人工湿地污水处理技术的研究进展

付 柯 冷 健

（西安航天源动力工程有限公司，陕西西安 710100）

引言

我国可利用淡水资源匮乏，根据国家可持续发展以及绿色生态的建设理论，加强对水资源环境的保护，并做到水资源的资源化利用迫在眉睫。目前，在污水处理领域中，活性污泥因其技术成熟、运行稳定等特点是当前污水处理的主流工艺。但是单纯的依靠活性污泥法也会存在很多问题。人工湿地处理污水具有消耗小、工艺简单、处理效果好等优点，将会为污水处理提供新的发展。

人工湿地是由五部分组成：（1）具有透水性的基质，如土壤、砂等；（2）适宜的植物，如芦苇、美人蕉；（3）水体；（4）无脊椎或脊椎动物；（5）好氧或厌氧微生物种群。1974年人工湿地污水生态处理技术首次在德国得到正式应用[1]。中国对人工湿地的研究起步较晚，在1988～1990年间，第一个应用于污水处理研究人工湿地在北京昌平建立[2]。目前国内关于人工湿地的研究进展已经赶超国外达到领先水平，随着科研人员的不断研究，人工湿地处理污染物的应用范围也得到很大的扩展。国外有相关人员已经将人工湿地处理污水技术应用于医药领域，用以去除废水中的抗生素，包括环丙沙星，氧氟沙星，哌啶酸，阿奇霉素，克林霉素等在内的13种抗生素，人工湿地对其中5种关键的抗生素去除率均达到97%以上[3]。Zachary Cryder[4]等将人工湿地应用于净化城市常用杀虫剂（氟虫腈和合成拟除虫菊酯）对城市地表溪流的污染问题，实验结果表明人工湿地可以有效的从雨水径流和城市废水中去除氟虫腈去亚磺酰基，氟虫腈硫化物，氟虫腈，氟虫腈砜，联苯菊酯和氟氰菊酯且去除率均达到了74.7%以上。也有将人工湿地用来处理传统废水中砷及重金属污染物的脱除，在实验室规模下使用水平地下流动人工湿地去除高酸废水中的砷及重金属污染物，实验结果表明在处理pH≈2，As≈3.7mg/L，Fe≈57mg/L，Pb≈0.9mg/L，Zn≈12mg/L的废水时，湿地系统在去除废水中的砷和铁（＞ 96%）和铅方面非常有效（＞94%）[5]。

国内对人工湿地的应用研究也非常广泛，北京大学的Jianfei Chen[6]使用人工湿地技术处理畜牧业含有高浓度抗生素的养猪废水，在这项研究中人工湿地在处理废水中的富营养物，抗生素含磺酰胺效果良好，其中TOC的效率为95%，NH4þeN的效率为63.04%，磺酰胺为84.05%，研究还发现微生物的降解在连续废水中磺酰胺的去除中起关键作用，而不是基质吸附。在国内研究中也有将人工湿地技术应用于去除工业化学用品氯化石蜡，氯化石蜡由于其生物蓄积性、持久性、潜在毒性以及可远距离迁移的因素，在水中通常难以去除，对水质的危害非常大，有研究显示采用人工湿地去除水体中的中短链氯化石蜡（SCCP）、氯化石蜡（MCCP）以及长链氯化石蜡（MCCP），经过人工湿地吸附降解后，三种氯化石蜡的去除率分别达到了78%、86%以及91%，人工湿地对三种氯化石蜡都具有较高的去除率，是一种非常经济的净化方法[7]。相关的关于人工湿地应用的研究报道还有很多，比如对农村生活废水的净化处理[8]，去除农药残留物六六六[9]等等。

由于在污染控制及其去除、净化水质等方面，人工湿地具有重要的功能，同时也具有一定的经济、生态、野生和美学等价值[10]。因此越来越多的科研工作者对人工湿地进行研究，以加强其净化污水的能力。

1、人工湿地的类型

根据水的流动方式，人工湿地一般分为表面流湿地、水平潜流湿地和垂直潜流湿地[11]，三种类型的人工湿地各有优缺点。

研究和应用较多的湿地是潜流湿地。表面流湿地水位较浅，一般在0.1～0.6m，主要是通过植物的拦截作用和根茎附近的生物膜净化污水，优点是投资和运行费用低，缺点是占地面积大、夏天有恶臭和孳生蚊蝇[12]。在水平潜流湿地中，污水从基质下面，沿水平流从进水端口到出水端口，其优点是负荷和去除效率高，卫生条件相对好；与表面流湿地相比，缺点是管理成本高。垂直流湿地的污水在由表面垂直流向床底的过程中会依次经过不同的的介质层，最终达到水质净化目的，其优点是氮、磷去除效率高，占地面积相对较少；缺点是容易堵塞[13]。刘俊红等[14]选取美人蕉作为湿地植物，研究了表面流、水平潜流以及垂直流三种类型人工湿地对富营养化水体的处理效果，结果表明，垂直流湿地的处理效果最佳。

表1 人工湿地的类型

2、人工湿地净化污水的机理

人工湿地是基质、植物以及微生物这三个相互依存要素的组合体，主要包括物理、化学以及生物三个过程，对于不同污染物，去除机理也不同。

图1 人工湿地污水净化机理

2.1 悬浮物

在湿地系统中，通过基质的吸附、根茎的拦截作用可去除悬浮固体中沉降的部分，对于溶解性的胶体或者难以沉降的悬浮固体可通过微生物的作用去除。影响其过滤的主要因素是与污水中基质、根茎以及微生物的接触程度。

2.2 有机物

对于不溶性的有机物主要是先通过沉淀、基质的过滤，随后被好氧和厌氧微生物降解，最终得以去除。对于溶解性有机物主要是通过基质、植物根、茎部表面的生物膜进行吸附、吸收或者好氧厌氧微生物降解。微生物降解是去除有机物的核心部分。

2.3 氮、磷的去除

除氮的机理包括挥发、微生物转化、植物的吸收、基质的吸附以及沉淀等作用[15]。在湿地中会形成连续缺氧、厌氧以及好氧的情况，除氮主要是通过微生物的硝化和反硝化作用完成的。人工湿地的除磷作用包括基质的吸收、植物的吸收、络合以及微生物的协同作用。污水中的含磷物质是植物生长的营养来源，植物对磷酸盐的去除具有重大作用。

3、人工湿地处理技术的影响因素

人工湿地因其工艺简单、建设成本低以及管理方便等被广泛的用于水处理方面，如生活污水、有机废水、氨氮废水以及放射性废水等方面[16]。根据目前人工湿地的处理技术的研究现状，影响其处理效果的因素主要有基质、植物以及微生物等。

表2 人工湿地的组成及作用

3.1 基质

基质是湿地组成中必不可少的部分，基质可以为植物生长提供支撑，还可通过自身的吸附作用净化水中的污染物。在选择基质时，要考虑基质的生物、化学稳定性、透水性、孔隙率等性质。

目前，常用的基质包括粉煤灰、砂子、沸石、陶粒、碎石、泥炭等物质[17]。此外，建筑废料也可作为基质用于人工湿地。

3.2 植物

植物在吸附、吸收以及富集污染物的同时，还起到输氧、抑制藻类以及促进微生物生长的作用。湿地植物不仅要生物量大、有较大的根系表面积、耐污能力较高，还要适应污水可能带来的环境的改变，如酸碱环境[18]。根据污水的性质和当地气候等情况，可以选择具有观赏性能的湿地植物种植，也可以选择一些经济作物。

目前人工湿地中最常用的植物是芦苇、梭鱼草、美人蕉、凤眼莲等。此外，金鱼藻、空心莲子草、香根草、菱白、苔草等也比较常见[19～20]。

3.3 微生物

微生物对污水中不同的化学组分均有同化、转化和循环的作用。李振灵等[21]研究了不同基质结构的潜流人工湿地与微生物群落之前的相关性。结果表明，多层结构的处理效果最好，主要是由于多层结构中的变形菌为优势菌高于单层结构，另外硝化细菌和反硝化细菌也高于单层结构。

3.4 其它因素

水力负荷不仅会影响人工湿地的停留时间，也会影响其处理效能，一般水力停留时间越长，去除效果越好。此外，温度也会影响人工湿地的去除效果。过低的温度不适合微生物的生长，导致人工湿地的处理效果一般不高[22]。

4、人工湿地污水处理技术的优势与不足

人工湿地污水处理技术随着研究的深入发展，取得很大的进步和改善，虽然较传统的污水处理技术有许多的优势，但是依然存在诸多不足之处。

表3 人工湿地的优势与不足

4.1 人工湿地的优势

4.1.1 建设、运行成本低。湿地便于建造、处理效果好。在构造人工湿地时，可以因地制宜，充分利用周边的地形地势。人工湿地是利用生物完成对水质的净化，运行过程需要投入的各方面能量都较少。此外，可以选择一些废弃物作为人工湿地中的基质，这样既能降低建设成本，又能将废弃物再次利用，只需要少量的工作投入，便能达到满意的效果[23]。

4.1.2处理方式多样化、缓解水资源危机。人工湿地与其它污水处理技术相结合，如活性污泥法+人工湿地系统，以缓解水资源紧缺的情况。此外也可以构建复合式人工湿地，如：厌氧折流+人工湿地、组合垂直流人工湿地、人工湿地+稳定塘等[24]。

4.1.3维持生物多样性，调节区域气候，生态功能强。湿地是既有陆生生态系统的特征又有水生系统的特征，这样的水陆交互区域为濒临灭绝的动物特别是一些珍贵的水禽或者鸟类提供了一个良好的栖息地。另外，湿地中含有大量的水分与植物，这些水分的蒸发和植物的蒸腾作用会对局部分区域气候产生影响，降低温度，增加空气的湿度[25]。

4.1.4社会功能强。在构造湿地时，可以将湿地构建成湿地公园，既能满足人们对美好环境的需求，也能减少一些其他的公共基础设施。另外，当发生暴雨或者洪涝灾害时，湿地可以缓解急增的水量，减弱洪水所带来的不利影响。如果选择经济价值高的作物，还会为当地带来一定的经济收入。

4.2 人工湿地存在的不足与解决方案

随着人工湿地使用技术的增多，也暴露出许多问题，如占地面积大、容易受气候影响、基质容易堵塞、管理不合理等。

4.2.1 占地面积大

为了满足水量的要求、达到出水水质的标准，污水需要人工湿地流动足够的时间。此外，人工湿地处理污染物主要是通过微生物和植物的作用，而微生物和植物的生长是相对缓慢的，一般停留时间越长、反应器体积越大，所以相比化学和物理的方法，则人工湿地需要更多的时间，更大的土地面积。

在设计人工湿地时，要合理的规划土地面积，可以考虑将人工湿地建在人烟稀少的地方。对于城区人工湿地的建造，根据当地的实际情况，把人工湿地建造在合理的地方，美化环境。另外，还可以改变设计参数（如布水设计）、选择去除能力强的植物与微生物来提高湿地对污染物的去除速率，从而减少湿地的面积。

4.2.2 受气候和温度的影响大

人工湿度的处理效果受温度和气候的影响较大，温度会随着昼夜、季节以及维度变化而变化。温度对于一些生物化学反应有很大影响，有些植物在冬季的时候还会出现停止生长、甚至死亡的现象。另外，低温会降低微生物活性，导致吸附在基质中的污染物得不到降解，最终使得湿地的去除效率降低。

针对该问题，在建造人工湿地时，首先要了解当地的气候、植物生长的条件。可以选择耐寒的植物与培养耐寒的微生物。必要的情况下可以采取一些保温措施，如植物覆盖、地膜覆盖、管道保温等措施[26]。

4.2.3 填料堵塞

在人工湿地中，基质对于污染物的去除作用也极其重要的。随着人工湿地使用时间的推移，微生物会逐渐生在基质上，并进行相关的新陈代谢活动，产生的一些杂质以及污水中存在的不溶性物质会堵塞基质，从而影响湿地的正常运行，最终导致湿地的使用寿命和去除效率降低。

填料堵塞会造成人工湿地处理效能下降，目前常采用的措施有：对污水进行适当的预处理以减少污水中的悬浮颗粒物；基质稳定且吸附量大；定期进行植物的收割，及时维护，尽量避免填料的堵塞。

4.2.4 管理机制不完善

人工湿地的运行管理对湿地的正常运行至关重要。许多人工湿地由于得不到维护而失去正常功能。植物在生长过程会产生一些枯枝烂叶，大量的枯枝烂叶如果不及时清理，会影响植物的正常生长，同时也会影响了湿地的美观性，孳生虫蝇。

为了保证人工湿地的正常运行，需要加强对湿地的管理与检测，定期进行检查，及时去除水中的枯枝烂叶以及漂浮物。安排专业的技术人员对各项因素进行检测并及时调整，做好日常的维护工作，以确保湿地的正常运行。

5、结论

湿地对于整个生态系统是不可或缺的，在天然湿地逐渐减少的情况下，建造人工湿地对生态保护具有重要的意义。人工湿地不仅可以净化污水，而且可以实现水的资源化利用，具有经济、社会、环境三重效应。人工湿地在处理污水时，也会出现很多问题，如湿地结构、运行管理、稳定性等问题。今后的研究和应用注重维持湿地的长期平稳运行。同时能对基质、微生物以及植物去除污染物的作用进行有效的判断，从而强化人工湿地的去除效率和进一步扩展人工湿地的应用范围。