潜流人工湿地去污机理及影响因子研究进展

付 凌 ，刘 磊 ，闫建辉 ，张海森

（1.中国水利水电科学研究院，100044，北京；2.北京市南水北调大宁管理处，102442，北京；3.水利部建设管理与质量安全中心，100038，北京；4.北京市怀柔区水务局，101400，北京；5.河北省衡水市水利科学研究院，053000，衡水）

人工湿地是运用生态学原理，人为地控制植物、基质、微生物以及水力学条件等影响净化效果的因子,从而实现污染物的去除,并能在实际工程中加以推广应用的一种水体生态修复技术。人工湿地可分为表面流人工湿地 (SFCW)与潜流人工湿地(SSFCW)，表面流湿地作为人工湿地的一种,因其深度浅、负荷小，水面暴露、受气候、温度等因素影响较大，夏季易滋生蚊蝇并伴有恶臭，净化能力有限，其应用受到一定的限制，而潜流人工湿地避免了表面流人工湿地的缺陷，污水在基质间流动，保温性较好，受外界气候影响较小，处理污水负荷较高，卫生条件好，并且因为建设运行费用低、处理效果好以及生态环境效益显著等诸多优点而受到广泛关注，同时作为一种更新的水处理技术正不断地得到完善和发展,在实现水体生态修复方面有着非常广阔的前景。

一、潜流人工湿地的类型和特点

潜流人工湿地根据水体在基质填料间流动方式不同分为水平潜流人工湿地(HFCW)和垂直潜流人工湿地(VFCW)。潜流湿地中的水流通过水平或者垂直方式穿过湿地填料床体，在填料基质、植物以及微生物的协同作用下，经过物理、化学、生物三重作用，通过过滤、基质吸附、离子交换、植物吸收和微生物分解等达到净化污水的目的。

在潜流湿地中，水流在湿地基质填料间流动，一方面通过填料表面的生物膜、植物根系以及填料的截留过滤等作用，达到对污染物稳定较好地去除效果；另一方面由于水流在湿地床面下填料内部流动，具有保温性好、净化效果受气候影响比表面流湿地小的优点，但其造价比表面流湿地略高。

二、潜流人工湿地污染物去除机理

1.氮的去除机理

潜流湿地中氮素主要有有机氮、氨氮、亚硝氮和硝氮4种形态，氮元素主要是通过基质吸附、过滤、沉淀作用，植物吸收，微生物的硝化和反硝化以及氨氮的挥发等去除。

污水中氮素的去除转化较复杂，需经过许多过程，基质可通过一些物化途径如吸附过滤和离子交换等去除一部分氮素。通过氨挥发去除氮素的作用可以忽略，因为当pH值大于等于9.3时，氨挥发引起的氮损失才开始显现，而潜流湿地pH值一般低于8.0。氮素作为生物生长不可缺少的营养元素，微生物及植物的吸收也可实现对其部分去除，如污水中的无机氮，如氨氮、硝氮以及部分氨基酸等，会参与生物体蛋白质的合成，通过植物和微生物的直接摄取而去除，但生物体吸收去除氮量占的比例比较小，约是总氮去除量的8%～16%。氮素主要还是在微生物的作用下通过硝化和反硝化反应来去除的，此项约占总氮去除量的40%～92%。

氮素的去除流程大致描述如下，有机氮首先通过植物根系及基质的过滤和沉淀得到去除，然后进入无机化过程，此阶段，其在氨化细菌的作用下转化为氨氮，氨氮在好氧环境下经过硝化菌和亚硝化菌的硝化过程转化成NO3-和NO2-，而后在厌氧或缺氧环境下经过反硝化菌的反硝化过程转化为N2和N2O排出系统，实现总氮的去除，而微生物的硝化/反硝化作用受溶解氧、pH值、温度和碳源等主要湿地环境因素的影响，其中，溶解氧是限制硝化作用的控制性因素，因此在氨氮、亚硝氮和硝氮的去除过程中，合理控制溶解氧量对氮素的去除具有重要意义。

2.磷的去除机理

潜流湿地中磷素主要包括颗粒磷、有机磷和无机磷，并且污水中的磷主要以有机磷化合物、无机磷酸盐（不溶性、可溶性）的形式存在。在潜流人工湿地中，磷的去除主要是通过植物吸收、微生物的同化作用（包含聚磷菌的聚磷作用）、填料基质过滤、吸附沉淀和离子交换等物理及化学作用共同完成。

在湿地系统中，无机磷酸盐主要通过基质的吸附与沉淀作用脱磷，基质中 Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe3+等金属离子、金属氧化物和氢氧化物以及黏土矿物与可溶性无机磷酸盐发生吸附沉淀反应或配位体交换作用，经过互相聚合吸附在土壤颗粒上或生成溶解度极低的磷酸盐而去除，有研究表明，基质吸附与沉淀作用去除的磷可达总去除量的90%以上；另外，聚磷菌在好氧环境下对溶解性磷酸盐的过量吸收作用也能去除部分磷，其中，最主要的是聚磷菌对磷的过量积累，并将磷以聚合态(聚磷酸盐)形式成为微生物细胞的内含物而被存储于菌体内，而湿地植物根系的分泌物可起促进嗜磷菌生长以及促进磷的释放、转化而间接提高去除率的作用；溶解性较差的无机磷酸盐必须经过磷细菌将其转变成可溶性磷酸盐而达到去除磷的目的；微生物的生化代谢也可吸收利用部分无机磷。有机磷主要通过植物或微生物吸收同化而合成自身的生命物质而去除，如ATP、DNA、RNA等，但磷这种通过植物吸收的去除作用是十分有限的。颗粒磷进入人工湿地后，可通过基质填料的拦截吸附而去除，但通过吸附作用去除的磷并不是被永久的去除，基质就像一个“磷缓冲器”，在污水中磷浓度降低到一定水平时，基质中被物理吸附的磷经过可逆过程会得到重新释放。

综上所述，在湿地系统中基质的选择对磷的去除很重要，且去除效率受基质填料理化性质的影响较大，因此，必须选择合适的基质，通过强化基质颗粒对氮磷的物理和化学吸附，使废水除磷更有效，寿命更持久。而关于湿地磷的去除，无论是基质过滤吸附，还是植物吸收亦或微生物同化，它们仅仅是改变了磷在人工湿地中的存在形式，磷的最终去除主要是通过湿地床体内饱和基质的更换而实现。

3.有机污染物去除机理

人工湿地中的有机污染物大致可分为两类，即可溶性和不溶性的有机物，表征有机物量的指标主要有BOD5、COD、TOC等。人工湿地对有机物的去除主要是靠植物吸收、填料吸附、截留沉淀、微生物分解等协同完成的，并且大部分有机物是在湿地系统的前端被去除的。

人工湿地去除有机污染物的影响因素包括溶解氧、基质填料、季节条件、污染负荷和水力负荷等，主要有以下几点：第一，不溶性或颗粒性有机物通过拦截、过滤、吸附、絮凝和胶体颗粒的沉淀作用截留在湿地中，然后被微生物逐渐降解利用，为其生长提供必需的养料。第二，湿地中的可溶性有机物则可以由植物根系的吸附和吸收，以及植物根际周围和基质表面生物膜上微生物的分解和合成代谢作用转化为微生物体内细胞物质、二氧化碳、甲烷和水等而最终去除。其中植物对有机物的直接摄取和降解作用非常有限，但植物根际聚集的大量微生物不但可以吸收有机物，而且其分泌的酶类能够促进有机污染物的降解，根区微生物和根际分泌物在可溶性有机物的去除中发挥了极其重要的作用。第三，被植物吸收和基质吸附截留的有机物最终通过植物的收割和基质的定期更换而从人工湿地系统中去除。

4.悬浮污染物去除机理

在潜流人工湿地中悬浮物（Suspended pollutants SS）的去除主要是靠基质的拦截、植物根系的截留吸附、生物膜的拦截分解、胶体的絮凝沉淀等作用来实现，并且主要在湿地进口的5～10m内完成。可溶性有机悬浮颗粒物则通过植物根系及基质表面附着的生物膜吸附以及厌氧好氧生物的代谢降解而去除；胶体状的悬浮颗粒物则主要是依靠微生物的作用、填料渗滤以及离子交换而去除。悬浮物不仅在基质床填料空隙中积累，也可通过颗粒表面间的相互作用而被吸附，积累在湿地系统内部的悬浮物若没有及时被分解转化，随着微生物量的增加，长期运行会导致填料层的渗流能力减弱，同时基质粒径太小会使基质床的渗流能力下降，造成基质堵塞。对于已造成的堵塞，需定期进行悬浮物的干化堆肥处理，分解悬浮物，恢复湿地基质床的去除能力。

总之，湿地中的悬浮颗粒物通过植物根系、基质和微生物的协同作用而被分解或利用而去除。另外，污水中的悬浮物含有大量的污染物质，如有机物、氮磷、重金属等，通过对悬浮物的去除也可以提高对氮磷等其他污染物的去除率。

三、潜流人工湿地净化效果影响因子

1.植物

人工湿地植物多为吸收能力好、生物量大且生长快的水生植物，水生植物在人工湿地污水净化中起着十分重要的作用。首先，它不仅可以和基质一起过滤、截流水中的悬浮物,还可吸收、吸附水中的污染物。

其次,植物主要通过水面以下植物部分以及附着其上藻类等的光合作用 (水面以上植物部分光合作用向根部水体输氧的作用并不明显)自根系向湿地内部输送、扩散、释放氧，分别在湿地根部附近（2～5 cm）、较远处（5～25 cm）和远处（大于 25 cm 处）形成好氧、兼氧及厌氧的交替环境，为微生物吸附和代谢提供良好的环境条件，便于污染物的生物降解。

最后，潜流人工湿地的植物还有其他一些作用，这些作用均有助于提高湿地净化效果。如在寒冷的冬季能为湿地污水提供保温作用，减少湿地热量损失，并且植物保温效果已有相应的估算方法；湿地植物能为微生物提供附着基质和栖息场所，大大加速截留的有机胶体的矿化分解；植物根系的存在提高了介质的疏松度，有助于增强和维持基质填料的水力传输能力；湿地植物根系分泌物质使其代谢活性远高于非根际土壤，并能抑制污水中的病原菌和大肠杆菌。

总之，植物作为湿地系统的重要组成部分，科学选择湿地植物对氮素的去除具有重大意义。而植物对污染物的去除又受各种因素的影响制约，如湿地系统的配置、污染物负荷、污水类型、季节等，并且，湿地水生植物若在衰败季节打捞不及时极易造成二次污染。因此，合理配置湿地植物，并对植物进行定期收割对提高去除效果有重要意义。

2.基质

基质是污水净化的主要场所，传统潜流人工湿地基质主要有土壤、砂和砾石等填料，目前，沸石、石灰石、蛭石、页岩、钢渣，粉煤灰、陶瓷、明矾和陶粒等新型填料已逐渐被广泛应用。

基质是植物和微生物生长的介质和载体，并为湿地中的物理、化学和生物反应提供界面，当污水流经人工湿地时，基质发挥吸附过滤、沉淀、离子交换、胶体络合等作用，依此去除污染物。基质主要通过表面的范德华力和静电力以及土壤胶体吸附力而将颗粒态污染物和不溶性有机物吸附于填料上，有研究表明，通过基质吸附作用去除的磷占磷去除总量的85%～95%，但这种吸附作用是可逆的。

基质的选择能直接影响湿地的处理效果，种类不同为植物和微生物提供的生长环境也不同,从而有不同的去除效率。同种类的基质其粒径的大小直接关系系统孔隙率、水力停留时间、水力传导率等因素的变化。基质粒径大，则通气性好、比表面积大，有利于湿地复氧，为硝化细菌提供充足氧气，提高系统硝化脱氮效果，另外，较大粒径可以降低堵塞发生率，但过大则会缩短水力停留时间，影响净化效果。当基质粒径较小时，污水的水力停留时间较长，微生物可以充分吸收分解有机物，有利于提高污水处理效果，但如果其粒径过小，基质的堵塞进程会加快。

在实际应用中，一般选用质轻、疏松，有足够的机械强度、比表面积大，孔隙率高，无害环保，吸附能力强，寿命长的新型复合填料。

总之，基质是潜流人工湿地重要的组成部分，需要根据污染物的性质选择不同品质的基质填料以及合理粒径，保证一定净化效果的同时，也在一定程度上避免发生堵塞。另外，去除效率还与基质的组合方式及比例等有关，通过基质合理搭配所产生的互补效应，可以提高基质的去污能力，优于其单独使用的效果。基质的选择对植物生长和微生物活性等方面也发挥重大作用，尤其在寒冷季节植物收割以后，湿地对污染物的去除就主要依赖基质及部分微生物的作用。

3.微生物

微生物作为污染物的分解者参与生物化学反应，是潜流人工湿地处理污水的主要执行者，能有效地利用废水中的有机质作为营养物质，并对有机物的降解转化发挥着重要作用，是废水净化的重要因素，具有其他因素不可替代的作用。

微生物广泛分布于湿地基质及植物根系，直接参与碳、氮等元素的循环过程和矿物质的矿化过程，能将有机质分解转化成营养物质和能量，对水中污染物主要是通过自身代谢作用来降解，其降解类型主要为好氧微生物的氧化分解和厌氧微生物的发酵分解，即好氧代谢和厌氧代谢。

人工湿地系统通过湿地植物的光合作用以及植物根系的呼吸来完成对氧的传递，在植物根系附近形成好氧区，为好氧微生物提供一个附着载体和栖息场所，形成了有利于污染物去除的“微环境”，并于此进行好氧代谢。离植物根系较远处为厌氧区，便于厌氧微生物完成厌氧代谢，虽然好氧和厌氧代谢是在不同的区域发生，但污水中有机物的降解，氮、磷化合物的转化等主要是通过微生物好氧和厌氧作用相互配合来完成。

微生物的数量对污染物的去除也有一定程度的影响，潜流湿地系统在处理污水前，各类微生物数量与自然湿地基本相同，但是污水经湿地系统处理后，微生物的数量会发生一定的变化，直至趋于稳定。贺峰等研究发现，顺水流方向硝化菌数量逐渐降低，而反硝化菌数量顺水流方向略微上升，氮素去除率与硝化细菌等微生物数量呈正相关，在距湿地进水沿程50 cm处氨化细菌和亚硝化细菌个数最多，总氮去除率最高，随着细菌数量的减少，总氮去除率也逐渐降低。而湿地磷素的去除与微生物数量之间不存在显著相关性。

总之，应根据微生物数量和种类的沿程变化，结合湿地植物和基质的去除特性，合理设计潜流人工湿地，以保证湿地的高效运转。

4.其他因素

（1）温 度

潜流人工湿地中污水是在基质以下流动，且覆盖其上的植物落叶可以起到一定的保温效果,表面一般不会结冰，受温度的影响要小于表面流湿地。但其对污染物的去除主要是通过植物吸收和微生物分解代谢来完成的，而当温度较低时植物就会衰落死亡，微生物活性也会下降，污水净化的效果就会变差,严重低温期甚至会造成湿地工作停止，所以说污染物的去除率受温度影响较大。另外,温度会降低水中溶解氧含量，进而降低好氧微生物的降解过程。

（2）溶解氧

人工湿地系统中，氮磷和有机物的去除与溶解氧的大小密切相关。湿地中的氧主要来自以下几个途径：一是大气复氧，二是水面以上植物的光合作用所产生的氧，三是水面以下的植物以及根际植物的光合作用向根区释放的氧。同时，溶解氧在时空分布上易形成好氧兼氧厌氧交替的环境，根据不同污染物的性质，合理布置湿地单元，使溶解氧的分布更有利于人工湿地污染物的去除。

（3）水力停留时间

不同的水力停留时间会对湿地污染物的去除效果产生一定的影响。当停留时间在一定范围内增加时，脱氮除磷效果呈现指数升高的趋势，但是当停留时间超过某一数值后,处理效果又出现下降趋势，解释原因可能是污染物重新释放的缘故。时间若过短不能发挥湿地最佳的去除效果，而时间过长又对资源造成一定程度的浪费，甚至会使湿地由污染“汇”变为“源”。因此,设计合理的水力停留时间对湿地发挥最佳净化效果有重要意义。

综上所述,建立人工湿地时应充分考虑各个影响因素,争取发挥这些因素的最佳效益,尽最大可能提高人工湿地的污水处理效果。

四、结论与展望

潜流人工湿地系统污染物净化机理主要是通过湿地中基质、植物和微生物之间的物理、化学、生物化学等的共同作用来降解或去除污染物的，其作为一种生态水处理技术，具有表面流湿地不可比拟的优势，逐渐受到越来越多的重视和关注，但还有一些问题需要进一步深入研究和探讨：

①植物、微生物、基质填料等影响因子对净化水质均起到了重要作用，并且对其各自的净化机理和最佳处理水平均有一定程度的研究，但由于源水污染物成分复杂，单独的一种或两种因素无法实现对其高效处理，所以综合各种因素对湿地最佳组合工艺进行研究并加以推广应用显得尤为重要。

②潜流人工湿地具有运行费用低、处理效果好以及生态环境效益显著等优点，但在运行过程中易发生堵塞，影响湿地处理效果甚至失去潜流湿地的意义。如何针对污染源水选择最优的基质填料粒径，在湿地管理过程中做到有效控制堵塞的发生，以及堵塞发生后能及时有效处理堵塞，是潜流湿地面临的重要问题。

③由于潜流人工湿地在北方寒冷地区受到气候等因素的影响制约，其推广受限，而冬季湿地的去污效应主要依赖于微生物，微生物对修复污染水体的作用就显得格外重要，加强微生物菌群及微生物制剂的研究对提高湿地冬季污水净化效果尤为重要。

④目前实验研究居多，实际应用较少，需要加大研究其处理不同源污水的实际效应，进一步推动潜流人工湿地技术的推广应用。

随着国内外潜流人工湿地研究的逐步深入，人们对它的净化机理和运行规律不断探索和总结，在设计和运行管理等方面会越来越朝着有利于湿地系统高效处理污水方面逐步改进和完善。另外，在我国原水普遍受到不同程度污染的情况下，潜流人工湿地系统的进一步研究和推广应用，对改善水质、保护水生态和保障供水安全等方面具有重大意义。

[1]王世和.人工湿地污水处理理论与技术[M].北京：科学出版社，2007.

[2]张清．人工湿地的构建与应用[J]．湿地科学，2011，9（4）.