人工濕地污水處理技術(shù)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

周麗

（美尚生態(tài)景觀股份有限公司，江蘇 無錫 214125）

人工濕地污水處理技術(shù)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

周麗

（美尚生態(tài)景觀股份有限公司，江蘇 無錫 214125）

人工濕地污水處理技術(shù)具有基建投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、處理效果好、生態(tài)作用強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。從近年來人工濕地污水處理技術(shù)研究主要方向，以及人工濕地污水處理效果的影響因素等方面，闡述了人工濕地污水處理技術(shù)在不同污水處理中的應(yīng)用，分析了人工濕地污水處理技術(shù)與其他污水處理技術(shù)聯(lián)用等，對我國人工濕地污水處理技術(shù)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。

人工濕地；研究現(xiàn)狀；應(yīng)用現(xiàn)狀；污水處理

人工濕地是通過人為地創(chuàng)造水濕條件，種植相應(yīng)的濕生植物形成的一種濕地。它是由人工建造和監(jiān)督控制的，根據(jù)自然濕地生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)、生化反應(yīng)的協(xié)調(diào)作用來實(shí)現(xiàn)對污水的凈化，是對天然濕地系統(tǒng)的模擬和強(qiáng)化［1-2］。具有投資少、建設(shè)快、效果好、生態(tài)效益突出等優(yōu)點(diǎn)。

對人工濕地污水處理技術(shù)的研究開始于20世紀(jì)初，并于20世紀(jì)80、90年代在歐洲、美國、加拿大、日本等得到了廣泛的應(yīng)用［3］。我國直到 20世紀(jì)90年代初才開展人工濕地污水處理技術(shù)機(jī)理上的研究，其應(yīng)用方面相對落后。近年來隨著對人工濕地機(jī)理及影響人工濕地污水處理效果因素的深入研究，相關(guān)應(yīng)用也得到長足發(fā)展，應(yīng)用區(qū)域從南向北不斷擴(kuò)展，應(yīng)用對象也從農(nóng)業(yè)污水、生活污水等富營養(yǎng)化污染水體，拓展到工業(yè)廢水、垃圾滲濾液等難處理污水。

1 人工濕地污水處理技術(shù)概述

1.1 人工濕地的組成和污水處理機(jī)理

人工濕地與天然濕地一樣，由具有各種透水性的基質(zhì)，適于在飽和水和厭氧基質(zhì)中生長的植物，好氧或厭氧微生物群落和水體（各種待處理污水）組成［1］。人工濕地的基質(zhì)為植物提供物理支持，為微生物提供附著場所，需要具有較強(qiáng)的吸附能力、強(qiáng)度和穩(wěn)定性，是各種反應(yīng)的界面。在植物的選擇上，需要選擇易活、易管理、耐污能力強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)、富集能力強(qiáng)，并有一定美學(xué)價值和經(jīng)濟(jì)價值的濕地植物，不僅能吸收富集污染物，且植物的根區(qū)及其根系分泌物為微生物的生長提供一個良好的環(huán)境。污水在基質(zhì)中流動，為植物和微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)。利用系統(tǒng)中基質(zhì)-水生植物-微生物的物理、化學(xué)、生物的三重協(xié)同作用，通過基質(zhì)過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實(shí)現(xiàn)對污水的高效凈化。

1.2 人工濕地的特點(diǎn)

人工濕地污水處理系統(tǒng)目前廣泛用于污水的二級和三級處理，具有建造及運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低、維護(hù)簡單、適用面廣、對負(fù)荷變化適應(yīng)能力強(qiáng)、污水處理效果好、綜合利用價值高等優(yōu)點(diǎn)。資料顯示，人工濕地系統(tǒng)的建設(shè)成本和運(yùn)營成本約為傳統(tǒng)污水處理廠（如活性污泥法）相應(yīng)成本的1/10～1/5［4］。從生態(tài)作用上看，人工濕地系統(tǒng)具有強(qiáng)大的生物修復(fù)能力，不僅能保護(hù)水資源，調(diào)節(jié)氣候，而且能吸收二氧化硫、氮氧化物等有毒有害氣體。除此以外，人工濕地植物還具有很好的觀賞價值（如美人蕉）和很高的經(jīng)濟(jì)價值（如蘆葦）。

人工濕地系統(tǒng)也存在以下不足：首先，人工濕地易受氣候條件的影響。植物是人工濕地系統(tǒng)的重要組成部分，而植物的生長有一定周期，與氣候條件、節(jié)氣息息相關(guān)。人工濕地處理效果與植物生長是否旺盛呈正相關(guān)。其次，人工濕地易產(chǎn)生淤積、阻塞現(xiàn)象，因此需要有備用池，并定期地對基質(zhì)進(jìn)行去淤、更換，對植物進(jìn)行收割。最后，人工濕地易堵塞，因此需要建造相應(yīng)的污水預(yù)處理設(shè)施，減少堵塞的發(fā)生。所以，人工濕地需要的占地面積是傳統(tǒng)污水處理廠的2～3倍左右。

2 人工濕地污水處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2.1 人工濕地基質(zhì)的研究

如今，研究人員對人工濕地基質(zhì)做了大量的研究比對。張翔凌［5］進(jìn)行了沸石、無煙煤、頁巖、蛭石、陶瓷濾料、礫石、鋼渣、生物陶粒等基質(zhì)形成的垂直流人工濕地凈化試驗(yàn)研究，經(jīng)過對污水中的有機(jī)物、磷、氮的去除效果的對比，上述8種基質(zhì)綜合去除能力由強(qiáng)到弱排列依次為：無煙煤、鋼渣、沸石、生物陶粒、蛭石、陶瓷濾料、礫石、頁巖，其中蛭石和礫石對各種污染物去除效果的波動性均較大，礫石、頁巖較易被堵塞，沸石、頁巖、鋼渣和生物陶粒對有毒金屬元素具有一定吸附作用。頁巖、粗礫石、鐵礦石、麥飯石等填料對磷的吸附能力依次為頁巖＞鐵礦石＞麥飯石＞粗礫石，其中頁巖最大磷吸附量隨粒徑的增加而減?。?］。吸附飽和的火山巖、麥飯石、活性炭、海綿鐵等填料對磷的穩(wěn)定能力較差，易于釋放到水中，且粒徑越小，穩(wěn)定性越差。經(jīng)過綜合考察，鋼渣、無煙煤、高嶺土、瓷砂陶粒等是濕地填料較好的選擇［7］。李曉東等［8］研究指出水淬渣是一種比砂子、鋼渣對磷吸附性更強(qiáng)、更有應(yīng)用前景的基質(zhì)，并且粉煤灰、高爐礦渣、灰漠土等也可作為常規(guī)除磷基質(zhì)的替代。黃逸群［9］對不同類型基質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，指出粉煤灰、煤渣、空心磚以體積比為3∶1∶1混合填料作為人工濕地去污填料較為適宜，且能彌補(bǔ)使用單一基質(zhì)的弊端。

不同的基質(zhì)材料吸附和處理污水中目標(biāo)污染物的能力有很大差別，應(yīng)依據(jù)各自的性能和成本，通過科學(xué)配比才能取得最佳、最經(jīng)濟(jì)的污水處理效果。

2.2 人工濕地植物的研究

1977年德國學(xué)者Kickuth［10］的濕地凈化根區(qū)法（RZM）理論認(rèn)為，根區(qū)是人工濕地凈化功能的主要場所，主要通過植物吸收，微生物代謝除污。而植物吸收在人工濕地脫氮除磷中的貢獻(xiàn)只占很少部分［11］，經(jīng)換算植物吸收時總氮和總磷去除貢獻(xiàn)不到15%［12］，雖然植物在人工濕地中對水質(zhì)的凈化作用不大，但植物可以提高一定的基質(zhì)孔隙率，具有非決定性的防堵塞效果［13］。植物對人工濕地植物根區(qū)產(chǎn)生微好氧的環(huán)境有利，但目前沒有直接的證據(jù)證明根區(qū)的溶解氧濃度與植物有直接關(guān)系［14］。因此，對人工濕地植物的選擇和利用應(yīng)該更注重其間接生態(tài)效應(yīng)和綜合作用的發(fā)揮。

植物對污染物種類具有選擇去除的特性，目前用于人工濕地的植物多為蘆葦、香蒲等。趙建松等［15］通過模擬表面流濕地條件下蘆葦和盧竹生長特性，指出盧竹比蘆葦更適宜作為潛流人工濕地植物。同時水平潛流人工濕地中風(fēng)車草對養(yǎng)殖水體中磷的去除效果顯著高于香蒲，且對不同形態(tài)磷的去除效果不同［16］。王全金等［17］研究以薏苡、風(fēng)車草、茭白和美人蕉為植被構(gòu)建的潛流人工濕地，考察其對生活污水中氮、磷的凈化效果，指出美人蕉濕地對總氮的去除效果最好，茭白對總磷的去除效果最好，且各種植物對氮、磷的去除率隨水力停留時間的延長而逐漸增加。

人工濕地植物對污水的處理效果與生長季節(jié)有關(guān)，以春夏為佳，而冬季較差。其中美人蕉更適宜作為夏季人工濕地系統(tǒng)的濕地植物。時應(yīng)征等［18］指出石龍芮和酸模可作為寒冷地區(qū)或時節(jié)人工濕地植物，與常規(guī)植物互補(bǔ)使用可提高處理效果和延長運(yùn)行時間。王磊等［19］從群落配置、合理布局與景觀美學(xué)等方面對植物進(jìn)行調(diào)控與配置，篩選出適合北方潛流濕地的植物為蘆葦、茭白、香蒲、水燭、藨草，適合表面流濕地的植物是水葫蘆、大薸、菱角。北方地區(qū)的人工濕地植物宜選擇水生鳶尾、菖蒲、香蒲和荻等耐寒性能優(yōu)良的水生植物［20］。

不同植物對重金屬的去除能力也不同。鳳眼蓮與水蕹對Zn2+、Cd2+的耐受范圍遠(yuǎn)高于水花生和荇菜，能明顯提高 Zn2+、Cd2+去除效率［21］。香蒲對Fe3+的吸收去除能力高于風(fēng)車草、再力花，而對Mn2+的去除能力則為再力花和香蒲最好［22］。植物收割也會影響人工濕地的凈化能力，使基質(zhì)中磷酸酶、脲酶、蛋白酶等活性在一段時間內(nèi)增強(qiáng)，去污效果也得到提高［23］。木本植物中夾竹桃、木槿的凈化能力較強(qiáng)，凈化能力中等的有棕櫚、小葉迎春、梔子花、六月雪、龜甲冬青等［24］。

因此，對人工濕地植物的選擇可以從其種類、生物量、耐污能力、富集能力、對地區(qū)氣候適應(yīng)能力、抗病蟲害能力和經(jīng)濟(jì)價值等方面進(jìn)行考量。

2.3 人工濕地微生物的研究

根區(qū)微生物是人工濕地除污能力的主體，這方面的研究主要集中在優(yōu)勢菌群鑒別、種群分布、酶活性以及有機(jī)物的生物降解等方面。研究發(fā)現(xiàn)人工濕地植物根際和非根際土壤中微生物的數(shù)量均為異養(yǎng)細(xì)菌＞放線菌＞真菌，細(xì)菌是濕地微生物群落中數(shù)量最多的一個群，占微生物總量的95%左右［25］，且根際硝酸細(xì)菌、亞硝酸細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量均高于非根際。由于植物的泌氧作用對根際微生物有促生作用，根際區(qū)酶活性顯著高于非根際區(qū)，植物種類、進(jìn)水中碳、氮、磷的質(zhì)量比以及季節(jié)的不同使得植物根際的基質(zhì)優(yōu)勢菌群組成和酶活性也存在差異［26］，如氮、磷等污染物低溫時的去除率顯著低于氣溫高的季節(jié)。在適宜的溫度范圍內(nèi)，微生物的活性是可以恢復(fù)的。當(dāng)水溫低至5℃以下時，濕地系統(tǒng)對COD仍能產(chǎn)生較高的處理效率［27］。有研究表明在運(yùn)行穩(wěn)定的人工濕地中上層基質(zhì)酶活性較高，總磷、總氮的去除率與磷酸酶和脲酶的活性呈極顯著正相關(guān)，COD和總磷去除率則與脫氫酶的活性呈顯著正相關(guān)［28］。通風(fēng)強(qiáng)化可顯著增加部分酶活性。李輝等［29］鑒定了人工濕地基質(zhì)中 5株氨化細(xì)菌，發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌屬（Bacillus）、假單胞菌屬（Pseudomonas）為人工濕地中氨化細(xì)菌的優(yōu)勢菌屬，且在系統(tǒng)中添加適量沸石有利于氨氮的去除。周巧紅等［30］從基質(zhì)酶的角度闡明了人工濕地的污水處理與其中微生物和酶密切相關(guān)。

2.4 其他

除了以上主要影響人工濕地的因素以外，各種基質(zhì)配合使用的體積配比不同，其污水處理效果也有很大差異，所需的水力停留時間、布水方案也不相同［31］?；|(zhì)的裝填方式、分層順序等對人工濕地的污水處理效果影響也有顯著影響［32］。基質(zhì)上是否掛膜和是否曝氣對人工濕地除污能力也有很大影響，研究發(fā)現(xiàn)有掛膜基質(zhì)比無掛膜基質(zhì)的氨氮去除率提高20%［33］，而有曝氣比無曝氣的人工濕地系統(tǒng)對氨氮、總氮、溶解性反應(yīng)磷和總磷的去除率提高8.0%～24.4%。資料顯示，基質(zhì)中微生物活性與基質(zhì)碳含量呈正相關(guān)［34］。

人工濕地污水處理系統(tǒng)是模擬自然濕地的復(fù)雜污水處理技術(shù)，其除污效果不僅受植物、基質(zhì)和微生物的影響，還受非人工濕地系統(tǒng)的因素影響，如進(jìn)水有機(jī)物濃度、進(jìn)水方式、曝氣氣水比、進(jìn)水前處理效果等［35］，這些影響可以通過條件優(yōu)化來屏蔽。

3 人工濕地污水處理技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 人工濕地對不同污水的處理

目前人工濕地系統(tǒng)主要應(yīng)用于生活污水、家畜與家禽的糞水、富營養(yǎng)化水體、垃圾場滲濾液、制革和電鍍等工業(yè)廢水的處理。

在對泰安城鎮(zhèn)生活污水處理的三級人工濕地應(yīng)用中［9］，以粉煤灰、煤渣、空心磚為基質(zhì)，體積比為3∶1∶1進(jìn)行混合時，COD、總氮、氨氮的去除效果最好；在陶粒作為人工濕地床主要填料的情況下，蘆葦、水稗草、水生美人蕉能夠較快適應(yīng)，并在各種污染物濃度下很好地生長，可以作為人工濕地栽種植物；水葫蘆不能適應(yīng)高濃度污水，但是在中低濃度污水中能迅速生長，可以作為人工濕地中后段栽種植物。對于高寒地區(qū)，陳興華等［36］采用稻田人工濕地系統(tǒng)處理生活污水，該系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行10余年，初步計算可以獲得10萬元/a的經(jīng)濟(jì)效益。李燕等［37］以薏苡作為潛流人工濕地的主要植物，對公園廁所污水中COD、氨氮、總氮和總磷的平均去除率分別達(dá)到 56.4%、53.3%、49.8%和73.0%，而且薏苡經(jīng)濟(jì)效益較高，產(chǎn)值可達(dá)1.8萬元/hm2。

蘆葦、香蒲、鳳眼蓮、燈心草等是垃圾滲濾液的人工濕地處理系統(tǒng)常用植物。陳金發(fā)等［38］以組合人工濕地處理垃圾滲濾液，指出選取燈心草+鳳眼蓮+菹草的組合，COD和氨氮去除率均達(dá)到90%以上，而且對Pb2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+的去除率也均達(dá)到95%以上。人工濕地在制革廢水深度處理中也有很好的應(yīng)用，通過對浙江通天星皮革廠人工濕地深度處理系統(tǒng)連續(xù)2年的監(jiān)測，氨氮和COD的平均去除率均在60%以上，解決了出水氨氮濃度較高和COD濃度不穩(wěn)定的問題［39］。人工濕地系統(tǒng)處理含重金屬離子廢水同樣具有顯著的效果，水葫蘆、稗草、藨草等濕地植物對電鍍廢水處理能力的研究表明，水葫蘆的耐污能力高于稗草，藨草、美人蕉次之［40］，其中藨草對Zn2+、Mn2+、Ni2+的富集能力好，美人蕉對Zn2+、Mn2+的富集能力好。藨草、美人蕉、黃菖蒲、千屈菜適合處理中低濃度電鍍廢水。孫和和［41］利用垂直流-水平潛流復(fù)合人工濕地對金華清湖電鍍廠排放的電鍍廢水尾水進(jìn)行深度處理，也取得了很好的效果，COD去除率為60%左右，Cr6+、Zn2+、Mn2+、Cu2+的去除率達(dá)到70%～88%。

3.2 人工濕地與其他工藝的聯(lián)用

單一污水處理技術(shù)難以滿足不同水質(zhì)、不同處理要求的需要，多種技術(shù)的組合與優(yōu)化是解決這一問題的必然趨勢。進(jìn)行不同處理技術(shù)的組合工藝優(yōu)化，將對提高污水處理效果有著重要意義。

在污水處理組合工藝中，人工濕地系統(tǒng)常作為三級處理使用。張晟等［42］考察了不同工藝組合人工濕地系統(tǒng)對富營養(yǎng)化湖泊水體中磷的去除規(guī)律，結(jié)果表明，人工濕地與其他處理工藝聯(lián)合使用時，塘系統(tǒng)水處理技術(shù)宜作為濕地系統(tǒng)中前置工藝，在不同的季節(jié)，不同水力負(fù)荷的沖擊試驗(yàn)下，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)對溫度和季節(jié)變化、水力負(fù)荷的沖擊穩(wěn)定耐受性優(yōu)于表面流和潛流濕地系統(tǒng)。袁莉英等［43］研究了膜生物反應(yīng)器-復(fù)合垂直流人工濕地組合工藝系統(tǒng)對污水的凈化效果，該系統(tǒng)對COD、氨氮、總氮和總磷的去除率在分別為 97.5%、99.0%、59.6%和65.2%，在處理高濃度綜合污水方面有廣闊前景。滴濾池與人工濕地組合工藝對農(nóng)村生活污水也具有較好的處理效果，對COD、氨氮、總氮、總磷的平均去除率分別達(dá)到73.6%、89.5%、61.7%和 78.4%［44］?；钚晕勰喾ㄅc人工濕地的組合工藝在城市污水處理中也有較好應(yīng)用［45］。李紅芳等［46］以生物濾池-人工濕地-穩(wěn)定塘工藝處理農(nóng)村生活污水，出水水質(zhì)達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中第二類污染物一級排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，該工藝投資少、處理效果好、操作簡單、維護(hù)成本低。低氧接觸氧化-微曝氣人工濕地工藝在凈化受污染河水的應(yīng)用中取得了很好的效果，解決了人工濕地在高負(fù)荷下運(yùn)行時易堵塞和效率低的問題，硝化效率明顯提高，工藝整體運(yùn)行穩(wěn)定，且除污效率高［47］。

4 結(jié)語

人工濕地污水處理系統(tǒng)雖然具有占地面積大、容易產(chǎn)生飽和淤積等不足之處，但其基建投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、處理效果好、生態(tài)作用強(qiáng)等。目前，人工濕地的構(gòu)建研究是國際濕地研究的一個熱點(diǎn)問題，我國人工濕地污水處理系統(tǒng)的研究也集中針對人工濕地除污效率的影響因素，如濕地植物的選擇搭配，特別是寒冷地區(qū)濕地植物的選擇搭配；廉價、高效基質(zhì)，特別是如粉煤灰、冶金固廢等固廢回收利用的研究，以及不同類型基質(zhì)的配比；微生物種群及優(yōu)勢微生物種類的鑒定，基因工程菌的構(gòu)建；人工濕地與其他污水處理工藝的聯(lián)用和對不同類型污水處理的研究和應(yīng)用上。

人工濕地技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，因此，有針對性地開展研究和應(yīng)用工作，并選擇應(yīng)用領(lǐng)域有規(guī)模地實(shí)施，是當(dāng)前人工濕地技術(shù)發(fā)展指導(dǎo)方向。

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Research and application of sewage treatment technology of constructed wetland

ZHOU Li
（Misho Ecology&Landscape Co.，Ltd.，Wuxi 214125，China）

Constructed wetland sewage treatment technology has many advantages，such as low capital investment，low operating cost，good treatment effect and great ecological effect，etc.From the aspects of main research directions and influencing factors of constructed wetland technology，the application status of it for different kinds of sewage treatment was elaborated；besides，the application of the combined process of constructed wetland with other technologies was also analyzed.The research and application status of constructed wetland sewage treatment technology in China were summarized.

constructed wetland；research status；application status；sewage treatment

X703.1

A

%1009-2455（2016）05-0008-05

周麗（1980-），女，湖北鄖縣人，工程師，博士，主要從事環(huán)境污染控制和生態(tài)修復(fù)方向的研究，（電子信箱）zl@misho. com.cn。

2016-06-14（修回稿）