提高人工濕地污染物凈化效果的關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

許浩浩，呂偉婭

(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇南京211816)

1 人工濕地對污染物的凈化效果

表1 人工濕地的凈化效果 %

上述研究出現(xiàn)人工濕地對氮磷等污染物的凈化效果有所不同的原因可能是因為人工濕地采用的填料、植物、設(shè)計參數(shù)等有差異。總的來說，傳統(tǒng)人工濕地對TSS、重金屬、油脂類及病原菌的去除效果良好，而對氮磷的去除率較低，對COD的去除率不穩(wěn)定。針對這個情況，很多學(xué)者研究從改良填料、強(qiáng)化植物以及組合工藝等方面來強(qiáng)化人工濕地的凈化效果。

2 強(qiáng)化人工濕地的凈化效果

2.1 改良填料

填料是人工濕地的重要組成部分，對污廢水中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的去除起到了主要作用[4]，因為填料不僅能通過吸附、沉淀、過濾等作用去除污染物，還可為微生物提供附著點，為植物提供適宜生長條件[2，4]。傳統(tǒng)的人工濕地一般會選用滲透性良好的自然土壤或礫石等傳統(tǒng)填料，但傳統(tǒng)填料對污染物的吸附能力較低，因此可向傳統(tǒng)填料中添加改性材料來強(qiáng)化系統(tǒng)的凈化效果[3]。

2.1.1添加改性填料

王功等[12]研究沸石、海綿鐵和礫石對氮磷的吸附效果，結(jié)果表明，海綿鐵對磷的吸附效果最佳，沸石對氮的吸附效果明顯優(yōu)于其他2種材料，因此沸石和海綿鐵可作為人工濕地脫氮除磷的改良填料。Lu等[13]試驗表明，火山巖、瓷砂陶粒、生物炭和沸石對NH3-N的吸附效果較好，吸附量分別高達(dá)1.700 0、1.620 0、1.353 0、1.350 0 mg/g，且4種填料的孔隙率和滲透系數(shù)都較大，因此填料中加入適量的上述4種填料可以提高系統(tǒng)對NH3-N的去除效果。谷鵬飛[14]以給水污泥、粉煤灰的質(zhì)量比為90∶10，并添加10%水玻璃制作給水污泥陶粒，發(fā)現(xiàn)以給水污泥陶為填料的潮汐流人工濕地對污水的去除效果大幅度增加，因此給水污泥陶?？勺鳛閮?yōu)化系統(tǒng)去污效果的填料(表2)。Chen等[15]試驗顯示，填料對生活污水中大腸桿菌的去除能力由強(qiáng)到弱依次為：生物炭﹥無煙煤﹥水稻土﹥沸石﹥石英，添加20%的生物炭不僅可以提高土壤滲透性能，還可以大幅度增加對大腸桿菌和大腸埃希氏菌的去除效果，去除率分別高達(dá)99.34%和97%。薛鈞尹等[16]研究表明，與生物陶粒相比，沸石、蛭石和果殼對陰離子聚丙烯酰胺和石油類化合物的去除效果顯著，推薦沸石、蛭石、果殼作為人工濕地處理含油廢水的優(yōu)選填料。

2.1.2優(yōu)化填料組合及配比

表2 強(qiáng)化人工濕地的凈化效果—填料 %

上述研究表明，向填料中添加一些比表面積大、滲透性好、吸附能力強(qiáng)的介質(zhì)，如沸石、生物炭、蛭石、石灰石、生物炭、陶粒、粉煤灰等可以增加人工對污染物的去除效果[20]，且通過不同填料的組合配比可以進(jìn)一步提高去除能力。

2.2 優(yōu)選人工濕地植物

人工濕地是由填料、植物和微生物組成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，其中植物在污水水質(zhì)凈化方面具有重要作用。植物本身可以吸收污水中的部分污染物，同時根系的生長可以促進(jìn)微生物的繁殖，從而提高污染物的去除效果[20-21]。

表3 強(qiáng)化人工濕地的凈化效果—植物 %

不同植物類型的選擇，可能會造成人工濕地對污染物的凈化效果發(fā)生較大差異[21]。在選擇植物時應(yīng)從植物的耐污性、耐水性、凈化效果、觀賞性及經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮，根據(jù)處理水質(zhì)的特點選擇適宜的濕地植物，不但可以保證人工濕地系統(tǒng)中生物的多樣性，還可以實現(xiàn)更高效的污水凈化[28]。

2.3 組合工藝

單一人工濕地難以同時滿足對多種污染物的去除要求，因此通過組合不同類型的人工濕地或?qū)⑷斯竦嘏c其他水處理工藝相結(jié)合組成的復(fù)合系統(tǒng)可以大大提升水質(zhì)的凈化效果。Zheng等[9]試驗顯示，復(fù)合人工濕地(潛流+表面流、潛流+潛流、表面流+表面流)相比單級濕地系統(tǒng)對BOD5、COD和TSS有更高的凈化效果，大部分污染物在復(fù)合濕地的第一級單元內(nèi)得到去除(表4)。試驗顯示[29-30]，以垂直流、水平潛流、表面流組合的人工濕地對有機(jī)物及重金屬的去除效果較好，其中對COD、BOD5的去除率分別可達(dá)到70%、80%以上，出水濃度達(dá)GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的二級標(biāo)準(zhǔn)，對Cd、Cr、Pb的去除率分別為87.88%、73.10%、73.20%。Ge等[31]研究表明，垂直潛流與水平潛流復(fù)合型人工濕地對COD、BOD5、TP、NH3-N、TN的去除效果較好，表流復(fù)合型人工濕地對TN的去除率最佳，復(fù)合人工濕地對TN的去除率均高于單級系統(tǒng)。楊平等[32]試驗表明，穩(wěn)定塘與2個水平潛流人工濕地組成的復(fù)合系統(tǒng)對四環(huán)素類抗生素的去除效果顯著，去除率達(dá)到了74.2%，出水水質(zhì)穩(wěn)定。魯其敏等[33]研究顯示，潮汐流-水平潛流組合人工濕地對細(xì)菌的去除效果顯著，對總細(xì)菌、總大腸菌群及糞大腸菌的總體去除率分別為96.5%、97.9%、92.4%，而單一潮汐流濕地床的去除率僅為65.8%、58.2%、46.9%。Yang等[34]采用水平潛流人工濕地與超濾組合工藝研究對含油污水的處理效果，結(jié)果表明，組合工藝對含油污水具有較好的處理效果，還發(fā)現(xiàn)組合工藝在夏季的處理效果最佳。

表4 強(qiáng)化人工濕地的凈化效果—組合工藝 %

3 結(jié)論與展望

作為一種生態(tài)的污水處理設(shè)施，人工濕地通過填料吸附、植物吸收轉(zhuǎn)化以及微生物降解等作用可以有效去除城市污廢水中的各種污染物，且因投資成本低、運(yùn)營管理方便及具有生態(tài)效益等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在城鎮(zhèn)污水處理中。但是當(dāng)前對人工濕地除污效果及優(yōu)化去除能效措施方面的研究尚不夠深入，其設(shè)計與應(yīng)用還不夠成熟。一方面人工濕地填料層的優(yōu)化材料價格較高，在實際應(yīng)用中使用成本較高，在有限的時間內(nèi)對氮磷等污染物的去除效果不理想；另一方面對強(qiáng)化植物作用提高凈化效果的研究不足，有些植物組合去污效果不明顯，且植物生長易受環(huán)境因素的影響，此外對工藝組合的研究大都集中在實驗室階段，而由于污水水質(zhì)及地域性的差異，組合人工濕地工藝在實際工程應(yīng)用的效果有待深入研究。

基于當(dāng)前國內(nèi)外人工濕地的凈化效果研究進(jìn)展，對今后人工濕地的研究提出以下幾點展望：①填料吸附對于人工濕地系統(tǒng)去除污染物起關(guān)鍵作用，研究填料類型、性質(zhì)、組成以及設(shè)計對污染物的去除具有重要意義，選擇合適的填料種類及組合配比可以有效增加去污效果，加強(qiáng)對凈化能力強(qiáng)、成本低、應(yīng)用性好的環(huán)保綠色填料的開發(fā)與研究；②良好的植物及植物組合可以提高人工濕地系統(tǒng)的凈化效果，研究植被種類、種植面積、密度及多樣性等因素對系統(tǒng)去污效果的影響，通過優(yōu)化植物設(shè)計及組合形式促進(jìn)污染物的去除；③人工濕地的多級組合可以大大強(qiáng)化系統(tǒng)的凈化能力，研究垂直潛流、水平潛流、表面流、潮汐流之間的耦合銜接，甚至可以將穩(wěn)定塘、膜工藝等工藝結(jié)合起來，構(gòu)建復(fù)合人工濕地系統(tǒng)，共同發(fā)揮對污染物的去除效果。