人工湿地污水处理技术研究综述

利用人工湿地处理净化污水，是近年来发展起来的一项新技术。文章综述了人工湿地的构造、特点，去除污染物的效果、机理、影响因素。同时指出了人工湿地技术存在的问题，并提出了改进措施。
文章编号：1002-2724(2009)04-0124-05
湿地是地球上一种重要的生态系统，享有“地球之肾"的美誉，处于陆地生态系统与水生生态系统之间。湿地不仅可以调蓄水量，调节气候，为珍奇动物提供良好栖息地，而且还可以净化污水。人工湿地是一种由人工建造和监督控制的，与沼泽地类似的地面，它利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化。
1 人工湿地的构造及特点
人工湿地是在一定长宽比及底面坡降的浅池或低洼地中，按一定坡度填充选定级配的填料(如土壤、砾石)组成填料床，废水在填料床体的缝隙中流动或在床体表面流动，并在填料床表层种植具有处理性能好、成活率高、生长周期长、根系发达、美观及具有经济价值的水生植物(如水葫芦、菹草、芦苇等)而构成的一个独特的生态系统。人工湿地按污水在湿地床中流动的方式一般可分以下3类：表面流湿地，潜流湿地，垂直流湿地[3、4]。也可将这三种最基本的方式进行搭配，从而形成复合流人工湿地。
1.1 表面流湿地(Surface Flow Wetlands，缩写为SFW)
废水在填料表面漫流，水深较浅(一般在0.1～0.6 m)，它与自然湿地最为接近，绝大部分污染物的去除依靠植物根茎的拦截作用以及根茎上生成的生物膜的降解作用来完成。这种湿地造价低，运行管理方便，但是不能充分利用填料以及植物根系的作用，在处理废水的过程中容易产生异味、孳生蚊蝇，在实际应用中一般不采用。
1.2 潜流湿地(Subsurface Flow Wetlands，缩写为SSFW)
废水在填料表面下渗流，一方面，可充分利用填料表面及植物根系上生物膜及其他各种作用处理废水；另一方面由于水流在地表下流动，保温性好，处理效果受气候影响较小，而且卫生条件比较好，是目前国际上较多研究和应用的一种湿地处理系统，但此系统的投资比表面流湿地系统略高。
1.3 垂直流湿地(Vertical Flow Wetlands，缩写为VFW)
水流结合了SFW和SSFW的特点，虽然投资较高，但因其表面水力负荷大，能节约用地等优点越来越受到青睐。
2 人工湿地去除污染物的效果
多年的研究表明，人工湿地处理污水的效果是显而易见的，优于传统的污水处理工艺。在进水浓度较低的情况下，人工湿地对污水中BOD5的去除率可达85%～95 %，COD去除率可达80 %以上，处理污水中的BOD5浓度在10 mg/L左右，SS浓度小于20 mg/L。湿地对农药、细菌总数等的去除率也很高，可超过90%，对重金属如Fe，Cu，Pb，Zn，Cd和Mn等的去除率则大都在90 %以上。但人工湿地对氮磷的去除率相对较低且不稳定，一般在50 %～86 %，在有预处理设施和处理面积足够大的条件下，其总氮和总磷的去除可达90 %以上[7、8]。由于人工湿地类型、基质和植物的选取以及气候和污染物浓度等方面的差异，污染物的去除率具有一定的波动范围。
3 人工湿地对污染物的去除机理
人工湿地对废水的处理综合了物理、化学和生物3种作用。其净化机理独特而复杂，污染物种类不同其去除机理也不尽相同。
3.1 有机物的去除
人工湿地的显著特点之一是对有机污染物有较强的去除能力。废水中的不溶性有机物主要通过填料床沉淀、过滤作用而被截留在湿地中，并可被微生物利用。国内有关对城市污水的研究表明，污水中的不溶性BOD5(约占污水总BOD5的50 %)和COD可在进水的5m内通过截留和沉淀作用而被快速去除。可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收和生物代谢降解作用而被去除[11、12]。生物降解主要通过耗氧和厌氧代谢得以实现，从而降低污水的COD和BOD。好氧代谢过程可简述为：复杂有机物+ O2→CO2↑+ H2O+稳定产物，其反应过程中的氧主要来自水面复氧和植物向根区的过量氧传导，生成的稳定产物可被微生物用于细胞合成。厌氧代谢过程较慢，只能去除少量的COD和BOD，反应过程为：复杂有机物→CO2↑+ CH4↑+不稳定产物。
3.2 氮的去除
污水中氮一般以有机氮和无机氮(NH+4-N和NO-3-N)两种形式存在。其中有机氮在处理过程中在异养微生物的作用下最终转化为氨氮(NH4-N)，因此我们主要研究的是无机氮的去除机理。废水中无机氮作为植物生长过程中不可缺少的物质可以直接被植物摄取，合成植物蛋白质等有机氮，通过植物的收割而从湿地系统中去除。另外，人工湿地中的填料也可通过一些物理和化学的途径，如吸收、吸附、过滤、离子交换等去除污水中的一部分氮。但是无机氮主要还是通过在微生物的作用下通过硝化、反硝化反应来去除的。湿地中的植物将氧气从上部输送至主根部，从而在植物根区附近形成一个好氧环境，而离根区较远的地方形成缺氧环境，更远的区域则形成厌氧环境，这相当于许多串联或并联A/ O处理单元，使硝化和反硝化作用可以同时进行。硝化作用在好氧环境下由自养型好氧微生物完成，它包括两个步骤，第一步由亚硝酸菌将NH+4-N转化为NO-2；第二步则由硝酸菌将NO-2进一步氧化为NO-3。反硝化作用在厌氧、缺氧条件下进行，反硝化菌利用NO-3中的氧进行呼吸，氧化分解有机物，将NO-3还原为N2、N2O，并从系统中逸出。硝化作用只改变氮的形式(将NH+4-N转化为NO2-N和NO-3N)，反硝化作用才可使氮以N2和N2O的形式从湿地系统中根本去除。所以，人工湿地比传统活性污泥处理系统(一般无法完成反硝化作用)具有更强的除氮能力，其投资较人工的A/A/O系统也节省得多。
3.3 磷的去除
污水中磷的存在形式最常见的有磷酸盐(包括PO43-，HPO42-，H2PO-4)、聚磷酸盐和有机磷酸盐等。人工湿地除磷主要是通过湿地植物的吸收利用、微生物的积累以及填料的物理化学作用这3种途径来完成的。
磷和氮一样，也是植物生长不可缺少的元素。废水中的无机磷部分在植物的吸收和同化作用下，被合成ATP等有机成分，最后通过植物的收割而被去除。微生物对磷的去除包括对磷的正常吸收(将磷纳入其分子组成)和聚磷菌对磷的过量积累。在传统的二级污水处理工艺中，微生物对磷的正常同化吸收一般只能去除进水中磷含量的4.5 %～19.0 %，因而，微生物对磷去除主要是通过聚磷菌的过量摄磷作用而实现的。由于人工湿地中植物的光合作用及呼吸作用的交替进行，致使系统中交替地出现好氧和厌氧条件，聚磷菌通过在厌氧条件下的放磷及在好氧条件下的摄磷而达到去除磷的目的。填料的物理化学作用包括填料对磷的吸附、过滤及与磷酸根离子的化学反应。研究发现，可溶性的无机磷很容易与填料中的A1、Fe、Ca等发生吸附和沉淀反应，其中无机磷与Ca易于在碱性条件下发生作用，而与Al、Fe主要是在中性或酸性环境条件下发生反应。一般认为，填料的吸附、沉淀作用在湿地除磷中起着非常重要的作用。Reddy在研究中发现在人工湿地中7%～87%的磷可能通过沉淀或吸附反应而降解。与此同时，填料的吸附沉淀能力会因填料的不同而有差异，并且这种作用是有限度的，当吸附达到饱和以后，除磷效果就会减弱。
3.4 重金属的去除
人工湿地中重金属的去除主要有以下几个过程：土壤或填料对溶解性重金属的吸附和反应、植物对溶解性重金属的吸收作用、不溶性重金属随悬浮颗粒沉淀以及溶解性重金属以难溶性化合物的形式沉淀。土壤或填料对重金属的吸附分为离子交换吸附和专性吸附。通常情况下，土壤或填料表面吸附有阳离子，如H+、Al3+、Ca2+、Mg2+等，这些离子易被吸附竞争力强的重金属离子取代，发生交换吸附。专性吸附指在有大量碱土金属或碱金属离子存在时，湿地填料对痕量浓度的重金属阳离子的吸附作用。专性吸附很牢固，可减少重金属对生物的毒害。湿地植物也可通过吸收作用累积重金属，并通过地上部分的收割将其从系统中去除。尽管重金属会对植物产生毒害作用，但有些植物吸收重金属后，在植物体内能分泌一些络合物质与重金属螯合而去掉重金属的毒性。例如，风眼莲在吸收镉、铬、铅、汞、砷、硒、铜、镍等重金属后，体内产生具有重金属络合作用的金属硫肽，从而使这些重金属在植物体内富集而不产生毒害作用。土壤中微生物对重金属的去除也有相当的作用，它们可通过胞外络合作用、胞外沉淀作用固定重金属，还可把重金属转化为低毒状态，但也有的被转化为毒性更强的物质。
4 影响人工湿地去污效率的外界因素
影响人工湿地净化效果的外界因素很多，主要有温度、pH、溶解氧、水力负荷、污染负荷及水利停留时间等。
4.1 温度
湿地对氮、磷等污染物的去除主要依靠土壤的吸附、截留、水生植物的吸收、土壤中微生物的降解和转化作用来完成，而植物与微生物的生长与繁殖能力受温度和季节的影响较大。有研究表明，微生物最适宜的生长温度是20℃～40℃，在此范围内，温度每增加10℃，微生物的代谢速率将提高1～2倍。杨昌风等对模拟人工湿地处理污水的实验结果发现，气温在32℃范围内，湿地系统对TN、TP的去除率随着温度的升高而增大。在季节方面，David等通过三年的实验研究也发现湿地对氮、磷的净化在夏、秋温度高的季节更容易发生。温度较低的条件下，人工湿地对氮、磷净化效果降低的主要原因就在于植物和微生物的代谢活性的降低。
4.2 pH值
pH影响湿地中微生物的活性，从而影响对氮、磷等营养物质的去除。微生物的生命活动只有在一定的pH值条件下才能发生。一般地，氨化作用的最佳pH值范围是6.5～8.5，硝化作用的最佳pH值范围是7.5～8.6，而反硝化作用的最佳pH值范围为7.0～8.0。此外，Reddy K R等研究发现，在酸性和中性pH条件下，根区附近的亚硝化细菌和硝化细菌活动增强，其中硝化作用占主导地位；而当处于碱性pH条件下时，NH+4-N的挥发作用以及可溶性正磷酸盐的化学沉淀作用就占主导作用.从而影响了湿地对氮磷等营养物质的去除。与此同时，詹发萃等也发现，凤眼莲在不同的pH条件下培养时，其微生物群落活性不相同，其净化效率也不相同。
4.3 溶解氧(DO)
在人工湿地中，植物和微生物的呼吸作用等生命活动均需要消耗氧气，系统的氧环境对污染物的去除具有非常重要的影响，直接关系到湿地系统的正常运转及净化效果。湿地整体处于缺氧条件下时，硝化和反硝化的脱氮途径将难以畅通，研究表明，溶解氧含量是制约硝化作用发生的主要因素。但是，反硝化作用又是一个严格的厌氧过程，当系统中溶解氧的浓度超过0.2 mg/L时，反硝化作用则难以发生。因此，人工湿地系统需要同时存在好氧、厌氧两种不同的环境。同时研究还发现，湿地中磷的释放通常与厌氧条件有关，而磷浓度的降低与好氧条件有关。这主要是因为：厌氧条件下，基质中的Fe3+被还原成Fe2+，铁磷化合物的溶解度增加，从而导致了磷的释放；好氧条件下，Fe2+被氧化成Fe3+形成了铁磷化合物沉淀。目前，改善人工湿地氧状况的方法主要有：人工曝气，对污水进行硝化作用的前处理，增加湿地植物的密度，采用间歇进水以及选用粒径大、空隙度高的材料作基质等。
4.4 水力负荷及污染负荷
水力负荷是人工湿地的一个重要的设计参数。一般情况下，常规人工湿地的水力负荷为0.2～0.4m3/m2/d，且潜流型湿地比表面流湿地水力负荷高。大量的研究表明，随水力负荷的增加，人工湿地的处理效率将下降。但汪俊三等人采用人工湿地对星云湖富营养化水体进行处理时，将水力负荷提高到了l.0 m3/m2/d，结果表明对非离子氨，叶绿素a和蓝藻平均去除率均在90.0 %以上，对TP去除率达68.8 %，对BOD5，NH+4-N，TN也均有很好的去除效果。因此，合适的水力负荷应视水质情况、特定的气候、填料条件及种植植物的类型等因素而定。
人工湿地的污染负荷取决于水力负荷及污染物的浓度，显然污染负荷的增加，将降低其去除效率，因为湿地的处理负荷是有限的。张荣社等研究了约40种入水负荷下人工湿地的脱氮效果，各潜流湿地系统的入水负荷由400 mg/m2/d变化至8000mg/m2/d，研究结果表明，潜流湿地出水负荷随着入水负荷的升高而升高，具有明显的线性相关关系；单位面积总氮的去除率在低负荷条件下随入水负荷的升高而升高，但在高负荷时单位面积去除率基本维持在一定的水平，不受入水负荷的影响，且去除率变化波动较大；并指出各潜流湿地系统的最佳运行范围在2000～4000 mg/m2/d之间。此外，还有研究发现，间歇负荷有助于提高氮磷的去除效果，如果维持人工湿地周期性的干湿状态，氮磷的去除效率可以提高1倍[30、31]。4.5 水力停留时间
水力停留时间影响湿地对总氮和总磷等的去除效果。在一定范围内，随着停留时间延长，氮磷去处效果会成指数提高。然而，当停留时间超过一定的范围后，处理效果会下降，同时可能存在污染物质重新释放或者发生可逆反应过程。理论上讲，人工湿地最大流量下水力停留时间超过2 d只能是浪费，因为悬浮物去除以后，进水区域的厌氧环境条件，不会对溶解性物质和沉降后的沉积物产生可观的去除效果。Kadlec和Knight研究发现，在湿地处理系统末尾部分(植被净化区)中，1～2 d的停留时间就可以达到90 %的NO-3N去除率。因此，水力停留时间对于湿地设计非常重要。时间过短达不到好的处理效果甚至不达标，而时间较长则是一种浪费。
5 人工湿地技术存在的问题及改进措施
5.1 占地面积大
人工湿地净化的机理与特点使其与传统的污水处理工艺相比较需要较大的占地面积，一般认为大约是传统污水处理工艺的2～3倍左右。这一缺点成为人工湿地在用地紧张的大城市被广泛推广的一大障碍。由于自身处理过程的特殊性，使得人工湿地技术在占地上的问题很难完全解决。但可以采取适当的措施减少其占用有效的土地资源。例如，选址时考虑到环境、经济效益并综合最优化和规模化的因素，可将工程建设在市郊区域，这样既不占用宝贵的市区土地资源，又可减轻风沙等对市区的影响和破坏。另外，可采用组合工艺，以提高净化效率，减少占地面积。
5.2 易发生堵塞
随着时间推移，湿地中部分营养物质会逐渐积累，湿地中的微生物也相应繁殖，再加上植物的腐败，若维护不当，很容易产生淤积、阻塞现象。这种现象不仅会影响水的流速，而且会影响水的复氧，从而影响到微生物的活性进而影响到处理效果。可采取以下措施来解决湿地堵塞问题：选择适当的填料最好是多孔质轻且不易板结的便宜材质，采用合适的操作工艺，可以通过一定的间歇进水来恢复湿地的渗透速率；选择适当的植物密度并及时维护。
5.3 温度的问题
低温将导致湿地中微生物的活性下降和植物的死亡。对于自由表面流湿地而言，由于水面位于湿地基质以上，低温时表面会结冰，冰层的覆盖不仅阻碍了大气的复氧过程，使生化水平降低，而且冰层的存在减少了有效水深，缩短了停留时间，从而影响了处理效果。因此，低温会导致湿地处理效果的显著降低。可采取以下措施来适当的降低温度带来的影响：在寒冷地区采用潜流人工湿地处理工艺；在设计时布置覆盖物，作为隔离，以解决冰冻问题；加强前处理单元，以减轻湿地的处理负荷，从而适当降低温度对处理效果的影响。