人工濕地工藝研究現(xiàn)狀及影響因素分析

梅藝鋒 李楠 廣東省環(huán)境科學(xué)研究院

濕地是一種永久或周期性被水浸透的區(qū)域，作為一種具有成本效益和能源效率的解決方案，人工濕地為污水處理提供了可持續(xù)的綠色技術(shù)。人工濕地在去除廢水中的有機(jī)物、病原體、重金屬和其他污染物方面表現(xiàn)出卓越的效果。典型的人工濕地系統(tǒng)由濕地植物（大型植物）、基質(zhì)或介質(zhì)、廢水和微生物群落組成。通過模仿自然濕地的生態(tài)功能，人工濕地為環(huán)境治理提供了可持續(xù)且環(huán)保的解決方案。

1 研究現(xiàn)狀

根據(jù)水力水平的不同，人工濕地可分為自由表面流 (FSF)、地下流 (SSF)、潮汐流和擋板流人工濕地。自由表面流人工濕地指的是介質(zhì)頂部表面上方的水流，然而由于其對環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響，通常不推薦使用。首選的方案是地下流人工濕地，其中廢水在人工濕地頂部以下10～15 cm處流動(dòng)。地下流可通過兩種方式實(shí)現(xiàn)：垂直地下水流 (VFCW) 和水平地下水流(HFCW)。潮汐流人工濕地是一種改進(jìn)的系統(tǒng)，結(jié)合了植被、微生物固定膜以及創(chuàng)新的填充和排水潮汐循環(huán)，以增強(qiáng)好氧和缺氧處理過程。擋板流人工濕地利用擋板以正弦曲線方式引導(dǎo)水流，增加微生物與廢水之間的接觸時(shí)間。為了提高整體效率，混合人工濕地充分利用了VFCW和HFCW的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了更高水平的處理效果，并能產(chǎn)生生化需氧量和氮含量非常低的廢水。

人工濕地是一種有效處理廢水的方法，但其所需占地面積會(huì)受到氣候和廢水特性的影響。研究表明，相比于水平地下水流 (HFCW)，垂直地下水流(VFCW) 可以更小面積地實(shí)現(xiàn)更高的氧氣傳輸效率。人工濕地床由介質(zhì)和植物組成，在污染物去除中起著至關(guān)重要的作用。介質(zhì)提供了微生物形成生物膜所需的大表面積，從而通過吸附和過濾等過程去除污染物。此外，人工濕地中的大型植物有助于去除養(yǎng)分（如氮和磷）和污染物，促進(jìn)根際環(huán)境多樣性，增強(qiáng)微生物和化學(xué)過程。

人工濕地已被證明在去除生化需氧量(85%～90%) 和總懸浮固體 (90%～95%) 方面非常有效。然而，充足的氧氣供應(yīng)對于適當(dāng)?shù)南趸饔弥陵P(guān)重要，在改進(jìn)人工濕地中的硝化-反硝化方面已取得了一定進(jìn)展。然而，除磷對人工濕地仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，限制了其在處理富磷廢水方面的應(yīng)用。此外，人工濕地在土地利用要求和處理高強(qiáng)度和有毒廢水方面面臨一定的限制。

2 影響因素分析

2.1 間歇曝氣/人工曝氣

在有氧條件下，硝化作用需要消耗4.5 kg氧氣才能去除1 kg氮，而去除1 kg BOD5只需要1.2 kg氧氣。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)廢水中的溶解氧（DO）水平高于1.5 mg/L時(shí)，硝化作用會(huì)發(fā)生，而當(dāng)DO低于0.5 mg/L時(shí)，高效反硝化作用會(huì)發(fā)生。然而，要維持這些條件對自然環(huán)境來說具有挑戰(zhàn)性，需要使用人工曝氣來提供氧氣。相較于其他系統(tǒng)，垂直地下水流（ VFCW）需要較少的人工曝氣，因?yàn)榧s50%的所需氧氣可以從大氣中獲得。此外，VFCW中DO的分布在頂部的0～10 cm深度顯示出最高濃度，隨著深度增加逐漸降低。大部分氧氣消耗用于去除BOD5，這主要發(fā)生在距頂部10～40 cm的位置。相比之下，硝化作用主要發(fā)生在該深度以下，因此氧氣供應(yīng)相對有限。

在人工濕地中，植物起著將氧氣從大氣中轉(zhuǎn)移到根際根系的作用。然而，大約一半的氧氣被植物用于呼吸作用。

人工濕地中植物的氧氣釋放率在0.014～10 g/m2/d之間，這不足以有效去除BOD和養(yǎng)分。在沒有曝氣的地下流人工濕地（ SSF-CW）中，平均溶解氧（DO）濃度約為0.24 mg/L，這不足以支持硝化作用的進(jìn)行。為了提高人工濕地中的DO濃度，采用了各種技術(shù)，例如混合人工濕地（結(jié)合VFCW和HFCW）、流出物分步進(jìn)料、噴嘴法和分批操作。人工濕地中一種經(jīng)濟(jì)高效的曝氣方法是使用帶有穿孔的垂直管。這些管道將外部大氣與人工濕地內(nèi)部床相連，促進(jìn)硝化作用的進(jìn)行。因此，每天進(jìn)行4～6 h的間歇曝氣不僅可以降低曝氣成本，還可以提高人工濕地在脫氮和有機(jī)物去除方面的處理效率。

2.2 基質(zhì)

基質(zhì)是指人工濕地中使用的過濾介質(zhì)。這些過濾介質(zhì)在過濾、吸附和吸收等物理過程中起著至關(guān)重要的作用。人工濕地的性能受基質(zhì)類型、大小、形狀、孔隙空間、化學(xué)成分和滲透性等因素的影響。

人工濕地不僅能有效去除可生物降解的廢物，還能有效處理磷和重金屬等不可生物降解的污染物。人工濕地中常用的基質(zhì)材料包括土壤、沙子、礫石、碎石和其他天然材料。雖然這些材料能有效去除可生物降解的有機(jī)物，但對于重金屬的去除效果有限。此外，這些過濾介質(zhì)為微生物的生長提供了較大的表面積，促進(jìn)了有機(jī)廢物的生物降解過程。

如果沒有采用適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)，極易發(fā)生堵塞等現(xiàn)象。堵塞會(huì)導(dǎo)致在人工濕地中形成死區(qū)，使得大量水繞過濾床而導(dǎo)致整體效率降低。堵塞程度主要取決于介質(zhì)的孔隙率和時(shí)間。隨著時(shí)間的推移，由于蘆葦和生物膜的發(fā)展，堵塞的程度會(huì)減少。在初始設(shè)置階段，觀察到粗礫石、橡膠和塑料介質(zhì)的孔隙率相比于礫石和橡膠介質(zhì)分別降低了19%、12%和9%。同時(shí)，在人工濕地的運(yùn)行過程中，需要進(jìn)行適時(shí)的維護(hù)和清洗以保持良好的水流通和過濾效果。

2.3 再循環(huán)

再循環(huán)是人工濕地中一個(gè)值得考慮的重要參數(shù)，再循環(huán)率決定了處理過的廢水相對于進(jìn)水的比例，對整個(gè)處理過程起著至關(guān)重要的作用。在具有100%再循環(huán)的混合人工濕地（HFCW+VFCW）中觀察到，再循環(huán)提高了廢水中的氧氣水平，從而改善了硝化作用。通過增加廢水之間的接觸，氮去除率提高了40%并促進(jìn)了生物膜的形成。根據(jù)不同類型的人工濕地，可以采用不同比例的再循環(huán)來減少其占地面積。然而，由于HFCW具有較高的占地面積和過高的水力負(fù)荷，目前尚未廣泛采用再循環(huán)。需要綜合考慮人工濕地的具體情況和要求，以確定適當(dāng)?shù)脑傺h(huán)率，以實(shí)現(xiàn)最佳的廢水處理效果。這可以通過實(shí)地調(diào)查和系統(tǒng)評(píng)估來確定最佳的再循環(huán)策略，并確保人工濕地的性能和可持續(xù)性。

再循環(huán)通過廢水和微生物之間更長時(shí)間的相互作用，促進(jìn)NH4-N通過硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為硝酸鹽(NO3-N)，有助于增強(qiáng)NH4-N的去除。再循環(huán)率的增大會(huì)使氮和懸浮固體去除增加，但也會(huì)增加能源消耗，突出了優(yōu)化再循環(huán)率的重要性。再循環(huán)率的變化不會(huì)顯著影響除磷。將再循環(huán)與間歇曝氣相結(jié)合可以產(chǎn)生更高的效率，從而能夠去除BOD和TN，同時(shí)減少所需的人工濕地面積。

再循環(huán)在人工濕地中的應(yīng)用確實(shí)可以促進(jìn)NH4-N的硝化過程，將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。通過延長廢水和微生物之間的接觸時(shí)間，再循環(huán)提供了更多的機(jī)會(huì)，使硝化細(xì)菌有更多時(shí)間將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。增加再循環(huán)率可以提高氮和懸浮固體的去除效果，但也會(huì)增加能源消耗。因此，優(yōu)化再循環(huán)率變得非常重要，以在最佳的去除效果和能源效率之間實(shí)現(xiàn)平衡。相比之下，再循環(huán)對除磷的影響較小，即再循環(huán)率的變化不會(huì)顯著影響除磷過程。結(jié)合再循環(huán)和間歇曝氣可以進(jìn)一步提高人工濕地的效率，從而在減少廢水中的BOD和TN的同時(shí)，減少所需的人工濕地面積。因此，通過合理設(shè)計(jì)再循環(huán)率并結(jié)合其他增效措施，可以實(shí)現(xiàn)更高效的廢水處理，并在降低能源消耗和減少占地面積方面取得平衡。

有研究人員在人工濕地中采用再循環(huán)來處理高固體含量的污泥，觀察到通過再循環(huán)增加的蒸散損失，促進(jìn)了從污泥中分離出的污水的處理。事實(shí)證明，100～150 mm/d的再循環(huán)比最有效地實(shí)現(xiàn)污泥中COD的最大去除，同時(shí)由于蒸發(fā)蒸騰增加而減少了污水量。通常，HFCW和VFCW的再循環(huán)比范圍為0.2～2.5。

2.4 植物

作為濕地內(nèi)主要的氧氣來源，植被在人工濕地中起著至關(guān)重要的作用。植物的存在降低了水流速度，為廢水中的固體顆粒提供了足夠的時(shí)間沉淀。此外，植物形成的絕緣層有助于維持適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)溫度，從而促進(jìn)微生物活動(dòng)。植物的碳維持了硝化和反硝化過程所需的C/N比。在人工濕地中，植物對BOD、COD、TN、NH4-N和磷酸鹽等參數(shù)的去除表現(xiàn)出積極影響。然而，對于NO3-N和硫酸鹽的去除，它們可能產(chǎn)生負(fù)面影響，因?yàn)檫@些轉(zhuǎn)化過程通常發(fā)生在缺氧條件下。此外，濕地中開花植物的存在增強(qiáng)了處理廠的美感。

人工濕地中植物的密度對系統(tǒng)的停留時(shí)間有影響。每種植物物種具有不同程度的孔隙率，這直接影響生物膜生成的可用表面積。較高的孔隙率導(dǎo)致較少的水下植物材料，從而減少生物膜的形成。研究人員發(fā)現(xiàn)，互生香附子是一種成本效益較高的選擇，盡管其除磷能力并不顯著，但其具有快速生長和有效的COD去除能力。因此，建議將香附子與其他具有吸磷能力的植物結(jié)合使用。

2.5 碳氮比和溫度

碳/氮比在人工濕地處理中起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)榈偷腃/N比會(huì)限制氮和磷的去除。處理低C/N比廢水通常涉及能源密集型過程，例如厭氧氨氧化和同步硝化反硝化。碳在去除NO3-N過程中扮演關(guān)鍵角色，因?yàn)樗诜聪趸^程中充當(dāng)電子供體。在HFCW中，未添加碳時(shí)，NO3-N的去除率僅為7%；然而，通過添加蔗糖以保持COD/NO3-N比率為3.5:1時(shí)，NO3-N的去除率增加到70%。在FSFCW中，當(dāng)COD/NO3-N比率在3.5:1和5:1之間時(shí)，觀察到NO3-N完全去除，但進(jìn)一步增加C/N比率并沒有增強(qiáng)NO3-N的去除效果。當(dāng)COD/NO3-N比率低于2時(shí)，NO3-N的去除受到限制，因?yàn)榇蟛糠钟袡C(jī)物去除發(fā)生在人工濕地的頂層，減少了底層可用于反硝化的碳源。

生物反硝化作用與溫度密切相關(guān)，低于15℃時(shí)反硝化顯著降低，在5 ℃以下完全停止。然而，BOD和COD去除率對溫度的影響不顯著，表明有機(jī)物去除主要依賴于微生物活動(dòng)，即使在低于15℃的溫度下，微生物活動(dòng)仍會(huì)持續(xù)存在。相比之下，氨和氮的降解高度依賴于溫度，15 ℃以上的溫度會(huì)影響氮的去除效率。多孔介質(zhì)和植物根系的存在有助于將廢水溫度保持在比環(huán)境氣溫高2～3℃。對于處理奶酪乳清廢水的HFCW進(jìn)行的研究表明，在初始調(diào)試階段，種植和未種植的HFCW在COD去除方面表現(xiàn)出類似的趨勢。然而，在穩(wěn)定條件下，即水力停留時(shí)間（HRT）為4d時(shí)，溫度的影響變得明顯。當(dāng)溫度高于15 ℃時(shí)，兩種系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)了90%以上的COD去除率，但當(dāng)溫度低于15℃時(shí)，未種植的HFCW僅實(shí)現(xiàn)了60%的COD去除率，而種植的HFCW實(shí)現(xiàn)了90%的COD去除率。

因此，在進(jìn)行有效的人工濕地操作時(shí)，保持溫度在15℃以上，并考慮使用混養(yǎng)種植的人工濕地來幫助調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度至關(guān)重要。此外，正確選擇適當(dāng)?shù)耐獠刻荚床⒈３肿罴训腃/N比（范圍從3.5:1到5:1）非常關(guān)鍵，因?yàn)樗鼈兇龠M(jìn)反硝化作用并有助于減少溫室氣體排放。

3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

人工濕地是一種經(jīng)濟(jì)高效的廢水處理技術(shù)，其能源和運(yùn)營成本相對較低，通常僅占資本成本的1%～2%。人工濕地具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，可有效處理各種類型的廢水，包括農(nóng)業(yè)、乳制品、制革、紡織以及紙漿和造紙工業(yè)廢水。通過引入人工濕地，污水處理廠的外觀可以得到改善，呈現(xiàn)出像花園一樣的綠色景觀，提升了視覺吸引力。在去除效率方面，人工濕地可以與現(xiàn)代廢水處理技術(shù)相媲美，如活性污泥法、序批式反應(yīng)器、移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器和升流式厭氧污泥床等。人工濕地能夠顯著去除各種污染物，并且工業(yè)廢物可用作人工濕地中的介質(zhì)，既可提供微生物的生長表面，也可作為固體廢物管理的解決方案。

但人工濕地也存在一定的局限性。在人工濕地中使用的植物通常會(huì)產(chǎn)生大量生物質(zhì)，這可能導(dǎo)致堵塞問題并增加運(yùn)營和維護(hù)成本。因此，及時(shí)收獲生物質(zhì)非常重要，否則其分解會(huì)重新引入污染物到系統(tǒng)中，從而降低出水質(zhì)量。季節(jié)性變化對人工濕地的性能產(chǎn)生顯著影響，通常夏季的效率較高，而冬季的效率會(huì)降低。此外，由于對微生物群落和植物的負(fù)面影響，化學(xué)濕地在處理有毒和高濃度廢水方面的效果相對不佳。與傳統(tǒng)處理方法相比，因人工濕地水力停留時(shí)間更長，故需要更大的土地面積。

4 結(jié)語

為了提高人工濕地技術(shù)的可持續(xù)性，可以將工業(yè)廢物用作人工濕地的基質(zhì)。盡管曝氣在BOD降解和硝化中起著至關(guān)重要的作用，但連續(xù)通氣會(huì)增加操作成本。因此，需要采用間歇曝氣的方式。同時(shí)，將處理過的廢水再循環(huán)回人工濕地入口，通過促進(jìn)稀釋和增加廢水與微生物之間的接觸來提高效率。植物類型的選擇、每平方米面積的植物數(shù)量以及它們的再利用對工藝也具有重要影響。此外，需要維持適當(dāng)?shù)腃/N比以實(shí)現(xiàn)有效的硝化和反硝化作用。