因此，关于人工湿地深度净化的理论和应用研究也越来越广泛和深入。
1.1人工湿地简介
人工湿地技术得到人们的重视并被运用始于20世纪70年代德国学者Kichunth提出根区法（the root-zone-method）理论，该理论强调大型水生植物在人工湿地净化中的作用。除了根系对污染物的直接吸收作用，植物根区兼性和厌氧的复合环境为污染物的降解去除提供了有利条件，同时，植物根系的生长提高了人工湿地基质的水力传导性能。人工湿地中存在大型植物，以区别于其他生物水处理技术。
1.1.1人工湿地的概念和分类
人工湿地一般是指在自然或半自然湿地净化功能的基础上，人工构筑的水生生态系统。该系统具有封闭的底部，用石、砂、土壤、人工基质等材料按一定比例填充底部，并有选择性地种植大型水生植物。一定的进水和出水方式使该系统具有水质净化功能。作为一种生态水处理方式，人工湿地与传统水处理方式相比具有投资低、运行费用少、耗能低、管理水平要求较低等优点。自从1903年英国约克郡Eraby建造世界上**个人工湿地污水处理系统以来，人工湿地技术已经被广泛用来处理生活污水、工业废水、暴雨径流、富营养化水体、污水处理厂尾水等，并取得了良好效果。近年来的研究发现，人工湿地不但能有效去除有机物、固体悬浮物质和营养物质，而且在致病菌和新兴污染物的去除方面具有较高的潜力。
人工湿地按照水流方式可分为表面流人工湿地（subsurface flow constructed wetland，SFCW）、水平潜流人工湿地（horizontal flow constructed wetland，HFCW）和垂直流人工湿地（vertical flow constructed wetland，VFCW）等。而按照湿地中主要大型水生植物的生活型可以分为漂浮和浮叶植物系统、挺水植物系统和沉水植物系统。沉水植物系统主要应用于深度处理，以及水体生态修复和受污染地表水的净化。目前，一般人工湿地植物系统多为挺水植物系统。
表面流人工湿地（图1-1）通常由池体或者渠道组成，池体或渠道内设置分隔墙，有时会在底部敷设不透水材料以防止水下渗。池中一般填充土壤、砂石等基质，以便为水生植物和微生物的生长提供载体。表面流人工湿地与自然湿地*为接近。表面流人工湿地系统内水位较浅，一般高于土壤或基质层0.1～0.6m，因此存在冬季易结冰、夏季蚊蝇滋生且散发臭味等缺点，目前在工程实践中使用较少。
图1-1表面流人工湿地示意图
潜流人工湿地中水在基质表面下渗流，水位低于基质表层，因此呈潜流状。与表面流人工湿地类似，潜流人工湿地同样由池体或者渠道组成，池体或渠道内设置分隔墙，有时会在底部敷设不透水材料以防止水下渗。池中一般填充碎石、卵石、土壤或砂等多孔基质，基质中种植植物。由于水在潜流人工湿地内部流动，避免了表面流人工湿地中的蚊蝇滋生、散发臭味等问题，而且潜流人工湿地因具有污染负荷大、处理效果好等一系列优点而被广泛应用于工程实践。
潜流人工湿地按照水体流动方向又被细化为水平潜流人工湿地（图1-2）和垂直流人工湿地。所谓水平潜流人工湿地，水流方向从布水区一侧以水平流动的方式经过湿地中的基质孔隙，向集水区一侧流动。水在基质孔隙间流动的过程中，污染物在植物、微生物以及基质的共同作用下，通过物理、化学以及微生物的共同作用得以去除。
图1-2水平潜流人工湿地示意图
在水平潜流人工湿地之后，研究者又发明了垂直流人工湿地（图1-3），其中布水和集水管道、坡度等特殊设计使得水流在垂直流人工湿地内部垂直分布，布水更加均匀，水流更加通畅。与水平潜流人工湿地相比，垂直流人工湿地氧转移能力较强，有利于好氧微生物的生长和硝化作用的进行（Vymazal and Krpfelová，2015）。但是单一的人工湿地工艺不能同时提供好氧和厌氧的条件，在很大程度上限制了氮磷的去除，因此又出现了复合型人工湿地。Seidel（2013）建立了垂直流-水平流二级串联的组合湿地处理系统，之后Kadlec（1994）对Seidel（2013）的系统进行了进一步改进，以卵石代替土壤作为湿地的基质大大提高了污染物的去除效果。
图1-3垂直流人工湿地示意图
1.1.2人工湿地的组成
人工湿地由基质、水生植物和微生物组成。
人工湿地基质具有大的比表面积，为植物根系生长和微生物的附着提供了良好的介质。同时，基质可以通过吸附、离子交换等途径去除水体中的一部分污染物，特别是对磷的去除具有重要作用，因此基质种类的选取在人工湿地实施中显得至关重要。传统的人工湿地基质有土壤、砂子、砾石等，近年来有学者发现了一些性能良好的材料如沸石、页岩、陶粒、石灰石、陶瓷等也可以作为人工湿地的基质。填充不同级配石英砂的水平潜流人工湿地对污染物的去除效果普遍优于单层填充的人工湿地，并且不同基质级配有效地减缓人工湿地堵塞的速度，延长人工湿地的使用寿命。熔岩、活性炭、炉渣和海绵铁粉也表现出对氨氮和磷的吸附作用，特别是活性炭，它被认为是一种较为理想的人工湿地基质（Wang et al.，2017）。
植物不但可以提高人工湿地的观赏价值，改善生态环境，更重要的是，在污染物去除的过程中，人工湿地植物发挥着不可替代的作用。简而言之，植物在人工湿地中的净化作用可以概括为以下三部分：①吸收水中的营养物质以维持自身的生长需求，吸收富集在水中的重金属元素和有毒有害物质；②提高湿地系统的水力传输性能；③植物根系的泌氧作用为人工湿地中的好氧微生物提供有利的生境（成水平等，2002）。植物的净化作用与其生长状况和根系发达程度密切相关，因此不同植物的水体修复效果差异显著。人工湿地植物选取过程中，通常也会考虑植物对水中高浓度污染物的忍耐性，一般会选择对污染物有一定的适应性，并且会产生一定的具有代间遗传性的抗性植物。若污染物的浓度远远超过植物的忍耐性，就会大大削弱植物的净化潜能，*终降低人工湿地的可持续性，极端环境条件甚至还会直接伤害植物自身的生长。研究发现水中氨氮浓度过高会侵害植物的生理功能，往往会出现植物叶片枯黄和生物量下降的现象。目前，常见于人工湿地的植物有美人蕉（Canna indica）、芦苇（Phragmites australis）、香蒲（Typha orientalis）、菖蒲（Acorus calamus）、水葱（Schoenoplectus tabernaemontani）、水烛（Typha angustifolia）、睡莲（Nymphaea tetragona）、鸢尾（Iris tectorum）、再力花（Thalia dealbata）等。
微生物是人工湿地发挥净化功能不可或缺的组成部分，对人工湿地中物质转化和能量流动起着重要作用。根际是植物根系生长代谢过程*为直接、影响微生物*为强烈的区域，也是污染物降解转化的重要区域。因此，根际微生物研究是人工湿地微生物研究中的热点。除了根际之外，人工湿地的基质和水体中也分布着大量微生物。人工湿地系统中的微生物种类极其丰富，分为好氧、厌氧和兼性菌群。同时，人工湿地系统中的细菌数量*多，也是污染物降解的主力军，其次是放线菌，真菌数量*少。污水中有机污染物降解的过程主要是通过微生物的代谢活动实现的，或转化为气体产物释放到大气中，或通过转化为小分子、植物易吸收的形式被植物利用，或转化为无毒无害的物质。在细菌种类中，氨化细菌、硝化细菌和反硝化细菌是氮去除的主要微生物种类。而有机磷及溶解性较差的无机磷酸盐通常不能被水生植物直接吸收利用，就需要经过磷细菌的代谢活动将其转化为可溶性磷化物，从而通过植物和部分微生物的吸收利用及基质的吸附作用得到去除。微生物种群结构和多样性对维护湿地生态系统平衡起着关键作用。一些环境因素如季节会影响人工湿地的处理效率，除了人工湿地中的植物在冬季死亡导致其净化效果降低外，微生物的种群结构和丰度的降低也是关键影响因素。
1.2人工湿地研究的发展
经过几十年的发展，作为一种高效的水处理技术，人工湿地已经在水生态环境保护和修复领域得到了越来越广泛的应用，相关研究也在不断深入发展。人工湿地研究在时间和地域上呈现出极不均匀的分布，体现在2005～2024年公开发表的研究数量急剧增加，研究者主要来自中国、美国、英国等国家。同时，人工湿地研究的焦点也朝着脱氮除磷效率提升、新污染物去除、植物-微生物相互作用、数值模拟、碳减排等方向发展。但是，人工湿地研究和应用仍面临一些挑战，包括根据具体环境条件进行设计和长期运行中的管理维护问题，以及耦合工艺在成本、可靠性、安全性和适应性等方面的挑战。
1.2.1人工湿地研究的时间和地域分布
德国较早并系统地开展了人工湿地的研究与应用。20世纪60年代Seidel（2013）在其研究工作中发现了芦苇能去除大量有机物和无机物，进一步的研究表明一些污水中的细菌在通过芦苇床时消失，并且芦苇及其他大型植物能从水中吸收重金属和有机物等。到目前为止，人工湿地技术已在全球广泛应用。研究者对人工湿地的研究热情也是与日俱增，尤其在2009年以后，人工湿地研究的英文发文数量每年迅速增加。通过在Web of Science检索发现，截至2023年8月，人工湿地相关研究累计发文数量超过27000篇（图1-4）。
图1-4人工湿地文献数量的年代变化
资料来源：Web of Science，搜索词为theme=（constructed wetland*) or （artificial wetland*) or （manmade wetland*）
or （treatment wetland*)［主题=（建造湿地*）或（人工湿地*）或（人造湿地*）或（处理湿地*）］
从研究者所在国家或地区来看，人工湿地研究分布广泛，但总发文数量相对集中，总发文数量较多的国家是中国、美国、英国、加拿大和澳大利亚等（图1-5）。
图1-5人工湿地研究文献的全球分布
相较于西方国家，我国对人工湿地的研究起步较晚，但是后来居上，目前的发文数量居世界*位。我国人工湿地的研究大致可分为三个阶段：①2000年以前为起步探索阶段。随着生态治理技术的发展，我国开始了稳定塘、土地处理系统、人工湿地的研究（朱彤等，1991）。1990年，在深圳白坭坑建设了生产性的人工湿地用于污水处理，并以此为基地开展了湿地内部生物降解动力学、水力学等相关研究（陈韫真和叶纪良，1996）。②2000～2009年为迅猛发展阶段。随着水体污染控制与治理重大项目的实施，我国人工湿地研究及应用迅猛发展，论文数量也迅速增加，研究范围涉及重金属、藻类、藻毒素、农药和酞酸酯等污染物的去除（吴振斌等，2000；Cheng et al.，2002a，2002b）。人工湿地广泛应用于生活污水、造纸废水、矿山废水、养殖废水、农业面源污染等污水的处理，污水处理厂尾水的深度处理，湖泊河流等水体的生态
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