論人工濕地污水處理技術(shù)的研究與應(yīng)用

王淑君　黃章富

摘要 綜述了國內(nèi)外人工濕地污水處理技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展，闡述了其不同類型、基質(zhì)、植物的特點與凈化效果，指出目前人工濕地應(yīng)用過程中存在的主要問題及其發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞 人工濕地；污水處理技術(shù)；特點；存在問題；發(fā)展方向

中圖分類號 X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2009）07-0239-03

人工濕地作為一種新型污染水體修復(fù)技術(shù)，是利用基質(zhì)、植物和微生物這個復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)調(diào)作用[1]，通過過濾、吸附、共沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解實現(xiàn)對廢水的高效凈化；同時通過營養(yǎng)物質(zhì)和水分的生物地球化學(xué)循環(huán)，促進(jìn)綠色植物生長并使其增產(chǎn)，實現(xiàn)廢水的資源化與無害化。世界上第1個完整的人工濕地試驗始于1974年西德的Othfrensen濕地建造，我國的人工濕地的研究起步較晚，于1990年7月在深圳建起我國第1個人工濕地處理系統(tǒng)——白泥坑人工濕地污水處理系統(tǒng)。近10年來，我國在人工濕地研究與應(yīng)用中取得了飛速的發(fā)展，在處理印染廢水[2]、礦山廢水[3-5]、石油開采廢水[6-9]、橡膠加工廢水[10]等方面相繼開展了研究，但主要還是用于以生活污水為主的污水處理，如城市湖泊污水[11]、污染河水[12]、養(yǎng)殖廢水[13]、城市小區(qū)污水[14]、農(nóng)村生活污水[15]、城市污水深度處理[16，17]、深度處理后的垃圾滲濾液方面的研究與應(yīng)用，且因其處理效果良好，投資節(jié)省、運行費用低、管理簡單而受到廣泛推崇，在某些情況下，人工濕地可能是唯一可行的方法。人工濕地的構(gòu)建往往需要根據(jù)實際水質(zhì)情況、出水要求、氣候條件以及經(jīng)濟(jì)狀況合理配置人工濕地的各個要素，實現(xiàn)系統(tǒng)處理的最大效益。

1 人工濕地的類型

從工程的角度出發(fā)，按照系統(tǒng)布水方式的不同或水在系統(tǒng)中流動方式不同，人工濕地可分為自由表面流人工濕地（Surface Flow Constructed Wetlands，SFW）、水平潛流人工濕地（Subsurface Flow Constructed Wetlands，SSFW）和垂直流人工濕地（Vertical Flow Constructed wetlands，VFW）。3種類型的濕地都有各自的優(yōu)缺點，表面流人工濕地水力負(fù)荷較小，允許藻類和浮葉植物在自由水體表面生長，由于浮葉植物比挺水植物具有更高的光合活性，產(chǎn)生的氧氣可間接使二氧化碳轉(zhuǎn)移，降低水體pH值，從而去除磷酸鹽和促使氨揮發(fā)，硝化強(qiáng)度高于潛流濕地[18]，但總體來說處理效果并不理想，不能充分利用基質(zhì)及植物根系的作用，對氮、磷處理率偏低（一般去除率為10%～15%）[19]。表面流人工濕地夏季有滋生蚊蠅現(xiàn)象，運行受氣候影響較大，多見于氣候溫和地區(qū)的大型城市污水處理系統(tǒng)。根據(jù)一級動力學(xué)模型，潛流人工濕地屬于穩(wěn)態(tài)和理想推流模式[20]，其水流位于填料層以下，這樣就可以充分利用填料表層生長的生物膜、豐富的植物根系及表層土和填料截留作用，延長停留時間，提高處理效果和能力；同時，由于水在地表下流動，具有一定的保溫性[21]，處理效果受氣候影響較小，衛(wèi)生條件較好，是目前廣泛研究和應(yīng)用的濕地處理系統(tǒng)[22-24]，但其投資略高，且對氮的去除率不高。垂直流人工濕地的水流綜合了表面流人工濕地和潛流人工濕地的特性，水流在填料床中由上而下做豎向流，污染物去除機(jī)理基本與潛流人工濕地相同。與表面流人工濕地相比，垂直流的底層氧化能力更高，因此對污水有較高的處理能力。但這種系統(tǒng)的布水、集水系統(tǒng)復(fù)雜，對基建要求高，造價也高。聶志丹等[22]在同等條件下開展了3種類型人工濕地處理效果的比較研究，結(jié)果表明，垂直流人工濕地對氨氮、總氮和總磷的去除效果最好，潛流人工濕地對高錳酸鹽指數(shù)和葉綠素a的去除效果最好，但垂直流和潛流人工濕地之間的差異較小，表面流人工濕地對各污染物的去除效果均遠(yuǎn)低于前兩者。從出水水質(zhì)穩(wěn)定性來看，垂直流人工濕地出水水質(zhì)最穩(wěn)定，潛流次之，表面流最差。

2 人工濕地的基質(zhì)

基質(zhì)的作用為提供水生植物生長所需的基礎(chǔ)，為污水在其中的滲流提供良好的水利條件，為微生物提供良好的生長載體?；|(zhì)的選擇是人工濕地設(shè)計的一個十分重要的環(huán)節(jié)，一般根據(jù)各污染物含量、當(dāng)?shù)鼗|(zhì)材料來源、經(jīng)濟(jì)等因素綜合考慮。首先要選擇合適的粒徑，粒徑過小，其水力傳導(dǎo)率較小，易形成地表漫流和部分濕地床的缺水，導(dǎo)致植物不能正常生長、短流從而使?jié)竦氐膶嶋H處理效果下降；大的粒徑雖然可以解決低水力傳導(dǎo)率的問題，但對微生物的棲息來說，單位面積內(nèi)可利用的面積變少了，不利于其大量掛膜生長，同時大的、有棱角的基質(zhì)對植物根系的增長和蔓延不利。其次是基質(zhì)材料。目前在人工濕地應(yīng)用中的基質(zhì)主要有3類[25]：天然材料、工業(yè)副產(chǎn)品與人造材料。天然材料主要有沸石、頁巖、石灰石、黃褐土、貝殼等；工業(yè)副產(chǎn)品主要有粉煤灰、煤渣、高爐礦渣、電弧爐鋼渣等；人造產(chǎn)品主要是指活性炭。各種基質(zhì)材料因為其物理特征、化學(xué)成分不同，對污染物的吸收、去除效果各異。沸石對COD的去除率較高[26]，吸附氮素的能力強(qiáng)[27]，對磷的吸收因其對鈣、鐵、鋁等金屬元素的含量有關(guān)；頁巖對有機(jī)物、氮磷的去除率均較好，是理想的基質(zhì)材料；而石灰石的吸附容量大，但吸附速率較低，且單獨做填料時不適合微生物生長，宜與其他材料組合使用。粉煤灰多孔，比表面積較大，對總磷的吸附性能較好，但對氨氮的吸附不理想[28]，且其堿性較高，對植物生長造成傷害。煤渣在氨氮、總磷和COD的吸附中沒有明顯效果，多與其他基質(zhì)組合使用[29，30]。人造材料的研究主要為用杏殼、核桃皮等燒制的活性炭，研究表明活性炭對COD的吸附稍大于空心磚屑、粉煤灰和煤渣，但其價格較貴，在人工濕地的應(yīng)用推廣上無明顯優(yōu)勢。隨著人工濕地污水處理技術(shù)研究的深入，人們也對一些特殊的基質(zhì)進(jìn)行了試驗。在國外，研究員對輕質(zhì)的膨脹黏土顆粒（陶粒）、輕質(zhì)聚合體（LWA）[31]做了試驗。

3 人工濕地植物

植物在人工濕地中的作用為：直接吸收利用污水中的營養(yǎng)物質(zhì)，過濾、吸附和富集重金屬和一些有毒有害物質(zhì)，為根區(qū)好氧微生物輸送氧氣，為各種生物化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生提供適宜的氧化還原環(huán)境；增強(qiáng)和維持介質(zhì)的水力傳輸。常用的人工濕地植物種類有蘆葦、富貴竹、美人蕉、香蒲、菖蒲、苔草、燈心草、鳳眼蓮、浮蓮、水葫蘆等。不同濕地植物的蒸散量、生物量、根密度和根長存在較大的差異，這些差異對水生植物的泌氧性能、人工濕地的水力負(fù)荷率，氮磷去除效果和有機(jī)污染物的降解有重要的影響?？傮w而言，挺水植物的凈化效果明顯優(yōu)于浮水植物，原因是挺水植物的凈化作用是植物同化利用、根系微生物與酶類、填料結(jié)構(gòu)與其表面的物理化學(xué)過程綜合作用的結(jié)果，且植物向根區(qū)輸氧能力更強(qiáng)，在植物根區(qū)的還原態(tài)介質(zhì)中形成氧化態(tài)微環(huán)境[32]，而浮水植物的凈水機(jī)制相對單一。黃時達(dá)等[31]比較了蘆葦、燈心草和香蒲3種植物的污染物凈化能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)燈心草去污能力最強(qiáng)，COD的去除率達(dá)到42%～46%，高吉喜等[34]選擇了7種濕地植物，研究發(fā)現(xiàn)，慈菇和菱白的綜合凈化率最高。

植物的生長存在地域差異，水溫低于10℃時，人工濕地的處理效率會明顯下降，且有學(xué)者[35]認(rèn)為，在4℃以下時濕地中的硝化作用趨于停止。這也就說明在氣溫很低時即使?jié)竦夭唤Y(jié)冰，污水的處理效果將受到嚴(yán)重影響。因此，通過設(shè)計冬貯兼性塘、空氣隔層或覆蓋層、選擇潛流人工濕地等措施提高濕地的處理效率。即使同一地區(qū)，不同植物因其生理特性不同，在冬天也存在生長差異。靖元孝等[36]研究表明，在華南地區(qū)風(fēng)車草能全年保持生長，即使在冬天仍能維持一定的生長速率，而菖蒲等其他幾種濕地植物在冬季基本停止生長，表明風(fēng)車草在華南地區(qū)是一種較為理想的人工濕地植物。

綜合當(dāng)前在該領(lǐng)域的研究，在選擇植物時應(yīng)優(yōu)先本土植物，選擇抗逆性、凈化能力強(qiáng)、處理效果、生長周期長的植物，同時遵循適地適種原則，考慮經(jīng)濟(jì)和觀賞價值以及重視物種間的合理搭配。

另外，濕地植物種植密度的確定也是十分重要的。過低則污水的處理能力下降，植株易受到其他物種的競爭影響正常生長，而過密容易引起營養(yǎng)供應(yīng)不足，植株矮小，抗病蟲害能力下降，影響污水處理效果。如王磊[37]等通過對10個不同種植密度下植物生長狀況及對污水處理效果的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)蘆葦、茭白的合理種植密度為16～25株/m²。

4 人工濕地景觀構(gòu)建

人工濕地的設(shè)計不僅要關(guān)注它的凈污功能，同時也要重視它的景觀作用。從群落配置、合理布局與景觀美學(xué)等方面對植物進(jìn)行調(diào)控與配置，可以與周圍景觀融合成一體，既美化了環(huán)境，又體現(xiàn)了生態(tài)的主題。選擇植物時注重種類的多樣性，但應(yīng)該盡量選擇鄉(xiāng)土種，避免外來物種入侵導(dǎo)致生態(tài)災(zāi)難。對植物的空間配置要有一個立體的全方位的規(guī)劃，綜合考慮植物的種類、株高、顏色、外形和生長期，實現(xiàn)植物配置的層次感和立體感，形成旱生-中生-濕生和喬木-灌木-草本-挺水植物-浮水植物-沉水植物的梯度化分布，構(gòu)建別具特色的立體水岸景觀和水體空間景觀[38]。從人類的感官出發(fā)，組織植物的空間格局，形成一個自然化的狀態(tài)，摒棄傳統(tǒng)的整齊劃一的模式，防止引起視覺疲勞，采取組團(tuán)式、錯落式以及落差式等形式對植物進(jìn)行組織，使植物形成點、線、面相結(jié)合的空間自然景觀。

在人工濕地前端工藝部分，由于污染物濃度較高，選擇耐污染能力強(qiáng)的植物品種，末端污水濃度降低，可設(shè)置穩(wěn)定塘、景觀塘等處理段，更多考慮植物的景觀效果。如種植鳳眼蓮、菱角、荷花、睡蓮、澤瀉等。同時，這些水生植物的濕地水域為魚群和水禽適宜的生存環(huán)境，呈現(xiàn)人與自然和諧的生態(tài)景觀。

5 人工濕地存在的問題

從已有的工程實踐來看，目前人工濕地的長期運行尚缺少安全保障，存在的最大問題是容易造成濕地的堵塞。據(jù)美國環(huán)保局對100多個運行中人工濕地的調(diào)查，有將近1/2的濕地系統(tǒng)在投入使用后的5年內(nèi)形成了堵塞[39]。李雪娟等[40]認(rèn)為人工濕地的堵塞層是由沉降和被過濾的固體顆粒在微生物作用下累積而成，由嵌入在細(xì)菌胞外的多聚物、腐殖質(zhì)組成。人工濕地堵塞后，目前國內(nèi)外尚沒有很好的恢復(fù)對策，國外流行的做法是停床休整恢復(fù)部分滲透性，國內(nèi)采用人工翻曬的方法清除堵塞物。預(yù)防與延長堵塞周期的措施有選擇合適的填料粒徑和選擇根際輸氧能力強(qiáng)、分泌難降解物質(zhì)少的植物，并定期收割地上部分，對進(jìn)水進(jìn)行預(yù)處理，或者定期更換表層填料。

6 展望

6.1 人工濕地研究與應(yīng)用范圍日益廣泛

無論是發(fā)達(dá)國家還是發(fā)展中國家，人工濕地在城市生活廢水中已經(jīng)得到廣泛地應(yīng)用，最近發(fā)達(dá)國家已將重點轉(zhuǎn)移到應(yīng)用人工濕地處理特殊工業(yè)廢水。一些學(xué)者在淀粉工業(yè)、制糖工業(yè)、食品加工和奶制品加工廢水的處理中，或者經(jīng)過工藝改進(jìn)或者與其他系統(tǒng)進(jìn)行組合后用于農(nóng)業(yè)面源污染[41，42]、城市或公路徑流等[43]非點源污染的治理、垃圾場滲出液[44]，均得到了很好的凈化效果，為類似廢水的處理提供了一條新途徑。

6.2 人工濕地研究與應(yīng)用區(qū)域不斷擴(kuò)展

在國外，許多學(xué)者結(jié)合不同地區(qū)的具體情況深入開展研究工作，取得適合于不同地區(qū)、不同環(huán)境、不同氣候條件的實用數(shù)據(jù)，促進(jìn)人工濕地在寒冷地區(qū)污水處理中的推廣。這項技術(shù)在國內(nèi)還未得到廣泛應(yīng)用，有關(guān)工藝設(shè)計資料和應(yīng)用實例還不多見，有待結(jié)合我國不同地區(qū)的具體情況深入開展研究，取得適合于不同地區(qū)、不同環(huán)境氣候條件及不同污水特性的實用數(shù)據(jù)，以促進(jìn)人工濕地在我國各地區(qū)的推廣應(yīng)用。

6.3 人工濕地的研究有待進(jìn)一步深入

人工濕地系統(tǒng)在我國經(jīng)濟(jì)尚欠發(fā)達(dá)、地理條件相對寬裕的中小城鎮(zhèn)、居民小區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景。人工濕地的應(yīng)用設(shè)計和運行目前主要建立在統(tǒng)計數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式基礎(chǔ)之上，這一污水處理技術(shù)并不為人們完全掌握。各種人工濕地數(shù)學(xué)模型的研究，尤其是人工濕地生態(tài)動力學(xué)模型需要深入研究和不斷完善，這項技術(shù)在國內(nèi)還未得到廣泛應(yīng)用，有關(guān)工藝設(shè)計資料和應(yīng)用實例還不多見，而且人工濕地的處理效果受環(huán)境因素影響較大，有待結(jié)合我國不同地區(qū)的具體情況深入開展研究，取得適合于不同地區(qū)、不同環(huán)境氣候條件及不同污水特性的實用數(shù)據(jù)，以促進(jìn)人工濕地在我國各地區(qū)的推廣應(yīng)用。

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