人工濕地污水處理技術(shù)研究進(jìn)展

杜娟娟 李榮峰 李 揚 胡 焱 王 堅

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

濕地是一種被喻為“地球之腎”的綜合生態(tài)系統(tǒng)，其中常見的兩類濕地是自然濕地和人工濕地[1]。人工濕地作為污水處理技術(shù)是從20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的，其主要通過模擬天然濕地凈化污水的原理，加以適當(dāng)?shù)娜斯そㄔ炫c監(jiān)督，從而利用濕地自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)、生物三者之間的協(xié)同作用達(dá)到凈化水質(zhì)的目的[2]。人工濕地具有工藝簡單、處理效果好、運行費用較低等優(yōu)勢，是目前較為廣泛利用的生態(tài)污水處理技術(shù)。

1 人工濕地的組成及分類

1．1 人工濕地的組成

人工濕地主要是由基質(zhì)、水生植物、水體、微生物及中低等動物等五部分組成，其中基質(zhì)、水生植物以及微生物在水質(zhì)凈化中起著主導(dǎo)作用。基質(zhì)一般由礫石、細(xì)沙、土壤、沸石等構(gòu)成，是植物生長以及微生物依附的主要載體；濕地水生植物是去除污染物過程中的核心部分，包括挺水植物、沉水植物和浮水植物，常見的水生植物有蘆葦、香蒲、浮萍、睡蓮、苦草等。一般來說植物的生長狀況越好，污水凈化能力越強；微生物是人工濕地去除污染物的過程中較為重要的組成部分，在有機物質(zhì)和氮的去除上發(fā)揮著重要的作用。

1.2 人工濕地分類

按污水在濕地中水流運動方式的不同，將人工濕地分為三種：表面流人工濕地、水平潛流人工濕地、垂直潛流人工濕地[3]。不同類型的人工濕地具有不同的結(jié)構(gòu)及特征，且對污水的處理效果亦有差異。表面流相對而言，投資少、操作簡單，但易受氣候影響、負(fù)荷較低且占地面積大；水平潛流對有機物和重金屬去除效果好，受氣候影響較小，是目前應(yīng)用較為廣泛的一種系統(tǒng)；垂直流綜合了表面流和水平潛流的特點，但其基建費用高、操控不便，仍未得到廣泛的應(yīng)用。不同類型人工濕地污水處理系統(tǒng)具有不同的結(jié)構(gòu)及特征。

表面流人工濕地與天然濕地類似，污水在濕地表面流動，水力負(fù)荷較低，污水與根系和基質(zhì)不能得到充分的接觸，因此表面流人工濕地對污染物的去除主要依靠植物在水下部分的莖、桿上的生物膜來實現(xiàn)的，相對來說對污水的去除能力較低且對氮、磷的處理效果欠佳。表面流人工濕地易受氣候的影響，在污水的處理過程中容易產(chǎn)生蚊蠅滋生等問題，但因其投資少、操作簡單，在部分河流和湖泊得到了使用；水平潛流人工濕地的污水一般沿著配水系統(tǒng)進(jìn)入濕地內(nèi)部，水力負(fù)荷高，一方面污水與基質(zhì)以及植物根系得到了充分的接觸，通過基質(zhì)表面生物膜的吸附、植物根系的降解以及基質(zhì)截留等作用，可以有效地去除污水中的有機物、重金屬等物質(zhì)；另一方面污水在基質(zhì)內(nèi)部流動，因而水平潛流人工濕地受氣候影響較小且保溫性相對較好，不易產(chǎn)生蚊蠅滋生等問題。與表面流人工濕地相比較，存在投資高、管理相對復(fù)雜等缺點。就目前而言，水平潛流人工濕地已經(jīng)在工業(yè)、生活廢污水中得到了廣泛的應(yīng)用；垂直流人工濕地綜合了表面流人工濕地和水平潛流人工濕地污水處理技術(shù)的特點，水流在基質(zhì)內(nèi)沿垂直方向流動，水力負(fù)荷高，占地面積相對較小，對氮、磷的處理效果較好，但因其易堵塞、蚊蠅滋生以及基建費用高、操控不便等問題，一般不單獨使用[3]。

2 人工濕地污染物去除機理

人工濕地是由基質(zhì)、水生植物、微生物等組成的共生系統(tǒng)，利用其自然生態(tài)系統(tǒng)中的一系列物理、化學(xué)、生物反應(yīng)，通過沉積、過濾、吸附、揮發(fā)、分解、植物吸收、微生物分解代謝等途徑達(dá)到對水中有機物、營養(yǎng)物質(zhì)、懸浮物、有毒物以及難降解有機物等污染物的凈化，其去污機理較為復(fù)雜，下面以常見的污染物為例介紹人工濕地污染物去除機理。

（1）懸浮物：在表面流、水平潛流、垂直流人工濕地系統(tǒng)中，懸浮物的去除主要是在人工濕地的進(jìn)口5～10 m之內(nèi)完成的，懸浮物的去除主要依靠物理作用，通過沉淀、過濾作用從污水中得以去除。污水與人工濕地中基質(zhì)、植物根系及莖部的接觸程度是懸浮污染物去除率高低的主要影響因素。

（2）有機物：人工濕地對有機物有較強的去除能力，其中有機物主要分為可溶性和不溶性兩大類?？扇苄杂袡C物主要是通過基質(zhì)及植物莖部和根部表面附著的生物膜對污水中的可溶性的有機物進(jìn)行吸附、吸收及生物代謝降解；不溶性有機物主要是通過物理作用去除，利用沉淀、植物攔截、基質(zhì)過濾等作用從污水中分離出去[4]。

（3）營養(yǎng)物質(zhì)氮磷：人工濕地系統(tǒng)對含氮污染物的去除的途徑是微生物的氨化、硝化、反硝化作用、填料的吸附、氨的揮發(fā)以及植物的吸收，其中微生物的氨化、硝化、反硝化作用是對含氮污染物去除的主要途徑；人工濕地系統(tǒng)對含磷污染物的去除主要是通過填料的吸附、金屬離子的化學(xué)沉淀、微生物的吸收與轉(zhuǎn)化以及植物的吸收與同化，其中微生物吸收的部分磷在一定條件下又會釋放出來，對磷的去除意義不大。

3 人工濕地及其組合技術(shù)的研究及應(yīng)用

人工濕地污水處理技術(shù)的發(fā)展主要分為三個階段，第一階段為探索階段，主要是在20世紀(jì)初到20世紀(jì)50年代，首次使用人工濕地進(jìn)行污水處理；第二階段是對人工濕地的機理進(jìn)行研究，并在歐洲、加拿大、日本等地得到了廣泛的研究與應(yīng)用，主要集中在20世紀(jì)50年代到20世紀(jì)90年代；第三階段是人工濕地進(jìn)入大規(guī)模研究和應(yīng)用階段，到目前為止，人工濕地已經(jīng)作為一種新型的生態(tài)污水處理技術(shù)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。我國的人工濕地污水處理技術(shù)研究起步較晚，但目前建成的人工濕地也已有近千處。

為了充分發(fā)揮各個濕地的優(yōu)勢及提高污染物的去除效率，復(fù)合垂直流、復(fù)合潛流、組合流以及人工濕地與其他污水處理系統(tǒng)的聯(lián)合應(yīng)用成為了目前的研究熱點。除了應(yīng)用于城市污水處理外，還在工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)面源污染、暴雨徑流等多方面得到了應(yīng)用。針對不同的污染物來源以及出水水質(zhì)的要求等，國內(nèi)各地均有不同的人工濕地污水處理技術(shù)應(yīng)用，既有單一類型，也有組合形式，選擇應(yīng)用時主要應(yīng)考慮實際情況以及預(yù)期效果。蟠龍[5]研究了不同的人工濕地對生活污水的處理效果，構(gòu)建了以黏土、碎石為填料的規(guī)模為6.2m×2m×0.5m的水平潛流人工濕地以及5.2m×1m×1.2m的垂直流人工濕地，水力停留時間都為5d，結(jié)果表明水平潛流對總氮、總磷、COD的去除率可達(dá)90.58%、82.9%、87.32%；垂直流對總氮、總磷、COD的去除率可達(dá)75.83%、83.98%、83.79%。李建娜[6]研究了組合人工濕地（表面流人工濕地＋水平潛流人工濕地）對生活污水中污染物的去除，討論了組合人工濕地對污水的處理效果，研究表明組合人工濕地對COD、氨氮、總氮、總磷的去除率為77.5%、72.0%、71.5%、74.0%。李劍波[7]對組合人工濕地（水平潛流人工濕地＋垂直流人工濕地）處理城鎮(zhèn)生活污水的效能進(jìn)行了研究，并對濕地的脫氮除磷途徑進(jìn)行了分析，研究表明組合系統(tǒng)對COD、氨氮、總氮、總磷的最高的去除率分別可達(dá)為94%、72%、71%、98%。應(yīng)俊輝等人[8]研究了潛流人工濕地系統(tǒng)對合成革廢水的污染物的處理效果，研究表明系統(tǒng)對合成革廢水中COD、總磷、總氮的去除率分布為83.68%、64.04%、69.01%。謝文熙[9]利用復(fù)合型人工濕地（機械曝氣＋人工濕地＋生物墻）對制漿造紙廢水進(jìn)行處理，表明系統(tǒng)對不同濃度的污染物的去除效果較好，對COD、SS的去除率在60%以上，對氨氮和總磷的去除率在55%以上。李玉丞[10]將曝氣生物池（ABFT）及潛流人工濕地組合工藝技術(shù)應(yīng)用于污水處理站，研究表明該組合工藝對污水處理效果明顯。楊榮偉[11]將活性污泥生物膜及潛流濕地組合工藝應(yīng)用于污水處理廠，研究確定不同的污水廠進(jìn)水水質(zhì)條件下的組合工藝的處理效果，并研究確定組合工藝的最佳工礦的運行參數(shù)。王洪濤等[12]人研究了組合人工濕地系統(tǒng)（表面流人工濕地＋水平潛流人工濕地）對受污染的汾河水體的污染物去除效果，研究表明濕地系統(tǒng)對COD、氨氮的總?cè)コ蕿?8.1%、92.61%。張振華[13]研究了兩種填料（爐渣、沸石）對人工濕地系統(tǒng)處理污水效果的影響，并就組合人工濕地對河水水質(zhì)變化的適應(yīng)性進(jìn)行了分析，研究表明爐渣對硝態(tài)氮、總磷、氨氮的去除率分別達(dá)到79.79%、91.92%、69.19，沸石去除率分別達(dá)到70.81%、80.89%、76.63%。劉銳[14]研究了人工濕地中不同的水生植物對污水的處理效果，研究表明以美人蕉為主要水生植物的人工濕地對河道中的 COD、總氮、總磷、氨氮的平均去除率為57.58%、32.89%、55.15%、36.64%；蘆葦分別為50.56%、29.88%、52.41%、32.57%。

4 人工濕地的功能效應(yīng)及成本分析

4.1 人工濕地的功能效應(yīng)

與天然濕地系統(tǒng)類似，人工濕地對環(huán)境的反饋效應(yīng)也是多方面的，在環(huán)境凈化、區(qū)域氣候調(diào)節(jié)、地下水補給、調(diào)蓄洪水、景觀效應(yīng)等不同方面都發(fā)揮著重要的功效。①環(huán)境凈化功能：人工濕地是由水生植物-基質(zhì)-微生物組成的共生系統(tǒng)，植物可以有效地降解、吸收污染物，并將其轉(zhuǎn)化為自身生長需要的元素或被植物根系微生物分解利用，同時可以有效地去除病原微生物，凈化環(huán)境；②氣候調(diào)節(jié)功能：人工濕地可以有效地將系統(tǒng)內(nèi)的水分轉(zhuǎn)化為水蒸氣，增加區(qū)域內(nèi)的空氣濕度，同時濕地水生植物的生長，提高了系統(tǒng)的熱容量且植物的光合作用和呼吸作用對大氣中的碳-氧平衡起到了一定的作用，從而達(dá)到區(qū)域氣候調(diào)節(jié)的作用；③景觀效應(yīng)：人工濕地污水處理系統(tǒng)不僅可以凈化水體，同時也可以美化環(huán)境，改善城市景觀，提供休閑娛樂場所，提高城市的生態(tài)環(huán)境品質(zhì)；從濕地滲入到蓄水層的水也可以起到有力補充地下水的作用，同時，人工濕地作為一個巨大的蓄水庫，可以起到調(diào)蓄洪水的作用。

4.2 人工濕地成本分析

人工濕地能否得到廣泛的推廣也取決于其工程造價和運行費用，在中國，據(jù)專家估算，人工濕地的投資費用在150～800元/t，與傳統(tǒng)污水處理廠投資費用相比較，可節(jié)省1/3～1/2。在處理過程中，人工濕地基本無能耗，運行費基本為0.1～0.2元/t，一般的污水處理廠處理每噸廢污水的價格在1元左右，而人工濕地一般在0.2元左右，因此，人工濕地比傳統(tǒng)污水處理廠更加經(jīng)濟；人工濕地建設(shè)周期短，一般在3個月以內(nèi)，而建設(shè)一座傳統(tǒng)污水處理廠一般需要一年以上，因此相對來說人工濕地見效更快。

5 建議與展望

隨著環(huán)境問題的日益突出，對污水處理提出了更高的要求。人工濕地與傳統(tǒng)污水處理工藝相比有著不可比擬的優(yōu)勢，如污染物去除率高、建設(shè)成本低、運行費用少等，在實際應(yīng)用中可以針對不同的污染物種類進(jìn)行多種系統(tǒng)的組合。目前，人工濕地在我國應(yīng)用前景廣闊，但仍存在一些問題需要在逐步應(yīng)用中得到進(jìn)一步研究，主要有：

（1）目前，人工濕地的研究與應(yīng)用多集中于氣候較為溫和的地區(qū)，北方寒冷地區(qū)的長期凈化效果、冬季植物的選取及配置等問題尚缺乏系統(tǒng)的研究。

（2）人工濕地在凈化水質(zhì)的過程中會對溫室氣體的源匯項有影響，整個生命周期的成本及環(huán)境影響研究尚未進(jìn)行系統(tǒng)開展。

（3）針對不同的污染物來源、氣候以及出水水質(zhì)的要求，單一的人工濕地有可能達(dá)不到預(yù)期的效果，因此組合人工濕地系統(tǒng)將成為未來濕地系統(tǒng)研究與應(yīng)用的熱點。

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