人工濕地處理污水的效率與研究展望

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摘要： 本文闡述了人工濕地處理技術(shù)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，人工濕地對有機物、氮、磷等的去除效率，分析了影響人工濕地處理效率的因素。表明人工濕地的類型、濕地植物種類、基質(zhì)類型、濕地中微生物的種類和數(shù)量、溫度、水力停留時間、水力負(fù)荷、濕地的運行管理等都會影響人工濕地的處理效率。根據(jù)人工濕地在污水處理中的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了今后的研究方向。
關(guān)鍵詞： 人工濕地 污水 效率 研究展望

　　采用人工濕地技術(shù)凈化污水始于1953年德國的Max Planck研究所，該研究所的Seidel博士在研究中發(fā)現(xiàn)蘆葦能去除大量有機物和無機物。到20世紀(jì)70年代末期逐漸發(fā)展成為一種獨具特色的新型污水處理技術(shù)。人工濕地污水處理技術(shù)具有處理效果好、出水水質(zhì)穩(wěn)定、氮、磷去除能力強、運轉(zhuǎn)維護管理方便、工程基建和運轉(zhuǎn)費用低、對負(fù)荷變化適應(yīng)能力強、適于處理間歇排放的污水等主要特點。同時，人工濕地對保護野生動物和提高局部地區(qū)景觀的美學(xué)價值也有益處。因此，大力開發(fā)人工濕地污水處理技術(shù)，對我國水環(huán)境污染的治理具有重大的意義，在我國具有廣泛的發(fā)展前景。

　　多年的研究表明，人工濕地能夠利用基質(zhì)-微生物-植物這個復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)調(diào)作用，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現(xiàn)對廢水的高效凈化，同時，通過營養(yǎng)物質(zhì)和水分的生物地球化學(xué)循環(huán)，促進綠色植物生長并使其增產(chǎn)，實現(xiàn)廢水的資源化與無害化。

1 人工濕地處理污水的效率

1.1 對有機物的去除效率

　　人工濕地對有機物有較強的凈化能力，污水中的不溶有機物通過濕地的沉淀、過濾作用，可以很快被截留下來而被微生物利用；污水中的可溶性有機物則可通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝過程而被分解去除。國內(nèi)有關(guān)學(xué)者對人工濕地凈化城市污水的研究表明，在進水濃度較低的情況下，人工濕地對BOD5的去除率可達(dá)85%～95%，對COD的去除率可達(dá)80%，處理出水BOD5的濃度在10mg/L左右，SS小于20mg/L[1-3]（表1）。

表1　人工濕地對有機物去除率比較

研究者

濕地類型

污水類型

去除率（%）

備注

BOD5

COD

SS

丁延華

 

毛紡廠廢水和生活污水

85.8

81.2

93.8

人工濕地系統(tǒng)

岳春雷

垂直流

生活污水

92.59

91.42

88.81

人工濕地系統(tǒng)

靖元孝等

潛流型

生活污水

74

74

 

人工濕地系統(tǒng)

吳振斌

垂直流

東湖湖水

76.7

66.1

72.4

中試系統(tǒng)

崔理華等

垂直流

城市污水

88～92

76～87

 

試驗階段

成水平等

 

 

 

94

 

人工濕地系統(tǒng)

Y. Ann等

 

 

95

 

88

人工濕地系統(tǒng)

深圳白泥坑

 

生活污水

90

80.47

93

人工濕地系統(tǒng)

深圳市環(huán)科所

垂直流

生活污水

94.03

88.79

64.92

石巖一期人工濕地系統(tǒng)

1.2 對氮的去除效率

　　在人工濕地中氮主要是通過微生物的硝化和反硝化作用、植物的吸收、氨的揮發(fā)以及基質(zhì)的吸附和過濾等過程而去除。廢水中的氮以無機氮和有機氮兩種形式存在，無機氮可以被人工濕地中的植物吸收，合成植物蛋白質(zhì)，最后通過植物的收割形式從濕地系統(tǒng)中去除。但這一部分氮僅占總氮量的8%～16%。有機氮按圖1的方式去除，微生物的硝化和反硝化作用在氮的去除中起著重要作用。吳振斌等[4]研究發(fā)現(xiàn)，濕地土壤的脲酶活性與TN的去除率有較明顯的正相關(guān)性，所以認(rèn)為可以把人工濕地根區(qū)土壤中脲酶的活性作為人工濕地去除污水中含氮污染物效果的一個評價指標(biāo)。國內(nèi)外學(xué)者的研究表明，利用人工濕地治理各種類型的污水，其TN的去除率達(dá)64%～98%[1、3、5]，見表2。

圖1 人工濕地中氮的變化規(guī)律

　　人工濕地系統(tǒng)中氮去除效率取決于濕地植物根區(qū)附近土壤的氧化還原狀況，因為硝化作用要求在好氧的條件下進行，而反硝化作用要求在厭氧的條件下進行。目前人工濕地系統(tǒng)TN去除率不高的主要原因是硝化-反硝化途徑不暢通，由于系統(tǒng)缺氧，不能提供良好的硝化作用環(huán)境條件，因而不能產(chǎn)生大量的反硝化作用底物——硝酸鹽，為反硝化作用打下基礎(chǔ)。要使硝化-反硝化途徑暢通，提高氮的去除率最重要的是提高濕地系統(tǒng)中的硝化作用強度。其措施包括：對進入濕地的污水進行暴氣，以增加水中的DO；或使污水中的氮素物質(zhì)在進入人工濕地前作預(yù)處理，使之轉(zhuǎn)化成NO3-N；也可以增加濕地植物的密度，或采用間歇進水方法，提高系統(tǒng)中的氧濃度。還有研究發(fā)現(xiàn)，人為提高濕地中BOD:NO3-N之比（如添加秸稈或甲醇），氮的去除率會大幅度提高，能從30%左右上升至80%～90%，原因是BOD:NO3-N比值太低時不利于反硝化作用的進行，當(dāng)比值上升到2.3時，反硝化率達(dá)到最大值。也有人提出可直接用C:N比來表示NO3-N的去除率，當(dāng)C:N> 5:1時，反硝化效率最高[6]。

表2　人工濕地對氮的去除率比較

研究者

濕地類型

污水類型

去除率（%）

備注

TN

NH4-N

NO3-N

丁延華

表面流

毛紡廠廢水和生活污水

64.6

59.4

75.3

人工濕地系統(tǒng)

岳春雷

垂直流

生活污水

72.10

 

 

人工濕地系統(tǒng)

靖元孝等

潛流型

生活污水

64

 

 

人工濕地系統(tǒng)

成水平等

 

 

 

40～96

 

人工濕地系統(tǒng)冬季～夏秋

Y. Ann等

 

 

67

61

72

 

Comin等

 

農(nóng)業(yè)徑流

84～98

 

 

人工濕地系統(tǒng)，西班牙

崔理華等

垂直流

城市污水

 

75～85

 

試驗階段

G. Sun等

 

農(nóng)業(yè)廢水

 

93.1

 

人工濕地系統(tǒng)

胡煥斌

 

礦山廢水

 

17.3～99.2

 

人工濕地系統(tǒng)

深圳市環(huán)科所

垂直流

生活污水

62.46

81.19

 

石巖一期人工濕地系統(tǒng)

2.3 對磷的去除效率

　　在人工濕地中磷主要是通過基質(zhì)的吸附、絡(luò)合及與Ca、Al、Fe和土壤顆粒的沉淀反應(yīng)及泥炭累積，植物的吸收，微生物去除等作用而去除。據(jù)資料顯示，人工濕地對各種類型污水中的TP的去除率為47.0%～97.2%[1、3]（表3）。

表3　人工濕地對磷的去除率比較

研究者

濕地類型

污水類型

TP去除率（%）

備注

丁延華

 

毛紡廠廢水和生活污水

55.1

人工濕地系統(tǒng)

岳春雷

垂直流

生活污水

94.25

人工濕地系統(tǒng)

靖元孝等

潛流型

生活污水

47.0

人工濕地系統(tǒng)

吳振斌

垂直流

東湖湖水

76.7

中試階段

崔理華等

垂直流

城市污水

77～91

試驗階段

成水平等

 

 

82.8～90

人工濕地系統(tǒng)

Y. Ann等

 

 

76

美國

Bhamidmarri等

 

 

90

人工濕地系統(tǒng)

深圳市環(huán)科所

垂直流

生活污水

97.20

石巖一期人工濕地系統(tǒng)

3 影響人工濕地處理效率的因素

3.1 人工濕地的類型

　　人工濕地的水流類型不同，其對不同污染物的去除效率也有差異。水平潛流濕地對BOD、COD等有機物和重金屬的去除效果較好，垂直流濕地對氮、磷的去除效果較好，表面流型濕地的處理效果一般。但如果將表面流型與潛流型、表面流型與垂直流型結(jié)合起來，去污效率會進一步提高[6]。根據(jù)對104座潛流型濕地系統(tǒng)和70 座表面流濕地系統(tǒng)的處理效果數(shù)據(jù)統(tǒng)計[7]，有如下結(jié)果。

　?。?）SS表面流濕地系統(tǒng)用于三級處理時出水SS< 20mg/L；用于二級處理時稍高，但通常也低于20mg/L。水平潛流濕地系統(tǒng)進水SS平均為140 mg/L，出水平均為12.4 mg/L。

　?。?）BOD5一般來說，當(dāng)潛流濕地系統(tǒng)進水BOD5平均為114 mg/L時，則出水平均為17 mg/L；表面流濕地系統(tǒng)進水BOD5平均為41 mg/L時，出水平均為11 mg/L。

　　有的學(xué)者認(rèn)為較高的長寬比可確保污水在濕地內(nèi)流經(jīng)較長距離，從而提高處理效果；但也有人認(rèn)為正方形的處理效果好于狹窄的長方形，原因是當(dāng)每天的灌入水量相同時，長方形的水流速度比正方形的要快，這樣不利于污染物的沉淀。不過目前北美動物糞水處理濕地的長寬比值平均為6.5:1，成典型長方形，而并非1:1的正方形[6]。

3.2 濕地植物種類

　　不同種類的濕地植物對污染物的去除效率也有一些差異。.植物的凈化能力主要與植物的生物量、根系的發(fā)達(dá)程度、根系的輸氧能力等因素有關(guān)。一般來說，植物的生物量較大、根系比較發(fā)達(dá)、根系的輸氧能力比較強的話，其凈化能力就比較強。Adcock等[8]研究了水麥冬和蘆葦兩種人工濕地植物的地上、地下和總的生物量、生長情況和組織中營養(yǎng)成分的含量，結(jié)果表明水麥冬具有明顯發(fā)達(dá)的根系和較高的地下生物量，對氮、磷的去除效果是蘆葦?shù)?倍。黃時達(dá)等研究了蘆葦、燈心草和菖蒲等三種植物的污染物凈化能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)燈心草的凈化能力最強，CODcr的去除率達(dá)到42%～46%。高吉喜等研究比較了7種濕地植物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，慈菇和茭白的綜合凈化能力最高。彭江燕等研究了蘆葦、水蔥、黃菖蒲、美人蕉和風(fēng)車草等5種植物的凈化效果，結(jié)果表明，氮和磷的吸收比例順序均為風(fēng)車草> 美人蕉 > 蘆葦 >黃菖蒲> 水蔥，風(fēng)車草有較高的氮磷去除能力。靖元孝的研究表明，種植風(fēng)車草的潛流型人工濕地對TN、TP、COD和BOD的去除效率分別為64%、47%、74%和74%。崔理華等[7]的研究表明，種植風(fēng)車草可提高NH4-N、TN和TP的去除率，與無植物系統(tǒng)相比分別提高2%～3%、4%～6%、10%～14%，說明風(fēng)車草是一種很好的濕地植物。此外，長苞香蒲和水燭等大型水生植物種類具有粗壯的根系和許多發(fā)達(dá)的不定根，是較佳的凈水植物。吳振斌等認(rèn)為須根系比根狀莖、匍匐莖等具有較好的污水凈化效果。其次，不同的植物對污染物的去除速率也不相同，日本學(xué)者對不同的植物去除氮和磷的速率進行了研究，結(jié)果見表4。

　　每種濕地植物都有它自己的特點，如果選擇幾種濕地植物進行合理的搭配，不僅會使?jié)竦氐膬艋侍岣撸覂艋Ч沧兊酶€(wěn)定，還很有可能解決NO3-N的凈化問題[6]。

表4　不同的植物對氮和磷的去除速率

植物

實驗時間（月）

總氮

總磷

平均去除速率g/m2·d

流入平均水質(zhì)（mg/L）

平均去除速率g/m2·d

流入平均水質(zhì)（mg/L）

空心菜

6~10

0.34~1.54

1.6~4.3

0.045

0.01~1.11

水芹

7~9

0.22

40~90

—

—

紙莎草

7~10

0.66~1.48

20~22

0.10~0.22

3.0~3.4

洋麻

7~10

0.81~1.41

20~22

0.18~0.21

3.0~3.4

水稻

5~9

0.05~0.37

2~31

—

—

3.3 基質(zhì)類型

　　不同的基質(zhì)對人工濕地的處理效果影響較大。人工濕地的基質(zhì)又稱填料，一般由土壤、細(xì)砂、粗砂、礫石、灰渣及石灰石、沸石等組成，不同的基質(zhì)對人工濕地的處理效果影響較大，并且某些基質(zhì)的組合要優(yōu)于單一基質(zhì)的處理能力。因此，根據(jù)污水中的污染物種類、特征可以選取不同的基質(zhì)或采用幾種基質(zhì)的組合。一般來說，含有機質(zhì)豐富的基質(zhì)有助于吸附各種污染物；土壤基質(zhì)的去污能力不如礫石基質(zhì)[6]；含CaCO3較多的石灰石基質(zhì)可以有效地去除磷，沸石-石灰石組合的基質(zhì)可以有效地去除TN、TP [9]；煤渣-草炭基質(zhì)對磷具有較強的吸附能力，在不種植濕地植物的情況下對TP的去除率可達(dá)到77.6%～85.0%，可以作為垂直流人工濕地系統(tǒng)的特殊基質(zhì)[1]；花崗巖-粘性土壤基質(zhì)能高效地去除污水中的磷，對TP的去除能力可達(dá)90%。

3.4 濕地中微生物種類和數(shù)量

　　廢水中各類污染物的去除與濕地系統(tǒng)中生長的微生物種類和數(shù)量有關(guān)。表5[10]列出了蘆葦濕地系統(tǒng)中不同微生物與廢水中不同污染物去除率之間的相關(guān)系數(shù)（r）值。相關(guān)系數(shù)的大小可以反映某一類微生物對某一類污染物的去除能力。由表5可知，不同微生物與BOD和COD的去除率之間均有明顯的相關(guān)性，說明人工濕地系統(tǒng)對BOD和COD有良好的去除率；廢水中NH4-N的去除與硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌都有明顯的相關(guān)性，說明硝化和反硝化作用是人工濕地系統(tǒng)去除氮的主要方式；廢水中磷的去除與濕地中的各類微生物均不具有明顯的相關(guān)性，這說明微生物不是人工濕地系統(tǒng)中去除的磷主要因素；廢水中總大腸桿菌的去除與放線菌和原生動物的數(shù)量有明顯的相關(guān)性，這說明人工濕地系統(tǒng)中的放線菌和原生動物是去除大腸桿菌的主要作用者。

3.5 環(huán)境因子的影響與管理措施

　　溫度、水力停留時間、水力負(fù)荷、濕地的運行管理等均會對人工濕地的去污效果產(chǎn)生影響。水溫在20～25℃時生物去污的效果最好，低于10℃時，處理效果會明顯下降，因此，夏天的處理效果會好于冬天[2、6]。陳博謙等的研究表明，細(xì)菌的反硝化作用受溫度影響，在10～30℃范圍內(nèi)，高溫有利于反硝化。但溫度高于30℃，則會對硝化反硝化過程產(chǎn)生抑制作用[6]。Yang等也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濕地運作一段時間（如3年）后，去污效果基本不再受環(huán)境因子（如溫度、污水流量等）影響。

表5　蘆葦濕地系統(tǒng)中不同微生物與污染物去除率之間的相關(guān)性（r）

微生物

BOD

COD

NH4-N

PO43--P

總大腸桿菌

真菌

放線菌

兼性厭氧菌

硝化細(xì)菌

反硝化細(xì)菌

原生動物

細(xì)菌總數(shù)

0.54

0.74

0.44～0.83

0.76

0.75

0.61～0.74

0.90

0.40～0.59

0.71

0.39～0.81

0.77

0.75

0.63～0.71

0.86

0.34～0.41

0.29～0.48

0.66

0.72～0.91

0.82～0.89

0.28～0.44

0.46～0.64

0.16

0.02～0.08

0.11

0.35

0.38

0.06～0.25

0.09～0.14

0.53

0.91

0.85

0.34～0.44

0.42～0.45

0.93～0.97

0.62～0.68

　　廖新俤等[2]的研究表明，在一定進水濃度范圍內(nèi)，香根草和風(fēng)車草人工濕地對豬場廢水主要污染指標(biāo)的去除率受廢水停留時間的影響，停留時間延長，去除率提高，但停留時間太長，濕地占地面積很大，從去除效果和實際需要出發(fā)，秋季和春季香根草和風(fēng)車草人工濕地的水力停留時間可以選擇3d或5d，但與3d比較，5d情況下雖然處理效果改進，但濕地占地面積大。此外污水負(fù)荷也會影響污染物的去除率，在冬季，進水濃度對濕地去除SS影響較大，從總趨勢來看，SS的去除率隨進水濃度的增大而下降；在夏季，進水濃度影響COD、BOD、和SS的去除率，其影響程度因不同范圍的進水濃度而異。例如，在夏季，香根草和風(fēng)車草人工濕地在進水濃度高達(dá)1000～1400mg/L情況下，COD去除率接近90%，即出水COD在100～150mg/L以下，當(dāng)進水COD在400mg/L以下時，出水COD均在100mg/L以下，當(dāng)進水COD在250mg/L以下時，出水COD可控制在50mg/L以下；在冬季，在進水濃度高達(dá)1003mg/L情況下，COD去除率在70%以上，即出水COD在300mg/L以下，當(dāng)進水COD在345.68mg/L時，出水COD均在100mg/L以下。丁延華的研究表明，蘆葦濕地的水力負(fù)荷應(yīng)在6cm/d以下，有機負(fù)荷應(yīng)在80kg/hm2·d以下，最佳停留時間為4～6d。表6～表9給出了濕地系統(tǒng)各環(huán)境因子與去除率的比較。

表6　濕地系統(tǒng)夏季與冬季去除率的比較

項目

BOD5

SS

TN

NH4-N

大腸桿菌

夏季去除率（4～11）

冬季去除率（12～3）

85.9

84.4

93.7

94.0

65.8

60.5

66.6

43.0

99.9

99.9

表7　污水滯留時間與去除率的關(guān)系

滯留時間（h）

去除率（%）

TN

TP

1

10

15

2

15

18

4

25

30

8

35

45

12

42

55

26

45

-

35

70

75

表8　單位水面積污染物負(fù)荷與去除率的關(guān)系

單位水面積污染物負(fù)荷（m3/m2/日）

去除率（%）

TN

TP

0.3

35

42

0.6

23

30

1.15

10

18

表9　污染物負(fù)荷速度與去除率的關(guān)系

負(fù)荷速度（g/m2/日）

去除速度（g/m2/日）

負(fù)荷速度（g/m2/日）

去除速度（g/m2/日）

TN

TP

0.9

0.3

0.18

0.075

1.8

0.45

0.28

0.080

3.9

0.4

0.50

0.080

　　濕地在運行過程中，采取一些措施可以提高處理效果。例如，往水中加入一定量的明礬[Al2(SO4)3]會使磷的凈化效率顯著升高，主要原因是由于Al3+與PO43-結(jié)合生成AlPO4沉淀[6]。最近發(fā)現(xiàn)FeCl3固化磷酸根的效果比明礬好[3]。

4 人工濕地污水處理技術(shù)研究展望

4.1 進一步加強人工濕地處理污水機理的研究

　　人工濕地處理污水的機理非常復(fù)雜，設(shè)計的范圍也很廣，目前，雖然有些機理研究已經(jīng)得到初步的認(rèn)可，但仍然存在很多問題需要進一步研究，如污水中的有機污染物、無機污染物、金屬污染物的去除過程與機理；根際微生態(tài)系統(tǒng)的綜合作用；有機物、無機化合物和金屬離子在濕地系統(tǒng)內(nèi)的相互作用及其對植物、微生物和土壤的影響等[6]。

4.2 如何提高處理效果，使?jié)竦叵到y(tǒng)可持續(xù)發(fā)展

　?。?）加強濕地植物的篩選工作，選擇一些耐污能力強，去污效果好的濕地植物，同時加強多種植物的合理搭配的研究，因為單一物種的凈化能力總是有限的。通過植物的合理搭配，既有利于群落的快速形成，也具有較高污染物凈化能力，還具有較高的觀賞價值，同時對人工濕地雜草生物的抑制以及對減少殘體對濕地植物生長的影響均有重要意義。

　?。?）重點研究在提高人工濕地氧化硝化能力的同時如何提高其反硝化能力，解決硝態(tài)氮的高效去除問題。

　?。?）填料的類型直接影響濕地系統(tǒng)的凈化能力，尤其是對磷的去除。因此，加強填料的篩選，特別是幾種填料的合理搭配，也是今后應(yīng)該優(yōu)先考慮的工作。另外，如何防止填料堵塞，使其長久保持處理能力也是值得研究的一個課題。

4.3 加強人工濕地對特殊工業(yè)廢水處理的研究，不斷擴大應(yīng)用范圍

　　目前我國人工濕地技術(shù)的研究還停留在處理小規(guī)模的生活污水，而發(fā)達(dá)國家已將工作重點轉(zhuǎn)移到處理特殊工業(yè)廢水的研究上，如富集、凈化重金屬、有毒物質(zhì)、石油化工廢水等方面。因此，我們應(yīng)加強這方面的研究，深入研究特征污染物對人工濕地系統(tǒng)中氧的供應(yīng)及對植物輸氧能力的影響；研究貧營養(yǎng)、低濃度、高鹽、高毒、難降解有機廢水的去污機理及其對人工濕地系統(tǒng)的影響，促進人工濕地在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用。

4.4 改良人工濕地技術(shù)

　　目前，世界各國都投入大量精力以改良人工濕地技術(shù)，將一些傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)引入人工濕地。如北美濕地工程公司（NAWF）借鑒污泥回流技術(shù)和鼓風(fēng)暴氣開發(fā)了循環(huán)流濕地工藝。這些工藝已成功地應(yīng)用于數(shù)年前還被認(rèn)為不適宜采用人工濕地處理污水的地區(qū)（氣候太冷或污水濃度太高）。

5 結(jié)束語

　　人工濕地系統(tǒng)是一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，它形成了內(nèi)部良好的循環(huán)，不僅對污水有較好的凈化效果，而且具有較好的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益。發(fā)達(dá)國家已被用來處理各種類型的廢水，發(fā)展中國家發(fā)展人工濕地技術(shù)的潛力更是巨大的，在我國該項技術(shù)將會得到越來越廣的應(yīng)用。

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