影響人工濕地污水凈化效果的因素綜述

趙佳浩，栗敏杰，范逸婷，李鵬濤，高騰云

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 牧醫(yī)工程學(xué)院，河南 鄭州 450046)

隨著我國工業(yè)的發(fā)展和畜禽養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴(kuò)大，隨之而來的是對環(huán)境的嚴(yán)重污染。養(yǎng)殖廢水和工業(yè)廢水都是重要的污染源。養(yǎng)殖廢水中含有較高濃度的氮、磷、氨氮等有機(jī)物[1]，而工業(yè)廢水中也含有大量有毒有害物質(zhì)，直接排放到環(huán)境中都會嚴(yán)重污染土壤及地下水資源，從而影響到人體健康。

依賴于植物對污染物的富集吸收，基質(zhì)組分對污染物的截留、微生物的降解等共同作用，人工濕地凈水技術(shù)能深度處理污水，且具有成本低、易管理等優(yōu)點(diǎn)，有很好的應(yīng)用前景。

1 濕地植物

濕地植物作為生態(tài)環(huán)境中的“生產(chǎn)者”，不但可以過濾、富集水體中污染物，還可以通過光合作用等方式利用水體中的氮、磷等多種營養(yǎng)元素來合成自身物質(zhì)，從而起到凈化水質(zhì)的效果。

1.1 濕地植物種類

濕地植物的種類多種多樣，由于不同濕地植物對環(huán)境的耐受性和適應(yīng)能力均不同，因而不同植物適用于不同人工濕地生態(tài)系統(tǒng)。Rozena等[2]研究發(fā)現(xiàn)只有香蒲屬等少數(shù)濕地植物適用于美國東北部地區(qū)人工濕地。因此在設(shè)計(jì)人工濕地時對所用濕地植物應(yīng)進(jìn)行認(rèn)真選擇。對于同一廢水，不同種類濕地植物對其處理能力也不同。Toet等[3]發(fā)現(xiàn)不同水力停留時間(HRT)人工濕地凈化效果受植物種類和溫度等的影響。美人蕉、花葉芋、水葫蘆、萬壽菊、劍蘭5種人工濕地中水葫蘆和萬壽菊2種人工濕地對污水處理的效果最好，且在干濕比為1∶5的條件下，種植水葫蘆的土柱出水中COD、NH4+-N、TN、TP的去除率分別為81.2%、86.3%、30.7%、58.9%，種植萬壽菊的土柱出水中COD、NH4+-N、TN、TP的去除率分別為78.9%、84.3%、34%、54.9%[4]。

對11種濕地植物進(jìn)行篩選發(fā)現(xiàn)，尖尾芋、橐吾和鳥巢蕨3種植物對富營養(yǎng)化程度較高的畜禽養(yǎng)殖廢水耐受性較好，對其污染物去除率較高，可用于凈化養(yǎng)殖廢水；在高濃度畜禽廢水中，尖尾芋、橐吾和鳥巢蕨對COD的去除率均高于87.1%，橐吾對TP、NH4+-N和TN的去除率均最高，分別為97.86%、91.96%和91.51%；在低濃度畜禽廢水中，橐吾和鳥巢蕨對TP的去除率均達(dá)90%以上，且鳥巢蕨對COD和NH4+-N的去除率均最高，分別為82.57%和92.14%[5]。李芳柏等[6]通過無土栽培方式對水稻、美人蕉、野生稻、蕹菜4種濕地植物處理生活廢水能力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：美人蕉、蕹菜處理效果最好，且美人蕉對COD、TN和TP的平均去除率分別為87.1%、88.1%和98%，蕹菜對COD、TN和TP的平均去除率分別為85.3%、96.4%和94.0%，而野生稻處理效果較差。鳳眼蓮、紫萍和大薸3種濕地植物中，大薸改善富營養(yǎng)化水體水質(zhì)的效果最佳，在處理時間為6 h條件下，對TN和TP的去除率分別為19.3%和96.4%[7]。

由于對不同營養(yǎng)元素需求量的不同，同種濕地植物對不同污染物的凈化能力也不同。人工濕地中香蒲對N的吸收速率為565 mg/(m2·d)，對P的吸收速率為261 mg/(m2·d)[8]。水葫蘆對養(yǎng)豬廢水中COD、N、P的去除率分別為51.57%、90.28%、44.81%[9]。湯顯強(qiáng)等[10]通過室外盆栽試驗(yàn)對水蔥、蘆葦?shù)?種不同濕地植物對氮、磷的凈化能力進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，7種植物中千屈菜對TP的去除率最高為86.21%，蘆葦最低為78.58%，但就TN的去除率而言，千屈菜的最低(77.64%)，蘆葦則相對較好(86.05%)。由此可見，在設(shè)計(jì)人工濕地時，濕地植物的選擇至關(guān)重要，不但影響到人工濕地的凈化效果，甚至影響到人工濕地本身的可行性。與此同時，可利用不同種類濕地植物對不同污染物凈化能力差異性的特點(diǎn)，進(jìn)行適當(dāng)組合配置以達(dá)到更好的處理效果。目前，關(guān)于利用不同植物組合人工濕地進(jìn)行污水處理的研究已有很多。

1.2 根系泌氧功能

濕地植物根系有多重功能，最基本的就是固定植株，與此同時還能夠起到過濾、富集污染物的作用。濕地植物可以將外界環(huán)境中的氧氣通過一系列反應(yīng)傳遞到根部區(qū)域，繼而擴(kuò)散到根系周圍的水體環(huán)境中，為根系周邊水體提供一定的氧氣，為硝化反應(yīng)等一系列好氧反應(yīng)提供有利條件。有研究表明：植物的泌氧速率遠(yuǎn)大于空氣中氧氣向濕地液面的擴(kuò)散速率，自然條件下根部任何位置都會產(chǎn)生很強(qiáng)的徑向泌氧(ROL)活動；在缺氧條件下，ROL強(qiáng)度由根尖向根基方向遞減；在好氧條件下，ROL在根區(qū)的強(qiáng)度很低[11]。不同濕地植物的根系泌氧能力差別較大。鐘金明[12]通過比較水芹菜、蘆葦、荷花、荇菜、菖蒲5種濕地植物的根系泌氧能力，發(fā)現(xiàn)蘆葦?shù)拿谘跄芰ψ顝?qiáng)，香蒲次之，荷花的泌氧能力最弱，且蘆葦濕地對污染物的去除率相對較高且最穩(wěn)定，其對氨氮的總?cè)コ蕿?8%。吳海明等[13]研究發(fā)現(xiàn)，香蒲、蘆葦、水蔥3種濕地植物中蘆葦?shù)拿谘跄芰ψ顝?qiáng)，其面積泌氧率和比放氧速率均最高，分別(O2)為4.35 g/(m2·d)和3.36 mg/(g·d)；降解污染物的效果也最好，對COD、NH4+-N、TN、TP的去除速率分別為3.65、0.13、0.27、0.09 g/(m2·d)。

1.3 根系分泌功能

在正常生長的情況下，植物根系能分泌許多氨基酸、糖、有機(jī)酸、甾類化合物、微量的生長物質(zhì)等小分子有機(jī)物和無機(jī)離子，這些物質(zhì)統(tǒng)稱為根系分泌物[14]。受基因、環(huán)境等多方面因素的影響，不同種類植物根系分泌物的量和種類均存在較大差異。研究表明，環(huán)境中礦物元素含量對植物根系分泌物的分泌活動影響很大。在環(huán)境養(yǎng)分高濃度的脅迫條件下，根系分泌物能起到提高植物抵抗脅迫能力的作用；在環(huán)境養(yǎng)分匱乏時，根系分泌物能促進(jìn)植株吸收轉(zhuǎn)化能力以維持正常生存[15]。這種補(bǔ)償機(jī)制對于濕地植物在含礦物元素較多、富營養(yǎng)程度高的水體中生存，并發(fā)揮凈化作用起著至關(guān)重要的作用。

1.4 植物化感物質(zhì)

植物能產(chǎn)生多種化感物質(zhì)，且不同類型植物所產(chǎn)生的化感物質(zhì)種類及其數(shù)量也不同。就挺水植物而言，在產(chǎn)生的化感物質(zhì)中次生代謝物居多，按成分大致分為酚類、萜類、低分子有機(jī)酸、脂肪酸等。其中酚類化感物質(zhì)數(shù)量多、活性強(qiáng)；萜類化感物質(zhì)可抑制雜草，毒害其他植物；有機(jī)酸類化感物質(zhì)可促進(jìn)(如檸檬酸)或毒害(如水楊酸)植物；脂肪酸類化感物質(zhì)能明顯抑制某些種類的植物或藻類[16]。濕地植物通過化感作用抑制藻類過量增殖，從而防止水體富營養(yǎng)化的研究已有很多。李鋒民等[17-18]研究發(fā)現(xiàn)蘆葦化感物質(zhì)2-甲基乙酰乙酸乙酯(EMA)能使斜生柵藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)顯著紊亂，且高濃度的EMA可降低銅綠微囊藻POD、CAT、SOD等抗氧化體系酶的活性。用菖蒲化感物質(zhì)α-細(xì)辛醚抑制羊角月牙藻，發(fā)現(xiàn)羊角月牙藻生長速率減慢，細(xì)胞內(nèi)線粒體數(shù)目明顯增多[19]。在石菖蒲水中培養(yǎng)藻類可以破壞藻類的葉綠素[20]。添加4 mg/L EMA能使蛋白核小球藻和銅綠微囊藻離子滲出量達(dá)到破壞細(xì)胞膜最大滲出量的95%以上[21]。以上研究表明，植物化感物質(zhì)能夠通過破壞細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)、降低酶活性、破壞細(xì)胞膜、抑制呼吸作用和光合作用等途徑來抑制藻類的增殖。

2 人工濕地微生物

2.1 微生物在人工濕地系統(tǒng)中的作用

微生物作為“分解者”，能有效降解污水中有機(jī)大分子物質(zhì)和氮磷等污染物。好氧微生物能降解污水中大部分有機(jī)氮，硝化細(xì)菌能起到硝化作用，反硝化細(xì)菌和其他厭氧氨氧化微生物能繼續(xù)將反應(yīng)后的硝態(tài)氮、氨態(tài)氮等轉(zhuǎn)化為氣體而排出水體[22]。研究表明，通過人工濕地微生物去除的氮量占人工濕地氮去除總量的60%～90%，起到相對主導(dǎo)作用[23-24]。植物不能直接吸收水體中的有機(jī)磷以及大部分無機(jī)磷鹽。而人工濕地中微生物(磷細(xì)菌等)能夠?qū)⒂袡C(jī)磷化合物分解礦化，將無機(jī)磷進(jìn)行氧化還原進(jìn)而被植物吸收利用。

2.2 人工濕地微生物的多樣性及其影響因素

人工濕地微生物中數(shù)量最多的為細(xì)菌，其次為放線菌，真菌數(shù)量最少。與氮去除相關(guān)的氨化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量占優(yōu)[25]。這也是濕地微生物具有良好脫氮效果的重要原因之一。微生物作為人工濕地復(fù)雜系統(tǒng)中重要的組成部分，不可避免地會受到多種環(huán)境因素的影響。Wang等[26]研究發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)上層多為好氧性氨氧化古菌和氨氧化細(xì)菌，而基質(zhì)下層多為厭氧性氨氧化菌。陶敏等[27]通過氧調(diào)控對濕地中微生物群落結(jié)構(gòu)及活性變化的研究發(fā)現(xiàn)，氧調(diào)控下微生物數(shù)量明顯增多，且微生物群落專一性更高、活性更強(qiáng)。對六氯苯脅迫下根際土壤中微生物數(shù)量和酶活性變化的研究發(fā)現(xiàn)，根際土壤微生物(細(xì)菌、放線菌、真菌)數(shù)量大于非根際土壤，且六氯苯含量與蘆葦、香蒲根際微生物數(shù)量和酶活性呈負(fù)相關(guān)[28]。不同濕地植物對人工濕地中微生物群落和豐度有顯著的影響[29-30]。大量研究表明，濕地植物根系的泌氧功能使得根系周圍由近及遠(yuǎn)同時存在好氧區(qū)域、缺氧區(qū)域和厭氧區(qū)域[31-33]，這為水體微生物提供了良好的生存和代謝條件，使得根區(qū)對污染物進(jìn)行降解利用的微生物的多樣性和豐度均高于非根區(qū)。另外，其他因素如基質(zhì)種類、基質(zhì)結(jié)構(gòu)、不同植物組合和碳源等也會對微生物的多樣性和豐度造成影響，從而影響到人工濕地微生物對污染物的凈化效果。付融冰等[25]通過對濕地基質(zhì)微生物狀況與凈化效果相關(guān)性的研究發(fā)現(xiàn)，濕地基質(zhì)中細(xì)菌的數(shù)量與BOD5去除率存在顯著的相關(guān)性(r=0.897，P<0.05),亞硝酸細(xì)菌數(shù)量與TN的去除率存在極顯著相關(guān)性(r=0.988，P<0.01)，且濕地微生物的數(shù)量和活性會隨著濕地的長期運(yùn)行而逐漸趨于穩(wěn)定。

3 人工濕地設(shè)計(jì)參數(shù)的相關(guān)因素

3.1 不同人工濕地構(gòu)型

根據(jù)水流方向不同，人工濕地可分為潮汐流人工濕地、表面流人工濕地和潛流人工濕地等，而潛流人工濕地又可細(xì)分為水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地。不同構(gòu)型人工濕地對污水凈化效果不同。由于水流流態(tài)及其路徑等不同，垂直流人工濕地相比于水平流人工濕地對污染物的去除率更高[34]。Li等[35]利用多級表面流人工濕地處理豬場養(yǎng)殖廢水，發(fā)現(xiàn)多級表面流人工濕地能有效去除廢水中COD、TN、NH4+和NO3-等污染物均具有良好的凈化效果，去除率分別為16.3、9.14、7.75、45.49 g/(m2·d)。段然[36]研究發(fā)現(xiàn)，表流-水平流人工濕地對COD、生物需氧量(BOD5)和固體懸浮物(SS)的處理效率分別為85.33%、96.61%和98.11%，表流-垂直流人工濕地對COD、生物需氧量和固體懸浮物的處理效率分別為85.21%、95.62%和95.46%，且表流-水平流人工濕地對BOD5和SS的處理效果顯著優(yōu)于表流-垂直流人工濕地(P<0.05)。因此，在進(jìn)行人工濕地設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該因地制宜選用合適的人工濕地構(gòu)型以達(dá)到更好的凈化效果。

3.2 基質(zhì)種類

基質(zhì)在人工濕地系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，能通過吸附、過濾、生物降解等方式去除污染物。不同基質(zhì)種類對人工濕地污染物的去除效果有著較大影響，選擇合適的填料作為基質(zhì)可以大大提高人工濕地的凈化效果。利用礫石、紫色土、河沙去除畜禽養(yǎng)殖廢水氮磷的研究發(fā)現(xiàn)，廢水中的磷主要通過基質(zhì)的吸附作用去除，各試驗(yàn)組中土壤基質(zhì)吸附磷含量均大于32 mg/kg，河沙基質(zhì)吸附磷含量在8～14 mg/kg，而礫石基質(zhì)吸附磷含量均低于4 mg/kg，總體吸附能力依次為土壤>河沙>礫石，且土壤中吸附磷含量沿河床方向基質(zhì)對磷的去除量呈增加的趨勢，床體前端、中部、尾部的吸附磷含量依次為45.09、48.67、66.98 mg/kg[37]。方偉成等[38]研究了水泥磚、陶粒和紅磚3種基質(zhì)對人工濕地中磷的去除能力，發(fā)現(xiàn)水泥磚的理論飽和磷吸附量最大為1.5921 mg/g，最適合作為人工濕地填料，陶粒和紅磚理論飽和吸附量較小，分別為0.3611和0.4599 mg/g。另外，不同基質(zhì)去除污染物的作用機(jī)理也不同。在沸石、陶粒、火山巖3種基質(zhì)中，陶粒主要通過物理作用吸附去除氨氮，而沸石和火山巖以離子交換為主，且3種基質(zhì)對氨氮最大吸附量由大到小依次為沸石、火山巖、陶粒，分別為0.9625、0.8643、0.6928 mg/g[39]。廢磚塊、沸石、火山巖和海蠣殼4種基質(zhì)人工濕地凈化豬養(yǎng)殖場廢水，發(fā)現(xiàn)海蠣殼主要通過化學(xué)吸附作用去除磷，而其他3種基質(zhì)主要通過物理吸附而發(fā)揮作用[40]。

3.3 進(jìn)水濃度

不同進(jìn)水濃度對人工濕地的凈化效果有較大影響。日常生活廢水污染物濃度相對較低、處理難度較小，而養(yǎng)殖廢水和工業(yè)廢水等水體中污染物濃度相對較高，凈化難度相對較大，在利用人工濕地進(jìn)行凈化處理時，對濕地植物本身的耐受性也是一種挑戰(zhàn)[41-43]。洪海燕[44]利用模擬三級組合式垂直流人工濕地系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，合理控制分級進(jìn)水濃度可以提高氮去除率，在第一級進(jìn)水濃度和第二級進(jìn)水濃度分別為90%和10%時，TN的去除率最大為59.39%。在一定范圍內(nèi)，進(jìn)水濃度越大，N2O、CH4和CO2的釋放量越多,但在過高的進(jìn)水濃度條件下，N2O的釋放量減少[45]。張燕等[46]研究了TN濃度分別為60(低)、120(中)、240 mg/L(高)3種不同的進(jìn)水濃度對美人蕉組合人工濕地氮去除率的影響發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)對TN、NH4+-N和NO3--N的去除率均表現(xiàn)為低濃度>中濃度>高濃度，且9月份的低濃度試驗(yàn)組在HRT為48 h時，對TN和NH4+-N的去除率均大于60%，對NO3--N的去除率大于90%。

3.4 水力負(fù)荷

大量研究表明，水力負(fù)荷對人工濕地的凈化效果有較大的影響[47-49]。傳統(tǒng)人工濕地水力負(fù)荷低，占地面積較大。目前廣泛應(yīng)用的人工濕地碎石床的水力負(fù)荷只有0.2～0.4 m3/(m2·d)[50]。提高水力負(fù)荷可以減少濕地面積，但會影響到處理效果[51-52]。很多學(xué)者就如何在不降低處理效果的同時提高水力負(fù)荷方面進(jìn)行了大量研究。李懷正等[53]研究發(fā)現(xiàn)，隨水力負(fù)荷升高，COD、SS和TN的去除率先升高后下降，TP的去除率受水力負(fù)荷的影響不大。在水力負(fù)荷為2.52～3.34 m3/(m2·d)時，人工濕地對污染物處理效果最佳，此時TN和SS的去除率最高，分別達(dá)1.8 g/(m2·d)和117.6 g/(m2·d)，而COD在水力負(fù)荷為1.74～4.6 m3/(m2·d)時的去除率較高，為55～69 g/(m2·d)。

3.5 水力停留時間

水力停留時間(HRT)是人工濕地系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個重要參數(shù)。利用人工濕地系統(tǒng)凈化工業(yè)廢水和養(yǎng)殖廢水等水量大、污染物濃度高、難降解的污水時，處理效率相對較低，其中一個很重要的原因就是需要HRT較長。研究表明，增加HRT的確可以有效增強(qiáng)人工濕地對污染物的去除能力[54-57]。吳建強(qiáng)等[54]研究發(fā)現(xiàn)，潛流型濕地和垂直流濕地均在HRT為2 d左右時對COD的去除率最高，分別為92.3%和93.1%，均在HRT為2.5 d時對NH4+-N去除效率最高，分別為81.5%和97.7%。但對于營利性企業(yè)，如何保證處理效率的前提下降低HRT仍有待研究。

4 展望

(1)人工濕地系統(tǒng)中還有很多不可控或從經(jīng)濟(jì)角度較難進(jìn)行人為控制的因素，如溫度、碳源、季節(jié)性變化、自然降水量等[58-59]，但這些因素對人工濕地處理效果的影響卻不容忽視。如何利用可控條件，使人工濕地凈化技術(shù)發(fā)揮更好的處理效果仍需進(jìn)一步研究。

(2)進(jìn)一步對人工濕地去除各種污染物的機(jī)理進(jìn)行研究，從而為人工濕地設(shè)計(jì)和實(shí)施提供更為有效的參考。

(3)可通過不同參數(shù)人工濕地對同一污水的凈化效果的對比研究，為不同污水的最適人工濕地類型及配置提供科學(xué)依據(jù)。