人工濕地污水處理技術(shù)的應用現(xiàn)狀與前景展望

高 侃，范 旭

(1.吉林省濕地保護管理辦公室，吉林 長春 130022；吉林省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，吉林 長春 130022)

濕地是地球上重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，處于陸地生態(tài)系統(tǒng)與水生生態(tài)系統(tǒng)之間，享有“地球之腎”的美譽。濕地不僅可以調(diào)蓄水量、調(diào)節(jié)氣候、為珍奇動物提供良好的棲息地，而且還可以凈化污水[1]。對濕地凈化能力的研究始于20世紀50年代，由德國科學家凱瑟·塞德爾與萊因霍爾德·基庫思首次研究了濕地去除污水中養(yǎng)分和懸浮固體的可能性。目前，美國、丹麥、德國、英國等已將人工濕地系統(tǒng)應用于污水處理中。隨著人工濕地應用領(lǐng)域的不斷擴大，人工濕地逐漸引起人們的廣泛關(guān)注[2～4]。

1 人工濕地的概念及分類

1.1 人工濕地的概念

國際濕地公約采用廣義的濕地定義，指不問其為天然或人工、常久或暫時性的沼澤地、濕原、泥炭地或水域地帶，帶有或靜止或流動、或為淡水、半咸水或咸水水體，包括低潮時水深不超過6 m的水域。這一定義包含狹義濕地的區(qū)域，有利于將狹義濕地及附近的水體、陸地形成一個整體，便于保護和管理。

根據(jù)《濕地公約》的濕地分類方法和濕地的定義，將人工濕地分為10種：①水產(chǎn)池塘：例如魚、蝦養(yǎng)殖池塘；②水塘：包括農(nóng)用池塘、儲水池塘，一般面積小于8 hm2；③灌溉地：包括灌溉渠系和稻田；④農(nóng)用泛洪濕地：季節(jié)性泛濫的農(nóng)用地，包括集約管理或放牧的草地；⑤鹽田:曬鹽池、采鹽場等；⑥蓄水區(qū)：水庫、攔河壩、堤壩形成的一般大于8 hm2的儲水區(qū)；⑦采掘區(qū)：積水取土坑、采礦地；⑧廢水處理場所：污水場、處理池、氧化池等；⑨運河、排水渠：輸水渠系；⑩地下輸水系統(tǒng)：人工管護的巖溶洞穴水系等。

在污水處理應用上，將人工濕地定義為：是由人工建造和控制運行的與沼澤地類似的地面，將污水、污泥有控制地投配到經(jīng)人工建造的濕地上，污水與污泥在沿一定方向流動的過程中，利用土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物的物理、化學、生物三重協(xié)同作用，通過物理、化學和生物作用的優(yōu)化組合來實現(xiàn)對廢水、污水、污泥進行有效處理的綜合系統(tǒng)[5，6]。

1.2 人工濕地的分類

根據(jù)濕地中主要植物形式分為浮游植物系統(tǒng)、挺水植物系統(tǒng)、沉水植物系統(tǒng)；根據(jù)污水在濕地中水面位置不同分為自由水面人工濕地、潛流型人工濕地；根據(jù)污水在濕地中水流方向的不同分為水平流人工濕地和垂直流人工濕地[7～9]。

1.3 人工濕地植物

濕地植物，在人工濕地系統(tǒng)中起著重要的作用，在濕地凈化污水的過程中，被稱為“營養(yǎng)鹽清道夫”[10,11]。按照應用類型，可分為觀葉植物、觀花植物、草皮植物、地被植物等；按生長環(huán)境可分為水生植物、沼生植物和濕生植物三類；按植物的生活類型看，可分為挺水植物、沉水植物和浮水植物三類[12]。常用于人工濕地系統(tǒng)的植物有蘆葦、香蒲、荷花、美人蕉、鳳眼蓮、黑麥草等[13～16]。有研究表明，為了更好地發(fā)揮濕地植物在人工濕地系統(tǒng)中的作用，在選擇濕地植物的時候，要依據(jù)適地適植物的原則，根據(jù)濕地系統(tǒng)所處地區(qū)的氣候條件及植物分布情況對濕地植物進行選擇[17～19]。

2 人工濕地的去污機理

2.1 人工濕地去除有機污染物

人工濕地對有機物具有較強的降解能力。污水中的污染物有多種，其中，有機物可分為不溶性有機物、溶解性有機物及顆粒性有機物。有機物通過植物根際微生態(tài)環(huán)境吸附，經(jīng)過同化及異化作用而得以去除。同時，植物根系對氧的傳遞釋放，使污染物不僅被植物、微生物吸收，還可以通過硝化、反硝化，累積、降解、絡合、吸附等作用而顯著增加去除率。其中，不溶性有機物通過濕地的沉淀、過濾作用，可以很快地被截留而被微生物利用。污水中大部分有機物最終被異氧微生物轉(zhuǎn)化為微生物體及CO2和H2O，通過對基質(zhì)的定期更換及對濕地植物的收割而將新生的有機體從系統(tǒng)中去除[20]。

彭舉威等人將啤酒廠廢水經(jīng)過酸化處理后排入床體內(nèi)填充石灰的人工濕地，結(jié)果表明，以間歇流方式進出水可將床體上層大氣的氧有效利用，緩解了水生植物根系放氧不足的缺點，適當?shù)乜s短周期，更可有效提高系統(tǒng)在處理廢水方面的能力[21]。籍國東等以蘆葦濕地處理超稠油廢水的研究結(jié)果表明，當系統(tǒng)水力負荷為2 cm·d-1時，主要污染物的去除率分別為COD83.16%、BOD90.66%，均超過80%的去除率；且隨著系統(tǒng)的不斷運行、微生物數(shù)量的增加、定期更換填料床及收割濕地植物，從而達到將有機物去除的效果[22]。夏漢平等人對含有較高濃度的煉油廢水采用4種草本植物來測試人工濕地對廢水的處理效果，結(jié)果表明，前期人工濕地表現(xiàn)出較高的凈化效率，后期效果有所下降，至趨于穩(wěn)定，其對COD與BOD的去除率均可達到90%以上[23]。

2.2 人工濕地去除氮

污水中的氮包括無機氮及有機氮兩種形式。無機氮指氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽；有機氮指尿素、嘌呤和嘧啶。有研究表明，人工濕地系統(tǒng)對污水中氮的去除主要通過基質(zhì)的吸附、過濾、沉淀以及氨的揮發(fā)，植物的吸收和微生物硝化、反硝化作用等方式進行[24]。人工濕地中基質(zhì)介質(zhì)也可以通過吸收、吸附、離子交換及過濾等方式對污水中氮的去除起到一定作用[25]。張榮社等對潛流濕地處理農(nóng)業(yè)面源污水的脫氮效果表明，蘆葦、茭草潮流人工濕地脫氮率可達60%以上，其中蘆葦床的脫氮效果明顯好于茭草床及空白床[26]。吳建強等采用表面流人工濕地對污染的河水進行凈化試驗，結(jié)果表明，在進水濃度相同時，美人蕉、香蒲及千屈菜對N-的去除率均超過65%[27]。李旭東等人的研究認為，沸石針對銨態(tài)氮具有較強的選擇吸附性，對污水中的氨氮具有快速截留的作用[28]。

2.3 人工濕地去除磷

污水中磷的存在形式可分為活性磷與非活性磷兩種。人工濕地系統(tǒng)對磷的去除主要通過水生植物吸收、基質(zhì)吸收吸附、生物同化作用、微生物過量積累等方式完成對磷的去除過程[29]。

劉超翔等采用復合生態(tài)床處理低濃度農(nóng)村污水，結(jié)果表明，茭白對氮磷的吸收能力較強，可與蘆葦構(gòu)成一種較好的植物栽種搭配方式，對TP的去除率達55.0%～66.0%[30]。李旭東等人對比3種人工濕地除磷效果的研究表明，礫石潛流人工濕地具有較佳的總磷去除效果，對總磷的去除率達70%。吳樹彪等人利用人工濕地組合系統(tǒng)對生活污水的處理進行了研究，結(jié)果表明，在污水進入沉淀池后顆粒態(tài)磷沉淀、溶解態(tài)磷通過物理、化學及生物過程發(fā)生各種形式的循環(huán)與轉(zhuǎn)化，TP的去除率在79.5%～90.7%之間[31]。王世和等人采用小型人工濕地處理城市污水，并對其在三季內(nèi)對COD、TP等的去除效果進行了研究，結(jié)果表明，夏季人工濕地對總磷的去除率較冬季高約15%，在景觀水體去除示范工程中，冬季對TP、TN的去除率較夏天均有所降低，分別降低了34%和27%[32]。

2.4 人工濕地去除重金屬

工業(yè)污水、油砂廢水等污水中常含有較多的重金屬離子。人工濕地對此類污水中的重金屬也具有較強的去除能力。人工濕地對重金屬離子的去除主要是通過植物吸收富集、土壤膠體顆粒吸附、懸浮顆粒沉降等方式完成對污水中重金屬離子的去除作用。

戴全裕等利用多花黑麥草凈化黃金廢水的研究表明，黑麥草對黃金廢水的凈化效果較高，具有較強的富集能力，可與鳳眼蓮交替使用[33]。

2.5 人工濕地去除懸浮物及病原菌

污水中的懸浮物含有大量的污染物質(zhì)，對其的去除可有效提高污染物的去除率。人工濕地去除懸浮物主要是通過基質(zhì)過濾、沉淀、濕地介質(zhì)表面吸附及微生物生長等方式達到去除目的。研究表明，人工濕地可以去除污水中的病原菌，其機理尚在研究中。

吳振斌等對人工濕地系統(tǒng)去除藻毒素的研究表明，人工濕地系統(tǒng)對藻毒素具有一定的去除作用，兩套系統(tǒng)去除率達68.5%、34.6%，除濕地植物組合具有較好的作用外，基質(zhì)的吸附及細菌降解作用也是該系統(tǒng)的主要去除機制[34]。

3 國內(nèi)人工濕地污水處理的應用

采用人工濕地系統(tǒng)處理污水的研究為20世紀70年代發(fā)展起來的一種污水處理系統(tǒng)，主要應用于工業(yè)廢水、食品業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)面源污染、垃圾場地滲漏廢水等方面。1987年，我國建立了第一個人工濕地去污處理系統(tǒng)，雖然在之后的研究中，對于人工濕地的凈化機理、系統(tǒng)控制、設計及運營等方面取得了進展，但目前所采用的人工濕地在規(guī)模以及處理技術(shù)上仍處于發(fā)展階段，典型應用有：

①深圳白泥坑人工濕地處理系統(tǒng)。1990年7月，在深圳建起我國第一個人工濕地污水處理工程——白泥坑人工濕地處理系統(tǒng)。白泥坑人工濕地污水處理系統(tǒng)位于深圳市寶安縣白泥坑村南500 m處，占地面積12.6 hm2，日處理量3 100 m3·d-1廢水，對BOD的去除年均達90%，COD年均可達80.47%[35]。

②山東膠南市污水處理廠。膠南市工業(yè)廢水主要來源于造紙、化工、印染、紡織、食品加工、釀造、橡膠、熱電等企業(yè)，工業(yè)廢水與生活污水量之比為1∶4，排水系統(tǒng)多采用雨污分流制。膠南污水處理廠總投資為3 000萬元，設計處理規(guī)模為60 000 m3·d-1，占地面積為76.7 hm2，全部為鹽堿荒灘。

③內(nèi)蒙赤峰市寧城污水處理廠。寧城污水處理廠屬赤峰市建委及寧城縣建設局承擔的國家建設部下達的“八五”科技研究重點課題“人工濕地污水處理技術(shù)在我國北方地區(qū)的研究和應用”。該項目曾于1997年6月通過國家建設部科技司主持的技術(shù)鑒定，并于1998年6月將該項成果予以推廣。

原污水通過格柵，流經(jīng)集水井、沉淀池，進入栽植有蘆葦?shù)囊患壦槭埠?，?jīng)處理后的進水經(jīng)由栽植有香蒲的二級碎石床流出排入天然河道。采用此工藝處理每噸污水需土建費用427.00元，維護費用0.06元，占地面積3.6 m2。該系統(tǒng)的應用，對東小河的生態(tài)環(huán)境起到了明顯的改善作用，提高了當?shù)鼐用竦纳瞽h(huán)境質(zhì)量。

④沈陽市渾南新區(qū)人工濕地。此項目包括三項工程，即:污水人工濕地、雨水人工濕地和污泥礦化人工濕地，總面積約為60 000 m2，處理生活污水1 000 t·d-1、雨水2 000 t·d-1、污泥100 m3/月。在冬季，該系統(tǒng)可正常運行。經(jīng)試驗，系統(tǒng)在運行2 a后達到設計標準，污水COD凈化率可達90%。該系統(tǒng)具有投資少、出水水質(zhì)高、操作簡單、便于維護、運營低成本等特點，解決了傳統(tǒng)污水處理過程中存在的一次投資和運轉(zhuǎn)費用過高的難題。

⑤浙江舟山城北水庫人工濕地。2008年6月，此項目改建完成并投入使用，濕地使用面積約為600 m2。采用濕地植物黃花鳶尾、再力花、水蔥等，主要用于處理上游生活污水及雨水等，日處理量達到100 m3。濕地系統(tǒng)運行過程中，出水水質(zhì)達到地表水環(huán)境質(zhì)量標準中的Ⅲ類標準。此系統(tǒng)具有低投資、低運營成本、處理模式靈活、維護及管理簡便等特點，為我國生活污水和雨水處理提供了良好的參考方向[36]。

⑥河北懷來縣黑土洼村官廳水庫人工濕地。系統(tǒng)原址建于河北省懷來縣黑土洼村官廳水庫旁，總面積為200 m2，設有兩個保溫系統(tǒng)，系統(tǒng)植物配置以蘆葦、蒲草混種為主，系統(tǒng)內(nèi)部設有沉淀池，用以降低進水中懸浮物含量。系統(tǒng)在冬季運營期間，COD去除率較高，約為15%，呈理想運營狀態(tài)。不足之處為水平潛流濕地系統(tǒng)中因缺少通風及輸氧植物，對氮去除率有一定影響[37～39]。

4 人工濕地污水處理展望

人工濕地系統(tǒng)具有自然濕地系統(tǒng)所具有的各種生態(tài)系統(tǒng)功能，在廢水處理中的成功應用表明，人工濕地系統(tǒng)污水處理技術(shù)實用，具有處理效果好、操作管理簡單、投資少、維護和運行費用低、節(jié)能環(huán)保等特點，應用前景非常廣闊。目前，各國都投人了大量精力進行人工濕地改良技術(shù)的研究，將一些傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)引入到人工濕地系統(tǒng)。除了對現(xiàn)有的人工濕地系統(tǒng)進行研究以改良和優(yōu)化工程設計參數(shù)外，也盡可能地模仿自然濕地，并對人工濕地系統(tǒng)的長期運行能力和管理問題進行深入研究。

在我國，人工濕地在污水處理中的應用研究尚處于初級階段，國家有關(guān)部門應該在思想上進一步提高對人工濕地處理污水重要性的認知程度，在政策、資金、技術(shù)等方面提供大力支持和保障，定期組織召開研討會，作好宣傳、推廣工作。另外，應該積極開展與廣泛利用人工濕地處理污水的國家間的信息交流工作。在未來的研究方向中，可著重對水生植物生理生態(tài)、種類篩選及有毒有害污染廢水凈化等方面進行研究。

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