人工湿地技术新进展

王春俊 李 帅

（河南省冶金研究所有限责任公司 河南郑州 450053）

一、前言

对人工湿地的研究包括人工湿地的类型、基质的筛选、植物的选取和处理效果等方面。近年来，国内对人工湿地的研究主要在集中湿地植物的选择、脱氮除磷效果、去除机理、对各种不同类型废水的净化效果等方面。其中，在湿地植物的选择、脱氮除磷效果方面的研究较多，在去除机理方面在研究较少。

二、去除机理

人们对人工湿地的研究已逐步深入至微生物水平。鉴于微生物在人工湿地中的重要性，国内外学者已做了一定的研究。在微生物多样性的研究方面，已从个体菌株水平过渡到群体水平生理特征，近年来逐渐进入分子水平[1]。也有部分学者从基因水平对湿地微生物的功能基因遗传多样性进行了研究。

目前，对湿地系统中不同微生物群落结构和功能方面所做的研究工作还相当少，且多数集中于传统技术的间接微生物功能性研究，缺少对氮转化菌群与其功能基因全面系统的定量研究。

有研究者研究了氧化还原酶活性对人工湿地中污染物去除率的影响，探讨将基质酶活性作为评判人工湿地整体去除效能的指标。试验以生物陶粒和鹅卵石为基质，搭配种植再力花、美人蕉和梭鱼草，构成复合垂直流人工湿地。对基质中的4种氧化还原酶（脱氢酶、多酚氧化酶、过氧化物酶和硝酸还原酶）的酶活性进行了测定，并从酶学的角度探讨了这4种氧化还原酶的活性与养殖尾水中总氮、硝态氮、总磷、正磷酸盐、CODMn去除率之间的关系。认为脱氢酶可作为人工湿地中去除CODMn的效能指标，硝酸还原酶可作为人工湿地中去除NO3--N的效能指标[2]。

三、对湿地植物的研究

有研究者对旱伞草、美人蕉和芦苇植物进行组合实验发现，三种植物组合系统和两种植物组合系统根际微生物群落去污功能较强，利用碳源的能力较强，而单一旱伞草植物系统根际微生物群落去污功能较弱，利用碳源能力较差。因此，通过不同植物组合而成的湿地系统，可强化根际微生物群落的去污功能，从而提高人工湿地污染物净化的效率和稳定性。

有研究者研究了人工湿地植物的根际效应在污水净化过程中的作用。人工湿地植物的根能够分泌氧气以及其它分泌物，称为人工湿地的根际效应。湿地植物的根际效应所提供的氧气以及其它分泌物为人工湿地微生物的生长提供了必要的营养物质与能量，对根际微生物活性、种群结构及空间分布产生影响，进而影响有机污染物、重金属以及营养元素等污染物的降解和去除效果。在人工湿地设计中，应通过筛选人工湿地植物种类和优化工艺条件来强化人工湿地植物根际效应，以提高人工湿地的净化效率[3]。

有研究人员研究了不同人工湿地植物对生活污水净化效果研究。选择美人蕉、香蒲、再力花、营蒲、水葱、千屈菜、芦苇共7种常见湿地植物作为研究对象，通过建立人工湿地污水处理系统，考察不同植物在7个月内对COD、总氮、总磷和铵态氮的去除率，同时考察7种湿地植物的氮磷累积能力。结果显示，香蒲、芦苇和水葱具有较高的COD去除率，水葱、千屈菜和芦苇具有较高的总氮去除率，香蒲、水葱和千屈菜对总磷的去除率较高，水葱、香蒲和千屈菜对铵态氮的去除率较高。7种湿地植物对氮的累积能力均显著高于磷。香蒲、水葱、芦苇和千屈菜对4种污染物具有较好的去除能力。不同植物对4种污染物的去除过程至少需要3个月，并且均在7月和8月具有较高的去除能力。美人蕉和芦苇与其他湿地植物相比，具有更高的氮磷累积能力。

有研究发现，莎草科湿地植物的丰富程度与水深有着十分密切的关系。有研究人员比较了0.27m深的湿地河堤和0.5m深的湿地河堤，不同的水深将出现不同的污染物转化能力有研究人员研究了在水平流人工湿地中不同水深对3年来污染物的净化能力。研究结果表明，岸堤水深在0.27m能更好地去除COD、BOD、氨和溶解的活性磷。有研究人员调查了水平流人工湿地不同水深对有机物移除效率的不同，结果表明不同的水深将导致不同的代谢通路[4]。

有研究者探究了不同耐盐植物对海水养殖外排水的去污效果。选取了芦苇、互花米草为湿地植物，细沙、蛙石和珊瑚石为基质，构建了两套复合垂直流人工湿地系统。对比分析了两种挺水植物的耐盐性及对海水养殖外排水中氨氮、亚硝态氮、硝态氮、高锰酸钾指数和磷的净化效果。结果显示，芦苇耐盐度最高为20，而互花米草在盐度35以下均能正常生长。研究表明，在高盐胁迫下，互花米草生长状况、对无机氮和CODMn的去除效果均优于芦苇，两种植物对磷酸盐和TP的去除率差异不明显[5]。

四、脱氮、除磷能力

有研究者对人工湿地的脱氮的能力进行了进一步研究。复合垂直流人工湿地中微生物群落的数量和活性均远远高于表面流和潜流人工湿地，其脱氮效果最好。这是由于系统中溶解氧随深度增加呈现递减趋势，上层的有氧环境利于硝化细菌的活动，而中下层的缺氧环境则利于反硝化细菌的活动[6]。

有研究表明，氮转化速率与编码氮转化关键酶的基因存在着明显的定量响应关系。目前，人工湿地微生物主导的氨化、硝化和反硝化作用部分关键酶的编码基因已被探明。近年来，陆续有研究者发现这些功能基因分布在更为广泛的微生物类群中。人工湿地系统内氮转化速率与氮转化基因存在着明显的定量响应关系。人工湿地内部氮转化过程之间存在多种耦合机制，氮转化速率受制于多种氮转化菌群和功能基因的联合作用。

有研究人员研究了垂直流人工湿地中氮、磷的降解规律。在实验室中利用盆栽模拟垂直流人工湿地结构，种植绿萝和紫边碧玉椒草两种植物，测定进水、出水、填料、植物中的总氮总磷含量，研究垂直流人工湿地去除水体中总氮、总磷时，植物与填料的去除作用所占的比例。结果表明，污水中总磷的去除主要为填料吸附作用，去除效率占80.01%～82.02%；植物吸收作用的去除效率占13.62%～14.20%；对于总氮的去除，填料吸附作用占68.26%～71.57%，除填料吸附作用外，微生物等其他因素的作用占很大比例，约24%，植物吸收所占比例较小。

五、对各种不同类型废水的净化效果

有研究人员研究了复合垂直流人工湿地对海水养殖外排水的脱氮效率，构建了复合垂直流芦苇人工湿地，并将其运用于处理海水养殖外排水。海水养殖外排水选择海水养殖大菱鲆外排水，水生植物选择芦苇湿地系统基质填料选择珊瑚石、蜂石和细砂。实验结果表明，添加硝化细菌可以提高系统对溶解性无机氮的去除率，且可以在短时间内迅速提高系统对NH4+-N去除率；间歇进水可以提高系统对溶解性无机氮和NH4+-N的去除率[7]。

有研究人员研究了人工湿地技术在农村污泥处理中的应用，论述了近年来国内外关于人工湿地技术在污泥处理中的研究进展，包括其主要设计参数、运行情况以及污泥干化芦苇床的处理效果比较，其影响因素主要包括污泥负荷、植物、进泥周期、气候条件等。同时还归纳了蚯蚓堆肥在污泥处理中的应用研究，提出了将蚯蚓堆肥技术与人工湿地相结合的强化型人工湿地技术[8]。

有研究人员研究了人工湿地对水体中抗生素的处理效果。目前，在中国地表水体中，常见的抗生素为磺胺嘧啶（SDZ）、磺胺二甲嘧啶（SMZ）、磺胺甲恶唑（SMX）、罗红霉素（RTM）、环丙沙星（CFX）和四环素（TC）等，其主要来源于养殖废水、医疗废水及人类和动物的排泄物。植物通过自接吸收、植物根系分泌、根区环境改善等途径，直接或间接地去除抗生素，去除效果因抗生素种类和植物种类不同而差别较大。基质的物理吸附、化学反应、微生物的种类、微生物群落多样性和酶活性等因素也影响人工湿地对抗生素类污水的净化效果。关于人工湿地对污水中抗生素的去除，在净化机理、应用创新、种类拓展和应用推广等方而有必要进一步研究。