人工濕地污水處理技術(shù)的研究進展

付 柯 冷 健

（西安航天源動力工程有限公司，陜西西安 710100）

引言

我國可利用淡水資源匱乏，根據(jù)國家可持續(xù)發(fā)展以及綠色生態(tài)的建設(shè)理論，加強對水資源環(huán)境的保護，并做到水資源的資源化利用迫在眉睫。目前，在污水處理領(lǐng)域中，活性污泥因其技術(shù)成熟、運行穩(wěn)定等特點是當前污水處理的主流工藝。但是單純的依靠活性污泥法也會存在很多問題。人工濕地處理污水具有消耗小、工藝簡單、處理效果好等優(yōu)點，將會為污水處理提供新的發(fā)展。

人工濕地是由五部分組成：（1）具有透水性的基質(zhì)，如土壤、砂等；（2）適宜的植物，如蘆葦、美人蕉；（3）水體；（4）無脊椎或脊椎動物；（5）好氧或厭氧微生物種群。1974年人工濕地污水生態(tài)處理技術(shù)首次在德國得到正式應(yīng)用[1]。中國對人工濕地的研究起步較晚，在1988～1990年間，第一個應(yīng)用于污水處理研究人工濕地在北京昌平建立[2]。目前國內(nèi)關(guān)于人工濕地的研究進展已經(jīng)趕超國外達到領(lǐng)先水平，隨著科研人員的不斷研究，人工濕地處理污染物的應(yīng)用范圍也得到很大的擴展。國外有相關(guān)人員已經(jīng)將人工濕地處理污水技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域，用以去除廢水中的抗生素，包括環(huán)丙沙星，氧氟沙星，哌啶酸，阿奇霉素，克林霉素等在內(nèi)的13種抗生素，人工濕地對其中5種關(guān)鍵的抗生素去除率均達到97%以上[3]。Zachary Cryder[4]等將人工濕地應(yīng)用于凈化城市常用殺蟲劑（氟蟲腈和合成擬除蟲菊酯）對城市地表溪流的污染問題，實驗結(jié)果表明人工濕地可以有效的從雨水徑流和城市廢水中去除氟蟲腈去亞磺?；?，氟蟲腈硫化物，氟蟲腈，氟蟲腈砜，聯(lián)苯菊酯和氟氰菊酯且去除率均達到了74.7%以上。也有將人工濕地用來處理傳統(tǒng)廢水中砷及重金屬污染物的脫除，在實驗室規(guī)模下使用水平地下流動人工濕地去除高酸廢水中的砷及重金屬污染物，實驗結(jié)果表明在處理pH≈2，As≈3.7mg/L，F(xiàn)e≈57mg/L，Pb≈0.9mg/L，Zn≈12mg/L的廢水時，濕地系統(tǒng)在去除廢水中的砷和鐵（＞ 96%）和鉛方面非常有效（＞94%）[5]。

國內(nèi)對人工濕地的應(yīng)用研究也非常廣泛，北京大學(xué)的Jianfei Chen[6]使用人工濕地技術(shù)處理畜牧業(yè)含有高濃度抗生素的養(yǎng)豬廢水，在這項研究中人工濕地在處理廢水中的富營養(yǎng)物，抗生素含磺酰胺效果良好，其中TOC的效率為95%，NH4teN的效率為63.04%，磺酰胺為84.05%，研究還發(fā)現(xiàn)微生物的降解在連續(xù)廢水中磺酰胺的去除中起關(guān)鍵作用，而不是基質(zhì)吸附。在國內(nèi)研究中也有將人工濕地技術(shù)應(yīng)用于去除工業(yè)化學(xué)用品氯化石蠟，氯化石蠟由于其生物蓄積性、持久性、潛在毒性以及可遠距離遷移的因素，在水中通常難以去除，對水質(zhì)的危害非常大，有研究顯示采用人工濕地去除水體中的中短鏈氯化石蠟（SCCP）、氯化石蠟（MCCP）以及長鏈氯化石蠟（MCCP），經(jīng)過人工濕地吸附降解后，三種氯化石蠟的去除率分別達到了78%、86%以及91%，人工濕地對三種氯化石蠟都具有較高的去除率，是一種非常經(jīng)濟的凈化方法[7]。相關(guān)的關(guān)于人工濕地應(yīng)用的研究報道還有很多，比如對農(nóng)村生活廢水的凈化處理[8]，去除農(nóng)藥殘留物六六六[9]等等。

由于在污染控制及其去除、凈化水質(zhì)等方面，人工濕地具有重要的功能，同時也具有一定的經(jīng)濟、生態(tài)、野生和美學(xué)等價值[10]。因此越來越多的科研工作者對人工濕地進行研究，以加強其凈化污水的能力。

1、人工濕地的類型

根據(jù)水的流動方式，人工濕地一般分為表面流濕地、水平潛流濕地和垂直潛流濕地[11]，三種類型的人工濕地各有優(yōu)缺點。

研究和應(yīng)用較多的濕地是潛流濕地。表面流濕地水位較淺，一般在0.1～0.6m，主要是通過植物的攔截作用和根莖附近的生物膜凈化污水，優(yōu)點是投資和運行費用低，缺點是占地面積大、夏天有惡臭和孳生蚊蠅[12]。在水平潛流濕地中，污水從基質(zhì)下面，沿水平流從進水端口到出水端口，其優(yōu)點是負荷和去除效率高，衛(wèi)生條件相對好；與表面流濕地相比，缺點是管理成本高。垂直流濕地的污水在由表面垂直流向床底的過程中會依次經(jīng)過不同的的介質(zhì)層，最終達到水質(zhì)凈化目的，其優(yōu)點是氮、磷去除效率高，占地面積相對較少；缺點是容易堵塞[13]。劉俊紅等[14]選取美人蕉作為濕地植物，研究了表面流、水平潛流以及垂直流三種類型人工濕地對富營養(yǎng)化水體的處理效果，結(jié)果表明，垂直流濕地的處理效果最佳。

表1 人工濕地的類型

2、人工濕地凈化污水的機理

人工濕地是基質(zhì)、植物以及微生物這三個相互依存要素的組合體，主要包括物理、化學(xué)以及生物三個過程，對于不同污染物，去除機理也不同。

圖1 人工濕地污水凈化機理

2.1 懸浮物

在濕地系統(tǒng)中，通過基質(zhì)的吸附、根莖的攔截作用可去除懸浮固體中沉降的部分，對于溶解性的膠體或者難以沉降的懸浮固體可通過微生物的作用去除。影響其過濾的主要因素是與污水中基質(zhì)、根莖以及微生物的接觸程度。

2.2 有機物

對于不溶性的有機物主要是先通過沉淀、基質(zhì)的過濾，隨后被好氧和厭氧微生物降解，最終得以去除。對于溶解性有機物主要是通過基質(zhì)、植物根、莖部表面的生物膜進行吸附、吸收或者好氧厭氧微生物降解。微生物降解是去除有機物的核心部分。

2.3 氮、磷的去除

除氮的機理包括揮發(fā)、微生物轉(zhuǎn)化、植物的吸收、基質(zhì)的吸附以及沉淀等作用[15]。在濕地中會形成連續(xù)缺氧、厭氧以及好氧的情況，除氮主要是通過微生物的硝化和反硝化作用完成的。人工濕地的除磷作用包括基質(zhì)的吸收、植物的吸收、絡(luò)合以及微生物的協(xié)同作用。污水中的含磷物質(zhì)是植物生長的營養(yǎng)來源，植物對磷酸鹽的去除具有重大作用。

3、人工濕地處理技術(shù)的影響因素

人工濕地因其工藝簡單、建設(shè)成本低以及管理方便等被廣泛的用于水處理方面，如生活污水、有機廢水、氨氮廢水以及放射性廢水等方面[16]。根據(jù)目前人工濕地的處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀，影響其處理效果的因素主要有基質(zhì)、植物以及微生物等。

表2 人工濕地的組成及作用

3.1 基質(zhì)

基質(zhì)是濕地組成中必不可少的部分，基質(zhì)可以為植物生長提供支撐，還可通過自身的吸附作用凈化水中的污染物。在選擇基質(zhì)時，要考慮基質(zhì)的生物、化學(xué)穩(wěn)定性、透水性、孔隙率等性質(zhì)。

目前，常用的基質(zhì)包括粉煤灰、砂子、沸石、陶粒、碎石、泥炭等物質(zhì)[17]。此外，建筑廢料也可作為基質(zhì)用于人工濕地。

3.2 植物

植物在吸附、吸收以及富集污染物的同時，還起到輸氧、抑制藻類以及促進微生物生長的作用。濕地植物不僅要生物量大、有較大的根系表面積、耐污能力較高，還要適應(yīng)污水可能帶來的環(huán)境的改變，如酸堿環(huán)境[18]。根據(jù)污水的性質(zhì)和當?shù)貧夂虻惹闆r，可以選擇具有觀賞性能的濕地植物種植，也可以選擇一些經(jīng)濟作物。

目前人工濕地中最常用的植物是蘆葦、梭魚草、美人蕉、鳳眼蓮等。此外，金魚藻、空心蓮子草、香根草、菱白、苔草等也比較常見[19～20]。

3.3 微生物

微生物對污水中不同的化學(xué)組分均有同化、轉(zhuǎn)化和循環(huán)的作用。李振靈等[21]研究了不同基質(zhì)結(jié)構(gòu)的潛流人工濕地與微生物群落之前的相關(guān)性。結(jié)果表明，多層結(jié)構(gòu)的處理效果最好，主要是由于多層結(jié)構(gòu)中的變形菌為優(yōu)勢菌高于單層結(jié)構(gòu)，另外硝化細菌和反硝化細菌也高于單層結(jié)構(gòu)。

3.4 其它因素

水力負荷不僅會影響人工濕地的停留時間，也會影響其處理效能，一般水力停留時間越長，去除效果越好。此外，溫度也會影響人工濕地的去除效果。過低的溫度不適合微生物的生長，導(dǎo)致人工濕地的處理效果一般不高[22]。

4、人工濕地污水處理技術(shù)的優(yōu)勢與不足

人工濕地污水處理技術(shù)隨著研究的深入發(fā)展，取得很大的進步和改善，雖然較傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)有許多的優(yōu)勢，但是依然存在諸多不足之處。

表3 人工濕地的優(yōu)勢與不足

4.1 人工濕地的優(yōu)勢

4.1.1 建設(shè)、運行成本低。濕地便于建造、處理效果好。在構(gòu)造人工濕地時，可以因地制宜，充分利用周邊的地形地勢。人工濕地是利用生物完成對水質(zhì)的凈化，運行過程需要投入的各方面能量都較少。此外，可以選擇一些廢棄物作為人工濕地中的基質(zhì)，這樣既能降低建設(shè)成本，又能將廢棄物再次利用，只需要少量的工作投入，便能達到滿意的效果[23]。

4.1.2處理方式多樣化、緩解水資源危機。人工濕地與其它污水處理技術(shù)相結(jié)合，如活性污泥法+人工濕地系統(tǒng)，以緩解水資源緊缺的情況。此外也可以構(gòu)建復(fù)合式人工濕地，如：厭氧折流+人工濕地、組合垂直流人工濕地、人工濕地+穩(wěn)定塘等[24]。

4.1.3維持生物多樣性，調(diào)節(jié)區(qū)域氣候，生態(tài)功能強。濕地是既有陸生生態(tài)系統(tǒng)的特征又有水生系統(tǒng)的特征，這樣的水陸交互區(qū)域為瀕臨滅絕的動物特別是一些珍貴的水禽或者鳥類提供了一個良好的棲息地。另外，濕地中含有大量的水分與植物，這些水分的蒸發(fā)和植物的蒸騰作用會對局部分區(qū)域氣候產(chǎn)生影響，降低溫度，增加空氣的濕度[25]。

4.1.4社會功能強。在構(gòu)造濕地時，可以將濕地構(gòu)建成濕地公園，既能滿足人們對美好環(huán)境的需求，也能減少一些其他的公共基礎(chǔ)設(shè)施。另外，當發(fā)生暴雨或者洪澇災(zāi)害時，濕地可以緩解急增的水量，減弱洪水所帶來的不利影響。如果選擇經(jīng)濟價值高的作物，還會為當?shù)貛硪欢ǖ慕?jīng)濟收入。

4.2 人工濕地存在的不足與解決方案

隨著人工濕地使用技術(shù)的增多，也暴露出許多問題，如占地面積大、容易受氣候影響、基質(zhì)容易堵塞、管理不合理等。

4.2.1 占地面積大

為了滿足水量的要求、達到出水水質(zhì)的標準，污水需要人工濕地流動足夠的時間。此外，人工濕地處理污染物主要是通過微生物和植物的作用，而微生物和植物的生長是相對緩慢的，一般停留時間越長、反應(yīng)器體積越大，所以相比化學(xué)和物理的方法，則人工濕地需要更多的時間，更大的土地面積。

在設(shè)計人工濕地時，要合理的規(guī)劃土地面積，可以考慮將人工濕地建在人煙稀少的地方。對于城區(qū)人工濕地的建造，根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況，把人工濕地建造在合理的地方，美化環(huán)境。另外，還可以改變設(shè)計參數(shù)（如布水設(shè)計）、選擇去除能力強的植物與微生物來提高濕地對污染物的去除速率，從而減少濕地的面積。

4.2.2 受氣候和溫度的影響大

人工濕度的處理效果受溫度和氣候的影響較大，溫度會隨著晝夜、季節(jié)以及維度變化而變化。溫度對于一些生物化學(xué)反應(yīng)有很大影響，有些植物在冬季的時候還會出現(xiàn)停止生長、甚至死亡的現(xiàn)象。另外，低溫會降低微生物活性，導(dǎo)致吸附在基質(zhì)中的污染物得不到降解，最終使得濕地的去除效率降低。

針對該問題，在建造人工濕地時，首先要了解當?shù)氐臍夂?、植物生長的條件?？梢赃x擇耐寒的植物與培養(yǎng)耐寒的微生物。必要的情況下可以采取一些保溫措施，如植物覆蓋、地膜覆蓋、管道保溫等措施[26]。

4.2.3 填料堵塞

在人工濕地中，基質(zhì)對于污染物的去除作用也極其重要的。隨著人工濕地使用時間的推移，微生物會逐漸生在基質(zhì)上，并進行相關(guān)的新陳代謝活動，產(chǎn)生的一些雜質(zhì)以及污水中存在的不溶性物質(zhì)會堵塞基質(zhì)，從而影響濕地的正常運行，最終導(dǎo)致濕地的使用壽命和去除效率降低。

填料堵塞會造成人工濕地處理效能下降，目前常采用的措施有：對污水進行適當?shù)念A(yù)處理以減少污水中的懸浮顆粒物；基質(zhì)穩(wěn)定且吸附量大；定期進行植物的收割，及時維護，盡量避免填料的堵塞。

4.2.4 管理機制不完善

人工濕地的運行管理對濕地的正常運行至關(guān)重要。許多人工濕地由于得不到維護而失去正常功能。植物在生長過程會產(chǎn)生一些枯枝爛葉，大量的枯枝爛葉如果不及時清理，會影響植物的正常生長，同時也會影響了濕地的美觀性，孳生蟲蠅。

為了保證人工濕地的正常運行，需要加強對濕地的管理與檢測，定期進行檢查，及時去除水中的枯枝爛葉以及漂浮物。安排專業(yè)的技術(shù)人員對各項因素進行檢測并及時調(diào)整，做好日常的維護工作，以確保濕地的正常運行。

5、結(jié)論

濕地對于整個生態(tài)系統(tǒng)是不可或缺的，在天然濕地逐漸減少的情況下，建造人工濕地對生態(tài)保護具有重要的意義。人工濕地不僅可以凈化污水，而且可以實現(xiàn)水的資源化利用，具有經(jīng)濟、社會、環(huán)境三重效應(yīng)。人工濕地在處理污水時，也會出現(xiàn)很多問題，如濕地結(jié)構(gòu)、運行管理、穩(wěn)定性等問題。今后的研究和應(yīng)用注重維持濕地的長期平穩(wěn)運行。同時能對基質(zhì)、微生物以及植物去除污染物的作用進行有效的判斷，從而強化人工濕地的去除效率和進一步擴展人工濕地的應(yīng)用范圍。