人工濕地作為微污染水源水預處理技術的研究進展

周曼舒，李冬梅 *，馬 艷 ，倉基俊，杜觀超，曹 勛

（1.南京大學鹽城環(huán)境工程與技術研究院，江蘇 鹽城 224000；2.鹽城市水利規(guī)劃辦公室，江蘇 鹽城 224000；3.鹽城市鹽龍湖飲用水源管理處，江蘇 鹽城 224000）

微污染水源水是指受到有機物污染、部分水質指標超過《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838-2002）Ⅲ類水體標準的水體。此類水體中雖然有機物、氨氮等含量較低，但污染物種類較多，以除濁和消毒為主的傳統(tǒng)常規(guī)水處理工藝難以達到水質安全要求，需要合理的預處理技術進行初步處理，以減輕后續(xù)處理工藝的負荷。常見微污染水預處理技術有生物預處理、化學預氧化、膜過濾預處理、活性炭吸附預處理等，但這些預處理工藝均存在一定不足，或設備相對復雜，或運行和操作條件要求高，或成本較高，或凈水作用不全面。為提高飲用水源水質，降低給水處理廠的負荷，尋求一種簡單、高效、經濟的原水預處理技術十分必要。近年來，人工濕地作為微污染水源水的預處理技術的研究越來越受到重視。

1 人工濕地概述

生物—生態(tài)修復理念的提出，加速了人工濕地近年來的發(fā)展。相較于其他處理設施，人工濕地系統(tǒng)成本及運行費用低，處理效果穩(wěn)定、耐沖擊負荷能力強，能與周圍環(huán)境相融合，被廣泛應用于動物棲息地保護、城市生活污水處理、酸性礦廢水處理與農業(yè)面源污染控制等方面。

1.1 人工濕地類型

人工濕地按水流方式一般可分為表流、潛流和垂直流人工濕地。其中表流人工濕地中水在土壤上層水平流動，在功能與構造上與自然濕地最為相似，受季節(jié)變化影響大。潛流人工濕地研究及應用較多，系統(tǒng)中水體通過填料滲透，處理效果好，但投資較表面流濕地高，該濕地具有一定保溫性，因此受氣候影響小。垂直流人工濕地中，水在填料床中豎向流動，建造要求高，易滋長蚊蠅，應用較少。

1.2 人工濕地凈化機理

人工濕地主要靠基質吸附、微生物分解、植物吸收3種途徑對污染物進行去除。

①濕地土壤顆粒具有較大的比表面積，表面可形成一層生物膜，該生物膜可以過濾沉積物，吸附大量不溶性有機物質進而被微生物吸收；②植物根系和底物表面生物膜吸附，吸收和代謝可去除水中溶解的有機物。濕地系統(tǒng)交替建立好氧，缺氧和厭氧環(huán)境，使好氧菌，厭氧菌和兼性菌生存。有氧代謝將有機物分解成二氧化碳和水；厭氧發(fā)酵將有機物分解成二氧化碳和甲烷。水體中的大部分生物體最終都被異養(yǎng)微生物轉化為二氧化碳，甲烷和水等自身物質；③濕地植物能吸收部分污染物，通過植物收割，將植物吸收的有機物質除去。

2 人工濕地在微污染水源水處理中的應用

2.1 應用現狀

人工濕地作為一種生態(tài)處理技術，已成功用于生活污水、工業(yè)廢水處理等領域，但目前將人工濕地應用在微污染水源水預處理工藝中仍屬于探索階段。

左倬等[1]以挺水、沉水以及浮葉植物構建的多生活型表流濕地作為鹽城市龍岡鎮(zhèn)境內蟒蛇河飲用水源水凈化系統(tǒng)，結果發(fā)現，濕地對各指標均有一定去除效果，去除率分別為CODMn3.6%TN19.3%，氨氮23.1%，TP40.6%，但去除效果不穩(wěn)定，水質受季節(jié)變化影響較大。研究也發(fā)現，人工濕地中植物直接通過吸收去除的N、P一般不及總N、P去除率的5%，與其他研究[2-3]結論相一致。

修春海[4]構建的往復式、推流式潛流人工濕地和蘆葦床、蒲草床表面流人工濕地，對微污染黃河原水中TN和COD的去除效果明顯。2種潛流人工濕地去除效果無明顯差異，且對總氮的去除率均低于50%，表面流濕地對總氮去除率可高達80%以上，4套人工濕地系統(tǒng)對COD的去除率均在30%～65%之間。

李志元等[5]用蘆葦、香蒲表面流人工濕地處理微污染河水時發(fā)現，隨水力停留時間增加，去除效果變好。孫井梅等[6]的研究發(fā)現，垂直潛流人工濕地對北方微污染水體有較好的凈化效果，能有效抑制水體富營養(yǎng)化，NH4+-N、TP、COD的平均去除率最高分別可達91%、82%、80%；TN階段平均去除率為32%～78%，受季節(jié)變化影響較大。

2.2 影響因素

根據目前人工濕地預處理技術的應用和研究，影響微污染水處理效果的因素主要有：

（1）基質。不同基質的濕地去除效果差異較大。Alexandros等[7]構建的沸石床水平潛流人工濕地，COD的去除率分別為52.5%和62.0%。W.H.Park[8]在水力負荷為0.13m3/m2d下，利用明礬污泥和牡蠣殼構建人工濕地系統(tǒng)，對BOD的去除率為89.5%～91.4%。

（2）植物。王慶海等[9]通過模擬人工濕地比較了7種高級水生植物（水生鳶尾，菖蒲，蘆竹，千屈菜，蘆葦，野茨菇，荻）的凈化能力。結果表明，不同植物對COD的去除率差異顯著，水生鳶尾和千屈菜的去除率均高于80%，其他5種水生植物去除率在30%～60%范圍。對于TN和TP，7種植物去除率均在90%左右，無顯著差異。

（3）微生物。冷湘梓等[10]研究表明COD的去除率與濕地基質中細菌、真菌的數量呈顯著正相關關系。

（4）其他。水力停留時間、溫度等條件也影響甚至決定濕地的去除效果。人工濕地對污染物的去除效果一般隨水力停留時間的延長增強。人工濕地去除COD、TN的效果呈現季節(jié)性變化，在低溫條件下去除效果沒有常溫或高溫條件下理想。

2.3 存在問題

由于我國對人工濕地處理微污染水體技術的研究起步較晚，應用中主要存在下列問題。

2.3.1 工藝問題

缺乏對微生物、基質、植物去除低濃度污染物的相應機理、持久去除效果的研究；人工濕地系統(tǒng)中吸附作用達到飽和后的處理問題、長期運行后系統(tǒng)中基質堵塞問題等。

2.3.2 土地資源制約

人工濕地由于處理負荷較低導致占地面積大。深圳白泥坑人工濕地處理系統(tǒng)是我國第一個人工濕地處理工程，該系統(tǒng)處理1 m3水需要2.7 m2左右的濕地，比傳統(tǒng)生物處理工藝單位水處理用地大得多，在土地資源較為緊張的情況下，人工濕地處理系統(tǒng)的應用受影響。

2.3.3 氣候制約

我國南北方地區(qū)的降雨、水文、氣候條件差異較大，南方夏季多雨，會改變濕地的坡降甚至淹沒濕地；北方冬季由于低溫，系統(tǒng)的處理效率最低甚至降至零。

2.3.4 缺乏統(tǒng)一規(guī)范和標準

人工濕地的設計、運行、施工、維護等過程的相關數據和資料缺乏系統(tǒng)的整理和概括，需要系統(tǒng)長期積累運行數據。并且由于人工濕地所在地的氣候條件不同，其設計規(guī)模和類型也千差萬別，研究成果缺乏可比性。

2.4 優(yōu)化建議

人工濕地作為一種具有發(fā)展?jié)摿Φ念A處理技術，在今后的研究和應用中，可以從以下幾個方面來進行改善。

2.4.1 建立人工濕地數據庫

根據現有的人工濕地構建和后期維護過程的相關數據和資料，進行科學的統(tǒng)計和整理，為今后的人工濕地的結構設計提供有關的機理、參考設計規(guī)范和數據。

2.4.2 深入研究人工濕地機理

人工濕地涉及的機理廣泛且復雜，研究機理有助于建立去除污染物的反應動力學模型，進而普遍推廣。

2.4.3 優(yōu)化技術參數

人工濕地工藝效果的優(yōu)化可以從氧濃度、植被、微生物數量3個技術參數入手。

（1）氧濃度

在水體進入人工濕地前通過曝氣、跌水等方式，提高水中溶解氧，創(chuàng)造一定的有氧環(huán)境，促進亞硝酸菌和硝酸菌的增殖，進一步強化系統(tǒng)硝化能力。

（2）植被

人工濕地中植物具有很強的間接去污作用，不同的植物對不同類型和組成水質凈化效果差異很大。因此在對城市微污染水體進行處理時，必須要對植被進行合理搭配，從而使得人工濕地的處理功能有效發(fā)揮出來，實現水體凈化效果的提升。

（3）微生物數量

在整個濕地生態(tài)系統(tǒng)中，微生物的數量對其生態(tài)系統(tǒng)的形成有著直接的影響，并且對水體中污染物的分解起重要作用。為了提高人工濕地中微生物生產效率，研究微生物擴增的培養(yǎng)方法，并對濕地中微生物的數量以及群落結構進行處理和調整，是改善濕地運行效果的措施之一。

3 結語

將人工濕地技術應用于微污染水體處理，必須做到因地制宜，力求充分發(fā)揮作用，確保其良好的除污效果。人工濕地技術短期處理效果好，但是一般長期的運行后，會出現植物吸附量飽和以及基質被阻塞等問題。因此，今后的研究和應用需注重人工濕地處理能力的長期維持及穩(wěn)定。同時人工濕地處理微污染水的技術有待進一步的深入研究，尤其在機理方面，這些問題影響和阻礙著人工濕地技術的開發(fā)和利用。