人工湿地污水处理应用现状及发展前景展望

张雁秋，曹文平

(1.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221008;2.徐州工程学院，江苏 徐州 221018)

人工湿地污水处理应用现状及发展前景展望

张雁秋1，曹文平2

(1.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221008;2.徐州工程学院，江苏 徐州 221018)

人工湿地是一种污水生态净化工程技术，因为成本低廉、管理方便、处理效果好而被广泛应用.文章在阐述人工湿地作用原理的基础上，分析了人工湿地在应用研究中出现的问题，探讨了人工湿地在未来科学研究和工程应用中亟需解决的关键技术问题，为人工湿地的研究和工程设计提供一定的参考.

人工湿地；生态工程；污水处理；生态修复

人工湿地是根据天然湿地水质净化原理人工建造的湿地，具有天然湿地的净化功能，同时还具有改善微区域环境的功能[1-2].人工湿地通过系统内物理、化学、生物学以及生态的作用，实现水质净化和生态修复的目的，具有管理方便、成本低廉、区域生态效应明显等优点.

人工湿地由两部分组成，即植物和基质(吸附生长的微生物).植物是人工湿地中重要成分之一，为基质提供氧气和形成“根区”(包括好氧区、缺氧区和厌氧区)，同化吸收污染物，并有调节局部微环境的作用，对湿地的净化作用非常重要.相对于湿地植物而言，基质是污染物去除和削减的关键，基质的粗糙程度将决定微生物量和微生物种群数；基质的吸附容量将决定污染物吸收效果(特别是磷的去除效果)和湿地使用寿命；基质孔隙率决定了湿地是否堵塞、过水效果、污染物去除效果、传质特性和湿地生长效果等，所以基质的研究和发展，对人工湿地的发展起着重要作用.选择效果良好、模式新颖或适应相关水质的基质，对湿地净化效果和使用寿命起着关键作用[3-4].

1 人工湿地的应用现状

从1974年西德建造使用人工湿地开始，人工湿地技术在许多发达国家得到迅速发展，其净化机制、湿地植物选择、湿地净化效果人工干预等方面的研究也不断深入[5-7].人工湿地技术已被广泛应用于城镇生活污水处理、化工污水处理、工业污水处理、尾水处理等，效果较为明显[8-10]，详见表1.

表1 人工湿地处理各种废水的效果

续表1

2 人工湿地运行仍存在的问题

2.1 脱氮效率较低

湿地系统中氮的去除机制包括挥发、氨化、硝化与反硝化、植物摄取和基质吸附等.其中，微生物的硝化与反硝化作用被认为是湿地脱氮的主要途径.不同基质类型的湿地其脱氮的机制有所不同，脱氮效率也相差较大.目前，应用较广泛的人工湿地基质主要有炉渣、土壤、砾石和石灰石等[11-12]，但是这些基质的脱氮效率普遍不高.

生物脱氮的制约因素为生物反硝化过程，因此，为反硝化细菌提供适宜的生长环境就可以提高其反硝化强度[13].生物反硝化需要碳源和缺氧微环境.生物反硝化脱氮需要有机碳源作为电子供体，碳源是水体脱氮的关键因子，水体中碳源缺乏是较为普遍的现象，而且碳源的可生化性也存在问题；为提高人工湿地生物脱氮能力，业内人士进行了较多的研究，取得了一定的效果.其中补充液体碳源和固体碳源是较常见的方法，但是从费用和资源化利用角度来说，补充天然纤维素物质、人工合成高聚物等固体碳源是较好的方法，是今后一个较为重要的研究领域.

2.2 除磷效果不稳定

人工湿地对磷的去除主要是通过基质吸附、微生物和植物的吸收等来实现的.所以基质的选择和基质的吸附量等都对TP去除效率影响很大.

砂子和土壤基质净化磷素污染物的能力同其活性钙、胶体氧化铁和铝含量有关，而通常砂子和土壤基质中活性钙、胶体氧化铁和铝含量较低，所以净化能力有限，并且人工土壤基质对磷的吸附能力容易饱和，有限的湿地基质最终会因此而造成污染物的去除效果下降甚至丧失功能.所以，寻找能够高效除磷的特殊填料是重中之重.

2.3 堵塞问题

堵塞是人工湿地运行中的常见问题.装入基质填料后人工湿地相当于一个生态滤池，悬浮颗粒物的截留、沉积，生物膜的过度生长都会造成湿地堵塞.湿地堵塞会导致人工湿地系统内形成局部短流和死区，滋生蚊蝇，引发恶臭，降低污染物去除效率，缩短湿地运行寿命.

基质堵塞问题已经严重影响了人工湿地在水处理领域的推广和应用.所以弄清楚基质堵塞影响因素和堵塞机制，并在此基础上寻找有效的防堵疏通技术就显得十分必要.

2.4 运行成本问题

基质的费用由填料的大小、体积以及湿地单元填充的高度来决定.一般而言，填充材料总的费用在湿地各项费用中是最高的，大约占总费用的40%～55%.

基质达到饱和后需更换基质，从资源、经济、工程和环境角度都具有一定的局限性.首先会消耗大量的材料，其次会大幅度提高运行成本，更换时操作不当还可能导致整个人工湿地系统的破坏甚至崩溃.所以，基质的选择应遵循材料的易得、高效、价廉及安全无毒等原则.设计人工湿地时，选择基质应首先筛选对污染物去除能力强的当地材料，这样既能提高人工湿地对污水的净化能力和减少成本投入，又能延长生态工程的使用寿命.

3 提高人工湿地运行效果的改进措施

3.1 提高净化效果

人工湿地系统是在利用天然湿地净化原理上产生的，净化速度偏低，水力停留时间偏长，占地面积偏大.所以提高净化效果，减少成本，减少耕地是目前主要研究方向.

首先，优化基质的选用.不同基质对污水中污染物的去除能力不同，不同的基质搭配对污水的净化能力也存在差异.比如以去除有机物为主要目的的湿地系统，应该选择一些比表面积大、表面粗糙、不容易降解的基质，如轻质陶粒等，以提高系统中异养性微生物数量和浓度，强化有机物的去除；以去除磷为主要目的的湿地系统，应该选择吸磷效果较好且容易再生的材料，如硅藻土等，强化磷的吸收过程；以脱氮为主要目的的湿地系统，应该考虑有机碳源的补充和缺氧微环境的造就，基质应该选择一些可提供碳源和造就缺氧微环境的材料，如农业废弃物、矿化垃圾等.

其次，研究不同植物种群内和种群间的搭配对污染物的净化能力，有利于提高人工湿地的净化能力.另外，也有较多文献报告采用不同类型的人工湿地串联应用，进行联合水质净化处理.可见，利用不同植物类型和不同人工湿地类型搭配，实现污水净化效果的提升是可行的，但是相关机制并没有得到深入研究.

最后，提高人工湿地的充氧效果也是提高污染物去除效果的重要手段.研究发现，潮汐流运行的人工湿地，强化了充氧效果，提高了去除有机物和氨氮的效果[14].

3.2 基质再生

研究基质吸附饱和后高效便捷的再生方法，可以恢复人工湿地的净化性能，从而延长系统的使用寿命，节约运行成本.

物理再生方法操作简便，具有短期效应，是基质除磷再生的有效原位措施.研究落干休作的最佳开始时机和持续时间，可有利于提高基质除磷物理再生的有效性，同时通过人工湿地日常运行管理中并行单元的定期轮休，亦可减缓处理系统去除率的下降趋势.

化学再生效果受基质种类、再生试剂成分和浓度、环境条件(如温度、pH值和DO值)等的影响，可作为人工湿地基质吸附饱和后的应急措施.针对不同种类基质，研究再生剂的最佳成分和剂量，有利于提高基质化学再生的可行性.在基质吸附饱和时可通过投加非工业化学再生剂(如蔗糖、厌氧塘水、酿酒废水等)恢复处理系统的净化效果，同时有效降低更换基质的破坏性和成本，还可将解吸的营养物质回用于农业.

生物再生实质是人工湿地系统中基质、植物和微生物的协同作用，可通过投加功能菌、曝气、碳源等有效的强化措施提高协同效应，从而提高处理系统的净化性能.研究基质脱氮生物再生离子交换和生物转化过程，优化离子浓度和交换速率，碳源、溶解氧、微生物群落结构等，有利于提高基质脱氮生物再生效果和速率.其中投加硝化污泥的生物方法对基质脱氮再生的效果最佳.

3.3 耐低温植物的配置

在人工湿地的设计过程中，应根据本地区的气候特点配置植物.在温度比较低的地区，可配置一些抗寒能力较强的本地植物，或者引进驯化后的耐低温的外来植物(如西北利亚鸢尾).另外，在冬季可以选择一些常绿植物，如水芹、麦冬等，提高冬季湿地系统的覆盖度和保温性，增强人工湿地的净化能力，同时也增加了人工湿地的景观效果.但是，外来物种的干扰和入侵问题需要注意[15-16].

3.4 防堵

针对人工湿地堵塞问题，业内人士也提出了较多的预防和恢复方法，一般以预防为主，恢复为辅.

预防的方法主要有引入扫除性微生物(如蚯蚓、轮虫、线虫、红斑瓢体虫等)、提高预处理效果(降低进入湿地污水中污染物浓度以及颗粒性杂质)、间歇式运行方式等.当然也可以通过提高基质的孔隙率来预防湿地堵塞，但是势必会降低湿地处理效果.另外，在湿地植物选种时根据植物对系统渗透性能的影响、净化效果、美化功能等因素，可考虑选用根区复氧能力强、分泌难降解物质较少的当地植物[17].在湿地运行过程中，需要及时补种、定期收割湿地植物，清除湿地表面植物残体等.扫除性微生物因为以老化生物膜为底物，可提高基质层微生物膜的更新速度和厚度，能有效防治湿地堵塞.防堵相关机制已经得到证实和验证，目前蚯蚓进入湿地已经有相关实例，而轮虫、线虫、红斑瓢体虫等微型后生动物用于防堵还处于研究和小试阶段.

目前，堵塞恢复的主要方法有：1)更换湿地填料，对大型湿地而言，可以采取定期耙松湿地表面的方式改善通透性[18]；2)停床休作与轮作；3)设置复氧通气管；4)人工湿地填料反冲洗.但是还要以预防为主，有利于提高处理效果，也可以减少运行成本和管理难度.

4 人工湿地的发展前景展望

人工湿地以其良好的净化效果、优良的生态环境、廉价的运行成本以及简单的运行管理而被广泛应用于各种污水的处理过程中，符合海绵城市的建设理念和思路.但人工湿地也存在着使用寿命短、水力停留时间较长、低温效果差和卫生条件缺陷等问题，在一定程度上限制了其使用领域和水平.随着新颖生物机制和技术的不断发展，人工湿地的使用将更加广泛.

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(编辑 武 峰)

Application Status and Development Prospect of Constructed Wetlands in Wastewater Treatment

ZHANG Yanqiu1,CAO Wenping2

(1.School of Environment Science and Spatial Informatics,China University of Mining and Technology, Xuzhou, 221008, China;2.School of Environmental Engineering,Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou, 221018,China)

Constructed wetland is a kind of ecological restoration engineering technology which is widely used because of its low cost,convenient management and high efficiency.Based on the principle of constructed wetland mechanism,this paper analyzes the problems in the application of constructed wetlands,discusses some key technical problems needed to be solved and provides some references to the future scientific research and engineering application.

constructed wetland; ecological engineering; wastewater treatment; ecological restoration

2016-07-11

国家自然科学基金重点项目(50978146)；住房与城乡建设部科技计划项目(2012-K7-14)

张雁秋(1956-)，男，教授，博士,博士生导师，主要从事污水脱氮除磷研究.

X52

A

1674-358X(2016)04-0001-04