今年3月22日“世界水日”的主题是废水。对于卫生设施匮乏的发展中国家，污水处理是一个难题，《科学美国人》西班牙版介绍了一种几乎不需要消耗能源的净化方法——人工湿地。

撰文克里斯蒂娜·阿维拉（Cristinaávila）维克托·马塔莫罗斯（VíctorMatamoros）霍安·加西亚（JoanGarcía）?

翻译?郝蕴

地球上有足够的淡水，可满足全人类的需求。然而，年的数据显示，地球上有10%的人口仍然没有安全的饮用水，约40%的人缺乏基本的卫生设施。据估计，每年有万儿童因缺乏饮用水和卫生设施而死亡。因此，联合国在年宣布，获取清洁饮用水和卫生设施是一项基本人权。

尽管近年来这方面的问题得到了一定改善，但全球约25亿人口仍然缺乏卫生设施。这个问题主要存在于农村及偏远地区，那里70%的家庭缺乏卫生条件，有90%的人在室外排便，这一习惯严重危害了当地居民的公众健康。

然而，目前世界多数地区采用的水处理方法很难应用于农村地区或发展中国家。这种模式首先要建立一个分布广泛的污水收集系统，将污水引至一个大型污水处理厂再进行集中处理，这是一个极为复杂的过程，成本和能耗都很高。事实上，承担污水处理工作的是一些世界上规模最大的企业，它们处理的污水总量也很惊人。欧洲的污水处理厂商管理着总长超过万千米的污水管道和大约7万座污水处理厂。据估计，美国总发电量的3%要用于污水处理。

的确，在工业化国家的大城市，污水处理厂占地面积小、处理效率高，这种水处理系统的作用是不可替代的。然而，要处理乡村地区少量、分散的污水，该模式就必须做出改变了。有必要开发一种实施与运行成本更低，能适应每个地区的自然环境以及社会、经济条件的技术。这种技术应该易于维护，在源头对污水进行分散处理。

人工湿地是实现这种转变的一个极好手段。这些系统模拟了自然湿地，但它们的设计和运作模式都是以增强净化水的物理和化学过程为目标。人工湿地可以利用当地的材料和劳动力建造。此外，因为它们并不依赖于高科技方法，因此特别适合发展中国家和地区。

人工湿地维护简单，在经济和环境两方面都会带来收益。这些系统的运作几乎是零能耗的（只要有足够的阳光），只产生少量污泥，不需要添加化学试剂。此外，人工湿地还可以为野生动物提供栖息地，有利于提高生物多样性和恢复生态环境。对于水量和水质的巨大波动以及环境温度的变化，这些系统也有良好的适应能力。虽然它是一个相对较新的技术，但与其他应用更广泛的方法（如活性污泥）相比，效率要更高，而且还能清除一些其他方法难以处理的污染物。

利用自然的力量

目前世界上大多数净化污水的技术都包括三个阶段：预处理，分离较大的固体废物；初级处理，把剩下的固体颗粒也沉淀出来；二级生物处理，利用微生物分解并去除溶于水的有机物。传统的处理方法或多或少都会产生污泥，接下来，这些污泥也要经过处理最终才能排放掉。这一过程成本也很高。如果想得到高质量的净化水，还需要再经过三级处理，以减少病原微生物，这样才能得到可用于生活、农业和工业的水。

人工湿地可以作为二级或三级处理的方法。它们适用于净化不同来源的水，例如生活污水、工业和采矿废水，以及径流。这种湿地一般是覆盖着植被的浅水池或水渠（深度小于1米）。湿地内种植的植物通常选用芦苇（Phragmitesaustralis）、香蒲（Typhalatifolia）和黄菖蒲（Irispseudacorus）。

在人工湿地中，水会与各种因素相互作用，从而实现净化，颗粒介质（碎石或砂）、微生物、植被，甚至野生动物都会参与其中。物理、化学反应，以及微生物参与的过程可以降解水中的有机物和营养物质，也可以消除病原微生物。而微生物也会参与化学物质的转化、挥发、沉淀、吸附（附着或吸收）以及光降解。哪种过程所占比重最大，在很大程度上取决于湿地的设计。

人工湿地通常可以分为两类，一种是表面流湿地，主要处理过程是在一个水体中进行的；另外一种是潜流湿地，净化过程是在陆地上进行的。在第一种系统里，水暴露在大气中，循环流经植物的茎和叶。这类湿地一般是0.3~0.5米深的浅水池，植物扎根在池底。净化主要依赖于生物膜（附着在植物茎叶上的微生物群落）。这种系统一般用来进行三级处理，也就是进一步改善经传统污水处理厂净化后的水的水质。

在潜流湿地中，水在浅层土壤下循环流动，会经过颗粒介质并与植物的根和根茎接触。水处理是在深度为0.3米~0.9米的地层中进行的。在这种情况下，附着在颗粒介质、植物的根和根茎上的生物膜负责去除污染物。与表面流湿地相比，潜流湿地能负载更多的污染物，适用于二级处理。这种系统中污水直接和人接触的风险更小，也不会滋生蚊子之类的昆虫。然而，这种系统无法提供可用的水源，使得它们在环境恢复项目中用处不大。

潜流湿地还可以分为水平流和垂直流两种。前一种的特点是水流方向与地面平行，并不断地流动。而在后一种湿地中，水垂直流动，而且是间歇性的，因此颗粒介质通常不会被淹没。这就需要用抽水系统和遍布湿地表面的管网来输送污水。因为垂直流湿地不是永久处于浸水状态，其含氧量要高于水平流湿地，从而增强了它的污水处理能力。因此，如果是降解一定量的污染物，需要的垂直流湿地的面积更小。这是由于这种湿地可以更好地把氧输送给植物生物膜，有利于清除污染物。

人工湿地的发展历程

第一个人工湿地水处理实验是德国马普所在20世纪50年代进行的。在接下来的十年，这项技术开始向中欧推广。从20世纪80年代开始，德国的设计被引入了丹麦，到年，丹麦已建成了近80个水平潜流湿地来处理小城镇污水。

虽然在20世纪80年代末，许多欧洲国家已把人工湿地纳入了他们的污水净化技术，但是直到10年后，人工湿地才成为处理小社区和其他零散污水的首要方法。今天，在世界各地有成千上万的人工湿地，包括英国（有多个人工湿地）、奥地利、比利时、波兰、瑞典、捷克共和国、法国或美国这样的国家。从21世纪开始，地中海沿岸的欧洲国家（西班牙，意大利，希腊，斯洛文尼亚和土耳其）也已经建设了大量的人工湿地。

最初，这些国家建造的潜流湿地主要是水平流类型的。人们曾认为植物可以把氧输送到地下部分，供根及根茎上的生物膜通过有氧反应来分解污染物。然而经验表明，植物在这个过程中的作用非常有限，对于一直被水浸透的水平流湿地，氧从空气到水的输送是严重不足的。

水平流湿地的这些局限性促使人们发展垂直流湿地。这类湿地的设计和运作方式（间歇性的水流和未被水浸润的颗粒介质），使得它们能在更小的空间内处理污染更严重的水。在法国有一种形式略有变化的人工湿地，未经处理的污水会直接排入划分成网格状模块的湿地，每个模块都是间歇进水的。这样在模块闲置期间，沉积的污泥会发生矿化。植物在这种湿地中发挥着至关重要的作用，植物的生长以及它们的茎杆在风力作用下的运动都会破开表层泥土，使得地表下的土壤可以接触空气，促进氧气作用下的矿化过程。

人工湿地技术的最新一个进展是把不同类型的湿地结合起来，集合每一种方法的优势。尽管有若干种可能的结合方式，但目前最常用的一种是垂直流湿地连接水平流湿地。这种技术已在奥地利、爱尔兰和斯洛文尼亚等国家使用。由于欧洲水框架指令的实施，混合系统在欧洲得到了较多的







































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