人工濕地動力學(xué)模型的建立

人工濕地動力學(xué)模型的建立摘要：人工濕地作為一種較新的水處理技術(shù)，對其處理機理的理解還不夠充分，對其影響因素的認識還不夠全面，因此經(jīng)常由于設(shè)計不當(dāng)使得出水達不到設(shè)計要求或者不能達標(biāo)排放，有時人工濕地甚至還會成為污染源。因此對濕地污染物去除動力學(xué)的研究可以為濕地的設(shè)計提供進一步的理論支持。本文概要地介紹了人工濕地污水處理的污染物去除動力學(xué)模型的研究進展。

關(guān)鍵字：人工濕地動力學(xué)模型水處理ProgressofDevelopmentofKineticModelsforPollutantsRemovalwithConstructedWetlandsAbstract：Constructedwetlandsprovideaneconomicalandeffectivemethodforwastewatertreatment.Usualkineticmodelsforpollutantsremovalinthetreatmentofwastewaterwithconstructedwetlandsincludefirst－stagekineticmodelsandMonodmodels，bothofwhicharebasedonthemassbalanceofpollutantsinstablestatus.Infuture，itisalsonecessarytotakeintoconsiderationtheeffectsofspacedistributionofvegitationandactualresidencetimeinimprovinganddevelopingthemathematicmodels.Keywords：constuctedwetlands；kineticmodel；wastewatertreatment自西德1974年首次建造人工濕地以來，由于其具有投資低、出水水質(zhì)好、操作簡單、維護運行費用低等特點，被廣泛用于生活污水、礦山酸性廢水[3-4]、紡織工業(yè)[5]和石油工業(yè)[6-7]等工業(yè)廢水的處理。人工濕地作為一種較新的水處理技術(shù)，對其處理機理的理解還不夠充分，對其影響因素的認識還不夠全面，因此經(jīng)常由于設(shè)計不當(dāng)使得出水達不到設(shè)計要求或者不能達標(biāo)排放，有時人工濕地甚至還會成為污染源””。因此對濕地污染物去除動力學(xué)的研究可以為濕地的設(shè)計提供進一步的理論支持。本文概要地介紹了人工濕地污水處理的污染物去除動力學(xué)模型的研究進展。1一級動力學(xué)模型1.1一級動力學(xué)模型簡介濕地設(shè)計通常采用的是一級動力學(xué)模型，其基本設(shè)計方程被澳大利亞、歐洲、美國廣泛應(yīng)用于濕地的設(shè)計和對濕地污染物去除效果的預(yù)測。雖然有許多局限性，但由于其參數(shù)的求解及計算過程都很簡單，因此目前仍把它作為描述濕地中污染物去除的最合適的方程，廣泛應(yīng)用于BOD、營養(yǎng)物、SS和細菌以及金屬離子的去除計算。用于濕地的一級動力學(xué)方程，主要考慮處理負荷與處理效率之間的關(guān)系，模型的推導(dǎo)以基質(zhì)的降解服從一級反應(yīng)動力學(xué)為基礎(chǔ)。經(jīng)常設(shè)模型中的一些參數(shù)如速率常數(shù)等為常量與水力負荷或進水濃度無關(guān)，以及濕地中的水流形態(tài)為穩(wěn)定的柱塞流等。這些一級動力學(xué)模型有的采用體積速率常數(shù)kv來確定濕地所需的體積，有的采用面積速率常數(shù)k。來確定濕地所需的面積，kv多用于潛流型人工濕地，而kA則在表面流入工濕地中應(yīng)用更多。這些一級動力學(xué)模型通常的表達方式為C0=Ciexp（－kv·t）（1）C0=Ciexp(-kA/q)式中：Ci——進水濃度，[M／L3]；C0——出水濃度，［M／L3］；kv——體積去除速率常數(shù)，［1／T］；kA——面積去除速率常數(shù)，［L／T]；t——水力停留時間，[T]；q——水力負荷，［L／T］。1.2二參數(shù)一級動力學(xué)模型上述的一級動力學(xué)模型中只包含一個參數(shù)kv或k。。在Eckenfelder模型中，如果污染物中存在不可生物降解部分，則需在方程中加人不可生物降解物質(zhì)濃度項。在濕地中，即使沒有不可降解的污染物，大氣或地下水的貢獻、化學(xué)作用以及生物地理化學(xué)循環(huán)也會產(chǎn)生背景濃度。即使是BOD，由于植物枯葉或其它有機物分解生成BOD，同時內(nèi)源自養(yǎng)過程積累并將含碳有機物釋放回濕地中，也會形成1－10mg／L背景BOD。于是Kadlec和Knight建議引入背景濃度，低于背景濃度的污染物不能被降解，并在一級反應(yīng)動力學(xué)方程中加入背景濃度項C*：（co—c*）／（ci—c*）＝exp（—kv·t）（3）（co—c*）／（ci—c*）＝exp（—kA／q）（4）1.3三參數(shù)一級動力學(xué)模型不論單參數(shù)還是二參數(shù)模型，在運行和設(shè)計條件改變時，都不能保持參數(shù)的穩(wěn)定性，于是研究者又在模型中加人了第三個參數(shù)，提出了三參數(shù)模型。加入描述水力負荷變化對k值影響的參數(shù)m，對k值進行修正：kv＝kv′·qm（5）研究表明參數(shù)m的引入可以提高數(shù)據(jù)與模型的吻合程度，但并不能消除水力負荷對表觀背景濃度的影響。加入表征擴散特性的參數(shù)濕地示蹤實驗結(jié)果與考慮擴散的二維速度場相類似，所以在方程中加入擴散參數(shù)，得到：（co－c*）／ci－c*）＝［4bEXP（Pe／2）］／［（1＋b）2exp（bPe／2）－（1－6）2exp（－bPe／2）］b(7)＝(1+4Da/Pe)0.5（8）式中：Pe—Peclet數(shù)（Pe=uL／D），u——流速，[L/T]；D——擴散系數(shù)，［L2／T］；Da—Damkohler數(shù)（Da＝kv·t）。擴散參數(shù)的加入只能對流動非理性特性中的擴散引起的偏差進行修正，但是對于短流等的影響卻沒有在方程中得到反映。1.4一級動力學(xué)模型的局限性參數(shù)的不穩(wěn)定性一個好的模型其所含的參數(shù)不應(yīng)隨操作條件的改變而變化，但單、二、三參數(shù)模型都不能滿足對參數(shù)穩(wěn)定性的要求。通常認為速率常數(shù)和背景濃度為常數(shù)，但實際上它們與濕地的特征及操作條件有關(guān)，其值受自由水深、水力負荷、進水濃度。擴散、降雨和蒸發(fā)等各種因素的影響[9,18]。另外一級動力學(xué)模型假設(shè)速率常數(shù)和背景濃度在時間和空間上保持不變，但是由于濕地植被及濕地中微生物的空間分布不均勻，所以必然造成速率常數(shù)和背景濃度的空間分布；并且由于一天中氣溫等條件的變化，它們的取值在一天當(dāng)中也是變化的。所以即使對同一個濕地而言，一組參數(shù)也只適用于一組數(shù)據(jù)，而對另一組數(shù)據(jù)可能就無效，模型參數(shù)不是某個固定的值，而是有個范圍。非理想流動特性的影響風(fēng)、生物擾動作用、速度梯度、短流以及水流受到濕地植被阻擋的繞流都使?jié)竦刂械牧鲃有螒B(tài)偏離了模型最初的柱塞流假設(shè)。季節(jié)的影響為了驗證一級動力學(xué)模型是否適用于人工濕地對重金屬的去除，RichardR.Goulet等進行研究，結(jié)果表明是否符合一級動力學(xué)模型與季節(jié)有關(guān)。溶解性Zn的去除在春、夏、秋季符合一級動力學(xué)，在冬季不符合；而溶解性的Fe、Mn與總Fe、總Mn只在春季符合一級動力學(xué)模型[19]。對于那些處理酸礦廢水的濕地，由于金屬負荷高，F(xiàn)e、Mn還原作用對去除效果的影響不大，所以仍很好的滿足一級動力學(xué)模擬[4，20-21]。去除能力的限制按照一級動力學(xué)，污染物的去除速率r［MT-1］為：r=Q.Cin(1-exp(-kv.t)(8)r=Q.Cin(1－exp（-kA／q）(9)由上式可知，去除速率隨流量和進水濃度乘積（即進水污染物負荷）的增大而增大，這樣在理論上不存在去除速率的界限。只要進水污染物負荷增加，去除速率可以無限增大，濕地似乎具有無限的去除能力，這顯然與實際情況不符。隨機事件的影響一些不可預(yù)見的隨機事件會對系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響，例如進水流量及濃度的波動、氣候、生物活動和其它生態(tài)因素。另外降雨和蒸發(fā)在濕地中形成了第二水力負荷，這種附加的負荷有很多方面的影響，例如改變了水力停留時間，混合、擴散、短流以及其它流動特性也因此而發(fā)生變化。2Monod動力學(xué)模型在傳統(tǒng)的污水處理設(shè)施和附著型生物處理系統(tǒng)中，可以觀察到隨著進水濃度的增加，反應(yīng)動力學(xué)會從零級變?yōu)橐患塠22]。所以假設(shè)濕地中的生物過程與其他的生物系統(tǒng)一樣，符合Monod動力學(xué)[23]：dc／dt＝k0.v[c／K＋c）］（10）dc／dz=-k0.vaε/Q·[c／（K+c）]=［－k0.A／(q.z）］·［c／K+c）］（11）式中：k0，v——零級體積速率常數(shù)，［ML－3T-1］；k0，A——零級面積速率常數(shù)，［ML-2T-1]K——半飽和常數(shù)，［ML－3］；Z——濕地床的長度，［L］；ε——濕地床的孔隙率，［L3L-3］；a——濕地的橫截面面積，［L2]；Q——流量，［L3T-1]。對于某一濕地床，其k0，v和床體積V一定，其所能承受的微生物的最大數(shù)量也是一定的，所以其最大去除速率也存在一個上限值，即k0，v·V。定義了標(biāo)準化負荷RL（即進水污染物負荷與最大可能去除率的比值）和標(biāo)準化去除率RR（即濕地床污染物去除率與最大可能去除率的比值）：RL=ciQ／(k0，v·V）（12）RR＝（Ci－c0）Q／k0。v·V）（13）標(biāo)準化負荷與標(biāo)準化去除率的關(guān)系如圖1所示。對于某一固定的進水濃度，開始系統(tǒng)處于一級動力學(xué)段，隨著流量的增加其去除速率按相應(yīng)比例增加；直到進入零級動力學(xué)段，這時濕地去除速率達到最大（相對于這一進水濃度），流量再增加，去除速率保持不變，出水濃度會增加。提高進水濃度，可以提高其去除速率，同時與之相對應(yīng)的最大去除速率也就越大。當(dāng)進水濃度相對于K趨近于無窮大時，濕地達到了其性能的極限。如果標(biāo)準負荷R凡＜1，濕地的去除效率為100％，即出水污染物的濃度為零。隨著流量的增大，其去除速率按相應(yīng)比例增大，與圖中斜率為1的100％去除效率直線相對應(yīng)；當(dāng)標(biāo)準負荷RL≥1，濕地的處理能力達到極限，處于飽和狀態(tài)，其去除速率等于最大去除速率同時也是濕地的最大可能去除速率，標(biāo)準化去除率為1，對應(yīng)于圖中的絕對最大去除率直線。與一級動力學(xué)模型相比，Monod動力學(xué)模型更符合微生物處理的實際情況，更為合理，所以更適用于那些微生物起主導(dǎo)作用的污染物降解過程。3今后研究的方向一級動力學(xué)和Monod動力學(xué)的設(shè)計方程都是由污染物穩(wěn)態(tài)時的質(zhì)量平衡得到的，都是濕地床的靜態(tài)宏觀模型，兩者都沒有考慮到傳質(zhì)效率，即都假定物質(zhì)從液相遷移到生物膜的過程沒有阻力。新的模型應(yīng)考慮到濕地植被的空間分布，應(yīng)根據(jù)實際的停留時間分布來模擬污染物在濕地中的去除，而不是僅考慮單一的停留時間t。另外人工濕地是一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，其對污染物的去除是人工濕地各組成部分共同作用的結(jié)果，新的模型應(yīng)充分考慮到各種因素的影響，因此應(yīng)對人工濕地污染物去除的機理及其影響因素作深入全面的研究。目前我國湖泊治理面臨的一個難點是面源污染難以控制，農(nóng)田施用化肥后地表徑流將大量富營養(yǎng)化的污水帶入湖泊。另外，城鎮(zhèn)污水處理的最主要渠道----污水處理廠由于截污管網(wǎng)不完善，運轉(zhuǎn)費用高昂等原因，大多時開時停，那些被\"遺忘\"的生活污水于是也匯入河道，流進湖泊。調(diào)查顯示，湖泊中大約有70％以上的污染物是通過河道進入的。將人工濕地選擇建設(shè)在河道的入湖口處，就是為了解決這種面源污染的問題。更引人注意的是，相對污水處理廠而言，人工濕地建設(shè)和運轉(zhuǎn)費用低廉。每噸污水治理費僅為處理廠的二十分之一，而處理量是其3倍多。建設(shè)費用僅為幾百萬元，遠遠低于污水處理廠所需。撫仙湖項目的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，污水處理后的總氮量、總磷量去除率分別為50％和40％。甘坑人工濕地系統(tǒng)工程建在龍崗區(qū)布吉鎮(zhèn)甘坑村排污口，日處理污水量達1.6萬噸，它可以處理甘坑村的全部生活污水以及一部分的工業(yè)污水。人工濕地污水處理技術(shù)是一項新的污水生態(tài)處理技術(shù)，它是將污水投放到人工建造的類似于沼澤地的濕地上，通過植物、微生物、土壤的共同作用凈化污水。水質(zhì)決定污水在濕地停留的時間，少的2～3天，多的10～20天。用人工濕地來處理生活污水和工業(yè)有機廢水，效果很好，一般出水的COD能達到30毫克／升以下，BOD能達到10毫克／升以下，遠遠優(yōu)于國家排放標(biāo)準，可以達到地面水三級標(biāo)準。據(jù)了解，發(fā)達國家從20世紀90年代起廣泛采用人工濕地來處理污水。如美國有1萬多座人工濕地污水處理系統(tǒng)，丹麥有800多座。處理的廢水除了生活污水之外，還有垃圾填埋場的滲瀝液、某些工業(yè)廢水如煉油廠的廢水等等，此外，還能處理城市污水處理廠的污泥。人工濕地是一個形式豐富多樣的污水處理系統(tǒng)，主要分為天然濕地、自由水面濕地（地表流式）、地下水流濕地（潛流式）和滲濾濕地四大類。當(dāng)今廣泛應(yīng)用的有兩大類。一類是地表流式，有點類似于稻田，污水流進濕地停留若干天后排出，這一工藝的優(yōu)點是造價低。每噸污水150～300元，缺點是占地面積很大，污水可能會散發(fā)出臭味，此外冬天會結(jié)冰，影響處理效果，不太適合特別寒冷的地區(qū)。另一類是潛流式，將污水通過管道輸送到人工土壤介質(zhì)中，表面種植植物，類似于微灌、滴灌，優(yōu)點是占地面積很小、污染物去除率高、冬季不影響運行，且沒有臭味，缺點是相對于地表流造價大一些，每噸污水800元左右。目前發(fā)達國家的人工濕地污水處理系統(tǒng)主要為潛流式，占90％以上。人工濕地污水處理技術(shù)與傳統(tǒng)的污水二級處理工藝———“活性污泥法”相比較，具有許多優(yōu)越性。一是因為它不需要曝氣充氧和投加化學(xué)藥劑、能源消耗和管理費用低，所以處理成本非常低廉，一般為0.1～0.2元／噸污水，而“活性污泥法”為0.5～1元／噸污水。二是因為它需要的構(gòu)筑物和設(shè)備很少，所以造價也低，一般為150～800元／噸污水，而“活性污泥法”為1500元／噸。三是脫氮脫磷效果好，能夠解決水體富營養(yǎng)化的問題。濕地植物能夠大量吸收污水的含氮含磷化合物，實踐表明，生活污水經(jīng)過濕地處理后，總氮和總磷的去除率分別可達到70％和90％以上，而“活性污泥法”只能達到30％。四是不產(chǎn)生污泥?！盎钚晕勰喾ā痹谔幚砦鬯倪^程中要產(chǎn)生大量的污泥，一般處理1000噸污水要產(chǎn)生1噸污泥。污泥的處理對污水處理廠來說是個棘手的問題，通常采用脫水、干化、填埋來處理，費用比較高。五是可以把不毛之地改造成綠洲、把污水處理廠建設(shè)成生態(tài)景觀，既美化了環(huán)境，又為野生動物提供了棲息地。六是人工濕地生長的蘆葦?shù)戎参锟梢宰鳛楣I(yè)原料，具有經(jīng)濟效益。人工濕地水處理技術(shù)開發(fā)水資源是人類社會賴以生存的自然資源，然而水資源短缺與水體污染日趨嚴重是我國目前的現(xiàn)狀，加之社會進步、人民生活水平提高對廢水排放和飲用水質(zhì)制定提出了更嚴格的標(biāo)準，發(fā)展運用經(jīng)濟的處理方法處理有機污染和N、P等營養(yǎng)物問題、有效經(jīng)濟地去除水中有害污染物是一個極富挑戰(zhàn)性的課題。1996年KatheSeidel提出利用高等植物的生化作用去除污染物的思想，通過蘆葦?shù)戎参锏母鶇^(qū)產(chǎn)生微生物活性區(qū)域作為生化反應(yīng)器來轉(zhuǎn)化降解以至最終去除污染物。德國、英國分別進行了實驗，利用河礫和河砂作為植物生長基質(zhì)構(gòu)建了高分散度的廢水處理設(shè)施并獲得成功。目前，人工濕地處理系統(tǒng)成為英國小城鎮(zhèn)污廢水處理系統(tǒng)的重要組成部分，其在歐盟各國及美國的應(yīng)用也較廣泛，處理后的水可以按質(zhì)進行回用，實現(xiàn)了資源的再利用。我國科學(xué)家在70年代對包含濕地處理在內(nèi)的土地處理技術(shù)進行研究，但研究側(cè)重于植物對污染物的富集作用，在實際應(yīng)用中存在較嚴重的二次污染問題，收獲的植物莖葉無法妥善處置，而且工程占地面積大，效率偏低，植物不耐寒，從而阻礙了人工濕地處理系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。本課題組經(jīng)過研究，已經(jīng)解決了上述問題，該技術(shù)可以應(yīng)用在下列領(lǐng)域：1、在小城鎮(zhèn)污水處理中的應(yīng)用人工濕地可以接受大規(guī)模的生活污水和低濃度的工業(yè)廢水混合進水，具有高效低耗簡單實用的特點；在控制有毒有機物和重金屬的基礎(chǔ)上，對來水進行初步和二級處理，出水可以用于行道樹噴灑、林木農(nóng)田灌溉以及生活用水等。人工濕地工程還可作為地區(qū)一個旅游景觀。2、對農(nóng)村污水無害化處理和利用對N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的去除是人工濕地處理系統(tǒng)的一大特點，植物和微生物的吸收同化作用可以使出水一次性營養(yǎng)物指標(biāo)達標(biāo)，且不存在二次污染，植物體可用作飼料、肥料等，具有顯著經(jīng)濟效益。另外強化的人工濕地還有徹底降解礦化有機污染物、消滅有害病原體的作用，因此它適用于對農(nóng)村污水（包括畜禽養(yǎng)殖污水、生活污水等）進行無害化處理、實現(xiàn)水資源再利用。3、有毒無害污染的無害化在已有理論研究的基礎(chǔ)上，合理選擇水生植物和微生物種類，實現(xiàn)重金屬的固定化和有機污染物的減毒轉(zhuǎn)化和徹底的礦化、對垃圾填埋滲濾和污泥的資源化。目前，許多城市污水處理能力還不能滿足截污需要，應(yīng)當(dāng)運用人工濕地污水處理技術(shù)進行治理。一、從生物凈化原理看，人工濕地是一項新型的污水處理技術(shù)，人工濕地生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)凈化技術(shù)的基本原理是：在一定的填料上種美人蕉、富貴竹、蘆葦?shù)忍囟ǖ闹参铮瑢⑽鬯斗诺饺斯そㄔ斓念愃朴谡訚傻臐竦厣?。?dāng)富營養(yǎng)化水流過人工濕地時，經(jīng)沙石、土壤過濾，植物根際的多種微生物活動，使水質(zhì)得到凈化。像造紙廢水等不含有毒物質(zhì)，只是有機物濃度較高，排到河里危害極大，但用來澆灌水生植物是一種很好的優(yōu)質(zhì)肥料。二、從許多地方經(jīng)驗看，人工濕地已產(chǎn)生良好的環(huán)境治理效應(yīng)深圳與歐盟合作研究的人工濕地技術(shù)，經(jīng)多年實踐已取得明顯的生態(tài)和經(jīng)濟效益。它們的人工濕地系統(tǒng)水質(zhì)凈化工程，就是蘆葦、美人蕉等五六種熱帶植物和亞熱帶植物按一定比例配置，再栽種到由沙子、細石等填料構(gòu)成的水池里，原本臭不可聞的污水經(jīng)池里流出后，馬上變得清澈見底，達到國家地表水標(biāo)準。三、從建設(shè)投入成本看，人工濕地可解決資金的明顯不足問題人工濕地處理污水的運行成本非常低廉，一般為每噸污水0.1～0.2元，它是傳統(tǒng)二級處理的1／10～1／5。此外，基建投資也少得多，通常為每噸污水150～800元，是傳統(tǒng)二級污水處理廠的1／5～1／2。同時，濕地植物還可以作為工業(yè)原料和生活資源。如江蘇省鹽城市雙燈紙業(yè)有限公司利用沿湖灘涂種植了3.4萬畝蘆葦，用造紙廢水進行灌溉，每年可收割大量的蘆葦，有效地解決了造紙原料供應(yīng)問題。四、從自然調(diào)節(jié)作用看，人工濕地還具有強大的生態(tài)修復(fù)功能有資料表明，人工濕地不僅在提供水資源、調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源，均化洪水、促淤造陸、降解污染物、保護生物多樣性和為人類提供生產(chǎn)、生活資源方面發(fā)揮了重要作用。此外，它還能吸收二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳等，增加氧氣、凈化空氣、消除城市熱島效應(yīng)、光污染和吸收噪聲等，并對保護野生動物和提高局部地區(qū)景觀的美學(xué)價值也有很大的益處。如鹽城市的蘆葦濕地建成后，鳥類的數(shù)量比原來增加了一倍以上，茂密的蘆葦不僅銷納大量的城市污水，又成了鳥類的樂園，吸引了大批丹頂鶴前來棲息。因此，又具有強大環(huán)境調(diào)節(jié)功能和生態(tài)效益，既給城市污水找到了出路，同時還造就了一片綠洲，形成一個令人賞心悅目的生態(tài)景觀和旅游景點，進而美化凈化環(huán)境，克服了傳統(tǒng)污水處理后有污泥產(chǎn)生等不足，達到了保護自然生態(tài)的效應(yīng)。生活資源方面發(fā)揮了重要作用。此外，它還能吸收二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳等，增加氧氣、凈化空氣、消除城市熱島效應(yīng)、光污染和吸收噪聲等，并對保護野生動物和提高局部地區(qū)景觀的美學(xué)價值也有很大的益處。如鹽城市的蘆葦濕地建成后，鳥類的數(shù)量比原來增加了一倍以上，茂密的蘆葦不僅銷納大量的城市污水，又成了鳥類的樂園，吸引了大批丹頂鶴前來棲息。因此，又具有強大環(huán)境調(diào)節(jié)功能和生態(tài)效益，既給城市污水找到了出路，同時還造就了一片綠洲，形成一個令人賞心悅目的生態(tài)景觀和旅游景點，進而美化凈化環(huán)境，克服了傳統(tǒng)污水處理后有污泥產(chǎn)生等不足，達到了保護自然生態(tài)的效應(yīng)?！叭斯竦馗拍钍牵扇斯そㄔ旌捅O(jiān)督控制，充分利用濕地系統(tǒng)凈化污水能力的特點，利用生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現(xiàn)對污水的高效凈化”，俞教授介紹說。人工濕地主要由五部分組成，一是具有各種透水性的基質(zhì)，如土壤、砂、礫石；二是適于在飽和水和厭氧基質(zhì)中生長的植物，如蘆葦?shù)?；三是水體(在基質(zhì)表面上或下流動的水)；四是無脊椎或脊椎動物；五是好氧或厭氧微生物種群。濕地植物在濕地系統(tǒng)中具有三個間接的重要作用：一是顯著增加微生物的附著(植物的根、莖、葉)；二是濕地植物可將大氣氧傳輸至根部，使根在厭氧環(huán)境中生長；三是增加或穩(wěn)定土壤的透水性。人工濕地處理系統(tǒng)的特點是：建造和運行費用便宜；易于維護，技術(shù)含量低；可進行有效可靠的廢水處理；可緩沖對水力和污染負荷的沖擊；可產(chǎn)生效益,如水產(chǎn)、畜產(chǎn)、造紙原料、建材、綠化、野生動植物棲息、娛樂和教育。不足之處是：占地面積大；不精確的設(shè)計運行參數(shù)；生物和水力復(fù)雜性及對重要工藝動力學(xué)理解的缺乏；易受病蟲害影響。人工濕地不僅可以用于城市和各種工業(yè)廢水的二級處理，還可用于高級處理的精處理和對農(nóng)田徑流的處理，在有些情況下，人工濕地可能是唯一的適用技術(shù)。濕地生態(tài)系統(tǒng)的成敗關(guān)鍵是水。規(guī)劃的園區(qū)水系統(tǒng)包括6部分：(1)園區(qū)內(nèi)各建筑組團產(chǎn)生的生活和實驗室污水收集系統(tǒng)，位于地下；(2)位于園區(qū)西北的生活污水污水處理溫室，收集的污水在這里進行2級處理；(3)環(huán)繞園區(qū)的線狀濕地系統(tǒng)，經(jīng)過初步處理的污水緩慢繞園一周后成為干凈水源進入；(4)以湖泊水面、挺水植物群落為主的中央濕地；(5)屋頂和園內(nèi)綠地在降雨情況下形成的徑流直接進入濕地系統(tǒng)，在綠地需要灌溉季節(jié)，可以直接從濕地系統(tǒng)取水；(6)園區(qū)和外界的水交換系統(tǒng)，建園初期，中央濕地系統(tǒng)土壤滲漏量大，需要從園區(qū)外引進一定數(shù)量水用于維護濕地和綠地系統(tǒng)，冬季濕地生物活動低，處理的污水?dāng)?shù)量減少，需要向園區(qū)外的城市污水收集系統(tǒng)輸出一定數(shù)量的污水。事實上，通過收集園內(nèi)產(chǎn)生的生活廢水和利用降雨，可以基本保持園內(nèi)水量平衡。建園初期，由于濕地的湖、溝土壤滲漏較大，實際水量平衡偏差可能會比較大。為了減少滲漏，可以考慮用黏土等處理湖、溝底部。經(jīng)過多年自然淤塞，土壤滲漏將逐漸降低并穩(wěn)定在一定水平，通過園區(qū)濕地處理后節(jié)余一定數(shù)量的干凈水是完全可能的。人工濕地（CW—ConstructedWetland)污水處理技術(shù)是70年代末發(fā)展起來的一種污水處理新技術(shù)。它具有處理效果好、氮磷去除能力強，運轉(zhuǎn)維護管理方便、工程基建和運轉(zhuǎn)費用低以及對負荷變化適應(yīng)能力強等特點，比較適合于技術(shù)管理水平不很高，規(guī)模較小的城鎮(zhèn)或鄉(xiāng)村的污水處理。人工濕地的凈化機理：人工濕地對廢水的處理綜合了物理、化學(xué)和生物的三種作用。濕地系統(tǒng)成熟后，填料表面和植物根系將由于大量微生物的生長而形成生物膜。廢水流經(jīng)生物膜時，大量的SS被填料和植物根系阻擋截留，有機污染物則通過生物膜的吸收、同化及異化作用而被除去。濕地系統(tǒng)中因植物根系對氧的傳遞釋放，使其周圍的環(huán)境中依次出現(xiàn)好氧、缺氧、厭氧狀態(tài)，保證了廢水中的氮磷不僅能通過植物和微生物作為營養(yǎng)吸收，而且還可以通過硝化、反硝化作用將其除去，最后濕地系統(tǒng)更換填料或收割栽種植物將污染物最終除去。濕地處理系統(tǒng)的設(shè)計1選址考察地質(zhì)、地貌、水文、自然資源、人文資源、有關(guān)法律及公眾意見。應(yīng)因地制宜，盡量選擇有一定自然坡度的洼地或經(jīng)濟價值不高的荒地，一方面減少土石方工程、利于排水、降低投資，另一方面防止對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響。2確定系統(tǒng)組合形式根據(jù)場地特征、處理要求和所處理污水的性質(zhì)來確定。單一式、并聯(lián)式、串聯(lián)式、綜合式。3確定水力負荷根據(jù)文獻或經(jīng)驗而定。4選擇植物根據(jù)濕地植物的耐污性能、生長能力、根系的發(fā)達程度以及經(jīng)濟價值和美觀等因素來確定。一般有蘆葦、席草、大米草、水葫蘆、水花生等，最為常用的是蘆葦，插植密度為1~3株/m2。5計算表面積As=Q/a：As—表面積；Q—進水流量；a—水力負荷。6確定長寬比1）表面流濕地：長寬比10：1或更大，根據(jù)地形來考慮，底坡降0%~1%。2）潛流濕地：根據(jù)達西定律Q=Ks*A*SS—水力坡度；A—濕地床橫截面積；Ks—潛流滲透系數(shù)?；蚨騽偣紸s=5.2Q[LN（So-Se）]，So—進水BOD濃度；Se—出水BOD濃