人工濕地在污水處理中的應用案例及常見問題探討

趙亞芳，白華清，孫 政

(中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川成都 610225)

人工濕地自20世紀70年代在德國首次投入使用以來，就憑借著好的出水水質、能夠增加綠地面積、低投資、改善和美化生態(tài)環(huán)境、操作簡單、維護和運行費用低廉等優(yōu)點,被許多國家紛紛用于污水治理。人工濕地技術從研究、開發(fā)到工程應用，不斷取得成功，在改善水質和生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮著不可替代的作用，受到了各國的普遍關注，展現(xiàn)出廣闊的應用前景。

人工濕地建立在生態(tài)學基礎上，是由人工建造且控制、運行與沼澤地類似的地面，污水與污泥在沿一定方向流動的過程中，主要利用人工基質、微生物、植物等對污水進行凈化的一項新型生態(tài)污水處理技術。本文主要闡述了國內外人工濕地在處理污水中的應用現(xiàn)狀，著重分析了人工濕地在處理微污染水源、污水處理廠尾水、其他污水方面的效果及遇到的問題，針對人工濕地出現(xiàn)的堵塞問題、易受季節(jié)影響、脫氮除磷效果不穩(wěn)定、占地面積大、數(shù)據庫匱乏等問題提出了相應的解決對策，以期為人工濕地的推廣應用提供借鑒。

1 人工濕地的應用現(xiàn)狀

國內外人工濕地被廣泛用于處理低污染水、生活污水、生產廢水等。低污染水有微污染的水源水、污水處理廠的尾水；生活污水有農村生活污水、城市生活污水；工業(yè)廢水有采礦廢水[1]、采油廢水[2]、高鹽度廢水[3]、城市垃圾滲濾液[4]等。近年來，隨著國民經濟的發(fā)展，國家對污水治理和環(huán)境問題越來越重視，各省相繼出臺了地方污水治理標準及污水排放標準，人工濕地被廣泛用于微污染水處理、污水深度處理、生活污水處理及工業(yè)污水處理。人工濕地的基建投資大約是傳統(tǒng)二級污水處理廠建設成本的2/3，處理污水的運行成本大約是傳統(tǒng)二級處理的1/2。本文對人工濕地在應用中的典型案例進行分析，并對人工濕地在污水處理過程中呈現(xiàn)的問題進行闡述，對解決問題的辦法進行剖析。

1.1 大理州洱源縣鄧北橋人工濕地處理微污染水的應用

微污染水源的主要特點是污染物濃度低且水量巨大，采用高基建、高耗能強化的傳統(tǒng)處理方法處理微污染水源，投資巨大，但采用人工濕地等組合工藝處理微污染水效果顯著。永安江是洱海北部重要的支流之一，年徑流量占洱海徑流量的5%。從2010年8月—2012年8月，對永安江水質進行水質調查，水體主要超標污染物為TN，水體中TN、氨氮、TP質量濃度分別在0.40～4.20、0.050～0.800、0.000～0.279 mg/L，總體為《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)中劣Ⅴ類水體，為滿足《云南洱海綠色流域建設與水污染防治中長期規(guī)劃》中提出Ⅲ類水的要求。在永安江中游建鄧北橋人工濕地，濕地占地面積為65 800 m2，經處理后排放回永安江，鄧北橋人工濕地的平面布置如圖1所示，工藝流程如圖2所示，微污染水源依次經過氧化塘-一級表流濕地-水平潛流濕地-二級表流濕地處理，達標后排放回永安江。

圖1 人工濕地處理微污染水平面布置圖Fig.1 Layout Plan of Constructed Wetland for Treatment of Micro-Polluted Water

圖2 人工濕地系統(tǒng)處理微污染水流程圖Fig.2 Flow Chart of Constructed Wetland System for Treatment of Micro-Polluted Water

經過人工濕地處理后，出水TN平均質量濃度為1.60 mg/L，最低質量濃度為0.00 mg/L，最高質量濃度為3.07 mg/L；出水氨氮平均質量濃度為0.130 mg/L，最低質量濃度為0.015 mg/L，最高質量濃度1.200 mg/L；出水TP平均質量濃度為0.350 mg/L，最低質量濃度為0.000 mg/L，最高質量濃度為0.210 mg/L，出水水質總體達到地表水Ⅲ類排放標準。

每年的12月—來年2月，TN、氨氮濃度最高，冬季的平均去除率僅為34.89%、43.76%。原因可能有以下幾點：①冬季氣溫偏低，微生物的活性受限制，進而導致出水中TN及氨氮濃度偏高；②冬季植物自然枯死，植物對TN及氨氮的吸收量受到影響；③受到進水水質波動的影響，降水及上游居民的生活生產會影響進水的流量及人工濕地的負荷，導致進水中TN的最高值(3.07 mg/L)遠高于其平均值(1.60 mg/L)，進水中氨氮的最高值(0.200 mg/L)也遠高于其平均值(0.130 mg/L)[5]。此外，傳統(tǒng)人工濕地與混合潛流人工濕地、垂直流人工濕地相比，具有啟動慢、易堵塞、占地面積大等缺點。以下介紹混合型潛流人工濕地、垂直流人工濕地的應用。

1.2 貴陽綜保區(qū)都溪河片區(qū)污水處理廠尾水深度處理的應用

都溪河片區(qū)污水處理廠以及人工濕地近期規(guī)模為5 000 m3/d，遠期規(guī)模為10 000 m3/d，經過污水處理廠處理后的尾水達《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準后，排入混合型潛流人工濕地，經過人工濕地處理后的出水水質優(yōu)于GB 18918—2002一級A標準，主要指標(BOD5、CODCr、氨氮、TP等)達到IV類水體標準，即“準IV類”。經過人工濕地處理后的水排入生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，混合型潛流濕地進出水水質如表1所示。

混合型潛流人工濕地區(qū)位如圖3所示。

表1 混合型潛流人工濕地設計進出水水質標準Tab.1 Designed Water Quality Standard of Influent and Effluent for Mixed Subsurface Flow Constructed Wetlands

圖3 混合型潛流人工濕地位置各區(qū)布置示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Layout of Each Area of Mixed Subsurface Flow Constructed Wetlands

混合型潛流人工濕地占地有效面積為12 500 m2，設計水深為1.5 m，混合潛流人工濕地由A～F區(qū)這6個區(qū)域組成，該系統(tǒng)可以完成“氨化-硝化-反硝化”的過程，使系統(tǒng)高效脫氮。此外，該系統(tǒng)也可有效地氧化還原性物質，改變水體氧化還原電位，促進水體中磷的去除(主要依賴于植物的吸收和磷的固定)，該混合型潛流人工濕地的主要設計內容如表2所示。

A區(qū)處于兼氧狀態(tài)，漂浮植物通過根系吸收污水中的營養(yǎng)物質，利用生物掛膜來降低水體有機物含量；B～E區(qū)均采用微孔曝氣，處于富氧狀態(tài)，植物通過微孔曝氣增加水體中的溶解氧，促使氨氮在硝化細菌作用下，轉化為硝態(tài)氮，完成硝化作用，以降低水體中的氨氮含量，硝態(tài)氮在水體底部厭氧環(huán)境下被反硝化細菌還原成氣態(tài)氮(N2、N2O)而進入大氣。而磷元素則可以在水體底部礦化或被聚磷菌吸收，降低水體磷的含量；C～E區(qū)沉水植物選擇耐污能力較強，依據沉水植物特性，深化吸收、降解水體中氮、磷及部分有機污染物。為了更好地應對季節(jié)性變化對人工濕地的影響，使脫氮除磷效果更好，使人工濕地的出水更穩(wěn)定，成都市西區(qū)人工濕地采用下流式預埋微生物垂直流人工濕地。

表2 混合型潛流人工濕地分區(qū)布置Tab.2 Location of Mixed Subsurface Flow Constructed Wetlands

1.3 成都市西區(qū)污水處理廠尾水深度處理的應用

成都市西區(qū)污水處理廠主要收集犀浦和高新西區(qū)部分污水，現(xiàn)狀規(guī)模為5.99萬m3/d，一期、二期出水標準均執(zhí)行國家一級A排放標準，隨著《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標準》(DB 51/2311—2016)標準的執(zhí)行，西區(qū)污水處理廠的污水需深度處理后才能達標排放。因此，將西區(qū)污水處理廠的污水提升至垂直流人工濕地，經過人工濕地處理，出水達標后排放至清水河。下流式預埋微生物垂直流人工濕地的平面圖如圖4所示，工藝流程如圖5所示，污水廠出水依次經過尾水提升泵房-人工濕地處理后達標排放。

圖4 垂直流人工濕地平面布置圖Fig.4 Flat of Vertical Flow Constructed Wetland

圖5 垂直流人工濕地處理工藝流程圖Fig.5 Flow Chart of Vertical Flow Constructed Wetland Treatment

圖6 人工濕地構造圖Fig.6 Structure Diagram of Constructed Wetland

人工濕地易堵塞，氮、磷去除效果不穩(wěn)定、不理想，該系統(tǒng)針對以上問題做出了優(yōu)化設計，工程采用下流式預埋微生物垂直流人工濕地。該人工濕地的具體構造如圖6所示，濕地進水采用進水渠及布水管，濕地內部穿孔布水管及濕地底部穿孔收集管均采用硬聚乙烯塑料排水管，由分渠到總渠收集，科學設置布水系統(tǒng)，可防止填料堵塞。此外，濕地構筑物內自下而上放置礫石、大石、碎石、專業(yè)填料、砂、土，每鋪設一層填料后，在該填料的表面放置固體專性菌種粉末(或顆粒)或放置包埋固定化的專性菌種填料，在砂、土內種植挺水植物，這些專性菌種包括高效的好氧、兼氧、厭氧、硝化、反硝化純菌及高效的低碳源除磷脫氮填料(緩釋碳源)，可有效提高脫氮除磷效果。

人工濕地進水水質為一級A標準，出水水質達到《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標準》(DB 51/2311—2016)，具體參數(shù)如表3所示。

表3 設計進出水水質標準Tab.3 Designed Water Quality Standard of Influent and Effluent

1.4 人工濕地在其他污水處理中的應用

人工濕地在生活污水、生活污水+工業(yè)廢水的處理方面也應用較多(表4)，人工濕地處理生活污水時能有效去除CODCr、BOD5，去除率分別可達到92.4%、94.5%，SS去除率可達88.8%；人工濕地處理工業(yè)廢水+生活污水時，CODCr、BOD5去除率分別可達到85.8%、81.2%，SS的去除率可達93.8%；總體上，人工濕地對TN、TP的去除效果不穩(wěn)定，具體與人工濕地的進出水水質、水量、人工濕地的種類有關。由表5可知，出水CODCr、BOD5可達GB 18918—2002一級A標準，出水SS的去除率接近一級A標準，部分可達標排放。

表4 人工濕地系統(tǒng)去除效率比較Tab.4 Comparison of Removal Efficiency in Constructed Wetlands System

表5 人工濕地進出水水質比較Tab.5 Comparison of Water Quality of Influent and Effluent for Constructed Wetlands

2 存在的問題及對策

2.1 堵塞問題及解決對策

堵塞是人工濕地存在的普遍問題，美國環(huán)境保護署(EPA)對100多個正在運行的人工濕地進行調查，其中，50%的人工濕地在投產后5年內存在堵塞問題[11]，堵塞后人工濕地會存在繞流甚至短流現(xiàn)象，影響污水的停留時間，導致出水水質不達標；另外，污水長期淤積在人工濕地表面，阻隔了氧氣向濕地深層擴散，不僅降低了污染物的去除率，同時還會導致污水惡臭、滋生蚊蟲。針對上述問題，提出以下幾點建議。

2.1.1 預處理

預處理是解決人工濕地堵塞問題的重要手段，可有效降低人工濕地中有機負荷和懸浮物，還能提高污水的可生化性，減少后續(xù)處理單位的負荷。常見的預處理措施有沉砂池、粗細格柵、沉淀池、化糞池、除油池等。目前，很多學者研究了生物法與人工濕地的組合工藝，包括人工快速滲濾系統(tǒng)(CRI)[12]、SBR[13]、生物絮凝[14]、浮化生物床[15]、厭氧池[16]及生物接觸氧化[17]等，研究發(fā)現(xiàn)經過這些預處理措施可以有效預防人工濕地堵塞的發(fā)生。

2.1.2 增加污水中的溶解氧

溶解氧使基質保持在好氧狀態(tài)，可提高微生物的活性，也可有效防止堵塞。提高基質中溶解氧的方法有干濕交替布水、曝氣等。干濕交替的方式有間歇式進水和停床輪休，在有水的時候可以使基質保持好氧的狀態(tài)，促進微生物的代謝；在系統(tǒng)落干期間，由于微生物得不到污水中有機物持續(xù)供給，微生物進入了內源呼吸期，分解胞外聚合物，防止聚合物蓄積。李懷正等[18]研究干濕交替的輪休措施對人工濕地堵塞程度的影響，結果表明，輪休措施能有效改善人工濕地的堵塞問題，主要表現(xiàn)在采取措施以后單位基質中不可濾物質的含量較之前降低。張偉進[19]研究表明，曝氣濕地基質的孔隙率比未曝氣基質的孔隙率大很多，孔隙率的大小與曝氣時長成正比。此外，還有其他復氧方式[20]，如跌水曝氣、噴淋曝氣、自然導氣等。

2.1.3 選擇合適的填料

填料的粒徑、級配及種類對人工濕地的堵塞有一定的影響。莫鳳鸞等[21]將濕地中小粒徑的砂子改為大粒徑的碎石后，成功解決了人工濕地的堵塞問題；Zhao等[22]研究表明，反級配的人工濕地能有效防止人工濕地的堵塞；詹德昊[23]認為，有機質主要積累在基質表層及上層，通過定期更換濕地填料可有效防止?jié)竦囟氯?；成都市西區(qū)污水處理廠提標工程通過科學計算除磷填料的數(shù)量，可保證整體填料在不堵塞情況下的使用壽命(10～50年均可)。因此，是否采用合理的級配以及是否定期更換表層填料關系到人工濕地是否容易堵塞。

2.1.4 選擇合適的濕地植物

研究表明，約73%的人工濕地孔隙堵塞源于地上植物殘體造成的有機物的積累[14]，約27%的孔隙堵塞由濕地植物的地下莖和根部造成。深圳石巖河人工濕地采用紙莎草作為濕地植物[24]，紙莎草由于莖桿柔軟，葉與基質表面長期接觸，腐爛后在其周圍形成大面積的板結，導致人工濕地系統(tǒng)的堵塞。因此，選擇殘留物中難降解化合物水平較低、分泌物易降解、根性富氧能力強濕地植物，并注意合理密植、控制生長速度、定期收割減少植物殘留，就可以有效防止孔隙堵塞。國內常用的植物有蘆葦、美人蕉、香蒲、風車草、菖蒲、茭白等[25]。

2.1.5 投加蚯蚓

引入蚯蚓可緩解人工濕地的堵塞，同時增加人工濕地系統(tǒng)的生物多樣性，延長食物鏈，提高凈水能力，降低污染負荷，優(yōu)化的蚯蚓人工濕地能依靠蚯蚓、植物、基質、微生物的聯(lián)合作用實現(xiàn)污水的高效凈化[26-27]。

2.2 易受季節(jié)性影響及解決對策

在設計建造新的人工濕地之前，應對其周圍的人工濕地進行充分調研，分析調研結果，因地制宜。合適的植物配置及工程措施對人工濕地的穩(wěn)定運行、對抗外界環(huán)境影響等方面具有重要的影響。

2.2.1 選擇本土植物

山東榮成市人工濕地[10]、鄧北橋人工濕地在運行期間，氨氮和TP的去除效果表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，其中，氨氮去除呈現(xiàn)夏季高、冬季低的現(xiàn)象，可能是冬季氣溫低，人工濕地中微生物活性低，代謝不旺盛導致。Michael等[28]建議，改進選擇植物的標準，盡量選擇原生植被，提高植物對當?shù)貧夂蚝铜h(huán)境的適應能力。劉曦等[29]研究表明在云南大理鄧北橋附近建造人工濕地時優(yōu)先考慮荷花、梭魚草、蘆葦、風車草等。Lin等[30]建議在廣東省建造人工濕地，優(yōu)先考慮潛水植物。

2.2.2 選擇有后續(xù)利用價值的植物

在秋季，大量的人工濕地植物收獲，如果處理不當，容易造成污染物質的二次釋放[31]，成為地表水和地下水的污染源。Lin等[32]針對秋季人工濕地植物大量收割，處理不當造成污染問題提出解決方法，即利用收獲的人工濕地植物秸稈生產燃料乙醇，研究表明，蘆葦是一種理想的生產乙醇的生物質能源，其在同步糖化發(fā)酵120 h后，乙醇的產率和含量較高，分別為104.84%和34.89%。在夏季，濕地很難維持正常的運行狀態(tài)，亞熱帶地區(qū)綠狐尾藻濕地系統(tǒng)對養(yǎng)豬廢水具有很好的處理效果，對TN、TP、氨氮和CODCr的平均去除率可達90%[33]。

2.2.3 采取工程措施

在冬季，通過補充碳源，水平潛流人工濕地對TN的去除率為76.01%[34]，垂直流人工濕地及水平潛流人工濕地對TN的去除率達71%；成都市西區(qū)污水處理廠提標工程考慮到運行初期及冬季、植物長勢不好，在濕地前加入多種協(xié)調菌，如高效脫氮菌、固磷菌等，待植株長大后整個生態(tài)系統(tǒng)形成且具有良好去除氮、磷、有機物的功能時，不再添加生物菌種。因此，可通過定期收割人工濕地植物、選擇適合當?shù)貧夂虻谋就林参锘蛲ㄟ^投加協(xié)調菌的方法來緩解季節(jié)變化對污水處理效果的影響。

2.3 脫氮除磷效果不穩(wěn)定及解決對策

人工濕地對SS、CODCr、BOD5及細菌的去除率可達90%以上，但氮、磷的去除率接近50%，為60%～86%[12，15]，針對這一問題，國內外專家提出了一些解決方法。鐘樂等[35]采用電解的方法強化處理低碳氮比的污水，結果顯示，電解強化技術對系統(tǒng)TN、氨氮、TP的去除率有明顯提高，分別可達82.10%、88.30%、87.74%；王皓等[36]采用電解強化-三級串聯(lián)潛流人工濕地的組合工藝處理農村生活污水，接種污泥來自合肥市望塘城市污水處理廠，每一級人工濕地都是由鋼化玻璃構成，鋼化玻璃后接出水池，鋼化玻璃尺寸為L×W×H=1 500 mm×540 mm×248 mm，一級基質以沸石為主，二級、三級基質以廢磚為主，在一級、二級裝置中安裝電解裝置并為其提供恒定電流，選用美人蕉和蘆葦?shù)戎参?，待植物成活后開始試驗，裝置穩(wěn)定運行17個月以后，取水樣測定，結果表明，水力負荷為0.3 m3/(m3·d) 時，系統(tǒng)對TP、TN、氨氮的去除率分別可達93.13%、92.22%、95.22%，此時填料的沉淀和吸附作用對磷的貢獻率在70%左右，出水水質可達《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。因此，氮、磷去除效果不理想時，可考慮應用電解強化工藝。此外，不同種類的潛水植物對營養(yǎng)物質的去除效率也不同[37]，根據進出水水質要求，合理地選擇濕地植物，對水質的凈化效果尤為重要。

2.4 占地面積大及解決對策

崔理華提出了一種復合人工濕地，污水經處理后，各項指標均能達到一級A標準，同時可減少占地面積。何強等[38]提出序批式深床人工濕地，濕地系統(tǒng)總用地為1.87 m2/m3污水；成都市西區(qū)污水處理廠提標工程采用下流式預埋微生物垂直流人工濕地占地少，用地僅為1～1.5 m2/m3污水，與傳統(tǒng)二級處理工藝相比，濕地面積大大減小。以貴陽綜保區(qū)都溪河片區(qū)人工濕地為例，設計規(guī)模同為10 000 m3/d，如果采用表流人工濕地，占地面積約10萬m2；如果采用潛流人工濕地，占地面積約為2萬m2；如果采用復合型潛流人工濕地，占地面積僅為1.25萬m2。與傳統(tǒng)的表流人工濕地相比，復合人工濕地及垂直流人工濕地更有利于濕地面積的減小。

2.5 數(shù)據庫匱乏及解決對策

自2009年起，國家及部分相關部門針對人工濕地頒布了一系列的法律法規(guī)，主要是用于人工濕地的水力負荷、污染物負荷及人工濕地構筑物設計方面，由于頒布的部門不一樣，各規(guī)范中對這3個參數(shù)的規(guī)定也有很大差異。此外，不同性質的污水、不同水力負荷和污染負荷的取值、濕地面積的計算結果不同，不能一概而論，且實際設計運行經驗缺乏。針對上述問題，張翔等[39]對環(huán)保部規(guī)范、住建部導則以及各地關于人工濕地的規(guī)范進行了對比研究，建議統(tǒng)計各地區(qū)典型潛流人工濕地的實際運行數(shù)據，經過對比分析，得出每個區(qū)域最適合的參數(shù)，歸納運行及設計經驗，制定出一些設計參數(shù)、取值規(guī)范、運行管理方案等，為后期人工濕地的建造提供依據。

3 結語

綜上，盡管人工濕地運行除了受植物、微生物、基質等構成要素影響外，還受季節(jié)、氣候、水質等外在環(huán)境因素的影響，顯現(xiàn)出極強的非可控性及復雜性，但人工濕地是一種新型生態(tài)污水處理技術，具有傳統(tǒng)二級處理工藝不可替代的優(yōu)勢，如造價低、投資少、出水水質好、能與其他工藝組合處理各種廢水，自身本身就是一個小型的水生態(tài)景觀系統(tǒng)，有獨特的綠化功能。相對于人工濕地在污水修復方面的諸多優(yōu)勢和潛力，人工濕地運行易受外環(huán)境影響等問題都是次要的，并且這些問題可以通過不同的人工濕地組合工藝、優(yōu)化的人工濕地處理結構、合理配置濕地植物、專業(yè)的維護與管理、專性菌種的放置、機理研究的深入、數(shù)據庫的完善等來解決。因此，人工濕地在我國有廣闊的應用前景。