人工湿地污水生态处理工艺强化应用进展

金洛楠， 吴家俊， 魏乐成， 马柯， 朱亮*

(1.杭州市城乡建设设计院股份有限公司，浙江 杭州 310016； 2.浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310058)

当前，世界各国尤其是发展中国家普遍面临水资源短缺、水环境污染、饮用水安全难保障等突出问题，而且，在未来几十年将愈发严峻。同时，在农业生产活动中产生的稻田排水、养殖废水等由于富含氮磷及有机污染物，其污染负荷削减与循环利用受到研究者日益关注[1-3]。作为一种模拟自然湿地的生态修复技术，人工湿地具有较高的生产力和污染去除效果[4]，具有抗冲击性能强、外部能源需求低、碳中和潜力大、易于操作和维护的特点，新近发展快速，未来应用潜力巨大[5]，尤其在处理农业与城镇面源污染等领域得到了广泛的应用[6-9]。

人工湿地技术于1953年由德国Max Plank研究所首先用于污水净化，在20世纪60年代和70年代经由Seidel和Kickuth两位学者推动而得到迅速发展，并于1996年9月在奥地利维也纳召开的第4届人工湿地与水污染控制国际研讨会上正式进入水污染控制领域[10]。在发展早期，人工湿地主要作为生活污水的二级或三级处理设施。而随着污水处理技术飞速发展，污水处理理念不断进步，“低薪高能”的人工湿地愈发受到学者与工程师的关注，不仅有更多的试验和工程将其应用于农业排水[11]、垃圾渗滤液[12]以及医药废水[13]处理，还对新型污染物[14]的去除进行了试验应用。

人工湿地主要由填料、植物、微生物三大要素构成，对污染物的去除过程较为复杂，其中填料介质是湿地最为关键的组成部分，作为污染物去除功能的载体，不仅为植物和微生物的生长提供基础环境，还可以通过直接和间接作用去除污染物，如过滤、吸附、化学和微生物降解等，从而实现污水净化[15]。因此，针对当地土壤类型合理选择填料介质并进行优化布置，是强化人工湿地污水处理性能的重要途径。此外，人工湿地性能还受到温度、进水负荷、湿地构型、运行模式等因素的影响，对这些关键因素的调整及其对湿地处理性能的影响同样引起国内外学者广泛关注。

本文综述当前不同类型人工湿地的污水净化处理性能与存在的短板，总结当前人工湿地共性问题，从优化湿地填料、创新湿地构型、调整运行策略等角度综述人工湿地强化措施，并对今后的研究方向进行展望。

1 人工湿地的分类

根据水在湿地中流动方式的不同或湿地布水方式的不同，人工湿地系统一般被分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直流人工湿地[16]。然而，这些采用传统布水方式的人工湿地通常无法兼顾好氧和厌氧环境。因此，为实现更好的污染物去除效果，尤其是氮素和磷素的去除，出现了由不同类型湿地组合而成的复合流人工湿地[17]。在生产实践中，人工湿地类型的选择应当充分考虑污水处理系统的处理对象、处理目标、处理成本、可用土地面积等。

1.1 表面流人工湿地

表面流人工湿地类似于沼泽，在整个湿地表面形成自由水面，水流沿着一定方向前进，在流动过程中与填料介质、植物根系及附着生长的生物膜接触，实现对污水的净化，并从终端流出。表面流人工湿地投资运行费用低、操作管理简单，但占地大、水力负荷小、冬季容易结冰、夏季易滋生蚊蝇，净化能力受自由水面深度影响较大，远不如其他几种类型的湿地。因此，表面流人工湿地仅适用于低污染污水处理[18-19]。

1.2 水平潜流人工湿地

由填料基质、植物和微生物组成的水平潜流人工湿地，床底有隔水层，纵向有坡度。污水从布水沟进入填料床，在向另一端水平渗滤直至流出的过程中，通过填料吸附、过滤、植物吸收、微生物降解作用等实现污染物去除。水平潜流湿地可由多个填料床组成，因此，水力负荷与污染负荷较大，对TSS、BOD5、COD等去除效果好[20-22]。但受限于填料床层氧气不足，氨氮去除效果有限[20]。在所有类型的人工湿地中，水平潜流人工湿地内部的氧化还原条件相对稳定，有助于污水中磷的去除[21]。

1.3 垂直流人工湿地

垂直流人工湿地作为渗滤型土地处理系统的一种强化形式，通过地表与地下渗滤过程中发生的物理、化学和生物反应使污水得到净化。在垂直流人工湿地中，氧气主要通过植物根系传输与大气扩散进人湿地内部，床体不同深度溶解氧状态也不同。表层由于溶解氧充足，硝化能力强，床层深处因为缺氧而实现反硝化，在碳源充足时，垂直流湿地可以满足较高的总氮去除率，因而适合处理高氨氮污水[23]。但是，垂直潜流人工湿地由于受间歇进水影响，填料床中的溶解氧易引起颗粒表面磷的解吸释放，导致总磷去除性能不稳定[23-25]。

1.4 复合流人工湿地

2 人工湿地污水强化处理的措施

目前，人工湿地普遍存在占地面积大、处理效果不稳定等突出问题。人工湿地污水处理效果的影响因素众多，大体可分为3类：湿地参数(湿地构型、填料、植物、微生物等)，环境参数(温度、溶解氧、pH等)，运行参数(进水负荷、水力停留时间[7]等)。研究者们在统筹考虑以上众多因素后，往往从优化湿地填料、创新湿地构型、调整运行策略等角度对人工湿地的污染物去除性能进行强化并研究相关机理。

2.1 优化湿地填料

填料是人工湿地的骨架，湿地中的大部分物理、化学和生物反应都在填料中进行[15]。传统人工湿地的填料主要由土壤、细砂、粗砂、砾石、沸石、碎瓦片或灰渣等构成，这些天然材料虽然具有价格低廉、便于取材等优点，但是它们较低的孔隙度和易饱和性，无法满足更高的湿地出水要求和更长的湿地运行周期。为此，研究者们尝试通过湿地填料优化实现其性能强化。

人工合成填料。主要是指加工生产的新型填料，或对已有填料进行改性，增强其吸附性能。Drizo等[30]利用钙化海藻作为人工湿地填料，对磷的去除率高达98%，去除率明显高于普通砾石填料。路宏伟等[31]则发明了一种人工湿地专用填料，将水泥、粉煤灰、水按照一定比例混合，并加入铝粉发泡剂搅拌均匀，将浆料倒入模具中，在20～50 ℃下发泡20～60 min，这种新型填料对磷的理论饱和吸附量为10 mg·g-1。

铁碳微电解填料。铁碳微电解材料不仅具有高效的磷吸附能力，还能在铁碳之间形成电极电位差，无形中生成无数个微小原电池，促进有机物的去除[33]。Jia等[34]研究发现，通过铁碳微电解工艺，铁和碳基湿地中的硝酸盐还原率可以达到87%，并且由于完成了反硝化过程，一氧化二氮(N2O)排放较低(4.6～11.75 μg·m-2h-1)。此外，铁和碳基湿地使得重金属总铬(Cr)和总铅(Pb)削减75%～97%。

2.2 创新湿地构型

人工湿地的构造方式会直接影响污水与湿地填料的接触时间及DO在湿地内部的分布，从而影响人工污染物去除性能，尤其是对COD、TN、TP的去除效果。在对人工湿地研究过程中，人们发现通过改变湿地构型从而优化湿地内部水循环，不仅能改善运行中存在的“短流”、“死区”等现象，还能有效增加填料床层内的DO含量。在相关思路的启发下，研究者开发了一系列新型人工湿地。

循环流人工湿地。Peng等[35]充分借鉴用于处理养猪废水的循环流操作模式，将几个隔间在湿地的环形廊道相连，最终隔间中的溢流堰可控制部分尾水回流到进水区。将该循环流动人工湿地用于处理高浓度废水，不仅有效提高了TN的去除率，还能稀释进水浓度，从而降低高浓度废水对湿地植物和微生物的毒害作用。

2.3 调整运行策略

人工湿地污染物去除性能主要由湿地参数、环境参数和运行参数决定，而湿地参数在湿地建设完成后就已基本确定，因此，人工湿地强化策略多数从环境参数和运行参数的优化上考虑。常见的调整措施包括：人工曝气、潮汐作业、跌水式进水、外加碳源、投加生物菌剂等。

人工曝气。在人工湿地中，脱氮主要依靠微生物硝化和反硝化作用实现，而硝化反应作为湿地中生物脱氮的主要限速步骤需要湿地维持相对较高的溶解氧含量，以保证反应顺利进行。Headley[38]等研究发现，通过使用人工曝气可以显著改善湿地对有机物、氨氮以及大肠杆菌的去除。此外，Tang等[39]应用每天8 h的曝气循环后(DO高于2 mg·L-1，ORP为300 mV)，发现垂直流人工湿地中的磷去除率提高至50%。

潮汐作业。该操作方式充分模仿了天然潮汐过程，每天进行多次周期性的浸没和排水循环，从而解决传统进水方式的氧气转移限制。随着污水的充填和排泄，空气被吸入土壤孔隙并迅速对生物膜进行充氧。Austin等[40]研究发现，硝化作用强化主要发生在湿地排水阶段，在该阶段吸附在溶解态生物膜和土壤颗粒上的铵离子被氧化为硝酸根离子，硝酸根离子在随后的浸没阶段大量解吸到水中，并通过以有机碳为电子供体的反硝化微生物还原为氮气，交替的需氧和厌氧环境极大提高了氮的去除率，且该技术仅需要曝气湿地的一半功率。

跌水式进水。针对常规人工湿地的低污染物去除效率和有限氧气转移能力，Zou等[41]开发了一种新型的多层跌水式进水方式，相关试验在2个0.75 m2的中试规模垂直流湿地中进行。结果表明，双层跌水式进水能够为进水提供2～6 mg·L-1的溶解氧。而在安装了6层跌水式进水装置后，湿地的5 d生化需氧量(BOD5)去除负荷从8.1增加到14.2 g·m-2d-1。但是，该运行方式具有一定的适用温度范围，低温寒冷天气容易冻结，气温上升后跌水装置内污水易于滋生蚊蝇。

外加碳源。作为去除污水中硝酸盐的主要机制，反硝化是厌氧的异化途径，通常需要有机碳作为电子供体。人工湿地中的碳源通常来自污水、湿地土壤和植物的根系沉积物，但是有时这部分碳源并不能满足反硝化需求。为了强化湿地脱氮作用，往往需要向人工湿地外加碳源。Saeed等[42]将甘蔗渣作为有机碳源加入垂直流人工湿地，发现湿地的TN去除率比对照组高70%。此外，除了上述生物质碳源外，诸如丁二酸丁二醇酯、聚乳酸等有机合成碳源同样受到了研究者广泛关注，这类聚合物不仅更加稳定可控，还具有更好的脱氮效果。

投加生物菌剂。通过向人工湿地中投加某些具有特定代谢功能的微生物以加速污染物的生物降解是强化人工湿地性能的重要措施。人工湿地在施工建成后，通常需要一段适应期来发展微生物对污染物的处理能力，而投加生物菌剂将加速湿地微生物群落的发展，从而大大缩短适应期。一些经过筛选的生物菌剂能够有效增强对某些特定污染物的降解，例如农药、有机化学品以及重金属等。Runes等[43]调查了投加特定生物菌剂对人工湿地中阿特拉津溢出部位土壤的影响，发现投加菌剂后人工湿地对阿特拉津的矿化率达到了25%～30%，而未进行菌剂投加的湿地中阿特拉津矿化率仅为2%～3%。Zaytsev等[44]在研究水平潜流人工湿地时发现，往湿地中添加低浓度菌悬液能显著加强湿地反硝化能力。

3 小结与展望

人工湿地作为一种环境友好的污水生物生态处理技术，具有投资及维护费用低、出水水质好、二次污染小等优势[4-5]。人工湿地自身结构及运行中各项参数变化(溶解氧、碳源、温度、水流停留时间等)均会影响其去污性能与稳定性。新近从优化湿地填料、创新湿地构型、调整运行策略等角度开展人工湿地的强化措施与过程机理的研究，推进了人工湿地应用的理论创新与技术应用。然而，随着我国进入生态文明建设新征程，必然会对水环境质量改善、面源污染控制提出更高要求。

目前，我国大部分城市污水处理厂正经历二次提标改造，海绵城市建设初见成效，人工湿地深度处理技术具有极大的应用潜力，相关研究值得进一步深入：(1)从改善湿地微生物生境出发，开展构型与工艺参数优化，建立规范适用的运行参数实时调控体系；(2)以湿地系统长效性为出发点，强化湿地功能菌群富集生长，提高湿地系统去污性能；(3)从分子生物水平定量分析相关微生物功能基因，解析湿地系统污染物去除途径与过程微生物学机理。