人工湿地污水处理技术研究进展

湿地是地球上水陆生态系统中独特的、重要的生物生存环境和最富生物多样性的自然生态景观之一。它在抵御洪水、调节径流、改善气候、控制污染、美化环境和维护区域生态平衡等方面具有非常重要的作用，被誉为“自然之肾”。
  1 国内外研究现状概述
  1953 年，德国Max Planck 研究所的Dr.Kathe Seidel 博士在研究中发现芦苇能够去除污水中大量的有机和无机物质，随后开发出Max—Planck Institute Process 系统。1977 年由Kickuth 提出了“根区法”(采用栽种芦苇的水平潜流湿地使有机物降解，硝化反硝化去除N，沉淀去除P)，标志着人工湿地污水处理机理的初步萌芽。与此同时，美国的国家空间技术实验室研究开发了“厌氧微生物和芦苇处理污水”复合系统。此后，人工湿地处理污水技术不断完善，并于20 世纪80，90 年代在欧洲、美国、加拿大、日本等地得到了广泛的应用。
  按照工程设计和水体流态的差异，人工湿地污水处理系统可以分为表面流湿地、水平潜流湿地和垂直流湿地3 种主要类型，各类型在运行、控制等方面的诸多特征存在着一定的差异。其中，表面流湿地不需要砂砾等物质作填料，造价较低，但水力负荷较低，该类型在美国、加拿大、新西兰、瑞典等国有较多分布。水平潜流湿地的保湿性较好，对有机物和重金属等去除效果好，受季节影响小，目前在欧洲、日本应用较多。垂直流湿地综合了前两者的特点，但其建造要求较高，至今尚未广泛使用。早期的人工湿地主要用于处理城市生活污水或二级污水处理厂出水，目前已被国内外许多学者或工程技术人员，经过工艺改进或者与其他系统进行组合后用于农业面源污染、城市或公路径流等非点源污染的治理[2]。此外，最近发达国家已经将重点转移到利用人工湿地处理特殊工业废水方面。将人工湿地用于处理特殊工业废水，这是人工湿地未来发展的一个新特点和趋向[3]。
  我国进行湿地处理系统研究较晚，在“七五”期间才开始了人工湿地研究工作，仍处于起步阶段。目前人工湿地的研究和应用正方兴未艾。继天津市环保所建成的我国第一个芦苇湿地工程之后，1989 年于北京昌平区、1990 年于深圳白泥坑等地建成了湿地处理系统示范工程，效果良好（BOD去除率90%，COD去除率80.47%，SS去除率93%）[4]。1990 年，国家环保局华南环保所与深圳东深供水局建立了人工湿地示范工程，处理规模为3 100m3/d，其出水达到了二级处理水平。1999 年，漳州市天宝造纸厂因地制宜，利用荒废的低洼地建造小型水葫芦—水草人工湿地，进行厂外废水治理，处理后出水灌溉香蕉园，实现了废水不外排，具有农业生态特征的废水治理模式，为我国乡镇造纸企业废水治理提供了有益的参考。2002 年，日处理污水50 000 m3 的人工湿地污水处理厂在江苏泅洪县竣工,深圳市、沈阳市、上海市也在开展积极的设计、规划工作。
  2 研究内容
  2.1 人工湿地污染物的去除机理
  人工湿地污染物的去除机理研究仍处于起步阶段，人工湿地污水处理普遍认同的机理是硝化反硝化去除N，沉淀去除P 的概括性描述，进一步研究难度很大，因为涉及到生物、物理、化学等多个学科，而且难以从微观角度定量化。
  去除机理主要包括微生物、植物、土壤对污染物的去除机理。人工湿地有机物降解的基础机制是微生物的硝化和反硝化活动，丰富的微生物资源为湿地污水处理系统提供了足够的分解者。湿地植物对氮的去除主要通过以下途径：氨的挥发作用、NH4+的阳离子交换作用、吸收、硝化和反硝化作用等。湿地植物对磷化物的处理除作为营养成分吸收外，还可以通过在苗床基质中的吸附、络合和沉淀反应来去除。湿地土壤对有毒物质的“净化”机理，主要是通过沉淀作用、吸附与吸收作用、离子交换作用、氧化还原作用和代谢分解作用等途径实现的。
  2.2 人工湿地处理污水的效率
  1）对有机物的去除效率。综合国内外有关学者对人工湿地净化城市污水的研究数据，在进水浓度较低的情况下，人工湿地对BOD5 的去除率可达85%～95%，对COD 的去除率可达80%，处理出水BOD5 的浓度在10 mg/L 左右，SS 小于20mg/L[5]。
  2）对氮的去除效率。废水中的氮以无机氮和有机氮两种形式存在，无机氮可以被人工湿地中的植物吸收，合成植物蛋白质，植物的收割对湿地系统除氮有直接贡献，但这一部分氮仅占总氮量的8%～16%。微生物的硝化和反硝化作用在氮的去除中起着重要作用。目前人工湿地系统TN 去除率不高的主要原因是硝化-反硝化途径不畅通，提高氮的去除率最重要的是提高湿地系统中的硝化作用强度。还有研究发现，人为提高湿地中BOD与NO3-N 之比（如添加秸秆或甲醇），氮的去除率会大幅度提高，能从30%左右上升至80%～90%，原因是BOD∶NO3-N 的比值太低时不利于反硝化作用的进行，当比值上升到2.3 时，反硝化率达到最大值。
  3)对磷的去除效率。在人工湿地中磷主要是通过基质的吸附、络合及与Ca，Al，Fe 和土壤颗粒的沉淀反应及泥炭累积，植物的吸收，微生物去除等作用而去除。据资料显示，人工湿地对各种类型污水中的TP 的去除率为47.0%～97.2%[6]。
  2.3 影响人工湿地处理效率的因素
  1）人工湿地的类型。人工湿地的类型不同对不同污染物的去除效率也有差异。水平潜流湿地对BOD，COD 等有机物和重金属的去除效果较好，垂直流湿地对氮、磷的去除效果较好，表面流型湿地的处理效果一般。但如果将表面流型与潜流型、表面流型与垂直流型结合起来的复合湿地，去污效率会进一步提高[7]。
  2）湿地植物种类。一般来说，植物的生物量较大、根系比较发达、根系的输氧能力比较强的话，其净化能力就比较强[7]。其次，不同的植物对污染物的去除速率也不相同，日本学者对不同的植物去除氮和磷的速率进行了研究。
  3）基质类型。一般来说，含有机质丰富的基质有助于吸附各种污染物；土壤基质的去污能力不如砾石基质[3]；含CaCO3较多的石灰石基质可以有效地去除磷，沸石-石灰石组合的基质可以有效地去除TN，TP [6]；煤渣-草炭基质对磷具有较强的吸附能力，在不种植湿地植物的情况下对TP 的去除率可达到77.6%～85.0%，可以作为垂直流人工湿地系统的特殊基质；花岗岩-粘性土壤基质能高效地去除污水中的磷，对TP 的去除能力可达90%[5]。
  4）湿地中微生物种类和数量。废水中各类污染物的去除与湿地系统中生长的微生物种类和数量有关，相关系数的大小可以反映某一类微生物对某一类污染物的去除能力。不同微生物与BOD和COD 的去除率之间均有明显的相关性，说明人工湿地微生物系统对BOD 和COD 去除率的贡献；废水中NH4-N 的去除与硝化细菌和反硝化细菌都有明显的相关性，说明硝化和反硝化作用是人工湿地系统去除氮的主要方式；废水中磷的去除与湿地中的各类微生物均不具有明显的相关性，这说明微生物不是人工湿地系统中去除的磷主要因素；废水中总大肠杆菌的去除与放线菌和原生动物的数量有明显的相关性，这说明人工湿地系统中的放线菌和原生动物是去除大肠杆菌的主要作用者[6]。
  5）环境因子的影响与管理措施。温度、水力停留时间、水力负荷、湿地的运行管理等均会对人工湿地的去污效果产生影响。水温在20～25 ℃时生物去污的效果最好，低于10 ℃时，处理效果会明显下降。因此，夏天的处理效果会好于冬天[9]。有研究表明，细菌的反硝化作用受温度影响，在10～30℃范围内，高温有利于反硝化。但温度高于30 ℃，则会对硝化反硝化过程产生抑制作用[7]。也有研究发现，当湿地运作一段时间（如3 年）后，去污效果基本不再受环境因子（如温度、污水流量等）影响。
  3 人工湿地污水处理技术研究展望
  1）进一步加强人工湿地处理污水机理的研究。人工湿地处理污水的机理非常复杂，设计的范围也很广。目前，虽然有些机理研究已经得到初步的认可，但仍然存在很多问题需要进一步研究，如污水中的有机污染物、无机污染物、金属污染物的去除过程与机理；根际微生态系统的综合作用；有机物、无机化合物和金属离子在湿地系统内的相互作用及其对植物、微生物和土壤的影响等[9]。
  2）人工湿地处理农村污水示范研究。人工湿地在解决我国农业面源污染和农村生活污水方面具有独特的优势，应加大人工湿地处理农村污水示范研究，探讨适合我国国情的农村污水处理方式，并通过集成示范，查找技术中存在的问题，为进一步大范围推广打下良好的基础，
  3）湿地系统优化运用研究。①加强湿地植物的筛选工作，选择一些耐污能力强，去污效果好的湿地植物，同时加强多种植物的合理搭配的研究。
  ②重点研究在提高人工湿地氧化硝化能力的同时如何提高其反硝化能力，解决硝态氮的高效去除问题。③填料的类型直接影响湿地系统的净化能力，尤其是对磷的去除。加强填料的筛选和如何防止填料堵塞，是今后应该优先考虑的工作。
  4 结语
  人工湿地系统是一个完整的人造生态系统，它形成了良好的生态循环，不仅具有较好的污水净化效果，而且具有较好的生态和经济效益。目前发达国家已用人工湿地处理各种类型的废水，发展中国家发展也应大力发展人工湿地技术，在我国该项技术将会得到越来越广的应用。