人工濕地污水處理應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景展望

張雁秋，曹文平

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221008;2.徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018)

人工濕地污水處理應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景展望

張雁秋1，曹文平2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221008;2.徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018)

人工濕地是一種污水生態(tài)凈化工程技術(shù)，因?yàn)槌杀镜土?、管理方便、處理效果好而被廣泛應(yīng)用.文章在闡述人工濕地作用原理的基礎(chǔ)上，分析了人工濕地在應(yīng)用研究中出現(xiàn)的問(wèn)題，探討了人工濕地在未來(lái)科學(xué)研究和工程應(yīng)用中亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，為人工濕地的研究和工程設(shè)計(jì)提供一定的參考.

人工濕地；生態(tài)工程；污水處理；生態(tài)修復(fù)

人工濕地是根據(jù)天然濕地水質(zhì)凈化原理人工建造的濕地，具有天然濕地的凈化功能，同時(shí)還具有改善微區(qū)域環(huán)境的功能[1-2].人工濕地通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)物理、化學(xué)、生物學(xué)以及生態(tài)的作用，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化和生態(tài)修復(fù)的目的，具有管理方便、成本低廉、區(qū)域生態(tài)效應(yīng)明顯等優(yōu)點(diǎn).

人工濕地由兩部分組成，即植物和基質(zhì)(吸附生長(zhǎng)的微生物).植物是人工濕地中重要成分之一，為基質(zhì)提供氧氣和形成“根區(qū)”(包括好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū))，同化吸收污染物，并有調(diào)節(jié)局部微環(huán)境的作用，對(duì)濕地的凈化作用非常重要.相對(duì)于濕地植物而言，基質(zhì)是污染物去除和削減的關(guān)鍵，基質(zhì)的粗糙程度將決定微生物量和微生物種群數(shù)；基質(zhì)的吸附容量將決定污染物吸收效果(特別是磷的去除效果)和濕地使用壽命；基質(zhì)孔隙率決定了濕地是否堵塞、過(guò)水效果、污染物去除效果、傳質(zhì)特性和濕地生長(zhǎng)效果等，所以基質(zhì)的研究和發(fā)展，對(duì)人工濕地的發(fā)展起著重要作用.選擇效果良好、模式新穎或適應(yīng)相關(guān)水質(zhì)的基質(zhì)，對(duì)濕地凈化效果和使用壽命起著關(guān)鍵作用[3-4].

1 人工濕地的應(yīng)用現(xiàn)狀

從1974年西德建造使用人工濕地開(kāi)始，人工濕地技術(shù)在許多發(fā)達(dá)國(guó)家得到迅速發(fā)展，其凈化機(jī)制、濕地植物選擇、濕地凈化效果人工干預(yù)等方面的研究也不斷深入[5-7].人工濕地技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)生活污水處理、化工污水處理、工業(yè)污水處理、尾水處理等，效果較為明顯[8-10]，詳見(jiàn)表1.

表1 人工濕地處理各種廢水的效果

續(xù)表1

2 人工濕地運(yùn)行仍存在的問(wèn)題

2.1 脫氮效率較低

濕地系統(tǒng)中氮的去除機(jī)制包括揮發(fā)、氨化、硝化與反硝化、植物攝取和基質(zhì)吸附等.其中，微生物的硝化與反硝化作用被認(rèn)為是濕地脫氮的主要途徑.不同基質(zhì)類型的濕地其脫氮的機(jī)制有所不同，脫氮效率也相差較大.目前，應(yīng)用較廣泛的人工濕地基質(zhì)主要有爐渣、土壤、礫石和石灰石等[11-12]，但是這些基質(zhì)的脫氮效率普遍不高.

生物脫氮的制約因素為生物反硝化過(guò)程，因此，為反硝化細(xì)菌提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境就可以提高其反硝化強(qiáng)度[13].生物反硝化需要碳源和缺氧微環(huán)境.生物反硝化脫氮需要有機(jī)碳源作為電子供體，碳源是水體脫氮的關(guān)鍵因子，水體中碳源缺乏是較為普遍的現(xiàn)象，而且碳源的可生化性也存在問(wèn)題；為提高人工濕地生物脫氮能力，業(yè)內(nèi)人士進(jìn)行了較多的研究，取得了一定的效果.其中補(bǔ)充液體碳源和固體碳源是較常見(jiàn)的方法，但是從費(fèi)用和資源化利用角度來(lái)說(shuō)，補(bǔ)充天然纖維素物質(zhì)、人工合成高聚物等固體碳源是較好的方法，是今后一個(gè)較為重要的研究領(lǐng)域.

2.2 除磷效果不穩(wěn)定

人工濕地對(duì)磷的去除主要是通過(guò)基質(zhì)吸附、微生物和植物的吸收等來(lái)實(shí)現(xiàn)的.所以基質(zhì)的選擇和基質(zhì)的吸附量等都對(duì)TP去除效率影響很大.

砂子和土壤基質(zhì)凈化磷素污染物的能力同其活性鈣、膠體氧化鐵和鋁含量有關(guān)，而通常砂子和土壤基質(zhì)中活性鈣、膠體氧化鐵和鋁含量較低，所以凈化能力有限，并且人工土壤基質(zhì)對(duì)磷的吸附能力容易飽和，有限的濕地基質(zhì)最終會(huì)因此而造成污染物的去除效果下降甚至喪失功能.所以，尋找能夠高效除磷的特殊填料是重中之重.

2.3 堵塞問(wèn)題

堵塞是人工濕地運(yùn)行中的常見(jiàn)問(wèn)題.裝入基質(zhì)填料后人工濕地相當(dāng)于一個(gè)生態(tài)濾池，懸浮顆粒物的截留、沉積，生物膜的過(guò)度生長(zhǎng)都會(huì)造成濕地堵塞.濕地堵塞會(huì)導(dǎo)致人工濕地系統(tǒng)內(nèi)形成局部短流和死區(qū)，滋生蚊蠅，引發(fā)惡臭，降低污染物去除效率，縮短濕地運(yùn)行壽命.

基質(zhì)堵塞問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重影響了人工濕地在水處理領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用.所以弄清楚基質(zhì)堵塞影響因素和堵塞機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上尋找有效的防堵疏通技術(shù)就顯得十分必要.

2.4 運(yùn)行成本問(wèn)題

基質(zhì)的費(fèi)用由填料的大小、體積以及濕地單元填充的高度來(lái)決定.一般而言，填充材料總的費(fèi)用在濕地各項(xiàng)費(fèi)用中是最高的，大約占總費(fèi)用的40%～55%.

基質(zhì)達(dá)到飽和后需更換基質(zhì)，從資源、經(jīng)濟(jì)、工程和環(huán)境角度都具有一定的局限性.首先會(huì)消耗大量的材料，其次會(huì)大幅度提高運(yùn)行成本，更換時(shí)操作不當(dāng)還可能導(dǎo)致整個(gè)人工濕地系統(tǒng)的破壞甚至崩潰.所以，基質(zhì)的選擇應(yīng)遵循材料的易得、高效、價(jià)廉及安全無(wú)毒等原則.設(shè)計(jì)人工濕地時(shí)，選擇基質(zhì)應(yīng)首先篩選對(duì)污染物去除能力強(qiáng)的當(dāng)?shù)夭牧?，這樣既能提高人工濕地對(duì)污水的凈化能力和減少成本投入，又能延長(zhǎng)生態(tài)工程的使用壽命.

3 提高人工濕地運(yùn)行效果的改進(jìn)措施

3.1 提高凈化效果

人工濕地系統(tǒng)是在利用天然濕地凈化原理上產(chǎn)生的，凈化速度偏低，水力停留時(shí)間偏長(zhǎng)，占地面積偏大.所以提高凈化效果，減少成本，減少耕地是目前主要研究方向.

首先，優(yōu)化基質(zhì)的選用.不同基質(zhì)對(duì)污水中污染物的去除能力不同，不同的基質(zhì)搭配對(duì)污水的凈化能力也存在差異.比如以去除有機(jī)物為主要目的的濕地系統(tǒng)，應(yīng)該選擇一些比表面積大、表面粗糙、不容易降解的基質(zhì)，如輕質(zhì)陶粒等，以提高系統(tǒng)中異養(yǎng)性微生物數(shù)量和濃度，強(qiáng)化有機(jī)物的去除；以去除磷為主要目的的濕地系統(tǒng)，應(yīng)該選擇吸磷效果較好且容易再生的材料，如硅藻土等，強(qiáng)化磷的吸收過(guò)程；以脫氮為主要目的的濕地系統(tǒng)，應(yīng)該考慮有機(jī)碳源的補(bǔ)充和缺氧微環(huán)境的造就，基質(zhì)應(yīng)該選擇一些可提供碳源和造就缺氧微環(huán)境的材料，如農(nóng)業(yè)廢棄物、礦化垃圾等.

其次，研究不同植物種群內(nèi)和種群間的搭配對(duì)污染物的凈化能力，有利于提高人工濕地的凈化能力.另外，也有較多文獻(xiàn)報(bào)告采用不同類型的人工濕地串聯(lián)應(yīng)用，進(jìn)行聯(lián)合水質(zhì)凈化處理.可見(jiàn)，利用不同植物類型和不同人工濕地類型搭配，實(shí)現(xiàn)污水凈化效果的提升是可行的，但是相關(guān)機(jī)制并沒(méi)有得到深入研究.

最后，提高人工濕地的充氧效果也是提高污染物去除效果的重要手段.研究發(fā)現(xiàn)，潮汐流運(yùn)行的人工濕地，強(qiáng)化了充氧效果，提高了去除有機(jī)物和氨氮的效果[14].

3.2 基質(zhì)再生

研究基質(zhì)吸附飽和后高效便捷的再生方法，可以恢復(fù)人工濕地的凈化性能，從而延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命，節(jié)約運(yùn)行成本.

物理再生方法操作簡(jiǎn)便，具有短期效應(yīng)，是基質(zhì)除磷再生的有效原位措施.研究落干休作的最佳開(kāi)始時(shí)機(jī)和持續(xù)時(shí)間，可有利于提高基質(zhì)除磷物理再生的有效性，同時(shí)通過(guò)人工濕地日常運(yùn)行管理中并行單元的定期輪休，亦可減緩處理系統(tǒng)去除率的下降趨勢(shì).

化學(xué)再生效果受基質(zhì)種類、再生試劑成分和濃度、環(huán)境條件(如溫度、pH值和DO值)等的影響，可作為人工濕地基質(zhì)吸附飽和后的應(yīng)急措施.針對(duì)不同種類基質(zhì)，研究再生劑的最佳成分和劑量，有利于提高基質(zhì)化學(xué)再生的可行性.在基質(zhì)吸附飽和時(shí)可通過(guò)投加非工業(yè)化學(xué)再生劑(如蔗糖、厭氧塘水、釀酒廢水等)恢復(fù)處理系統(tǒng)的凈化效果，同時(shí)有效降低更換基質(zhì)的破壞性和成本，還可將解吸的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)回用于農(nóng)業(yè).

生物再生實(shí)質(zhì)是人工濕地系統(tǒng)中基質(zhì)、植物和微生物的協(xié)同作用，可通過(guò)投加功能菌、曝氣、碳源等有效的強(qiáng)化措施提高協(xié)同效應(yīng)，從而提高處理系統(tǒng)的凈化性能.研究基質(zhì)脫氮生物再生離子交換和生物轉(zhuǎn)化過(guò)程，優(yōu)化離子濃度和交換速率，碳源、溶解氧、微生物群落結(jié)構(gòu)等，有利于提高基質(zhì)脫氮生物再生效果和速率.其中投加硝化污泥的生物方法對(duì)基質(zhì)脫氮再生的效果最佳.

3.3 耐低溫植物的配置

在人工濕地的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)本地區(qū)的氣候特點(diǎn)配置植物.在溫度比較低的地區(qū)，可配置一些抗寒能力較強(qiáng)的本地植物，或者引進(jìn)馴化后的耐低溫的外來(lái)植物(如西北利亞鳶尾).另外，在冬季可以選擇一些常綠植物，如水芹、麥冬等，提高冬季濕地系統(tǒng)的覆蓋度和保溫性，增強(qiáng)人工濕地的凈化能力，同時(shí)也增加了人工濕地的景觀效果.但是，外來(lái)物種的干擾和入侵問(wèn)題需要注意[15-16].

3.4 防堵

針對(duì)人工濕地堵塞問(wèn)題，業(yè)內(nèi)人士也提出了較多的預(yù)防和恢復(fù)方法，一般以預(yù)防為主，恢復(fù)為輔.

預(yù)防的方法主要有引入掃除性微生物(如蚯蚓、輪蟲、線蟲、紅斑瓢體蟲等)、提高預(yù)處理效果(降低進(jìn)入濕地污水中污染物濃度以及顆粒性雜質(zhì))、間歇式運(yùn)行方式等.當(dāng)然也可以通過(guò)提高基質(zhì)的孔隙率來(lái)預(yù)防濕地堵塞，但是勢(shì)必會(huì)降低濕地處理效果.另外，在濕地植物選種時(shí)根據(jù)植物對(duì)系統(tǒng)滲透性能的影響、凈化效果、美化功能等因素，可考慮選用根區(qū)復(fù)氧能力強(qiáng)、分泌難降解物質(zhì)較少的當(dāng)?shù)刂参颷17].在濕地運(yùn)行過(guò)程中，需要及時(shí)補(bǔ)種、定期收割濕地植物，清除濕地表面植物殘?bào)w等.掃除性微生物因?yàn)橐岳匣锬榈孜?，可提高基質(zhì)層微生物膜的更新速度和厚度，能有效防治濕地堵塞.防堵相關(guān)機(jī)制已經(jīng)得到證實(shí)和驗(yàn)證，目前蚯蚓進(jìn)入濕地已經(jīng)有相關(guān)實(shí)例，而輪蟲、線蟲、紅斑瓢體蟲等微型后生動(dòng)物用于防堵還處于研究和小試階段.

目前，堵塞恢復(fù)的主要方法有：1)更換濕地填料，對(duì)大型濕地而言，可以采取定期耙松濕地表面的方式改善通透性[18]；2)停床休作與輪作；3)設(shè)置復(fù)氧通氣管；4)人工濕地填料反沖洗.但是還要以預(yù)防為主，有利于提高處理效果，也可以減少運(yùn)行成本和管理難度.

4 人工濕地的發(fā)展前景展望

人工濕地以其良好的凈化效果、優(yōu)良的生態(tài)環(huán)境、廉價(jià)的運(yùn)行成本以及簡(jiǎn)單的運(yùn)行管理而被廣泛應(yīng)用于各種污水的處理過(guò)程中，符合海綿城市的建設(shè)理念和思路.但人工濕地也存在著使用壽命短、水力停留時(shí)間較長(zhǎng)、低溫效果差和衛(wèi)生條件缺陷等問(wèn)題，在一定程度上限制了其使用領(lǐng)域和水平.隨著新穎生物機(jī)制和技術(shù)的不斷發(fā)展，人工濕地的使用將更加廣泛.

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(編輯 武 峰)

Application Status and Development Prospect of Constructed Wetlands in Wastewater Treatment

ZHANG Yanqiu1,CAO Wenping2

(1.School of Environment Science and Spatial Informatics,China University of Mining and Technology, Xuzhou, 221008, China;2.School of Environmental Engineering,Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou, 221018,China)

Constructed wetland is a kind of ecological restoration engineering technology which is widely used because of its low cost,convenient management and high efficiency.Based on the principle of constructed wetland mechanism,this paper analyzes the problems in the application of constructed wetlands,discusses some key technical problems needed to be solved and provides some references to the future scientific research and engineering application.

constructed wetland; ecological engineering; wastewater treatment; ecological restoration

2016-07-11

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50978146)；住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012-K7-14)

張雁秋(1956-)，男，教授，博士,博士生導(dǎo)師，主要從事污水脫氮除磷研究.

X52

A

1674-358X(2016)04-0001-04