基質(zhì)優(yōu)化人工濕地處理效率方法研究進展

葛秋易+梁冬梅+肖尊東

摘要： 植物-基質(zhì)-微生物三者之間的協(xié)同作用是人工濕地去除污染物的主要機理，其中基質(zhì)是系統(tǒng)中重要的組成部分。通過歸納基質(zhì)在濕地處理過程中遇到的問題，結(jié)合國內(nèi)外學者提出的解決方案，對各類影響基質(zhì)作用的因素進行分析，最終提出多樣化的級配方式和針對性生態(tài)床體組合，為今后構(gòu)建人工濕地、優(yōu)化處理效率提供依據(jù)。

關鍵詞： 人工濕地；植物-基質(zhì)-微生物；協(xié)同作用；優(yōu)化；處理效率；研究進展

中圖分類號： X52 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）22-0005-04

人工處理濕地別稱工程濕地或者人工濕地，是一種利用自然環(huán)境中的植被、土壤及其相關的微生物組合協(xié)助處理污水或其他類型水體的技術(shù)[1]。一個經(jīng)過合理設計的人工濕地通常由水體、基質(zhì)和維管束植物組成，另外還包括一些其他的重要組成部分，比如微生物群落和自然生長的水生無脊椎動物[2]。水中的碎屑、膠體、絮狀物等懸浮顆粒直接被基質(zhì)層攔截過濾，同時基質(zhì)也為植物的生長、微生物的著床提供適宜的場所[3]。無論是植物的凈化，還是微生物的吸附降解都須要將基質(zhì)作為媒介，基質(zhì)在協(xié)調(diào)濕地各組分之間的關系中發(fā)揮著重要的作用。但是長時間運作過程中，基質(zhì)會發(fā)生堵塞、變性、吸附能力飽和等現(xiàn)象，它們不僅影響到濕地系統(tǒng)的水力負荷，也會影響整個系統(tǒng)的壽命以及長期運行的穩(wěn)定性，甚至使?jié)竦叵到y(tǒng)喪失功能[4]。本文對濕地運行過程中的問題進行分析，結(jié)合國內(nèi)外研究的方法和技術(shù)優(yōu)化基質(zhì)，為人工濕地的構(gòu)建以及運維提供一定的依據(jù)。

1 基質(zhì)理化性質(zhì)

1.1 基質(zhì)種類的選擇

基質(zhì)是人工濕地系統(tǒng)中不可或缺的部分，它與濕地表層土壤結(jié)合，為植物根系的生長提供良好的棲息場所，Pagano 等證明植物根系可以通過釋放氧氣改變根系周圍環(huán)境的氧化還原狀態(tài)，從而改變根系周圍的生化循環(huán)過程，根區(qū)附近與深層水體中的微生物和某些化學物質(zhì)通過氧化還原反應附著在基質(zhì)表面形成生物膜，這種現(xiàn)象成為基質(zhì)化學除污的主要原理[5]。通常會選擇孔隙率、比表面積較大且含水率較高的基質(zhì)。因為孔隙率大的填料儲水性能較好，濕地運行期間填料基本被水浸沒，缺氧條件下有利于反硝化細菌脫氮作用；同樣，較大的比表面積也有利于氧氣的流通，可以為附著在植物根系以及水面上方基質(zhì)表面的硝化細菌提供充足的氧氣進行硝化作用[6]。劉霄等對比了不同條件下礫石、頁巖、陶粒對磷的吸附能力，采用Freundlich模型和Langmuir模型進行擬合，結(jié)果顯示頁巖和陶粒因其各自的架狀結(jié)構(gòu)和蜂窩型內(nèi)腔對水中的磷元素有著極佳的吸附效果[7]。Drizo等均使用沸石作為基質(zhì)，利用其空疏的骨架結(jié)構(gòu)，使得水分子和部分陽離子能夠自由地移動和出入內(nèi)部孔道，有效地去除污水中的氮和磷[8-9]。肖曉存等分別用粉煤灰與蘆葦、風車草組成垂直流人工濕地，粉煤渣良好的細度使得吸水率可以達到89%～130%，結(jié)果表明，2種組合型濕地對化糞池出水的總磷去除率達到79.1%～89.7%、75%～92%[10]。

簡單的物理特性是濕地基質(zhì)攔截去污機理的第1步，多數(shù)試驗證明，利用基質(zhì)孔隙、比表面積等特征，結(jié)合土壤表層對污染物的削減，不僅可以直接過濾掉水中顆粒物、膠體、絮狀物，還能間接為微生物的附著以及代謝過程中氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的輸送提供便利。實際應用時選擇初始孔隙率在 35%～65%，比表面積在1 000 m2/g以上，例如市面上廉價易得的沸石、粗沙、蛭石、陶粒、活性炭便可以有效地去除大多數(shù)污染物質(zhì)。由于本身的化學性質(zhì)，大多數(shù)基質(zhì)都含有Ca2+、Fe3+、Al3+等金屬離子，因此針對不同類型的污水，選擇含有相應元素的基質(zhì)可以有效提高污染物的去除效率。鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，它含有的游離態(tài)氧化鈣、膠體氧化鐵、硅酸鹽、氧化鋁等物質(zhì)對污水中磷元素的吸附容量較高[11]。鋼渣、爐渣、頁巖由于物質(zhì)本身含有的金屬離子與水中的磷發(fā)生置換反應沉淀，良好條件下除磷率可達到80%。Blanco等收集大量的轉(zhuǎn)爐鋼渣作為人工濕地基質(zhì)進行基質(zhì)柱試驗，磷酸鹽的去除率高達84%～99%[12]。陜西省鳳縣永生村濕地示范工程首次選取自來水廠副產(chǎn)品脫水污泥作為基質(zhì)，變廢為寶，大大提高了當?shù)厣钗鬯辛椎娜コ蔥13]。但是這些工業(yè)副產(chǎn)物不適合植物生長，所以在實際工程設計中可以在表層覆蓋一些天然物質(zhì)如濕土、紅泥、木炭、沙石。北京市近郊某濕地在保證植物正常生長的條件下強化脫氮除磷的能力，濕地前段填充礫石-沸石-木炭，中后段填充礫石-木炭，上升流濕地后半段填充礫石-高爐渣組成多介質(zhì)層，該設計濕地的出水水質(zhì)達到國家Ⅰ類標準[14]?；粲澜艿乳_展了一系列不同條件下沸石吸附銨態(tài)氮的試驗，蛭石和沸石中SiO2、Al2O3對銨態(tài)氮具有很好的離子選擇交換和再生能力，同時其晶體內(nèi)部的硅氧、鋁氧架構(gòu)為脫氮細菌提供良好的富集，其中1 kg沸石對銨態(tài)氮的吸附量能夠達到5 g以上[15]。Bai等研究了利用飲用水殘渣作為人工濕地基質(zhì)的可行性，結(jié)果表明，這種新型基質(zhì)對總氮、總磷的去除率分別為98%、76%[16]。泥炭經(jīng)常用于處理大腸桿菌、五日生化需氧量（BOD5）較高的醫(yī)藥廢水。活性炭、某些粗纖維的農(nóng)業(yè)廢棄物、殼聚糖、膨潤土對電鍍、冶金化工行業(yè)廢水中殘留的Cr、Hg、Pb等重金屬元素的吸附率均大于70%。史明明等將膨潤土和硅藻土作為吸附劑，發(fā)現(xiàn)其對廢水中重金屬離子Zn2+、Pb2+、Cd2+的去除率能達到80%以上[17]。粉煤灰因其顆粒表面存在的不飽和化學鍵對水中的F-、Cl-、苯酚、油類物質(zhì)有特殊的吸附性。Matheswaran等運用粉煤灰處理堿性R染料，通過控制吸附劑用量、降低染料初始濃度、調(diào)節(jié)溫度與pH值等參數(shù)，運用吸附動力學和顆粒內(nèi)擴散模型計算出最佳反應條件以治理有色廢水[18]。在處理不同類型污染物的污水時，應當結(jié)合基質(zhì)特殊的理化性質(zhì)，篩選出對應的基質(zhì)，特別是在濕地現(xiàn)場施工時，應當就地取材，這樣既能節(jié)約成本，又能減少對當?shù)厣鷳B(tài)平衡的破壞。endprint

1.2 改性基質(zhì)的開發(fā)

長久以來，多數(shù)傳統(tǒng)基質(zhì)由于其固定化、低效率、易耗損等缺點嚴重影響了人工濕地的壽命，限制了濕地的創(chuàng)新推廣。因此，新型高效改性、適應性強且價廉的材料被廣泛應用于濕地水處理領域。呂建波等在前期研究的基礎上利用 FeCl3·6H2O 和NaOH與石英砂攪拌混合，制備出新型鐵改性砂濾料，并研究了它的吸附性能和動態(tài)過濾再生循環(huán)能力，表明改性砂具有良好的PO43-吸附能力和再生能力[19]。Yin等對3種不同粒徑含鈣豐富的凹凸棒石進行熱處理，構(gòu)建基質(zhì)柱模擬湖泊水體中磷的去除，進而替代人工濕地中吸附飽和的水煤漿基板。結(jié)果顯示，控制水力停留時間為8 h，水中磷的去除率為93.1%～95.4%，證明經(jīng)熱改性的凹凸棒石可作為合適的人工濕地除磷基質(zhì)[20]。Lukasik等用氫氧化鐵、氫氧化鋁對砂石柱改性修復水體污染，為期1個月的測試后水中的大腸桿菌、脊髓灰質(zhì)炎病毒、大腸噬菌體MS-2的去除率都在99%以上，可以用作醫(yī)療廢水的去除[21]。張翔凌等將9種不同類型的金屬化合物兩兩組合在堿性條件下采用水熱-共沉淀法生成層狀雙金屬氫氧化物對無煙煤進行覆膜改性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)改性過后的基質(zhì)對化學需氧量（COD）、總磷、氨態(tài)氮的凈化效果均有顯著提升[22]。

總的來看，常用的酸堿溶液處理的主要機理是對基質(zhì)表面的官能團進行改性，高溫炭化工藝可以調(diào)整孔隙結(jié)構(gòu)、密集程度，另外負載一些金屬氧化物用于修飾基質(zhì)表面的生化活性，如果具備足夠的條件，可以采取電化學、光催化、微波和納米技術(shù)改性，在實際應用過程中，針對大量的基質(zhì)盡量選取操作簡單、成本較低的改性方法，進一步增強基質(zhì)的性能。

1.3 基質(zhì)再生

隨著人工濕地長時間運行，基質(zhì)對污染物的吸附會逐漸趨于飽和，如不及時處理，飽和基質(zhì)不僅會降低處理效率，其內(nèi)部吸附的磷酸鹽、硝酸鹽也會被釋放出來，對植物和水體造成二次污染。Vohla等調(diào)查了大量人工濕地中飽和的基質(zhì)，通過比較分析發(fā)現(xiàn)只有蛋白石、脫水油頁巖渣、多孔濾石的回收適用性較高，絕大多數(shù)基質(zhì)須要通過特殊的方法達到再生目的。基質(zhì)再生技術(shù)主要通過離子交換將基質(zhì)中所吸附污染物的點位釋放出來或者增加吸附點位，既延長基質(zhì)功效時間，又循環(huán)利用，從而避免了繁瑣的更換回收步驟[23]?；|(zhì)再生主要分為物理、化學、生物3種方法，其中化學方法是通過投加高劑量再生劑，加快基質(zhì)表面離子的交換速度，進而實現(xiàn)基質(zhì)吸附容量的快速恢復[24]；物理方法是通過制孔、風干、粉碎、攪拌等方法改變基質(zhì)理化性狀，增加吸附位點；生物方法是利用植物和水體將吸附的物質(zhì)作為微生物生長的介質(zhì)，依靠微生物的同化、循環(huán)實現(xiàn)再生[25]。崔理華等利用鹽酸和硫酸對飽和高爐渣、沙、煤灰渣再生進行試驗，結(jié)果表明，2種酸對3種基質(zhì)的釋磷效果均大于80%[26]。Pratt 等評價了活性渣濾技術(shù)中風干、攪拌和粉碎等物理技術(shù)再生磷飽和熔爐渣的可行性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)粉碎的渣質(zhì)再生效果最好[27]。Rosenquist等也通過摻加生鐵屑對人工濕地土壤基質(zhì)層吸附的磷修復回收[28]。付融冰等采用曝氣、根系復氧以及菌群培養(yǎng)的方法對銨吸附飽和的天然斜發(fā)沸石和沙質(zhì)土壤生物再生，最終沸石的交換容量恢復到原先的94.6%～94.8%[29]。

多數(shù)研究表明，酸堿溶液對礦物類飽和基質(zhì)的氮磷解吸率超過50%，其中酸液的解吸性能更是達到80%以上，但是經(jīng)酸堿處理過后內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆變化，浸提后的基質(zhì)對污染物的吸附效果大大降低，難以回用。實際應用中不推薦使用強酸堿、強氧化性的工業(yè)再生劑，因為其對基質(zhì)以及濕地植物的破壞性較大。對于規(guī)模較大的濕地，物理再生方法實施難度較大，采用投加蚯蚓聯(lián)合微生物菌劑（異養(yǎng)菌、硝化細菌）、EM 菌液等生物法增強基質(zhì)中硝化物質(zhì)再生能力，并且采取生物再生法可以獲得良好的生態(tài)價值，增強濕地系統(tǒng)的可持續(xù)能力。

2 基質(zhì)組合與級配

基質(zhì)堵塞是影響人工濕地長效運行最常見的問題，污水中的難溶性固體顆粒和一些膠狀凝聚物在基質(zhì)表面和孔隙中不斷富集[30]，局部形成厭氧微環(huán)境。目前，國內(nèi)外學者對于這個棘手的問題進行了多種嘗試，Huang等發(fā)現(xiàn)水體在填料間的液壓流動對人工濕地去除某些污染物有著顯著的影響[31]。所以，粒徑組配對濕地內(nèi)部氧氣流通和水流循環(huán)有很大的影響。此外，Davison等在對澳洲新南威爾士州運行了10年的濕地研究基礎上設置4種濕地，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同基質(zhì)結(jié)構(gòu)的濕地對其中軟體動物的生理活動也有很大的影響[32]。王榮等設置了正反級配基質(zhì)的垂直流人工濕地，通過對各水質(zhì)指標、滲透效率的測定發(fā)現(xiàn)，大顆粒物質(zhì)表面復氧能力優(yōu)于小顆粒物質(zhì)，因而反級配系統(tǒng)在除磷方面存在優(yōu)勢，相反，正級配系統(tǒng)在降低COD方面高于反級配[33]。張毓媛等考察不同水力停留時間下對火山石、粗爐渣、牡蠣殼進行5種體積比裝填下的除污效果，發(fā)現(xiàn)其中2 ∶ 1 ∶ 1的配比對銨態(tài)氮、COD、總磷的去除效果均為最佳，1 ∶ 1 ∶ 2和1 ∶ 2 ∶ 1的組合分別具有良好的銨態(tài)氮以及COD去除率[34]。山東省南四湖城郭河流域曹莊人工濕地對原有的煤礦塌坑進行了原位修復，濕地護坡基質(zhì)層從內(nèi)到外粒徑按照從小到大的順序為：最內(nèi)層覆蓋了10 cm改性沸石，外層覆蓋了5種不同粒徑、分別為15、25、30、50 cm厚度的礫石，經(jīng)驗收檢測顯示該工程總體污染物去除率在18%以上，出水水質(zhì)達國家Ⅲ類標準[35]。

上述研究發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)填充、級配方式可以改善水流水平相流速減緩，縱向的不均勻分布、垂直滲透、滯流、局部水流過大形成“死水區(qū)”“短流區(qū)”等水力學問題。過水方式為上行下出時，嘗試將粒徑小的基質(zhì)（細沙、沸石、陶粒）縱向填充在濕地前端，中部選用大量中等粒徑（礫石、鵝卵石）分層均勻裝填，尾部摻雜一些能夠去色、去味的物質(zhì)（有機碳、膨潤土），預計該種混配方式對COD、總氮、總磷等污染物的平均去除率可達75%以上。當進水口埋填較深，出水位置位于土壤層以下可以先在配水區(qū)反級配布置大粒徑基質(zhì)并利用水壓抬升水位，濕地集水區(qū)采用正級配的方式自由落水，該區(qū)域篩選的填料滲透系數(shù)保持在3～50 m/d之間。當濕地水力負荷>08 m3/（m2·d），進水COD高于150 mg/L時，在上層選用粒徑為30～50 mm的天然礦物，中下層裝填5～15 mm的小粒徑石子，與正常級配相比，此種反級配方式預計可以將高容積負荷條件下COD、總磷等污染物的去除效率提升60%甚至更高。配制3種或者以上基質(zhì)組合時，體積配比成1 ∶ 2 ∶ 1、2 ∶ 1 ∶ 1、1 ∶ 2 ∶ 2時去污效果最佳。endprint

3 外界改善基質(zhì)作用

濕地生態(tài)系統(tǒng)之所以能夠穩(wěn)定，不僅是基質(zhì)的作用，與植物和微生物之間的協(xié)同也有著密不可分的關系[36-37]。植物體內(nèi)的泌氧作用（ROL）將吸收的氧氣經(jīng)根軸運輸?shù)礁?，在植物根區(qū)附近還原態(tài)介質(zhì)中形成富氧-缺氧的微環(huán)境。好氧厭氧菌在這種環(huán)境下大量繁殖并且附著在基質(zhì)表面形成生物膜。根際沉積物中的硫化物和有機酸也會間接改變基質(zhì)的孔隙率，進而影響基質(zhì)的氧化還原反應[38]。熊家晴等構(gòu)建了有無植物2組多粒徑配比水平潛流人工濕地，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，植物與基質(zhì)搭配的濕地脫氮除磷效果明顯高于無植物組[39]。Cao等在低溫條件下使用稻草和輕質(zhì)陶粒作為濕地的基質(zhì)床，經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)，兩者結(jié)合后水中各類含氮化合物的去除率均提升至60%以上[40]。Pedescoll等對升流式和常規(guī)沉淀2種易堵塞型濕地進行了研究改善，發(fā)現(xiàn)特別是在植物根系成熟后，部分基質(zhì)的滲透系數(shù)大大增加，水力傳導率較初期有明顯變化[41]。 基質(zhì)酶在土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化中占有重要的作用，酶在基質(zhì)中的積累是土壤微生物、植物根系和動物生命活動的結(jié)果，植物種類可以影響微生物結(jié)構(gòu)及土壤酶的活性[42]，別構(gòu)酶如過氧化氫酶、蛋白酶、脲酶在物質(zhì)轉(zhuǎn)化中發(fā)揮作用，還有一些胞外酶可促進濕地中生物降解[43]。張怡昕測定了5座人工濕地反應床體，其中有3座種植旱傘草類植物，另外2座無添加作為對照，分析模擬裝置中酶活性的動態(tài)變化與進水濃度、濕地植物之間的關系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)濕地植物的種植直接影響了3種目標基質(zhì)酶的活性，種植植物的基質(zhì)酶活性高于未種植植物[44]。

蘆葦、香蒲、千屈菜、菖蒲等挺水植物在吸收富營養(yǎng)化物質(zhì)的同時，根際分泌的草酸、脲酶還能促進有機污染物大分子中蛋白的水解，當基質(zhì)飽和時，植物也可以幫助釋放N、P，同時提高基質(zhì)表面微生物活性共同維護濕地系統(tǒng)的穩(wěn)定。筆者結(jié)合植物與基質(zhì)間共同作用，提出一種針對不同類型污水的新型人工濕地生態(tài)床組合（表1）。

考慮到地區(qū)自然狀況的差異性，根據(jù)不同地區(qū)的氣候、水文條件，選擇栽種適合本地的植物。其中挺水植物種植密度控制在15～20株/m2、浮水和沉水植物種植密度宜為4～9株/m2。春夏季節(jié)適當?shù)卦苑N蓮、鳶尾、金錢草等觀賞性園林植物，切記組合的時候一定要考慮不同植物物種之間的競爭關系，盡量避免栽種伊樂藻、鳳眼蓮、燈芯草等外來入侵物種，而且人工濕地處理污水是受限制的，也就是說不是所有的污水都可以處理，當污水中污染物濃度超出植物生長極限條件后，植物死亡，濕地也就喪失了它的功能，所以一定要明確濕地進水主要污染物濃度限值，當進水污染物負荷過高須要添加一定的預處理設施。

4 小結(jié)與展望

盡管存在著諸多的問題，但是人工濕地仍是與自然環(huán)境契合度最高的污水處理方式。在常規(guī)的優(yōu)化措施基礎上加以創(chuàng)新，使用經(jīng)特殊工藝改造的生態(tài)填料；組合搭配基質(zhì)時針對復雜的水力條件選擇不同比例和排布方式；尋求多樣的再生方法延長基質(zhì)壽命；結(jié)合濕地周圍的生態(tài)環(huán)境，全方位分析污水成分，嘗試不同植物混合種植并填充對應的基質(zhì)層組成新型生態(tài)床。目前大部分基質(zhì)優(yōu)化研究局限于實驗室模擬，但是在工程建造時，現(xiàn)場不可控因素較為復雜，包括溫度、水紋、地形在內(nèi)均會影響這些方案的可行性，綜合各類試驗小中試驗以及大型示范工程的經(jīng)驗分別從科研方向和工程技術(shù)層面提出如下幾點建議：（1）科研方向。微生物膜的積累對多孔基質(zhì)滲透率的影響直接決定基質(zhì)微生物代謝降解作用，同樣良好的滲透率有利于溶質(zhì)運輸及水力傳導，針對不同種類的基質(zhì)，研究如何讓基質(zhì)表面生物膜保持健康的生長；目前絕大多數(shù)非天然基質(zhì)均為工業(yè)衍生物和廢棄物，同樣日常生活中也有合適的替代物，有研究就表明中藥廢渣除藥用成分外，其本身富含的纖維素、木質(zhì)素等有機物搭配基質(zhì)具有凈水功效，但是考慮到中藥獨特的藥性，盡量搭配特殊的植物和基質(zhì)；結(jié)合水力條件、溫度、生化反應等變量，建立不同污染物在基質(zhì)層中擴散衰減模型，指導并提高基質(zhì)對污染物的處理效率。（2）工程技術(shù)層面。鋪設時本著就地取材的原則，挑選孔隙率、比表面積大、透水率高的介質(zhì)，預算充足的情況下可搭配沸石、蛭石、陶粒、蜂巢石以及石灰石、粉煤灰、爐渣等熱導性較好的材料，不僅預防斷流、床體缺氧，而且在冬季寒冷氣候下適當?shù)胤艧嵋灿兄趶浹a熱損失；實際工程設計時，考慮到水力傳導、流場分布等水力學問題，在基質(zhì)級配方面最好采用分層裝填的方式，進水量在3 000 m3/d以下的小中型濕地選擇3種基質(zhì)即可，對于進水量大于5 000 m3/d的濕地，配置 3～5種基質(zhì)，將大粒徑的基質(zhì)置于進水區(qū)，同時增加下層基質(zhì)鋪設的厚度預防厭氧區(qū)堵塞的發(fā)生；篩選并投加適量的功能菌或者補充一定的碳源，包括收割下來的蘆葦桿、麥稈、香蒲腐根等木質(zhì)纖維素含量較高的植物殘體，覆蓋在濕地床體表面逐漸恢復基質(zhì)的活性以延長濕地壽命。

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