人工湿地工艺研究现状及影响因素分析

梅艺锋 李楠 广东省环境科学研究院

湿地是一种永久或周期性被水浸透的区域，作为一种具有成本效益和能源效率的解决方案，人工湿地为污水处理提供了可持续的绿色技术。人工湿地在去除废水中的有机物、病原体、重金属和其他污染物方面表现出卓越的效果。典型的人工湿地系统由湿地植物（大型植物）、基质或介质、废水和微生物群落组成。通过模仿自然湿地的生态功能，人工湿地为环境治理提供了可持续且环保的解决方案。

1 研究现状

根据水力水平的不同，人工湿地可分为自由表面流 (FSF)、地下流 (SSF)、潮汐流和挡板流人工湿地。自由表面流人工湿地指的是介质顶部表面上方的水流，然而由于其对环境产生的负面影响，通常不推荐使用。首选的方案是地下流人工湿地，其中废水在人工湿地顶部以下10～15 cm处流动。地下流可通过两种方式实现：垂直地下水流 (VFCW) 和水平地下水流(HFCW)。潮汐流人工湿地是一种改进的系统，结合了植被、微生物固定膜以及创新的填充和排水潮汐循环，以增强好氧和缺氧处理过程。挡板流人工湿地利用挡板以正弦曲线方式引导水流，增加微生物与废水之间的接触时间。为了提高整体效率，混合人工湿地充分利用了VFCW和HFCW的优势，实现了更高水平的处理效果，并能产生生化需氧量和氮含量非常低的废水。

人工湿地是一种有效处理废水的方法，但其所需占地面积会受到气候和废水特性的影响。研究表明，相比于水平地下水流 (HFCW)，垂直地下水流(VFCW) 可以更小面积地实现更高的氧气传输效率。人工湿地床由介质和植物组成，在污染物去除中起着至关重要的作用。介质提供了微生物形成生物膜所需的大表面积，从而通过吸附和过滤等过程去除污染物。此外，人工湿地中的大型植物有助于去除养分（如氮和磷）和污染物，促进根际环境多样性，增强微生物和化学过程。

人工湿地已被证明在去除生化需氧量(85%～90%) 和总悬浮固体 (90%～95%) 方面非常有效。然而，充足的氧气供应对于适当的硝化作用至关重要，在改进人工湿地中的硝化-反硝化方面已取得了一定进展。然而，除磷对人工湿地仍然是一个挑战，限制了其在处理富磷废水方面的应用。此外，人工湿地在土地利用要求和处理高强度和有毒废水方面面临一定的限制。

2 影响因素分析

2.1 间歇曝气/人工曝气

在有氧条件下，硝化作用需要消耗4.5 kg氧气才能去除1 kg氮，而去除1 kg BOD5只需要1.2 kg氧气。进一步观察发现，当废水中的溶解氧（DO）水平高于1.5 mg/L时，硝化作用会发生，而当DO低于0.5 mg/L时，高效反硝化作用会发生。然而，要维持这些条件对自然环境来说具有挑战性，需要使用人工曝气来提供氧气。相较于其他系统，垂直地下水流（ VFCW）需要较少的人工曝气，因为约50%的所需氧气可以从大气中获得。此外，VFCW中DO的分布在顶部的0～10 cm深度显示出最高浓度，随着深度增加逐渐降低。大部分氧气消耗用于去除BOD5，这主要发生在距顶部10～40 cm的位置。相比之下，硝化作用主要发生在该深度以下，因此氧气供应相对有限。

在人工湿地中，植物起着将氧气从大气中转移到根际根系的作用。然而，大约一半的氧气被植物用于呼吸作用。

人工湿地中植物的氧气释放率在0.014～10 g/m2/d之间，这不足以有效去除BOD和养分。在没有曝气的地下流人工湿地（ SSF-CW）中，平均溶解氧（DO）浓度约为0.24 mg/L，这不足以支持硝化作用的进行。为了提高人工湿地中的DO浓度，采用了各种技术，例如混合人工湿地（结合VFCW和HFCW）、流出物分步进料、喷嘴法和分批操作。人工湿地中一种经济高效的曝气方法是使用带有穿孔的垂直管。这些管道将外部大气与人工湿地内部床相连，促进硝化作用的进行。因此，每天进行4～6 h的间歇曝气不仅可以降低曝气成本，还可以提高人工湿地在脱氮和有机物去除方面的处理效率。

2.2 基质

基质是指人工湿地中使用的过滤介质。这些过滤介质在过滤、吸附和吸收等物理过程中起着至关重要的作用。人工湿地的性能受基质类型、大小、形状、孔隙空间、化学成分和渗透性等因素的影响。

人工湿地不仅能有效去除可生物降解的废物，还能有效处理磷和重金属等不可生物降解的污染物。人工湿地中常用的基质材料包括土壤、沙子、砾石、碎石和其他天然材料。虽然这些材料能有效去除可生物降解的有机物，但对于重金属的去除效果有限。此外，这些过滤介质为微生物的生长提供了较大的表面积，促进了有机废物的生物降解过程。

如果没有采用适当的介质，极易发生堵塞等现象。堵塞会导致在人工湿地中形成死区，使得大量水绕过滤床而导致整体效率降低。堵塞程度主要取决于介质的孔隙率和时间。随着时间的推移，由于芦苇和生物膜的发展，堵塞的程度会减少。在初始设置阶段，观察到粗砾石、橡胶和塑料介质的孔隙率相比于砾石和橡胶介质分别降低了19%、12%和9%。同时，在人工湿地的运行过程中，需要进行适时的维护和清洗以保持良好的水流通和过滤效果。

2.3 再循环

再循环是人工湿地中一个值得考虑的重要参数，再循环率决定了处理过的废水相对于进水的比例，对整个处理过程起着至关重要的作用。在具有100%再循环的混合人工湿地（HFCW+VFCW）中观察到，再循环提高了废水中的氧气水平，从而改善了硝化作用。通过增加废水之间的接触，氮去除率提高了40%并促进了生物膜的形成。根据不同类型的人工湿地，可以采用不同比例的再循环来减少其占地面积。然而，由于HFCW具有较高的占地面积和过高的水力负荷，目前尚未广泛采用再循环。需要综合考虑人工湿地的具体情况和要求，以确定适当的再循环率，以实现最佳的废水处理效果。这可以通过实地调查和系统评估来确定最佳的再循环策略，并确保人工湿地的性能和可持续性。

再循环通过废水和微生物之间更长时间的相互作用，促进NH4-N通过硝化细菌转化为硝酸盐(NO3-N)，有助于增强NH4-N的去除。再循环率的增大会使氮和悬浮固体去除增加，但也会增加能源消耗，突出了优化再循环率的重要性。再循环率的变化不会显着影响除磷。将再循环与间歇曝气相结合可以产生更高的效率，从而能够去除BOD和TN，同时减少所需的人工湿地面积。

再循环在人工湿地中的应用确实可以促进NH4-N的硝化过程，将氨氮转化为硝酸盐。通过延长废水和微生物之间的接触时间，再循环提供了更多的机会，使硝化细菌有更多时间将氨氮转化为硝酸盐。增加再循环率可以提高氮和悬浮固体的去除效果，但也会增加能源消耗。因此，优化再循环率变得非常重要，以在最佳的去除效果和能源效率之间实现平衡。相比之下，再循环对除磷的影响较小，即再循环率的变化不会显著影响除磷过程。结合再循环和间歇曝气可以进一步提高人工湿地的效率，从而在减少废水中的BOD和TN的同时，减少所需的人工湿地面积。因此，通过合理设计再循环率并结合其他增效措施，可以实现更高效的废水处理，并在降低能源消耗和减少占地面积方面取得平衡。

有研究人员在人工湿地中采用再循环来处理高固体含量的污泥，观察到通过再循环增加的蒸散损失，促进了从污泥中分离出的污水的处理。事实证明，100～150 mm/d的再循环比最有效地实现污泥中COD的最大去除，同时由于蒸发蒸腾增加而减少了污水量。通常，HFCW和VFCW的再循环比范围为0.2～2.5。

2.4 植物

作为湿地内主要的氧气来源，植被在人工湿地中起着至关重要的作用。植物的存在降低了水流速度，为废水中的固体颗粒提供了足够的时间沉淀。此外，植物形成的绝缘层有助于维持适当的系统温度，从而促进微生物活动。植物的碳维持了硝化和反硝化过程所需的C/N比。在人工湿地中，植物对BOD、COD、TN、NH4-N和磷酸盐等参数的去除表现出积极影响。然而，对于NO3-N和硫酸盐的去除，它们可能产生负面影响，因为这些转化过程通常发生在缺氧条件下。此外，湿地中开花植物的存在增强了处理厂的美感。

人工湿地中植物的密度对系统的停留时间有影响。每种植物物种具有不同程度的孔隙率，这直接影响生物膜生成的可用表面积。较高的孔隙率导致较少的水下植物材料，从而减少生物膜的形成。研究人员发现，互生香附子是一种成本效益较高的选择，尽管其除磷能力并不显著，但其具有快速生长和有效的COD去除能力。因此，建议将香附子与其他具有吸磷能力的植物结合使用。

2.5 碳氮比和温度

碳/氮比在人工湿地处理中起着至关重要的作用，因为低的C/N比会限制氮和磷的去除。处理低C/N比废水通常涉及能源密集型过程，例如厌氧氨氧化和同步硝化反硝化。碳在去除NO3-N过程中扮演关键角色，因为它在反硝化过程中充当电子供体。在HFCW中，未添加碳时，NO3-N的去除率仅为7%；然而，通过添加蔗糖以保持COD/NO3-N比率为3.5:1时，NO3-N的去除率增加到70%。在FSFCW中，当COD/NO3-N比率在3.5:1和5:1之间时，观察到NO3-N完全去除，但进一步增加C/N比率并没有增强NO3-N的去除效果。当COD/NO3-N比率低于2时，NO3-N的去除受到限制，因为大部分有机物去除发生在人工湿地的顶层，减少了底层可用于反硝化的碳源。

生物反硝化作用与温度密切相关，低于15℃时反硝化显著降低，在5 ℃以下完全停止。然而，BOD和COD去除率对温度的影响不显著，表明有机物去除主要依赖于微生物活动，即使在低于15℃的温度下，微生物活动仍会持续存在。相比之下，氨和氮的降解高度依赖于温度，15 ℃以上的温度会影响氮的去除效率。多孔介质和植物根系的存在有助于将废水温度保持在比环境气温高2～3℃。对于处理奶酪乳清废水的HFCW进行的研究表明，在初始调试阶段，种植和未种植的HFCW在COD去除方面表现出类似的趋势。然而，在稳定条件下，即水力停留时间（HRT）为4d时，温度的影响变得明显。当温度高于15 ℃时，两种系统均实现了90%以上的COD去除率，但当温度低于15℃时，未种植的HFCW仅实现了60%的COD去除率，而种植的HFCW实现了90%的COD去除率。

因此，在进行有效的人工湿地操作时，保持温度在15℃以上，并考虑使用混养种植的人工湿地来帮助调节系统温度至关重要。此外，正确选择适当的外部碳源并保持最佳的C/N比（范围从3.5:1到5:1）非常关键，因为它们促进反硝化作用并有助于减少温室气体排放。

3 优缺点分析

人工湿地是一种经济高效的废水处理技术，其能源和运营成本相对较低，通常仅占资本成本的1%～2%。人工湿地具有广泛的应用领域，可有效处理各种类型的废水，包括农业、乳制品、制革、纺织以及纸浆和造纸工业废水。通过引入人工湿地，污水处理厂的外观可以得到改善，呈现出像花园一样的绿色景观，提升了视觉吸引力。在去除效率方面，人工湿地可以与现代废水处理技术相媲美，如活性污泥法、序批式反应器、移动床生物膜反应器和升流式厌氧污泥床等。人工湿地能够显著去除各种污染物，并且工业废物可用作人工湿地中的介质，既可提供微生物的生长表面，也可作为固体废物管理的解决方案。

但人工湿地也存在一定的局限性。在人工湿地中使用的植物通常会产生大量生物质，这可能导致堵塞问题并增加运营和维护成本。因此，及时收获生物质非常重要，否则其分解会重新引入污染物到系统中，从而降低出水质量。季节性变化对人工湿地的性能产生显著影响，通常夏季的效率较高，而冬季的效率会降低。此外，由于对微生物群落和植物的负面影响，化学湿地在处理有毒和高浓度废水方面的效果相对不佳。与传统处理方法相比，因人工湿地水力停留时间更长，故需要更大的土地面积。

4 结语

为了提高人工湿地技术的可持续性，可以将工业废物用作人工湿地的基质。尽管曝气在BOD降解和硝化中起着至关重要的作用，但连续通气会增加操作成本。因此，需要采用间歇曝气的方式。同时，将处理过的废水再循环回人工湿地入口，通过促进稀释和增加废水与微生物之间的接触来提高效率。植物类型的选择、每平方米面积的植物数量以及它们的再利用对工艺也具有重要影响。此外，需要维持适当的C/N比以实现有效的硝化和反硝化作用。