【人工湿地的研究现状文献综述6800字】

人工湿地的研究现状文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u22666人工湿地的研究现状文献综述 1122781.1人工湿地的类别 1194841.2人工湿地的国外研究现状 450831.3人工湿地的国内研究现状 576091.4人工湿地处理农村生活污水的国内外研究现状 731679参考文献 91.1人工湿地的类别人工湿地处理技术主要分为以下几种类型：（1）表面流人工湿地；（2）水平潜流人工湿地；（3）垂直潜流人工湿地；（4）波形潜流人工湿地；（5）复合垂直潜流人工湿地。其中波形潜流人工湿地与复合垂直潜流人工湿地是前面三种类型的改良工艺[14]。（1）表面流人工湿地（见图1-6）。表面流人工湿地的特点是：上部水体与外界空气联通，流动沿水平方向。该类别的优点有：易排出氨等挥发性气体；建设及运行成本低；易改造等。其缺点是：占地较大；污水处理效率较低；卫生条件较差，产生臭气、滋生蚊虫；受低温影响较大等[14]。图1-6表面流人工湿地（2）水平潜流人工湿地（见图1-7）。水平潜流人工湿地的特点是：水体位于植物、土壤下方，沿水平方向在基质填料内流动。该类别的优点有：处理负荷相对较大，对有机物、悬浮物等污染物去除效果较好；占地相对较小；卫生条件较好，能控制臭味和蚊虫；受温度影响较小等。其缺点是：水体未能与基质填料充分接触，吸附效应未能充分发挥[14]。图1-7水平潜流人工湿地（3）垂直潜流人工湿地（见图1-8）。垂直潜流人工湿地的特点是：水体在植物、土壤下均匀布水后，沿垂直方向在基质填料内流动，最终在系统底部集水排出。该类别的优点有：对氨氮的去除效果在人工湿地系统中较为突出；受温度影响较小等。其缺点是：有机物的去除效果一般；建设成本相对较高等[14]。图1-8垂直潜流人工湿地（4）波形潜流人工湿地（见图1-9）。波形潜流人工湿地的特点是：水体运行于植物、土壤下方，总体沿水平方向流动。设置多个挡板使水体在挡板间沿垂直或水平方向流动，增加水体运动流程。该类别的主要优点是：水体与基质接触充分，吸附效果良好，对水体中主要污染物去除效果优于前三类人工湿地。其缺点是：建造难度相对高，使建设成本增加[14]。图1-9波形潜流人工湿地（5）复合垂直潜流人工湿地（见图1-10）。复合垂直潜流人工湿地的特点是：在垂直潜流湿地的基础上额外增加一个与其流动相反的系统。该类别的优点是：水体增加上行流克服重力做功，提升净化效果。其缺点同波形潜流人工湿地：建设成本增加[14]。图1-10波形潜流人工湿地1.2人工湿地的国外研究现状最早有关人工湿地的研究可以追溯到百年以前。1903年在英国约克郡，Earby[15]等人成功修建世界首座人工湿地系统用于处理生活污水。1904年，澳大利亚学者BrianMackney对人工湿地系统进行学术研究，并发表首篇研究人工湿地的学术论文。自此，陆续有学者对人工湿地的运行方式、基质填料、植物等进行研究[16]。20世纪50年代德国MaxPlanck研究所的Seidel博士等人运用人工湿地处理各类废水及清理污染物淤积，并将此工艺命名为“MaxPlanckInstituteProcess”。该设计为矩形钢筋混凝土沟槽，湿地内填料砾石，湿地植物种植在砾石层中。研究认为植物在污染物去除中起主要作用。废水流入湿地单元，并通过重力流穿过砾石和湿地植物的根部，进而得到处理[17,18]。人工湿地从20世纪60年代起开始了工程应用，1972年德国黑森大学Kichuth博士开发了人工湿地处理系统，将该工艺命名为“根区法”。该系统在Seidel等人的设计基础上，解决了系统过度依赖湿地内植物吸收污染物，从而造成堵塞、积水等问题。并将土壤、植物、填料层三者耦合形成适合硝化和反硝化的好氧缺氧区域，进而去除污染物质[18,19]。1974年在德国建成功能齐全的人工湿地用于处理沉淀过后的污水[20]，自此人工湿地在欧洲迅速发展，研究人员对人工湿地的部分缺陷加以改善，人工湿地污水处理技术趋于成熟[21]。美国、加拿大等国对人工湿地系统的研究始于20世纪70年代，到20世纪80年代，表面流人工湿地已在北美得到较为广泛的运用[21]。北美湿地系统绝大部分为表面自由流，其中自然湿地系统约占一半。剩余部分为运用氧化塘、高效藻类塘等技术修建而成的表面流人工湿地。美国是世界上拥有人工湿地系统最多的国家，丹麦、德国、英国等国紧随其后。目前人工湿地已在全球范围内得到广泛应用[22-25]。在国外人工湿地起初大多用于处理生活污水，近年来在处理雨水径流、工业废水、垃圾渗滤液等方面也有运用。英国运用人工湿地技术处理城市道路雨水径流，取得良好效果，进而研究建立了可持续排水系统。美国加利福尼亚州的Arcata表面流人工湿地已稳定运行处理雨水径流超过20年[26]。Hussein[27]运用垂直潜流人工湿地系统处理染料废水。研究发现：种植芦苇的湿地系统对硝态氮、酸性蓝（AB113）、碱性红(BR46)的去除效果稳定，去除率均超过85%。美国阿拉巴马州的Chunchula填埋场采用表面流人工湿地对与废水混合稀释后的垃圾渗滤液进行处理，对COD、TOC（总有机碳）的去除率超过87%，对Cu、Pb等重金属也有较好的去除效果[28]。随着人工湿地技术研究的不断发展，将在污染物控制领域发挥重要作用。1.3人工湿地的国内研究现状在西方国家大规模建设人工湿地过程中，我国也于20世纪80年代后期，开始采取试验等方式将人工湿地技术运用于污水处理工程中。1987年天津市环保所建成我国首座人工湿地系统试验模拟系统，并于1989年将其运用于工程实际中，处理城市生活污水[29]。1990年在深圳白泥坑建成的人工湿地系统用于解决湖水富营养化问题。1998年在四川成都建成的活水公园，将城市污水处理与公园景观相融合，使“死水”变“活”，是人工湿地技术运用的又一创新[25]。此后，人工湿地在我国各类水处理工程中得到广泛应用，将水处理工程与景观、生态环境保护与修复相结合，既强调水处理效果，也注重景观与生态效应[30]。现阶段人工湿地研究主要集中在如何提高脱氮除磷效果，人工湿地微生物研究，人工湿地分析模型研究等方面。提高人工湿地脱氮除磷效果集中在以下几个方向：1）基质填料分析筛选。人工湿地不同基质种类、粒径，会导致系统内部水力性能发生变化，造成局部微环境差异，影响微生物群落结构。同时，不同基质对水体中污染物的截留、吸附效能也不同，影响人工湿地的处理效率[30]。张翔凌[31]对沸石、无烟煤等8种基质进行为期一年的垂直流人工湿地净化湖水试验，得出8种基质在污水处理效果、对湿地堵塞的影响等方面的优劣性，为垂直流人工湿地选取不同基质组合提高脱氮除磷效果提供支持。宋彦青[25]以富营养化水体为研究对象，选取火山岩、生物陶粒等4种填料，通过分析填料元素成分，进行填料的筛选组合试验。分析所选填料在水平潜流人工湿地系统内，对有机物、氮、磷等富营养物质的去除效果。2）人工湿地组合工艺。常见的几类人工湿地各有优劣，为提高脱氮除磷效果，组合发挥各类湿地优势，从而加强湿地系统处理效果。庞长泷[32]通过试验考察了不同组合方式如：水平潜流串联后接水平潜流、垂直潜流后接水平潜流等强化组合方式的人工湿地系统的处理效果。改良湿地系统低温下运行效率低的问题，并运用高通量测序技术观察分析湿地系统内微生物结构，结合动力学与统计分析模型对改良潜流人工湿地主要污染物去除过程中的影响因素进行分析，监测出水水质。根据所得数据分析，建立评价体系，结果显示水平潜流人工湿地系统的综合效益最高。3）补充碳源。运用人工湿地处理碳氮比较低的污水如污水处理厂尾水、农村污水等，碳源不足的问题影响人工湿地脱氮除磷效果。陆续有学者对补充碳源的种类、添加方式等问题进行研究[30]。刘刚[33]等人指出将植物碳源作为湿地系统反硝化碳源。该方式不仅价格低廉、易获取，而且能循环利用收割后的湿地植物，且不会增加湿地系统的能耗和二氧化碳排放量。ShenZhiqiang[34]等人以玉米淀粉与聚己内酯（PCL）混合物作为人工湿地碳源补充，运用高通量测序技术，观察到：补充碳源使反硝化菌在填料内成为优势菌种，进而提高系统的脱氮效率。赵联芳[35]等采用芦苇和二球悬铃木树叶作为碳源，葡萄糖作为对比碳源，研究有机碳源对人工湿地脱氮除磷效果的影响。结果表明：植物碳源分解稳定后的脱氮效果较好，总氮去除率达到90%比空白组高15%，也优于葡萄糖对照组。4)人工湿地微生物研究。微生物在人工湿地净化污水过程中发挥重要作用。

ZhongFei[36]等采用PCR技术同高通量测序技术进行比较，研究了水平潜流人工湿地中微生物群落，得出高通量测序更能反应微生物群落的多样性，更有助于解释人工湿地中污染物降解机理。ChenYi[37]等通过高通量测序发现植物与微生物数量及活力密切相关，植物根系区域微生物活性明显高于其它区域，植物通过影响砾石基质的碳含量与pH值进而影响微生物活性。5)人工湿地分析模型研究。人工湿地运行机理极为复杂，类似于“黑箱”，建立模型研究人工湿地系统有助于将“黑箱”变为“白箱”[30]。人工湿地模型研究的主要方向有：污染物去除动力学模型、人工湿地水力学分析模型等。范英宏[38]采用动力学模型对水平潜流人工湿地和复合垂直流人工湿地污染物降解动力学模型进行了参数估计，结果表明复合垂直流人工湿地处理效果明显好于水平潜流人工湿地。人工湿地的水力性能受到诸多因素影响，如：布水方式、水力负荷、进出水口位置、填料粒径与结构、平均水力停留时间、水深等[39]，进而影响污水净化效果。柳登发[39]对水平折流湿地和垂直折流湿地装置进行对比，进行示踪试验，得出人工湿地在稳态、非稳态过程中的水力停留时间分布曲线。通过分析稳态、非稳态过程系统内的水力性能规律，建立水动力学模型，得出水平折流人工湿地流态优于竖向折流人工湿地的结论。许旭[40]通过小型水平潜流人工湿地试验装置及VisualMODFLOW模型对水平潜流人工湿地水力学特征和污染物去除机制进行模拟分析。得出结论：水力负荷与人工湿地系统的净化效果反相关，水力负荷相对低，可延长水力停留时间，进而有效提高污水的净化效果。1.4人工湿地处理农村生活污水的国内外研究现状结合国内外研究现状，选择人工湿地技术处理农村生活污水，符合我国农村实际情况，对农村地区的污水有很好的适应性，能有效控制农村地区面源污染，有很好的应用前景[41]。部分发达国家采取人工湿地或将人工湿地与其它技术相结合的方式进行处理。澳大利亚科学与工业组织（CSIRO）的研究人员提出一种“FILTER”(FiltrationandIrrigationcroppingforLandTreatmentandEffluentReuse)技术用于处理农村生活污水。该工艺融合人工湿地与土地渗滤技术，将污水灌溉至系统表层农作物上，经土壤过滤、吸附、降解后由系统底部暗管排出，是一种连续、可回收复用的高效处理技术。既满足农作物对水、肥料的需求，又去除废水中的污染物浓度，达到排放标准，而且整个系统运行过程中，进水、过滤、排水都是可以控制的[42]。美国加州大学伯克利分校研究人员将在美国广泛运用的表面流湿地加以改良，研发出“高效藻类塘”技术用于处理农村生活污水。该技术通过系统藻类增殖，形成利于微生物生长、繁殖的环境，生成的菌藻共生系统更为高效，污水净化效果。高效藻类塘相较于传统的稳定塘，具有效率提高、占地面积降低、工程建设、后期维护费用更低等优点[43-45]。韩国农村污水处理是在政府主导下，按照水环境保护标准建设农村污水处理设施。韩国结合农村实际开发了一种新型小规模污水处理系统，名为“NEWS”（NaturalandEcologicalWastewaterTreatmentSystem）。该技术将化粪池、厌氧生物滤池、潜流人工湿地三种工艺进行组合，取得良好的处理效果。在夏季、冬季分别对总氮、总磷、COD的去除率为45.94%，48.65%，98.47%和27.93%，23.78%，86.45%，运行效果稳定，维护较为简单，对农村生活污水处理有针对性[46,47]。还有一些国家采用小型一体化设备的方式处理农村污水，而非人工湿地这类生态处理的方法。在日本采用家庭净化槽的方式处理[48]，现阶段，日本的净化槽技术已发展较为成熟,主要出水污染物指标如：COD、BOD、TN、TP等低于15mg/L[49]，出水水质远高于我国农村污水排放标准，但其改造费用等要求与我国农村人口众多且经济相对落后的实际情况不太相符。澳大利亚的“FILTER”技术需要丰富的土地资源，若使用在不适宜土地可能造成地下水污染，不太适宜我国国情。美国农村地区采用的高效藻类塘的方式更适用于土地资源丰富的国家，与我国国情不太相符。韩国的“NEWS”技术对农村污水具有针对性，占地面积小，能够与化粪池等简易污水处理设施相结合，与我国国情具有相似性，具有借鉴意义。现阶段，发展中国家对人工湿地技术处理农村生活污水的研究贡献相对更多，我国关于相关方面的发文量高居首位，研究方向主要有：多种人工湿地的组合系统处理农村生活污水的应用，人工湿地与其他工艺耦合处理，户级规模人工湿地处理系统等[50]。将水平潜流、垂直潜流等人工湿地通过“串联”、“并联”组合起来，提高湿地系统对农村污水的处理效果。付融冰[51]等研究串联水平潜流人工湿地对农村污水总氮的去除效果，得出以下结论：进水总氮负荷与出水总氮负荷去除呈线性关系；水力停留时间越长，脱氮效果越好；种植植物脱氮效果明显好于不种植。当HRT为4d时，种植芦苇和菖蒲可进一步提高脱氮效果，去除率超过60%。刘建[52]等选用复合垂直流人工湿地串联表面流人工湿地的方式处理太湖流域农村地区生活污水。通过增设大气连通管、过渡滤料层等方式，缓解垂直流人工湿地产生堵塞，出水主要污染物指标均达到一级B标准。常规单一人工湿地系统很难处理农村污水稳定达标，而人工湿地组合式系统虽能达到理想的处理效果，但却对场地有更高的要求，更适宜农村污水集中处理后采用。而农村生活污水收集困难，对于处理户级规模的农村生活污水，组合式人工湿地系统不太适宜。因此，一些学者采用人工湿地与其他工艺耦合方式。吴磊[53]等采用厌氧与人工湿地的组合工艺，增设跌水装置，增加湿地系统内溶解氧的含量。结果显示：该工艺对COD、总氮的去除率分别达到81%、83%，对总磷的去除率超过72%，处理效果良好。陈亮[54]等选择“一体化设备+水平潜流人工湿地”组合系统处理农村生活污水，有效降低了土地使用面积且主要污染物指标均能达到一级B标准，折合每吨水处理费用为0.44元。较人工湿地系统组合，虽提高了处理效果、节约了土地资源，但依旧无法解决农村污水收集困难这一难题。为解决因农村地区管网基础设施匮乏而造成污水收集困难，一些学者采取“家庭式”人工湿地系统。吴树彪[55]等采用“地下沉淀池+种植柳树的垂直潜流人工湿地”系统处理生活污水。结果表明：该系统对各项污染物指标去除率均超过84.5%。但垂直流人工湿地系统在柳树下，若系统发生堵塞，将很难对填料进行处理且随着柳树地下根系生长，填料结构也可能会受影响。波形潜流人工湿地系统包括水平折流和上下折流两种流态，兼具水平潜流人工湿地和垂直流人工湿地优点[56]。楚伟伟[57]等采用4廊道式波形上下折流潜流人工湿地系统与水平潜流人工湿地系统进行对比试验，得出结论：在无植物湿地系统中，HRT为2d时，对COD、总氮、氨氮和总磷的去除率较对照组均有不同程度的提高，提升幅度大于10%。但对于进出水口位置、系统运行方式、种植植物的影响等缺乏研究。殷楠[58]等构建了2种长宽比，4廊道与8廊道上下、水平折流潜流人工湿地模拟装置。采用均质玻璃珠作为模拟填料，利用示踪试验分析计算人工湿地系统水力特性，得出4廊道上下折流人工湿地系统具有更好的水力特性的结论。利用波形潜流人工湿地系统用于处理农村生活污水鲜有研究，本课题将结合农村生活污水水量、水质等特点，对波形潜流人工湿地系统从水力性能、运行方式等方面进行改良优化，以户级为规模开展试验研究。参考文献[1]中华人民共和国国家统计局.《中国统计年鉴2020》.[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.《2019年城乡建设统计年鉴》.[2020-12-31].[3]中华人民共和国生态环境部,国家统计局,农业农村部.《第二次全国污染源普查公告》.[2020-06-08].[4]陈燕.我国农村生活污水的治理[J].环境与发展,2018,v.30;No.140(03):88+90.[5]谢晴,张静,麻泽龙,敬子卉,蒋加洪.A~2/O-MBR工艺在农村生活污水处理中的示范[J].环境工程,2016,34(07):38-41+87.[6]张鑫,付永胜,范兴建,黄帅.农村生活污水排放规律及处理方法分析[J].广东农业科学,2008(08):139-142.[7]国家统计局.第一次全国污染源普查公报[EB/OL].[2010-02-11][8]王阳,石玉敏.分散式污水处理技术研究进展[J].环境工程技术学报,2015,5(02):168-174.[9]张辰,谭学军.《上海市农村生活污水处理技术指南》介绍[J].中国给水排水,2009,25(024):1-4,10.[10]李菊,胡颖铭,彭子宸,陈亚平,董坤.四川省农村地区生活污水处理现状调研分析[J].四川环境,2020,39(05):164-169.[11]文一波.中国典型村镇污水处理系统研究[D].清华大学,2016.[12]王波,刘春梅,赵雪莲,宁桂兴,王俊安.我国村镇生活污水处理技术发展方向展望[J].环境工程学报,2020,14(09):2318-2325.[13]张增胜.农村分散式污水处理适用技术及机理研究[D].东华大学,2010.[14]张自杰.排水工程第五版[M].中国建筑工业出版社.[15]HileyPD.Therealityofsewagetreatmentusingwetlands[J].WaterScience&Technology,1995,32(3):329-338.[16]徐丽花,周琪.不同填料人工湿地处理系统的净化能力研究[J].上海环境科学,2002(10):603-605+644.[17]HaberlR,PerflerR,MayerH.ConstructedwetlandsinEurope[J].WaterScience&Technology,1995,32(3):305-315.[18]FuriaEdwardW..BiologicalControlofWaterPollution[M].UniversityofPennsylvaniaPress,Inc.:2016-11-11.[19]C.HHouse,B.ABergmann,A.MStomp,D.JFrederick.Combiningconstructedwetlandsandaquaticandsoilfiltersforreclamationandreuseofwater[J].EcologicalEngineering,1999,12(1).[20]KickuthR.Alowcostprocessforpurificationofmunicipalandindustrialwastewater.Dertropenlandwirt,1980,83:141-154.[21]PatrickKangas.EcologicalEngineering:PrinciplesandPractice[M].CRCPress:2004-06-02.[22]KadlecRH,Wal