潜流人工湿地除污机理浅析

范美霖 师永健

（1北京龙世杰投资有限公司 北京 100084 2中国市政工程西北设计研究院北京分院 北京 100037）

潜流人工湿地除污机理浅析

范美霖1师永健2

（1北京龙世杰投资有限公司 北京 100084 2中国市政工程西北设计研究院北京分院 北京 100037）

人工湿地系统具有高效率、低投资、低运行费、低维护技术、处理量灵活、低能耗、处理效果好等优点，非常适合广大农村地区、中小城镇地区的污水处理，本文主要从湿地基质和湿地植物两个方面重点分析了潜流人工湿地对污染物去除的机理。

潜流人工湿地；基质；植物；除污机理

潜流人工湿地系统一般由基质(如土壤、碎石、卵石等)、水生植物(如芦苇、菖蒲、水葱等)等组成，是一种独特的“基质一植物一微生物一水体”生态系统。是一项在我国正在被研究、应用和发展的处理污水的新技术，潜流人工湿地处理污水的机制复杂，本文主要从湿地基质和湿地植物两方面阐述潜流人工湿地对污染物的去除机理。

1 湿地基质作用

湿地基质不仅为湿地植物、微生物等的提供了生活场所，对水质净化也有非常重要的作用。研究表明，在不考虑植物因素的条件下，经过湿地处理的模拟生活污水的污染物浓度显著下降，水质得到改善[1]。

1.1 基质生物膜作用

早期作为湿地基质的物质主要有土壤、细砂、粗砂、砾石、碎瓦片、粉煤灰、泥炭、页岩、铝矾土、膨润土、沸石等，它们是湿地植物的直接支撑者，为植物和微生物提供营养物质。随着人们对湿地研究的不断深入，越来越多的材料，如钢渣、石灰石、石英砂、磁铁矿渣等也作为湿地填料，给水污泥甚至也作为一种基质添加到湿地研究中，发现对磷的吸附性较好。

湿地填料表面及孔隙中易形成生物膜，上面附着的微生物以污水中的有机污染物为营养物质进行新陈代谢，有机物得以降解，微生物同化作用的同时自身得到增殖，生物膜厚度也不断增加，微生物种类越来越丰富，更加有利于发挥多种微生物对有机物的协调降解作用。另一方面，微生物附着生长在填料上，泥龄较长，相比于停留时间在6～8h的活性污泥反应器具有很大优势，特别有利于世代周期长的种群生长，如硝化菌，而更好的促进生物脱氮过程的进行。

湿地基质不仅为植物提供了生存支撑，基质生物膜与植物之间也建立了一种供需平衡关系，例如微生物代谢产物，如水、CO2、氨及其他无机盐等，进入填料间的流动水层中，少部分随水排出，而大部分被植物吸收利用。

基质生物膜的作用大小与基质材质、结构和大小直接相关。基质粗糙的表面增加了微生物与基质之间的有效接触面积，基质中的孔、间隙增加了基质的比表面积，同时也对附着在上面的微生物起保护屏障作用，使其免受水力剪切作用，因此基质表面的粗糙度越高，越利于微生物的附着。从这个方面来说，基质表面的孔径大小为细菌的5备左右比较合适。因此选择合适的人工湿地基质材料和配比，对提高人工湿地净化能力至关重要。

1.2 基质吸附沉淀作用

基质对污水中污染物的吸附作用主要针对氮、磷元素而言。黄德锋等研究表明，微生物的硝化反硝化作用以及基质对磷的吸附沉淀作用是复合垂直流人工湿地去除氮、磷的主要途径[2]。

基质对氮的吸附主要针对还原态氨氮，这个过程是快速可逆的，比表面积越大越对氮的吸附有利。因此像沸石、粉煤灰、煤渣、草炭、石灰石等一些通透性好、比表面积大、具有吸附能力的多孔介质常被作为湿地填料。

湿地中的磷，主要以三种形态存在：可溶性磷、固态有机磷及固态无机磷，合称为总磷酸盐（TP）。磷的去除途径包括植物的吸收、微生物的积累和基质的吸附、过滤、沉淀及物理化学作用，其中微生物作用不是很明显，基质的吸附作用显著，正磷酸盐在水流流经湿地基质表面时，被吸附到基质表面上，与基质表面的Al、Mg、Ca等元素产生化学作用，生成不溶性磷酸盐，再与金属离子发生配位体交换反应而附着在湿地填料上。并且，该过程受到湿地基质间水力传导性、基质比表面积及环境酸碱度等因素的影响，一般偏碱性的基质环境更有利于磷的沉淀。

除有机污染物、N、P、悬浮物以外，人工湿地对重金属也有一定的去除效果。填料表面对镉、铬等重金属发生吸附和络合反应，直至把重金属转化为低毒状态。

1.3 基质酶作用

人工湿地基质中的酶作为一种生物催化剂，在有机污染物的分解过程中起着重要作用。岳春雷[3]等研究了人工湿地基质中磷酸酶、脲酶和蛋白酶活性的空间分布规律及与污水净化效果之间的关系，结果发现磷酸酶和脲酶的活性随基质深度的增加而降低，蛋白酶活性在基质上层最高，下层次之，中层最低；湿地上池基质磷酸酶、脲酶和蛋白酶活性大于下池.磷酸酶活性与污水总磷、CODcr、BOD5去除率正相关；脲酶与总氮的去除率正相关；蛋白酶与总氮、总磷、CODcr、BOD5去除率没有相关性。吴振斌等也研究出基质磷酸酶的活性与污水中CODCr的去除率有显著的相关关系[4]。崔伟等[5]研究潜流人工湿地系统选择软性填料比蜂巢石填料的脲酶活性和磷酸酶活性更高，脲酶活性与总氮去除率显著相关，而磷酸酶活性与总磷去除率相关性不显著。而含Fe3+、Al3+、Ca2+的矿物质对磷的吸附效果较好。因此，在选择湿地基质时，要考虑填料级配，以便发挥各填料优势，同时有效的去除各种污染物，提高运行效率。

2 湿地植物作用途径

2.1 植物直接吸收

植物在生长代谢过程中，要不断从环境中摄取N、P等营养元素。无机氮（NH4+）进入植物后通过氨化反应将其去除，在植物体内合成蛋白质、氨基酸、酶等有机氮，N最终通过收割植物而去除。挺水植物对氮的吸收潜能为1000-2500kgN·hm-2·a-1，而沉水植物对氮的吸收潜力相对较低，吸收潜能为<700kgN·hm-2·a-1。同理，污水中无机磷也是在植物吸收及同化作用下转化为植物的有机组成部分，如ATP、DNA、RNA等，也最终通过植物的收割而从系统中去除。黄德锋等[2]研究表明植物吸收也是脱氮除磷的重要途径，分别占TN、TP去除量的16%、35%左右。另外，大型水生植物如凤眼莲、香蒲、风车草、芦苇等还可吸收铜、铅、镉、砷、汞等重金属，以金属螯合物的形式蓄积于某些组织器官中，再通过植物的光合作用、植物挥发和甲基化等作用，促进污水重金属的氧化和沉降。

2.2 植物与根际微生物联合作用

湿地植物根际生长着许多微生物，植物为微生物创造了有利的生长环境，一些维管束挺水植物（如芦苇、香蒲等）通过叶吸收和茎干的运输作用，将空气中的氧转运到根部，再经过植物的根部表面组织扩散，使植物根系周围的微环境依次呈现好氧、缺氧及厌氧状态，相当于在许多串联或并联的AAO微处理单元，不仅有利于生物脱氮除磷过程的进行，也有利于一些难降解污染物的去除。潜流人工湿地系统对藻毒素、邻苯二甲酸二丁酯等难降解有机物有较好的去除效果。

湿地植物根系遍布于填料中，污水中的可降解悬浮物被植物根系及基质阻挡截留而沉淀在基质中，为微生物的同化吸收和异化分解污染物提供了物质来源。另外，污水中的部分污染物还可以与植物根际分泌物和微生物分泌物质发生一系列离子交换吸附、沉淀、螯合等反应得以去除。

另一方面，植物在生长过程中不断释放大量分泌物，如糖类、醇类、酸类、氨基酸、腐殖质等物质，不断向基质补充有机碳，为微生物提供了丰富的碳源、氮源等营养，微生物种类随之增加，微生物间的协调作用不断增强，而间接加快了有机物的分解速率。

3 结语

综上，潜流人工湿地系统主要依赖于湿地基质、湿地植物、微生物以及它们之间的联合作用，对污水水质进一步净化处理。该系统以其投资低、环境美观性高、效果显著等优点，在我国乡镇、山区等偏远地区具有很好的应用潜力，甚至在城市园林设计中，让污水处理“走进”人们的生活当中，不仅能在净化污水上发挥重大作用，也能进一步加强人们的环保意识，共同保护环境。

[1]周红菊,尚忠林,王学东,等． 湿地净化污水作用及其机理研究进展[J]．南水北调与水利科技,2007,5(4)：64-66．

[2]黄德锋,李田.不同基质复合垂直流人工湿地对富营养化景观水的净化效果[J]；环境污染与防治；2007年8月，第29卷第8期.

[3]岳春雷,常杰,葛莹,等.人工湿地基质中土壤酶空间分布及其与水质净化效果之间的相关性 [J].科技通报,2004,20(2):112-115.

[4]吴振斌,梁威,邱东茹,等.复合垂直流构建湿地基质酶活性与污水净化效果[J].生态学报,2002,22(7):1012-1017.

[5]崔伟，张勇，黄民生.复合垂直流人工湿地脲酶和磷酸酶活性与黑臭河水净化效果 [J];安徽农业科学，2011,39（13）8016-8018,8022

范美霖（1985——），女，北京人，硕士研究生，部门经理，主要研究水处理方向。