人工濕地污水處理技術(shù)研究進(jìn)展

濕地是地球上水陸生態(tài)系統中獨特的、重要的生物生存環(huán)境和最富生物多樣性的自然生態(tài)景觀(guān)之一。它在抵御洪水、調節徑流、改善氣候、控制污染、美化環(huán)境和維護區域生態(tài)平衡等方面具有非常重要的作用，被譽(yù)為“自然之腎”。

1 國內外研究現狀概述

1953 年，德國Max Planck 研究所的Dr.Kathe Seidel 博士在研究中發(fā)現蘆葦能夠去除污水中大量的有機和無(wú)機物質(zhì)，隨后開(kāi)發(fā)出Max—Planck Institute Process 系統。1977 年由Kickuth 提出了“根區法”(采用栽種蘆葦的水平潛流濕地使有機物降解，硝化反硝化去除N，沉淀去除P)，標志著(zhù)人工濕地污水處理機理的初步萌芽。與此同時(shí)，美國的國家空間技術(shù)實(shí)驗室研究開(kāi)發(fā)了“厭氧微生物和蘆葦處理污水”復合系統。此后，人工濕地處理污水技術(shù)不斷完善，并于20 世紀80，90 年代在歐洲、美國、加拿大、日本等地得到了廣泛的應用。

按照工程設計和水體流態(tài)的差異，人工濕地污水處理系統可以分為表面流濕地、水平潛流濕地和垂直流濕地3 種主要類(lèi)型，各類(lèi)型在運行、控制等方面的諸多特征存在著(zhù)一定的差異。其中，表面流濕地不需要砂礫等物質(zhì)作填料，造價(jià)較低，但水力負荷較低，該類(lèi)型在美國、加拿大、新西蘭、瑞典等國有較多分布。水平潛流濕地的保濕性較好，對有機物和重金屬等去除效果好，受季節影響小，目前在歐洲、日本應用較多。垂直流濕地綜合了前兩者的特點(diǎn)，但其建造要求較高，至今尚未廣泛使用。早期的人工濕地主要用于處理城市生活污水或二級污水處理廠(chǎng)出水，目前已被國內外許多學(xué)者或工程技術(shù)人員，經(jīng)過(guò)工藝改進(jìn)或者與其他系統進(jìn)行組合后用于農業(yè)面源污染、城市或公路徑流等非點(diǎn)源污染的治理[2]。此外，最近發(fā)達國家已經(jīng)將重點(diǎn)轉移到利用人工濕地處理特殊工業(yè)廢水方面。將人工濕地用于處理特殊工業(yè)廢水，這是人工濕地未來(lái)發(fā)展的一個(gè)新特點(diǎn)和趨向[3]。

我國進(jìn)行濕地處理系統研究較晚，在“七五”期間才開(kāi)始了人工濕地研究工作，仍處于起步階段。目前人工濕地的研究和應用正方興未艾。繼天津市環(huán)保所建成的我國第一個(gè)蘆葦濕地工程之后，1989 年于北京昌平區、1990 年于深圳白泥坑等地建成了濕地處理系統示范工程，效果良好（BOD去除率90%，COD去除率80.47%，SS去除率93%）[4]。1990 年，國家環(huán)保局華南環(huán)保所與深圳東深供水局建立了人工濕地示范工程，處理規模為3 100m3/d，其出水達到了二級處理水平。1999 年，漳州市天寶造紙廠(chǎng)因地制宜，利用荒廢的低洼地建造小型水葫蘆—水草人工濕地，進(jìn)行廠(chǎng)外廢水治理，處理后出水灌溉香蕉園，實(shí)現了廢水不外排，具有農業(yè)生態(tài)特征的廢水治理模式，為我國鄉鎮造紙企業(yè)廢水治理提供了有益的參考。2002 年，日處理污水50 000 m3 的人工濕地污水處理廠(chǎng)在江蘇泅洪縣竣工,深圳市、沈陽(yáng)市、上海市也在開(kāi)展積極的設計、規劃工作。

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2.1 人工濕地污染物的去除機理

人工濕地污染物的去除機理研究仍處于起步階段，人工濕地污水處理普遍認同的機理是硝化反硝化去除N，沉淀去除P 的概括性描述，進(jìn)一步研究難度很大，因為涉及到生物、物理、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科，而且難以從微觀(guān)角度定量化。

去除機理主要包括微生物、植物、土壤對污染物的去除機理。人工濕地有機物降解的基礎機制是微生物的硝化和反硝化活動(dòng)，豐富的微生物資源為濕地污水處理系統提供了足夠的分解者。濕地植物對氮的去除主要通過(guò)以下途徑：氨的揮發(fā)作用、NH4+的陽(yáng)離子交換作用、吸收、硝化和反硝化作用等。濕地植物對磷化物的處理除作為營(yíng)養成分吸收外，還可以通過(guò)在苗床基質(zhì)中的吸附、絡(luò )合和沉淀反應來(lái)去除。濕地土壤對有毒物質(zhì)的“凈化”機理，主要是通過(guò)沉淀作用、吸附與吸收作用、離子交換作用、氧化還原作用和代謝分解作用等途徑實(shí)現的。

2.2 人工濕地處理污水的效率

1）對有機物的去除效率。綜合國內外有關(guān)學(xué)者對人工濕地凈化城市污水的研究數據，在進(jìn)水濃度較低的情況下，人工濕地對BOD5 的去除率可達85%～95%，對COD 的去除率可達80%，處理出水BOD5 的濃度在10 mg/L 左右，SS 小于20mg/L[5]。

2）對氮的去除效率。廢水中的氮以無(wú)機氮和有機氮兩種形式存在，無(wú)機氮可以被人工濕地中的植物吸收，合成植物蛋白質(zhì)，植物的收割對濕地系統除氮有直接貢獻，但這一部分氮僅占總氮量的8%～16%。微生物的硝化和反硝化作用在氮的去除中起著(zhù)重要作用。目前人工濕地系統TN 去除率不高的主要原因是硝化-反硝化途徑不暢通，提高氮的去除率最重要的是提高濕地系統中的硝化作用強度。還有研究發(fā)現，人為提高濕地中BOD與NO3-N 之比（如添加秸稈或甲醇），氮的去除率會(huì )大幅度提高，能從30%左右上升至80%～90%，原因是BOD∶NO3-N 的比值太低時(shí)不利于反硝化作用的進(jìn)行，當比值上升到2.3 時(shí)，反硝化率達到最大值。

3)對磷的去除效率。在人工濕地中磷主要是通過(guò)基質(zhì)的吸附、絡(luò )合及與Ca，Al，Fe 和土壤顆粒的沉淀反應及泥炭累積，植物的吸收，微生物去除等作用而去除。據資料顯示，人工濕地對各種類(lèi)型污水中的TP 的去除率為47.0%～97.2%[6]。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

2.3 影響人工濕地處理效率的因素

1）人工濕地的類(lèi)型。人工濕地的類(lèi)型不同對不同污染物的去除效率也有差異。水平潛流濕地對BOD，COD 等有機物和重金屬的去除效果較好，垂直流濕地對氮、磷的去除效果較好，表面流型濕地的處理效果一般。但如果將表面流型與潛流型、表面流型與垂直流型結合起來(lái)的復合濕地，去污效率會(huì )進(jìn)一步提高[7]。

2）濕地植物種類(lèi)。一般來(lái)說(shuō)，植物的生物量較大、根系比較發(fā)達、根系的輸氧能力比較強的話(huà)，其凈化能力就比較強[7]。其次，不同的植物對污染物的去除速率也不相同，日本學(xué)者對不同的植物去除氮和磷的速率進(jìn)行了研究。

3）基質(zhì)類(lèi)型。一般來(lái)說(shuō)，含有機質(zhì)豐富的基質(zhì)有助于吸附各種污染物；土壤基質(zhì)的去污能力不如礫石基質(zhì)[3]；含CaCO3較多的石灰石基質(zhì)可以有效地去除磷，沸石-石灰石組合的基質(zhì)可以有效地去除TN，TP [6]；煤渣-草炭基質(zhì)對磷具有較強的吸附能力，在不種植濕地植物的情況下對TP 的去除率可達到77.6%～85.0%，可以作為垂直流人工濕地系統的特殊基質(zhì)；花崗巖-粘性土壤基質(zhì)能高效地去除污水中的磷，對TP 的去除能力可達90%[5]。

4）濕地中微生物種類(lèi)和數量。廢水中各類(lèi)污染物的去除與濕地系統中生長(cháng)的微生物種類(lèi)和數量有關(guān)，相關(guān)系數的大小可以反映某一類(lèi)微生物對某一類(lèi)污染物的去除能力。不同微生物與BOD和COD 的去除率之間均有明顯的相關(guān)性，說(shuō)明人工濕地微生物系統對BOD 和COD 去除率的貢獻；廢水中NH4-N 的去除與硝化細菌和反硝化細菌都有明顯的相關(guān)性，說(shuō)明硝化和反硝化作用是人工濕地系統去除氮的主要方式；廢水中磷的去除與濕地中的各類(lèi)微生物均不具有明顯的相關(guān)性，這說(shuō)明微生物不是人工濕地系統中去除的磷主要因素；廢水中總大腸桿菌的去除與放線(xiàn)菌和原生動(dòng)物的數量有明顯的相關(guān)性，這說(shuō)明人工濕地系統中的放線(xiàn)菌和原生動(dòng)物是去除大腸桿菌的主要作用者[6]。

5）環(huán)境因子的影響與管理措施。溫度、水力停留時(shí)間、水力負荷、濕地的運行管理等均會(huì )對人工濕地的去污效果產(chǎn)生影響。水溫在20～25 ℃時(shí)生物去污的效果最好，低于10 ℃時(shí)，處理效果會(huì )明顯下降。因此，夏天的處理效果會(huì )好于冬天[9]。有研究表明，細菌的反硝化作用受溫度影響，在10～30℃范圍內，高溫有利于反硝化。但溫度高于30 ℃，則會(huì )對硝化反硝化過(guò)程產(chǎn)生抑制作用[7]。也有研究發(fā)現，當濕地運作一段時(shí)間（如3 年）后，去污效果基本不再受環(huán)境因子（如溫度、污水流量等）影響。

3 人工濕地污水處理技術(shù)研究展望

1）進(jìn)一步加強人工濕地處理污水機理的研究。人工濕地處理污水的機理非常復雜，設計的范圍也很廣。目前，雖然有些機理研究已經(jīng)得到初步的認可，但仍然存在很多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究，如污水中的有機污染物、無(wú)機污染物、金屬污染物的去除過(guò)程與機理；根際微生態(tài)系統的綜合作用；有機物、無(wú)機化合物和金屬離子在濕地系統內的相互作用及其對植物、微生物和土壤的影響等[9]。

2）人工濕地處理農村污水示范研究。人工濕地在解決我國農業(yè)面源污染和農村生活污水方面具有獨特的優(yōu)勢，應加大人工濕地處理農村污水示范研究，探討適合我國國情的農村污水處理方式，并通過(guò)集成示范，查找技術(shù)中存在的問(wèn)題，為進(jìn)一步大范圍推廣打下良好的基礎，

3）濕地系統優(yōu)化運用研究。①加強濕地植物的篩選工作，選擇一些耐污能力強，去污效果好的濕地植物，同時(shí)加強多種植物的合理搭配的研究。

②重點(diǎn)研究在提高人工濕地氧化硝化能力的同時(shí)如何提高其反硝化能力，解決硝態(tài)氮的高效去除問(wèn)題。③填料的類(lèi)型直接影響濕地系統的凈化能力，尤其是對磷的去除。加強填料的篩選和如何防止填料堵塞，是今后應該優(yōu)先考慮的工作。

4 結語(yǔ)

人工濕地系統是一個(gè)完整的人造生態(tài)系統，它形成了良好的生態(tài)循環(huán)，不僅具有較好的污水凈化效果，而且具有較好的生態(tài)和經(jīng)濟效益。目前發(fā)達國家已用人工濕地處理各種類(lèi)型的廢水，發(fā)展中國家發(fā)展也應大力發(fā)展人工濕地技術(shù)，在我國該項技術(shù)將會(huì )得到越來(lái)越廣的應用。（谷騰水網(wǎng)）