环境生态工程(朱端卫)

《环境生态工程》是我国首部同类教材，教材根据我国环境生态工程的专业学生的培养要求，将生态工程学的基本原理和方法与环境污染治理有机结合，理论与实践并重，教材中介绍的环境生态工程原理与方法与传统的环境工程学、生态工程学等课程既区别又有内在联系，《环境生态工程》教材理顺该课程的任务和性质及其与环境工程专业其他核心课程的关系，从而强化对环境工程专业学生生态原理的教育，促进学生掌握环境生态工程的方法与技术以解决复杂的环境问题。具体来说：

（1）通过《环境生态工程》的编写将生态环境保护、环境工程、环境管理等不同分支学科新技术、新概念进行融合和发展。

（2）《环境生态工程》的问世将率先在我国高校环境工程专业本科教学中确立环境生态工程课程的理论体系和技术支撑体系。

（3）学生通过“环境生态工程”课程的学习，可以掌握环境生态工程的基本原理、模型和设计，了解国内外环境工程、生态工程的新动态和发展趋势，并通过环境生态工程初步设计和方案研究，提高环境工程本科教学质量。

 

本书本着生态与环境持续、和谐发展的理念，在确保系统范围内生态平衡的基础上，整合环境工程技术以综合解决与生态失衡息息相关的非单纯环境问题。全书突出了生物与工程技术相辅相成的特色，贯穿理论性、实践性和可操作性并举的授渔导向。本书共分9章，分别为概论、环境生态工程基本原理及设计基础、湿地环境生态工程、水环境生态工程、流域环境生态工程、固体废物的环境生态工程、生物质处理及利用工程、大气环境生态工程和环境生态工程综合设计与实验。本书可供高等院校环境生态工程专业、环境工程专业、环境科学专业及相关专业本科教学使用，也可供相关工程领域的研究人员、技术人员和管理人员参阅。

朱端卫，华中农业大学资源与环境学院，教授。先后参加和主持5项国家自然科学基金课题、1项国家科技支撑计划，2项国家水专项；1项水利部创新基金课题、参加2项湖北省重点科技攻关项目。分获湖北省人民政府科技进步一、三等奖各1项，湖北省重大科技成果1项；获授权国家发明专利7项；参编专著和教材8部。曾经编写过哪些教材（教材名称、出版时间、字数、出版社、获奖情况等）

第1章概论1

1.1环境生态工程的产生背景及其相关理念1

1.2环境生态工程的学科任务2

1.2.1环境生态工程的定义2

1.2.2环境生态工程的课程任务3

1.3环境生态工程的研究进展4

1.3.1国内外环境生态工程概述4

1.3.2环境生态工程在我国的发展前景5

思考题6

参考文献6

第2章环境生态工程基本原理及设计基础7

2.1环境生态工程的核心原理7

2.1.1整体性原理7

2.1.2协调与平衡原理9

2.1.3自生原理11

2.1.4循环再生原理13

2.2环境生态工程的生态学原理14

2.2.1层次性原理14

2.2.2生物多样性原理15

2.2.3限制因子原理16

2.2.4边缘效应原理16

2.2.5景观生态原理17

2.3环境生态工程的工程学原理17

2.3.1太阳能充分利用原理18

2.3.2水资源循环利用原理18

2.3.3绿色工艺原理18

2.3.4生物有效配置原理19

2.4环境生态工程的经济学原理19

2.4.1生态经济平衡原理19

2.4.2生态经济价值原理19

2.4.3生态经济效益原理20

2.5环境生态工程设计基础21

2.5.1环境生态工程设计原则21

2.5.2环境生态工程设计路线24

2.5.3设计技术路线26

思考题28

参考文献28

第3章湿地环境生态工程29

3.1湿地环境29

3.1.1湿地概念与类型29

3.1.2湿地生态系统功能30

3.2人工湿地对污染物处理的强化功能34

3.2.1悬浮物的去除机理35

3.2.2有机物的去除机理36

3.2.3氮的去除机理37

3.2.4磷的去除机理37

3.2.5重金属离子的去除机理38

3.2.6病原微生物的去除机理39

3.3人工湿地的设计与施工39

3.3.1基本概念39

3.3.2人工湿地的工艺组合、设计程序及其参数40

3.3.3面积设计44

3.3.4填料与防渗设计46

3.3.5集配水与通气的设计47

3.3.6湿地植物的选择48

3.3.7施工50

3.4人工湿地运行与管理50

3.4.1运行调试50

3.4.2特殊控制51

3.4.3系统监测51

3.4.4故障处理52

3.4.5冬季管理54

3.5人工湿地生态工程实例54

3.5.1国外人工湿地污水处理技术应用54

3.5.2人工湿地在国内的发展和应用55

3.5.3水平潜流人工湿地工程案例55

3.5.4垂直潜流人工湿地工程案例57

3.5.5复合垂直潜流人工湿地工程案例57

思考题58

参考文献59

第4章水环境生态工程61

4.1水环境类型及污染特征61

4.1.1河流及其污染61

4.1.2湖泊及其污染62

4.1.3地下水及其污染62

4.2河流生态工程63

4.2.1生态河道构建63

4.2.2生态河道护岸66

4.2.3河流水体修复技术68

4.3湖泊生态工程69

4.3.1底泥疏浚与治理69

4.3.2湖滨带修复69

4.3.3污染湖泊水体治理技术71

4.4地下水修复工程72

4.4.1硝酸盐反硝化脱氮原理73

4.4.2脱氮墙的结构设计73

4.4.3反应介质的选择74

4.4.4影响硝酸盐去除效果的主要因素75

4.5脱氮沟案例76

4.5.1脱氮沟设计76

4.5.2土壤填料特性76

4.5.3脱氮沟对硝酸盐的去除率分析77

思考题79

参考文献79

第5章流域环境生态工程81

5.1流域及其环境问题81

5.1.1流域的功能81

5.1.2流域的特点82

5.1.3流域环境问题83

5.2流域环境生态工程设计84

5.2.1流域环境生态工程设计的关键要素84

5.2.2计算机支持下的协同设计85

5.3流域环境生态工程的技术91

5.3.1生态基流保障技术92

5.3.2闸门调控技术95

5.3.3联合调度技术99

思考题102

参考文献103

第6章固体废物的环境生态工程104

6.1概述104

6.1.1固体废物的来源与分类105

6.1.2固体废物的特征106

6.1.3固体废物的污染与处理方法106

6.2好氧堆肥108

6.2.1好氧堆肥的基本原理108

6.2.2堆肥工艺过程及影响因素109

6.2.3堆肥的方法112

6.3厌氧消化114

6.3.1厌氧消化的基本原理116

6.3.2厌氧消化运行的影响因素119

6.3.3厌氧消化工艺分类124

6.3.4厌氧消化系统128

6.3.5沼气工程的工艺设计132

6.3.6厌氧消化技术140

思考题142

参考文献143

第7章生物质处理及利用工程144

7.1生物质处理及利用概述144

7.1.1生物质的定义、特点和分类144

7.1.2生物质的化学组成144

7.1.3生物质处理及利用的内涵和特点147

7.2生物质的化学处理及生物化学处理147

7.2.1化学脱胶技术147

7.2.2生物脱胶技术148

7.3生物质吸附剂应用149

7.3.1生物质吸附剂分类150

7.3.2纤维素的化学改性150

7.4生物质能源化应用155

7.4.1生物质能的定义及特点155

7.4.2生物质能源化利用的途径155

7.4.3我国生物质能的发展概况169

思考题169

参考文献170

第8章大气环境生态工程171

8.1大气污染概述171

8.1.1大气组成171

8.1.2大气污染172

8.1.3大气污染物172

8.1.4大气污染物对植物的危害175

8.2植物对大气污染的抗性177

8.2.1抗性类型178

8.2.2抗性等级178

8.2.3影响抗性的因素179

8.3植物对大气污染的净化180

8.3.1大气污染的植物修复过程与机理180

8.3.2植物的滞尘效应181

8.3.3植物对SO2的净化181

8.3.4植物对氟的吸收182

8.3.5植物对NO2的净化183

8.4城市热岛效应184

8.4.1城市热岛效应对植物的影响185

8.4.2植物对热岛效应的影响185

8.5防污绿化生态工程185

8.5.1防污绿化生态工程设计的基本原理与原则185

8.5.2防污植物的筛选186

8.5.3防污绿化生态工程的植物配置187

思考题187

参考文献188

第9章环境生态工程综合设计与实验190

实验1小型人工湿地系统设计190

一、设计目的190

二、设计任务190

三、设计要求190

四、思考题191

实验2土地渗滤技术处理地表径流191

一、实验目的191

二、实验原理191

三、实验装置191

四、实验材料191

五、实验步骤191

六、计算192

七、思考题192

实验3脱氮床的构建及运行测试192

一、实验目的192

二、实验原理192

三、实验设计192

四、结果分析194

五、数据处理195

六、思考题195

实验4纤维素基黄原酸钙盐的制备及其对镉离子的吸附195

一、实验目的195

二、实验原理196

三、试剂196

四、材料与仪器196

五、实验步骤196

六、思考题197

实验5园林植物叶片滞尘量的比较分析197

一、实验目的197

二、实验原理198

三、材料和试剂198

四、实验步骤198

五、数据分析198

六、思考题199

实验6浮水植物凤眼莲对污水的修复199

一、实验目的199

二、实验原理199

三、实验步骤199

四、结果分析199

五、思考题199

人类社会进入21世纪以来，环境与生态问题被提到前所未有的高度，这不仅是人们对当今人口激增、工业高度发展、肥料和农药过度使用、农产品加工、资源过度消耗等环节于人类生存环境不利的一种担忧，同时也是人们将日新月异的科学技术加快应用于环境污染治理的一种坚定表现。于是乎，通过研究与实践，部分科研工作者在防治环境污染和提高环境质量过程中将注视的目光由工业点源污染防控转向广大城乡、江河湖库面源污染治理的广阔空间，更加注重利用自然力量来修复各种环境污染，以确保人类社会沿着环境优化、生态和谐的方向持续发展。实际上，在20世纪下半叶人们逐渐从对环境监测和环境影响评估的描述性工作中走了出来，在控制论、系统论的前提下，应用基础工程学、物理学及化学等学科研究的进展为环境工程提供了基本概念和原理；面对环境变化对生态系统的负面影响，同样利用控制论、系统论等理论对基础生态学和应用生态学进行了拓展，形成了生态工程。时至今日，环境污染物的散布已在大尺度空间上深刻影响着生态系统平衡和安全；另一方面，人们加强了对生物在群体上与污染物的转化、消失的关系的认识，从而利用生物多样性及生物措施来减少污染物在环境中的传递，这一工作综合了环境工程和生态工程的作用，形成了环境生态工程基本理论和方法。部分高等院校开设环境工程专业的时钟随着21世纪的到来才被敲响。此时，环境工程的理论和方法都已成熟，而这一专业培养的学生在实践中将更多遇到大尺度空间上环境问题的挑战。他们在面对农村环境问题和农业面源污染时要有所作为，发挥生物学特色的优势来解决实际问题，创新解决问题的方式与方法。我们编写《环境生态工程》（Eco-Environmental Engineering）教材，希望通过本课程的学习，环境生态工程、环境工程等专业的学生能够掌握本书介绍的方法和原理，在此基础上通过阅读案例和进行相关实验，能更好地理解环境生态工程的作用，为将来解决广大城乡、江河湖库面源污染问题打下坚实的基础。本书第1章及第9章实验3由朱端卫编写；第2章2.1~2.4节、第5章由万小琼编写；第3章由华玉妹、崔理华编写；第9章实验1由华玉妹编写；第2章2.5节、第4章4.1~4.3节及第9章实验5由赵建伟编写；第4章4.4、4.5节由蔡建波编写；第6章及第9章实验2由王砚编写；第7章及第9章实验4由周文兵编写；第8章由向荣彪、杨钙仁编写；第9章实验6由向荣彪编写。全书由朱端卫汇总、修定，蔡建波对部分图表进行了重新编辑，刘广龙提供了部分资料，石巍方对第9章实验3的部分概念进行了完善，北京师范大学的刘静玲教授对第5章进行了审定，东北师范大学的盛连喜教授对全书进行了审定，在此一并致谢。由于我们水平有限，而本书内容涉及的领域广泛且又是一门交叉的新兴学科，其中有些论点并非完全成熟、方法并非完善、内容取舍并非完全恰当，编写过程难免有疏漏之处，敬请本书读者批评指正。朱端卫2017年4月

4.2.2 有机物的去除机理污水中不溶性有机物的存在形态为悬浮态和胶体态，这些有机物通过人工湿地时被截留下来，并附着在填料上形成生物膜表面，在细菌胞外酶的作用下水解成小分子或可溶性有机物(DOM)，从而渗透进入其细胞内，被微生物所利用。污水中的可溶性有机物(DOM)可直接渗入细菌细胞内。由于根系区附近属于好氧区域，所以在好氧条件和胞内酶的作用下，有机物作为电子供体，氧作为电子受体和受氢体，使一部分有机物经过微生物的异化作用迅速降解为CO2、H2O、NH3等，并放出能量，供其他生物体合成、增殖；其余大部分有机物通过同化作用，合成新的原生质，使微生物本身增殖。在远离根系的缺氧区域，有机物的去除是通过微生物的吸附和脱附这一动态过程完成的。吸附是指生物膜对有机物的吸着，脱附则依赖微生物的代谢过程。由于缺氧区生存条件恶劣，迫使缺氧区的微生物发生变异，在细菌突变中，约有1/10是能够存活的正突变，其余均是致死突变。突变可使微生物适应新环境，为难降解有机物的分解提供了生物学途径。在离根系区更远的厌氧区域，发生的是厌氧降解过程，兼性细菌和厌氧细菌降解有机物，使部分有机物经过一级代谢和二级代谢分解为CH4、CO2、H2S等，为微生物增殖提供能量，部分有机物则合成为新的原生质，使微生物增殖。总之，湿地去除有机物的过程，实际上是通过对湿地床填料的定期更换移走系统中的增殖微生物以及通过对湿地植物的收割将新生有机体从系统中去除的方式得以实现。人工湿地对有机物有较强的处理能力，这是湿地的显著特点之一。有资料表明，有机物的去除是由于湿地植物的吸收利用、土壤吸附及湿地内填料上微生物膜联合作用的结果。污水中的有机物分为不溶性有机物颗粒和可溶性有机物两部分。不溶性有机物在湿地系统中通过静置、沉淀、过滤，可以很快从废水中截流下来，被微生物加以利用，其原理与前面的悬浮物中相似。可溶性有机物的去除速度较慢，它在好氧、缺氧和厌氧区的去除途径各不相同。土壤中的氧气主要是通过植物的传输获得，在根系区附近属于好氧区域内，大部分有机物通过同化作用，合成为新的原生质，表现为微生物的增殖；另有一部分有机物作为电子供体，通过胞内酶在好氧条件作用下迅速完成生化反应，经过微生物的异化作用，降解为CO2，H2O，NH3等，放出能量。在远离根系的缺氧区域，缺氧微生物通过生物膜对有机物的吸附及微生物的代谢把好氧条件下难降解的有机物降解，来满足自身代谢的要求，使污、废水中的难降解有机物降解去除。而在离根系区更远的厌氧区域，由于没有溶解氧条件，发生的是厌氧消化过程，兼性细菌和厌氧细菌通过发酵作用降解有机物，使部分有机物经过一级代谢和二级代谢分解为CH4，CO2，H2S等，提供能量供微生物增殖用。所有增殖的微生物可以通过对填料的定期更换或者对湿地植物的收割而将新生有机体从湿地系统中除去。因此，可以看出，微生物的作用是人工湿地废水中有机污染物降解的主要机制。另外，有研究表明COD和BOD的去除与各种微生物数量都有明显的相关性。有机物的去除不仅与微生物的作用密切关系，植物的作用也是不可忽视的。植物主要通过三种途径去除有机污染物：1) 植物直接吸收有机污染物 植物通过根系吸收水溶液中或基质孔隙中的有机物，而这些有机物的相当部分被植物转化或保存在生物量里。水葱可降低BOD、COD，茨藻、黑藻可净化有机物，席藻除烷烃率≥30%。2) 植物根系释放分泌物和酶 美国佐治亚州Athens的EPA实验室从淡水的沉积物中鉴定出五种酶:脱卤酶、硝酸还原酶、过氧化物酶、漆酶和腈水解酶,这些酶均来自植物。研究表明植物根系释放的基质磷酸酶的活性与复合垂直流人工湿地对污水中COD的去除率有显著的相关性，但有关人工湿地酶研究的工作报道还不多见。3)到植物和根际微生物的联合作用 这种作用形成小环境，这些微生态小环境具有典型的活性污泥或活性生物膜的功能，对有机物有很强的吸收、分解、富集能力。在植物的根、茎上好氧微生物占优势，而在湿地植物的根系区则既有好氧微生物也有兼性厌氧微生物。在植物生长期，不同的进水方式的有机物去除率均高于无植物湿地（杨崇豪和郑志宏，2004），说明植物在人工湿地的净化机制中具有重要作用。基质的过滤作用对污水的有机物去除，主要是在有机物浓度很低的情况下，其过滤效果较好，但在有机物浓度很高的情况下，这种过滤作用十分有限，对有机物的去除效果会显著降低。人工湿地中有机污染物降解机理的影响因素除上面提到的生物因素(植物、微生物及酶)以外，还有化学因素(如溶解性有机质、氧化还原条件、溶解氧等)及工程因素(水流特性、填料空隙度、停留时间、水力负荷和水位等)等，这些因素之间存在复杂的藕合关系。目前，工程方面的运行参数对湿地系统处理效果的影响研究还不够深入，各运行参数与污水净化效果之间的耦合关系认识尚不充分。4.2.3 氮的去除机理污水中有机氮被异养菌转化为氨氮后。在自养硝化菌的作用下，转化为亚硝态氮和硝态氮，在缺氧或厌氧条件下，亚硝态氮和硝态氮通过反硝化菌作用生成氮气或氧化亚氮以及通过植物根系的吸收作用从系统中除去。污水中的无机氮，作为植物生长过程中不可缺少的营养元素，直接被湿地中的植物吸收，用于植物蛋白等有机氮的合成，最后通过植物的收割而将其从污水和湿地中去除。由于湿地中的氧分布状态是以根系为中心，不同距离处形成好氧—缺氧—厌氧状态，相当于在湿地中存在许多A2/O (Anaerobic-Anoxic-Oxic)处理反应器，从而使硝化和反硝化作用在湿地中同时发生，大大提高了脱氮能力。湿地系统中氮转化途径主要包括氨化、同化、硝化和反硝化、植物吸收作用。有机氮在处理过程中首先被异养微生物转化为NH4 -N , 而后在硝化菌的作用下被转化为无机的NO2-N 和NO3-N，再通过反硝化，以及植物根系的吸收作用最终去除。人工湿地去除NH4 -N的机理：通过硝化反应先将其 氧化成NO3-N，再通过反硝化反应将还原成N2 或者N2O而从水中逸出。硝化反应在好氧环境下由自养型好氧微生物完成，它包括3 步骤:第1 步由亚硝酸菌将NH4 -N转化为NO2-N；第2 步则由硝酸菌将和NO2-N进一步氧化为NO3-N；第3 步由反硝化菌在无氧而有NO3-N 存在的条件下，利用NO3-N中的氧进行呼吸，氧化分解有机物，将NO3-N 还原为N2，N2O。4.2.4 磷的去除机理人工湿地对磷的去除是基质吸附与沉淀、植物吸收和微生物同化3条途径共同作用的结果，而磷最终从系统中去除依赖于湿地植物的收割和饱和基质的更换。①无机磷也是植物必需的营养元素，废水中无机磷可被植物吸收利用组成卵磷脂、核酸及ATP等，然后通过植物的收割而移去。②基质不仅对磷具有吸附作用，而且含Ca和Fe的基质可通过Ca、Fe与PO43- 反应而沉淀。大多情况下，磷的去除途径主要是基质的沉淀和吸附作用。在没有种植植物的表面流矿物土壤床湿地系统中，可溶性活性磷的去除接近100%，可见可溶性活性磷的去除主要靠矿物土壤的作用。③微生物对磷的去除包括对磷的正常同化和对磷的过量积累。由于人工湿地系统中植物光合作用光反应、暗反应交替进行，根毛输氧也交替出现，以及系统内部不同区域对氧消耗量存在差异，从而导致系统中好氧和厌氧情况交替出现，使磷的过量释放和过量积累得以顺利完成。人工湿地除磷的主要原理是通过湿地中的填料、植物和微生物的协同作用来完成。利用人工湿地填料的固磷作用可以达到除磷目的。具有除磷功能的填料颗粒一般是一些多孔或比表面积大的固体物质，其固磷作用主要包括化学沉淀、吸附作用等。化学沉淀受溶度积控制，可分为钙、镁或铁、铝控制的两种转化系统。可溶性磷酸盐与这些金属离子发生反应，形成可逆性和溶解性均很小的钙、镁或铁、铝磷酸盐。吸附作用主要包括固体表面的物理吸附以及离子交换形式的化学吸附，由填料的表面性质决定，受填料的表面积和活性基团控制。一般认为磷酸根离子主要通过配位体交换而被吸附停留在填料和土壤的表面。以上反应的产物最终吸附或沉降在填料内，从而使填料内这些元素的含量急剧升高，几年之后即可达到进水浓度的10～10000倍以上。因此，当填料达到饱和之后，必须更换人工湿地的填料来保证人工湿地持续的除磷效果。常用于除磷的湿地填料有天然吸附材料及废渣。许多天然无定形物质（如高岭土、膨润土和天然沸石等）及工业炉渣（如高炉炉渣和电厂灰）对水中磷酸根离子具有一定的吸附作用。这些材料的磷吸附容量与材料中Ca、Mg、A1和Fe等金属元素氧化物含量成正相关，所以金属氧化物是对磷吸附的主要活性点。无定形非晶态物含量、pH值、材料的比表面积和孔隙率也对吸附容量起重要作用。天然吸附材料及废渣以其价廉易得而被广泛应用于污水的人工湿地系统，但这些物质对磷的吸附容量不高。若对它们进行改性，利用对磷有很强吸附能力的材料与天然吸附材料或废渣复合，这样制成的人工填料可具有更大的吸附容量。填料中的聚磷菌在好养条件下可以过量吸收污水中的溶解性磷酸盐，将其以聚磷的形式积聚在体内（好氧吸磷），然后通过定期更换湿地填料将其从系统中除去。另外，聚磷在厌氧状态下可被聚磷菌分解（厌氧释磷），形成的无机磷可被植物吸收。无机磷是植物生长所必需的营养物质，而污水中的无机磷大部分以正磷酸盐形式（植物对磷的直接吸收形式）存在，可以在湿地系统中种植一些对磷吸收能力很强的植物来实现除磷目的。例如，风车草对磷的吸收性能就很高，在人工湿地中可加以应用。植物吸收水体和填料中的一部分磷，可将其同化成ATP（三磷酸腺苷）、DNA、RNA等有机成分，最后通过对植物的收割从系统中除去。4.2.5 重金属离子的去除机理人工湿地与重金属相互作用，并以不同方式有效的去除重金属，其过程主要体现在：在基质、微生物和植物三者的协调作用下，利用物理、化学和生物方法，通过过滤、吸附、离子交换、微生物分解和植物吸收来实现对重金属的处理。重金属离子在人工湿地系统中可以通过植物的富集和微生物的转化来降低其毒性。植物通过根部可以直接吸收水溶性重金属。重金属在土壤中向植物根部的迁移途径有两种：一种是质流作用，即植物吸收水分时，重金属随土壤溶液向根系流动到根部；另一种是扩散作用，即根表面吸收离子后，根系周围土壤溶液离子浓度降低，引起离子向根部扩散。到达植物根系表面的重金属离子被植物吸收、浓缩，其生理过程包括两种方式：细胞壁质外空间对重金属的吸收；重金属透过细胞质膜进入植物细胞。有些微生物对重金属具有很强的亲和性，其不仅能富集许多重金属，还能够改变重金属存在的氧化还原形态。如某些细菌对As(V)、Hg(II)和Se(IV)等形态的重金属有还原作用，而另一些细菌对As(III)等形态的重金属有氧化作用。金属价态的变化必然导致其化合物稳定性的改变，当有毒金属离子被富集贮存在微生物细胞的不同部位或被结合到胞外基质后，通过其代谢，这些离子可形成沉淀，或被轻度螯合在可溶或不溶性的生物多聚物上，最终达到从污水中去除的目的。4.2.6 病原微生物的去除机理水体中的病原微生物主要来源于人畜粪便、生活污水，从种类上可划分为细菌、病毒和原生动物三大类。病原微生物繁衍状况与其周围环境关系密切。当环境适宜时，病原微生物能进行正常的新陈代谢而生长繁殖；若环境条件变化，病原微生物的代谢和其他性状可发生变异；若环境条件改变剧烈，病原微生物生长可受到抑制或导致死亡。在人工湿地系统中，病原微生物可因沉淀、紫外线照射、化学分解、自然死亡和浮游生物的捕食等而被除去。影响基质吸附、过滤等去除病原微生物过程的主要因素包括基质的粒径大小和表面性质等。基质粒径越小，对病原微生物的去除效果越好。比表面积大的基质能提供更多的吸附点位，对病原微生物的吸附效果更好。基质和病原微生物之间的吸附受静电引力和范德华力的作用。当基质表面电荷与病原微生物所带电荷相反时，更利于基质对病原微生物的吸附去除。日光是有效的天然杀菌法，对大多数病原微生物均有杀灭作用，日光直射杀菌效果尤佳，其主要的作用因素为紫外线。4.3 人工湿地的设计与施工4.3.1 基本概念按照污水流动方式，分为表面流人工湿地（surface flow constructed wetland）、水平潜流人工湿地（horizontal subsurface flow constructed wetland）、垂直潜流人工湿地（vertical subsurface flow constructed wetland）和潮汐流人工湿地（tidal flow constructed wetland）。表面流人工湿地是指污水在基质层表面以上，从池体进水端水平流向出水端的人工湿地。典型的表面流人工湿地系统是由水池或槽沟组成，并设有地下隔水层以防止污水的地下渗漏。污水在人工湿地的基质表层流动，水位较浅，一般为0.1~0.6 m。与后面介绍的潜流系统相比，其优点在于投资省、操作简便、运行费用低；缺点是负荷低，去污能力有限。氧主要来自于水体表面扩散、植物根系的传输，后者十分有限。这种湿地系统运行受自然气候条件影响较大，夏季易滋生蚊蝇，并有臭味。图4-1 表面流人工湿地示意图水平潜流人工湿地（subsurface flow constructed wetland）系统中，污水在湿地床表面下流动，一方面可以充分利用填料表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和填料截留等作用，以提高处理效果和处理能力；另一方面，由于水流在地表下流动，故保温性好，处理效果受气温影响小，卫生条件较好，是目前国际上研究和应用较多的一种湿地处理系统，但这种系统的投资要比表面流人工湿地系统高。图4-2 水平潜流人工湿地（a）和垂直潜流人工湿地（b）示意图水平潜流人工湿地是指污水在基质层表面以下，从池体进水端水平流向出水端的人工湿地。与自由表面流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的水力负荷高，对BOD、COD、SS、重金属等污染物的去除效果好，且很少有恶臭和滋生蚊蝇现象，但其脱氮除磷效果不及下述的垂直潜流人工湿地。垂直潜流人工湿地是指污水垂直通过池体中基质层的人工湿地。污水从湿地表面垂向流过填料床的底部或从底部垂直向上流进表面，床体处于不饱和状态，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地。垂直潜流人工湿地的硝化能力高于水平潜流人工湿地，用于处理含氨氮(NH4 -N)浓度较高的污水更具优势。潮汐流人工湿地系统是由英国伯明翰大学提出的, 他们利用芦苇床进行了该试验。在这种湿地系统中, 床体交替地被充满水和排干。在向床内充水的过程中空气被挤出, 床的基底材料逐渐被淹没。当床体完全被水所饱和以后, 水就全部被排出。在排水过程中新鲜的空气被带入床内。伯明翰大学的最新研究成果表明当水被排出芦苇床, 有机污染物留在基质内时是氧消耗量最大的时刻。因此, 在排水过程中进入的新鲜空气可以看作是去除污染物的氧源。通过这种交替的进水和空气运动, 氧的传速速率和消耗量大大提高, 极大地提高了芦苇床的处理效果。但是, 潮汐流湿地运行一段时间后, 床体可能会被大量的生物所堵塞, 限制了水和空气在床体内的流动, 降低了处理效果。因此, 设计中考虑有备用床交替运行, 以便利用闲置期进行生物降解。图4-3 潮汐流人工湿地示意图4.3.2 人工湿地的工艺组合、设计程序及其参数（1）人工湿地的进水方式人工湿地进水方式的工艺组合有多种形式，其中常用的有推流式、回流式、阶梯进水式和综合式四种，如图4-4所示。 图4-4 人工湿地的工艺组合回流式可稀释进水的有机物和悬浮物浓度，增加水中的溶解氧，并减少处理出水中可能出现的臭味问题。出水回流还可促进床内的硝化和反硝化脱氮作用，采用低扬程水泵，通过水力喷射或跌水等方式进行充氧。阶梯进水式可避免处理床前部堵塞，使植物长势均匀，有利于床体后部的硝化脱氮作用；综合式则一方面设置了出水回流，另一方面又将进水分布至填料床的中部，以减轻填料床前端的负荷。（2）人工湿地的工艺组合人工湿地的工艺组合包括多种类型，它们可以是两个相同或者不同的单级系统组成，甚至是三个单级系统组成的，但大部分仍是以两级系统为主。主要包括如下几种类型：水平流 垂直流复合系统、垂直流 水平流复合系统、垂直流与水平流一体化复合系统、垂直流 表面流复合系统、复合垂直流（下行流 上行流）系统、两级逆向垂直流（上行流 下行流）系统、复合垂直下行流系统、复合垂直上行流系统、复合水平潜流系统和复合潮汐流系统等十几种复合系统。（3）人工湿地的设计程序人工湿地的应用首先通过分析污水特征、区域环境、出水水质要求，选择人工湿地的类型后进行相关设计。由于人工湿地的运行状况与其所在地区密切相关，因此在设计人工湿地时要对所在区域的土地利用情况、气温、降水、地质、水文和动植物生态因素等方面进行分析，这对于保证人工湿地良好运行是非常重要的前期工作。人工湿地的设计应主要包括面积设计、集配水系统设计、填料的选择设计、植物种的选择、防渗设计、通气设计、一级处理系统设计。床体的面积设计是指通过水力负荷、有机污染负荷等参数确定床体的表面积、截面积等。集配水系统设计包括出水构筑物设计和集配水管道设计。人工湿地的设计程序如图4-5所示。图4-5 人工湿地的设计程序采用人工湿地进行生活污水的生物处理时，一级处理系统的设计应保证出水中的悬浮物含量不大于100 mg/L，并需考虑：（1）去除悬浮物、漂浮物以及降解有机物的能力；（2）水量平衡能力；（3）污泥处理和容纳能力。应视具体情况选择合适的一级处理工艺，通常有如下工艺：多格污水沉淀池、沉淀塘、埃姆协沉淀池(Emscher沉淀池)、粗滤床。其特点对比见表4-4。表4-4 几种一级处理工艺的对比 多格污水沉淀池 沉淀塘 埃姆协沉淀池 粗滤床应用 分流系统 合流/分流系统 分流系统 合流/分流系统污泥处理 无 消化区 消化区 土壤化缓冲能力 中 高 小 小净化能力 中 中 中 高运行稳定性 中 中 中 高维护费用 少 中 小 小（4）人工湿地运行涉及的重要参数1）水力停留时间（hydraulic retention time）。其是指污水在人工湿地内的平均驻留时间。潜流人工湿地的水力停留时间的计算： （4-1）式中：t—水力停留时间，d；V—人工湿地基质在自然状态下的体积，包括基质实体及其开口、闭口孔隙，m3；ε—孔隙率，%；Q—人工湿地设计水量，m3/d。2）表面有机负荷（organic surface loading）。其是指每平方米人工湿地在单位时间去除的五日生化需氧量。计算： （4-2）式中：qos—表面有机负荷，kg/（m2·d）；Q —人工湿地设计水量，m3/d；C0—人工湿地进水 BOD5浓度，mg/L；C1—人工湿地出水 BOD5 浓度，mg/L；A—人工湿地面积，m2。3）表面水力负荷（hydraulic surface loading）。其是指每平方米人工湿地在单位时间所能接纳的污水量。计算： （4-3）式中：qhs—表面水力负荷，m3/（m2·d）Q—人工湿地设计水量，m3/d；A—人工湿地面积，m2。4）水力坡度（hydraulic slope）。水力坡度是指污水在人工湿地内沿水流方向单位渗流路程长度上的水位下降值。计算： （4-4）式中：i—水力坡度，%；ΔH —污水在人工湿地内渗流路程长度上的水位下降值，m；L—污水在人工湿地内渗流路程的水平距离，m。