人工濕地水處理技術(shù)研究進(jìn)展

曾毅夫 邱敬賢 劉君 彭芬

（1 航天凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆?長沙 410100；2 長沙環(huán)保（服務(wù)）工業(yè)技術(shù)研究院，湖南 長沙 410100）

近年來，隨著城市化進(jìn)程和工業(yè)的快速發(fā)展，水污染現(xiàn)象日益嚴(yán)重，不僅破壞了水體生態(tài)環(huán)境，也對人類健康造成了危害。因此，需要尋找一種經(jīng)濟(jì)簡單有效的水處理技術(shù)。人工濕地作為一種新型的生態(tài)污水凈化處理技術(shù)，因其具有處理效果好、工藝簡單、運行投資低、維護(hù)方便等特點，在水處理領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

1 人工濕地的類型及特點

人工濕地是人工建造和控制運行的類似于自然濕地的地面，是由填料基質(zhì)—水生植物—微生物所形成的一個獨特的綜合生態(tài)系統(tǒng)。經(jīng)過多年的發(fā)展和改良，人工濕地已有了多種類型，根據(jù)水流方向的不同主要分為表面流人工濕地和潛流人工濕地，而潛流人工濕地又可分為水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地。

1.1 表面流人工濕地

這種濕地與自然濕地最為接近，水流在濕地表面呈推流式前進(jìn)，水位較淺，一般為0.1～0.6 m，在流動過程中，主要是通過植物及其根部的生物膜對污水進(jìn)行凈化，并在終端流出。該濕地具有投資少、運行成本低、操作方便等優(yōu)點，但也存在易滋生蚊蠅、有臭味、易受自然氣候條件影響，去除效果有限等缺陷。

1.2 潛流人工濕地

在該濕地中，主要是利用植物根系、填料基質(zhì)以及兩者上生長的生物膜等作用實現(xiàn)濕地地表下流動污水的凈化，去除效果較好，是目前國內(nèi)外研究和應(yīng)用較多的一種人工濕地。由于水流在地表下流動，保溫性較好，受氣溫影響較小，不易滋生蚊蠅，但比較容易堵塞。

1.2.1 水平潛流人工濕地 在該濕地中，污水從地表下進(jìn)水口一端沿水平方向流向出水口。與表面流人工濕地相比，具有水力負(fù)荷高，對有機(jī)物、懸浮物、重金屬等污染物去除效果好的優(yōu)點，且很少有臭氣產(chǎn)生和蚊蠅滋生。

1.2.2 垂直潛流人工濕地 在此濕地中，污水從濕地表面垂直流向基質(zhì)底部，通過不同的基質(zhì)達(dá)到凈化污水的目的。在凈化過程中基質(zhì)處于缺氧狀態(tài)，硝化能力較強，但去除COD的能力較弱，適于處理高氨氮廢水。

2 人工濕地在水處理中的去除機(jī)理

人工濕地對污染物的去除主要是利用填料基質(zhì)、濕地植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用，對其進(jìn)行凈化處理。其中填料基質(zhì)為微生物和濕地植物的生長提供了所需的環(huán)境及營養(yǎng)物質(zhì)。濕地植物一方面為微生物提供了必要的生活環(huán)境，同時對氧氣進(jìn)行輸送擴(kuò)散，另一方面對廢水中的污染物進(jìn)行吸附吸收，將其部分轉(zhuǎn)化為自身需要的營養(yǎng)物質(zhì)。微生物主要通過自身的活動對污染物進(jìn)行去除、分解或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為營養(yǎng)物質(zhì)和能量。

3 人工濕地在水處理中的應(yīng)用研究

目前，隨著我國水資源的短缺和水污染現(xiàn)象的加劇以及各種環(huán)保利好政策的出臺，極大地加快了水處理技術(shù)的發(fā)展。人工濕地由于其工藝簡單、處理效果好、建設(shè)運行費用低、耐沖擊負(fù)荷、維護(hù)管理方便等特點而被廣泛應(yīng)用在水處理領(lǐng)域。

3.1 生活污水的處理

生活污水是水體的主要污染源之一，主要是指人類生活中使用的各種廚房用水、洗滌用水和衛(wèi)生間用水所產(chǎn)生的排放水，多為無毒的無機(jī)鹽類，可生化性好，但排放量較大。據(jù)統(tǒng)計，2015年僅城鎮(zhèn)生活污水排放量就達(dá)到了535.2億t。人工濕地由于其高效率、低投資、低運營和維護(hù)簡單等優(yōu)點而被用于處理生活污水。

不同類型人工濕地對生活污水的處理效果，會受到包括濕地類型、植物種類、溫度和填料基質(zhì)等許多因素的影響。通過菖蒲、千屈菜、水蔥和香蒲在不同類型人工濕地對生活污水處理效果的研究，發(fā)現(xiàn)4種植物對生活污水COD的去除率均表現(xiàn)為垂直下行流濕地＞垂直上行流濕地＞水平潛流濕地，其原因可能是垂直下行流濕地中好氧環(huán)境眾多，極大地增強了參與根系表面好氧過程的好氧微生物的活性，對有機(jī)污染物的降解具有很好的效果。而在同種類型的人工濕地中，香蒲對COD的去除率均高于其它3種植物，可能是由于香蒲相較于其它3種植物對有機(jī)污染物的吸收降解能力更強（劉文杰等,2016）。通過鳶尾、吊蘭、馬蒂蓮3種植物對生活污水凈化效果的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3種植物對COD、NH4+-N和TP的去除效果均較好，依次為鳶尾＞吊蘭＞馬蒂蓮（白曉龍等, 2014）。利用象草和美人蕉在不同溫度下表面流人工濕地處理生活污水，發(fā)現(xiàn)2種植物對生活污水的凈化效果受溫度影響，呈一定的正相關(guān)性（張雪琪等, 2012）?？赡苁怯捎谠谝欢囟确秶鷥?nèi)隨著溫度的升高，一方面增強了微生物的活性，提高了硝化和反硝化效果，同時促進(jìn)了磷的吸收同化；另一方面加強了植物的光合作用，使得植物根系生長旺盛，促進(jìn)了對氮磷的吸收。研究青石、砂子和礫石3種濕地基質(zhì)對污染物去除效果的影響，發(fā)現(xiàn)3種基質(zhì)對生活污水中COD、氨氮、TP、SS的去除率均是砂子＞青石＞礫石，其原因可能是砂子的粒徑較小，比表面積大，更容易吸附污染物（孫鵬, 2013）。

3.2 有機(jī)廢水的處理

有機(jī)廢水往往具有濃度高、成分復(fù)雜、色度高、不易生物降解等特點，對環(huán)境的危害較大。一些學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)人工濕地可以較好地凈化有機(jī)廢水。利用水平潛流人工濕地處理含大量溶解性難降解有機(jī)物的重油采出水（Ji Guodong et al,2002），發(fā)現(xiàn)蘆葦濕地系統(tǒng)對其具有良好的去除效果，最高可達(dá)81%，且重油采出水對蘆葦?shù)睦w維素和木質(zhì)素等生理指標(biāo)沒有明顯的影響，為人工濕地的實際處理含油廢水提供了依據(jù)。通過水葫蘆、皇冠草和菖蒲3種植物的人工濕地對硝基苯廢水處理效果的研究發(fā)現(xiàn)，3種植物對硝基苯廢水均具有較好的凈化效果，去除率在66%以上，其中最好的為皇冠草，去除率高達(dá)93%。同時當(dāng)人工濕地受到小污染負(fù)荷時，對硝基苯的去除效果下降較為明顯，但可在2 h內(nèi)回升到初始水平，表明了其耐短期沖擊負(fù)荷能力比較強（曲文杰,2012）。此外，一些專家學(xué)者還對人工濕地處理藥物和個人護(hù)理用品（PPCPs）進(jìn)行了研究（肖敏如等,2015），發(fā)現(xiàn)人工濕地能很好地去除PPCPs，主要是依靠吸附、降解和植物作用，其中吸附是主要且具有長期去除效果的途徑。

3.3 氨氮廢水的處理

氨氮廢水主要來源于養(yǎng)殖、焦化、石化、制藥、食品、垃圾滲濾液等，大量氨氮廢水的排放會破壞生態(tài)平衡，引起水體富營養(yǎng)化，給環(huán)境造成極大的危害。目前，人們主要利用物理法、化學(xué)法和生物法處理氨氮廢水，其中人工濕地由于其工藝簡單、處理效果好、運營成本低等優(yōu)點而被廣泛用于處理氨氮廢水。通過不同類型的潛流濕地處理養(yǎng)殖廢水的研究發(fā)現(xiàn)，垂直潛流人工濕地對氨氮和總氮的去除率均達(dá)到80%以上，而水平潛流濕地系統(tǒng)的去除率均低于60%，兩者處理效果差異較大（李鵬宇等,2013），其原因可能是由于濕地系統(tǒng)去除氮素的主要途徑是微生物的硝化反硝化作用，而水平潛流床體大部分處于缺氧/厭氧狀態(tài)，硝化作用不足，相反垂直潛流中氧氣可通過植物傳輸和大氣擴(kuò)散進(jìn)入濕地，加強了硝化作用，進(jìn)而促進(jìn)了氮素的去除。利用表流濕地與潛流濕地相結(jié)合形成的復(fù)合人工濕地處理富營養(yǎng)化水體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：表流濕地、潛流濕地和復(fù)合濕地對TN的平均去除率分別為27%、30%和34%，并且濕地對TN的去除效果與溶解氧呈顯著的負(fù)相關(guān)，而與水體溫度存在正相關(guān)，間接表明了濕地中氮的去除主要依靠硝化、反硝化作用（崔麗娟等,2010）。

除了對人工濕地處理低濃度氨氮廢水進(jìn)行研究以外，一些研究人員還對高氨氮廢水的處理進(jìn)行了研究。通過對濕地基質(zhì)和植物的選擇研究了潛流人工濕地處理垃圾滲濾液的可行性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用粉煤灰和磷石膏作為濕地基質(zhì)，白掌和美人蕉作為濕地植物時，人工濕地處理垃圾滲濾液是可行的（張穎,2011）。一些學(xué)者還對人工濕地處理高氨氮的生活污水進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鋼渣-灰?guī)r垂直潛流人工濕地長期處理高氨氮生活污水是完全可行的，并且濕地系統(tǒng)對NH4+-N的去除效果優(yōu)于對TN的去除效果（黃玲,2009）。

3.4 高鹽廢水的處理

高鹽廢水是指總含鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)至少1%的廢水，目前處理高鹽廢水的方法主要是熱法、膜法和生物法，但由于熱法耗能高、運行費用高，膜法中膜易污染堵塞、建設(shè)投資高，都有一定的局限性。而人工濕地由于其耐沖擊負(fù)荷和運營維護(hù)簡單等優(yōu)點被用于高鹽廢水的處理。利用人工濕地處理沿海高鹽度地區(qū)的微咸水，并對濕地植物的耐鹽性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)黃花鳶尾的耐鹽性和去除污染物的效果最好，適合在土壤鹽堿化地區(qū)推廣應(yīng)用（郭煥曉等,2006）。一些學(xué)者對人工濕地處理高鹽廢水中不同耐鹽植物去除氯離子的能力進(jìn)行了研究（尚克春等,2014），結(jié)果表明，6種重度耐鹽堿植物的蘆葦、黃花鳶尾、大米草、鹽角草、鹽地堿蓬、堿蒿對氯離子的去除能力依次為蘆葦＞鹽地堿蓬＞堿蒿＞黃花鳶尾＞鹽角草＞大米草，該研究為人工濕地處理高鹽廢水提供了理論依據(jù)。通過潛流人工濕地處理高鹽度養(yǎng)蝦廢水的研究發(fā)現(xiàn)，耐鹽植物極大地提高了人工濕地對污染物的去除效率（Sansanayuth et al,1996）。隨著耐鹽植物高鹽環(huán)境下去除污染物能力和耐鹽能力的提高，人工濕地將會成為處理高鹽廢水的重點。

3.5 重金屬廢水的處理

重金屬廢水由于其毒性強、難以生物降解、易于累積等特點，對環(huán)境和人體健康具有重大威脅。人們通常采用理化法和生物法處理重金屬廢水，但理化法存在處理成本較高且易于造成二次污染的風(fēng)險，而人工濕地技術(shù)則可以很好地解決這一難題。利用波式潛流人工濕地處理含有Mn、Zn、Cd、Cu和Ni的重金屬廢水（許吟波,2013），發(fā)現(xiàn)該濕地系統(tǒng)對重金屬的去除具有較高的穩(wěn)定性，并且對Zn、Cd、Cu和Ni的去除率均達(dá)到90%以上，而對Mn的去除率只有69.1%，其原因可能是濕地內(nèi)部的弱堿性環(huán)境利于Zn、Cd、Cu和Ni的去除，在裝置的前半部分已基本完全去除；Mn的去除除了受pH值影響外，還要受溶解氧濃度的影響，而濕地植物對重金屬的直接吸收去除效果較小。通過濕地基質(zhì)對人工濕地處理含鉛廢水影響的研究，發(fā)現(xiàn)濕地基質(zhì)為粉煤灰、污泥、細(xì)煤渣、礫石和細(xì)沙等材料配制時，濕地對Pb的去除效果最佳（關(guān)正義,2017）。利用人工濕地植物香蒲、蘆葦和鴨跖草處理含鉛廢水，發(fā)現(xiàn)對于不同濃度的含鉛廢水，可選擇的最佳植物不同。處理10 mg/L以上的高濃度含鉛廢水時，香蒲的去除效果最好，而鴨跖草在處理10 mg/L以下的低濃度含鉛廢水時去除效果最好（林芳芳等,2014）。研究人工濕地寬葉香蒲去除重金屬的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)寬葉香蒲能有效降低濕地土壤中多種重金屬含量，其中根的選擇吸收和重金屬的相互作用是寬葉香蒲吸收重金屬的關(guān)鍵因素（李冰等,2016）。

3.6 放射性廢水的處理

放射性廢水主要來源于核工業(yè)、核燃料燃燒和放射性核素的開采、加工使用等環(huán)節(jié)，其主要污染物質(zhì)為具有放射性的重金屬，如Cs、U和Sr等，對環(huán)境和人體健康具有嚴(yán)重的危害。目前，人工濕地處理放射性廢水具有很多難點。通過人工濕地去除污染物的機(jī)理分析了人工濕地處理低濃度放射性廢水的可行性，認(rèn)為在技術(shù)上人工濕地可以處理低濃度放射性廢水（康軍利,2011）。對組裝式人工濕地處理低濃度含Sr2+/Cs+廢水進(jìn)行了研究，并考察了污染物初始濃度、pH值、運行時間等因素對處理效果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著運行時間的延長和污染物初始濃度的升高，系統(tǒng)對Sr2+和Cs+的去除率都隨之增加，達(dá)到了60%以上，為以后人工濕地處理其它低濃度放射性廢水提供了理論依據(jù)（湯年華,2013）。

4 人工濕地存在的問題、改進(jìn)措施及展望

人工濕地在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用比較廣泛，但在應(yīng)用過程中也出現(xiàn)了包括易受氣溫影響、基質(zhì)易堵塞和占地面積大等很多問題，這些問題對人工濕地的應(yīng)用發(fā)展造成了一定的影響。其中氣溫的影響比較大，直接影響了濕地的凈化效果；而基質(zhì)堵塞會縮短濕地的使用壽命，同時影響處理效果的可靠性；占地面積大則會影響土地的批復(fù)使用。

針對以上問題，相應(yīng)的改進(jìn)措施如下：①采取保溫措施，減少氣溫對人工濕地造成的不利影響，同時可以促進(jìn)對污染物的去除；②加強對進(jìn)水的預(yù)處理，去除懸浮物，減少基質(zhì)堵塞，同時定期對基質(zhì)進(jìn)行反沖洗或更換，保持人工濕地的穩(wěn)定運行；③采用組合式人工濕地處理污水，在減少濕地占用面積的同時提高處理效果。

目前，人們主要是利用人工濕地的工藝簡單、運營成本低、便于維護(hù)管理等特點來凈化污染物，具有一定的局限性。隨著人工濕地去除污染物機(jī)理的探明、濕地植物的強化培育和基質(zhì)的優(yōu)化配制等，會極大地提高人工濕地的凈化性能和應(yīng)用范圍，使人工濕地更多地應(yīng)用在水處理領(lǐng)域，為解決水資源危機(jī)和水污染問題發(fā)揮巨大的作用。