人工濕地污水處理工藝及除污機理

蔣 斌，白永剛

(1.張家港市環(huán)境監(jiān)測站，江蘇 張家港 215600;2.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，江蘇 南京 210036)

·控制技術(shù)·

人工濕地污水處理工藝及除污機理

蔣 斌1，白永剛2

(1.張家港市環(huán)境監(jiān)測站，江蘇 張家港 215600;2.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，江蘇 南京 210036)

對人工濕地污水處理工藝及其對水中污染物的去除機理進行了綜述，并對人工濕地處理污水的技術(shù)進行了展望。

人工濕地;人工基質(zhì);水生植物;微生物

1 概述

20世紀70年代，由于德國學(xué)者KICHUTH的根區(qū)法(Root-Zone-Method)理論的提出，人工濕地作為一種簡單有效的污水處理工藝才得以在世界各地逐漸受到重視并被廣泛運用［1］。人工濕地由填充基質(zhì)及在其中生長的水生、濕生植物組成并通過人工基質(zhì)、濕地植物以及微生物的物理、化學(xué)和生物的協(xié)同作用共同完成污水凈化，是一種人為建造的獨特生態(tài)系統(tǒng)。該工藝具有投資低、維護簡單、運行費用低及處理效果穩(wěn)定等優(yōu)點，較適用于小城鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)的農(nóng)業(yè)以及生活污水的處理。

根據(jù)污水在濕地中流動方式的不同，人工濕地污水處理工藝可以分為3種類型:表面流(Surface Flow)工藝、地下潛流(Subsurface Flow)工藝以及垂直流(Vertical Flow)工藝。表面流工藝中污水在濕地基質(zhì)表層上流動，水位較淺，其優(yōu)點是投資少，缺點是負荷小，易滋生蚊蠅，產(chǎn)生臭味。地下潛流工藝中污水在濕地基質(zhì)表層下流動，具有保溫效果好、負荷高、處理效果受氣候的影響小等優(yōu)點，缺點是投資大，容易發(fā)生堵塞。目前國內(nèi)外研究和應(yīng)用較多的是這種工藝。垂直流工藝中的水流綜合了表面流濕地系統(tǒng)和潛流濕地系統(tǒng)的特性，水流在基質(zhì)中基本呈由上向下的垂直流，但該系統(tǒng)的基建要求較高，也較易滋生蚊蠅。

2 人工濕地的構(gòu)造

運行正常的人工濕地包括以下幾個部分:①具有各類透水性的人工基質(zhì)，如土壤、礫石、砂粒等;②適于在飽和水以及厭氧基質(zhì)中生長的植物，如蘆葦、香蒲等;③復(fù)雜的好氧或厭氧的微生物種群;④基質(zhì)表面下或上的流動水體［2］。

人工基質(zhì)中流動的污水可以為濕地動植物以及微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)，使人工濕地形成一個完整的“基質(zhì)—植物—微生物”共存共生的獨特水生生態(tài)系統(tǒng)。

2.1 人工基質(zhì)

人工濕地中的基質(zhì)通常也被稱為填料、濾料。目前廣泛應(yīng)用的人工濕地主要以土壤、礫石、砂粒、沙土等為基質(zhì)，這些基質(zhì)一方面為微生物的生長提供穩(wěn)定的依附表面，同時也為水生植物提供載體和營養(yǎng)物質(zhì)。當污水流經(jīng)人工濕地時，基質(zhì)通過一些物理的和化學(xué)的途徑(如吸收、吸附、濾過、離子交換、絡(luò)合反應(yīng)等)來凈化除去污水中的氮、磷等營養(yǎng)鹽。

2.2 濕地植物

現(xiàn)有大部分研究都證實了濕地植物是人工濕地系統(tǒng)中的重要組成部分，在污水凈化過程中發(fā)揮了重要作用［2－5］:①顯著增加微生物的附著面積;②濕地中的植物可將大氣中的氧傳輸?shù)街参锔?，使根區(qū)或根際形成好氧環(huán)境，可為濕地中好氧和兼氧微生物提供良好的生長環(huán)境;③增加或穩(wěn)定基質(zhì)的透水性;④濕地植物具有吸附、富集某些有毒有害物質(zhì)，如重金屬Pb、Cd等的功效;⑤水生植物及其枯枝落葉層形成的自然生物濾器，有助于控制嗅味，且阻礙雜草、昆蟲的繁殖與生長。

人工濕地中的植物一般應(yīng)選擇具有處理性能好、成活率高、抗水能力強且具有一定美學(xué)和經(jīng)濟價值的水生植物，常用的濕地植物主要有蘆葦、香蒲、燈心草等。

2.3 濕地微生物

人工濕地中的微生物活動是濕地凈化污水的最主要因素。眾多研究發(fā)現(xiàn)，在有機物以及氮的降解過程中，微生物發(fā)揮了顯著作用。人工濕地在處理污水之前，各類微生物的數(shù)量與自然濕地基本相同。但隨著污水不斷進入人工濕地系統(tǒng)，某些微生物的數(shù)量將逐漸增加，并在一定時間內(nèi)達到最大值而趨于穩(wěn)定［6］。李科德等比較了蘆葦床系統(tǒng)與天然蘆葦場中根面和根際土的細菌、真菌、放線菌等的數(shù)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)人工蘆葦床系統(tǒng)中各類微生物的數(shù)量明顯高于天然蘆葦場，蘆葦床系統(tǒng)的根表面、根際土的細菌數(shù)量可達108個/g(干重)，且趨于穩(wěn)定，隨季節(jié)變化不大［7］。

人工濕地中的優(yōu)勢菌屬主要有假單胞桿菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬和黃桿菌屬。這些優(yōu)勢菌屬均為快速生長的微生物，其內(nèi)大多含有降解質(zhì)粒，是分解有機污染物的主體微生物種群。人工濕地系統(tǒng)中的微生物主要去除污水中的有機質(zhì)和氮，某些難降解的有機物質(zhì)和有毒物質(zhì)需要運用微生物的誘發(fā)變異特性，培育馴化適宜吸收和消化這些有機物質(zhì)和有毒物質(zhì)的優(yōu)勢細菌來進行降解［8］。

3 人工濕地除污染機理

人工濕地對污水的凈化是物理、化學(xué)及生物共同作用的結(jié)果。當污水流經(jīng)濕地時，固體物質(zhì)被人工基質(zhì)及植物根系阻攔截留，有機質(zhì)通過生物膜的吸附，經(jīng)同化及異化作用而得以去除。因濕地植物根系對氧的傳遞釋放，濕地床層及其周圍會形成許多個串連和并聯(lián)的好氧、缺氧和厭氧的微環(huán)境，從而達到脫氮除磷的效果，最后通過濕地基質(zhì)的定期更換或植物收割使污染物質(zhì)最終從系統(tǒng)中去除［9］。

3.1 有機物的去除

人工濕地的顯著特點之一就是其對有機污染物有較強的降解能力。污水中的不溶性有機物通過濕地的沉淀、過濾作用，可以很快被截留而被微生物利用;污水中的可溶性有機物則通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝過程而被分解去除［10］。

植物根系將氧氣輸送到根區(qū)，形成了根表面的氧化狀態(tài)，廢水中大部分的有機物質(zhì)在這一區(qū)域被好氧微生物分解成為CO2和水;在根區(qū)的還原狀態(tài)區(qū)域，經(jīng)過厭氧細菌的發(fā)酵作用將有機物分解成CO2和甲烷釋放到大氣中。資料表明，在進水濃度較低的條件下，人工濕地對BOD5的去除率可達85%～95%，對COD的去除率可達80%以上［6］。

3.2 氮的去除

人工濕地中的氮主要通過水生植物吸收、微生物的硝化和反硝化以及氮的揮發(fā)等途徑被去除。污水中的氮基本以有機氮和氨氮兩種形式存在。一般情況下，有機氮被微生物分解與轉(zhuǎn)化，所以人們更關(guān)心氨氮的去除。污水中氨氮作為植物生長過程中不可缺少的物質(zhì)可以被植物直接攝取，并合成植物蛋白質(zhì)等有機氮，通過植物的收割可使之從廢水和濕地系統(tǒng)中去除。但這一部分僅占總氮量的8%～16%，因而不是主要的脫氮過程。在人工濕地系統(tǒng)中，植物根莖下部形成有利于微生物實現(xiàn)硝化作用的好氧微區(qū)，同時在遠離根系周圍的厭氧區(qū)，枯枝、碎屑及底質(zhì)層中可利用的碳源又提供了反硝化條件，所以人工濕地的脫氮主要是靠微生物的硝化、反硝化來實現(xiàn)的［10，11］。

張鴻等研究發(fā)現(xiàn)，水芹、鳳眼蓮濕地中的硝化、反硝化細菌數(shù)量均高于對照組，說明植物的存在有利于硝化、反硝化細菌的生存［12］。吳振斌等通過4組植物生長較好的濕地系統(tǒng)和無植物的對照系統(tǒng)來研究濕地對污水中氮的凈化效果，研究顯示系統(tǒng)出水NO3－-N濃度高于進水，且植物系統(tǒng)中又高于對照組，表明該系統(tǒng)硝化作用較強，且植物的存在更有利于系統(tǒng)硝化作用的發(fā)生［13］。

微生物的硝化和反硝化作用在氮的去除過程中起著重要作用，硝化所需氧或直接從大氣擴散至水中，或由植物根系釋放。人工濕地中復(fù)氧的限制使得氮的硝化常是脫氮的限制步驟。為了提高處理效果，可以對進入濕地的污水進行曝氣，以增加污水中的溶解氧;或使污水中的氮素物質(zhì)在進入人工濕地前作預(yù)處理，轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮;也可以增加濕地植物的密度;或采用間歇進水方法，提高系統(tǒng)中的氧濃度［14］。

GREEN等研究了濕地系統(tǒng)中氧氣的分布隨時間和空間的變化，并通過給人工濕地增設(shè)輸氣管，利用慢灌快排使系統(tǒng)充分進氣，以增加內(nèi)部溶解氧的含量來提高系統(tǒng)的硝化反應(yīng)能力，結(jié)果大大提高了氨氮的去除能力。該實驗也從化學(xué)計量上證明了氨氮的去除機理主要是硝化反應(yīng)，其他作用(如揮發(fā))是可以忽略的［15］。此外，人工濕地采取間歇進水的方式，在此間歇期間濕地系統(tǒng)不飽和水層可以進行復(fù)氧，加之濕地植物根系的輸氧作用，從而保證微生物能獲得充足的氧氣，使?jié)竦刂械南趸饔迷鰪?，實現(xiàn)氮的有效去除。

3.3 磷的去除

磷的去除一直以來都是污水處理工藝中的關(guān)鍵，因為磷是引起水體富營養(yǎng)化的限制性因素。多數(shù)研究表明，磷在人工濕地系統(tǒng)中的去除主要有3個方面:微生物正常的同化或植物的吸收作用;聚磷菌的過量攝磷作用;基質(zhì)的物理化學(xué)作用。其中最主要的是基質(zhì)對磷的吸附作用及其納磷容量，而植物吸收對磷的去除效率影響不大［16］。無機磷是植物生長所必須的營養(yǎng)物質(zhì)。污水中的無機磷一方面在植物的吸收和同化作用下，被合成ATP、DNA和RNA等有機成分，通過植物的收割而將磷從系統(tǒng)中去除;另一方面，通過微生物對磷的正常同化吸收(將磷作為微生物必需的成分，而供微生物生長之需)，聚磷菌對磷的過量積累，并通過對濕地床的定期更換而將其從系統(tǒng)中去除。由于人工濕地中植物的光合作用及呼吸作用(即所謂的光反應(yīng)和暗反應(yīng))的交替進行，植物根系輸氧量的多少隨光照強度的交替變化而相應(yīng)地發(fā)生變化，加之濕地床不同區(qū)域內(nèi)耗氧速率的不同，致使系統(tǒng)中出現(xiàn)好氧和厭氧狀態(tài)，從而有利于微生物對磷的釋放和過量積累作用的發(fā)生［6］。

崔理華等對垂直流人工濕地系統(tǒng)處理污水的研究表明，化學(xué)吸附和沉淀以及微生物同化作用所引起的總磷去除貢獻率在50% ～65%之間。因此，垂直流人工濕地系統(tǒng)對磷的主要去除作用是化學(xué)吸附和沉淀以及微生物同化作用［17］。朱夕珍等通過不同基質(zhì)、不同配比、不同深度組合的填料運行試驗發(fā)現(xiàn)，有機質(zhì)的增加并不會改善濕地除磷效果，總磷的去除主要與水力負荷及基質(zhì)深度有較大關(guān)系，去除效果隨負荷的減小及基質(zhì)深度的增加而增大［18］。高紅武通過模擬人工濕地盆栽實驗處理城市污水的研究表明，盆栽實驗中總磷的去除歸功于盆中的基質(zhì)，開始主要靠盆中基質(zhì)的過濾作用，之后的長時間內(nèi)還要依靠土壤、植物根系的復(fù)合體作用。試驗系統(tǒng)的高除磷效果與土壤對磷的吸附有關(guān)，因土壤中含有較多的鐵、鋁氧化物，有利于生成溶度積很低的磷酸鐵或磷酸鋁，使土壤固磷能力大大增加［19］。

利用濕地植物本身的吸收作用是濕地系統(tǒng)除磷的機理之一，不同的植物種類以及植物體不同的部位對磷的吸收能力都不相同?？娂澰５妊芯堪l(fā)現(xiàn)，人工濕地經(jīng)過一段時間運行以后，植物體各器官含磷量各不相同，它們依次為葉＞根＞莖＞胚軸，且都隨污水濃度升高而升高［20］。

然而由于植物本身的吸收作用或微生物的作用，在除磷方面似乎都起不到較為有效的去除功效，所以追求人工基質(zhì)方面的改進(包括開發(fā)新型填料或改進填料性能等)，以增強其對磷的吸附作用及納磷容量來達到對磷的有效去除已經(jīng)成為當前正在研究并尋求突破的關(guān)鍵性課題。成水平等研究表明，花崗石和黏性土壤為主要介質(zhì)的人工濕地對污水中磷的去除率可達90%以上［21］。

3.4 其他物質(zhì)的去除

此外，由于人工濕地中的基質(zhì)以及水生植物根系的阻攔及截留作用，人工濕地對懸浮物的去除也具有明顯的效果。同時人工濕地通過過濾、沉降、吸附等過程可使污水中的病菌及藻類數(shù)量經(jīng)濕地處理后顯著降低，從而使污水得到有效凈化。

4 結(jié)語

人工濕地作為一種簡單可行的污水處理技術(shù)，由于其在能耗和維護管理方面的優(yōu)勢，在未來的水處理中應(yīng)具有較大的發(fā)展空間。但人工濕地內(nèi)部的“黑箱效應(yīng)”，使得人工濕地的除污染機理還不甚明了，工藝設(shè)計方面也需要進一步改進。國內(nèi)外人工濕地技術(shù)的應(yīng)用與實踐表明，將來人工濕地污水處理工藝的研究和發(fā)展趨勢包括以下幾個方面［22］:

(1)開發(fā)建立人工濕地數(shù)據(jù)庫，以減少重復(fù)勞動并改良傳統(tǒng)的設(shè)計方法;

(2)進行機理方面的研究，建立各種污染物去除的反應(yīng)動力學(xué)模型，并應(yīng)用到實際中;

(3)改良人工濕地技術(shù)，如將傳統(tǒng)污水處理技術(shù)引入人工濕地，以強化人工濕地的除污能力和提高區(qū)域適應(yīng)性;

(4)應(yīng)用范圍將不斷擴大，如從早期處理城市生活污水或二級污水廠出水到目前治理農(nóng)業(yè)面源污染、城市或公路徑流等面源污染，甚至還可以將其推廣應(yīng)用于處理小城鎮(zhèn)的污水和垃圾滲濾液。

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A Review on the Wastewater Treatment and the Contamination Removal Mechanisms of Constructed Wetland

JIANG Bin1，BAI Yong-gang2
(1.Zhangjiagang Environmental Monitoring Station，Zhangjiagang，Jiangsu 215600，China;2.Jiangsu Provincial Academy of Environmental Science，Nanjing，Jiangsu 210036，China)

A review on wastewater treatment process and the contamination removal mechanisms of constructed wetland is introduced，and the prospects of the constructed wetlands technology treating sewage are also discussed.

constructed wetlands;artificial substrate;aquatic plant;microorganisms

X703

A

1674-6732(2012)-02-0050-04

10，3969/j.issn.1674-6732.2012.02.012

2011-08-01

蔣斌(1979—)，男，工程師，本科，從事環(huán)境監(jiān)測工作。

(本欄目編輯 周立平)