處理生活污水的人工濕地系統(tǒng)構(gòu)成及其優(yōu)化配置研究進(jìn)展

隨著農(nóng)村社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和農(nóng)村生活方式的巨大變化，以及自來水普及、衛(wèi)生潔具、洗衣機(jī)、沐浴設(shè)施、農(nóng)村養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展等，農(nóng)村生活污水的各項(xiàng)指標(biāo)均有較大變化。例如，排入太湖的生活污水中洗衣廢水占21.6%，巢湖、滇池的大約為17.9%[1]。目前，適用于農(nóng)村的污水處理技術(shù)雖然能夠在一定程度上去除污染物，但總體對氮、磷的去除效果并不理想；盡管化學(xué)方法和物理方法去除污染有效，但成本較高且容易造成二次污染[2-3]。人工濕地技術(shù)不僅適用于我國農(nóng)村生活污水的處理，而且建設(shè)成本較低、維護(hù)簡便、效率高和美觀等特點(diǎn)[2-3]。然而傳統(tǒng)的人工濕地系統(tǒng)已不能較好地處理目前變化較大的農(nóng)村生活污水。

處理生活污水的人工濕地系統(tǒng)主要由植物、根際微生物和基質(zhì)三部分組成，通過物理作用、化學(xué)作用及生物作用完成對污水的凈化，促進(jìn)綠色植物的有機(jī)生長，實(shí)現(xiàn)廢水再利用和無害化處理[4]。當(dāng)人工濕地系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理時(shí)，就會存在對污水凈化效率低、使用壽命短、形成二次污染以及造成經(jīng)濟(jì)損失等問題[5-6]。因此，文章闡述了人工濕地系統(tǒng)構(gòu)成因素基質(zhì)、植物和根際微生物及其優(yōu)化配置研究和應(yīng)用的進(jìn)展，并展望下一步研究的重點(diǎn)方向。

1 人工濕地系統(tǒng)構(gòu)成因素及研究現(xiàn)狀

1.1 植 物

濕地植物處理生活污水主要包括以下3種方式[7]：（1）根系直接吸收和利用生活污水中的氮、磷等營養(yǎng)元素，或者吸附和富集污水中重金屬等有害物質(zhì)；（2）根系吸附氧，為微生物的生長、繁殖和各類生化反應(yīng)提供氧氣，保證微生物處理污染物的效率；（3）濕地植物的蒸騰作用、水分吸收作用等加強(qiáng)和維持水體的水力傳輸能力，并在一定程度的污染脅迫下保持一定的去污能力。

國內(nèi)外常見的濕地植物有33科、124屬、超過1000種，根據(jù)植物的生活類型可分為4類，即濕生植物、挺水植物、沉水植物及漂浮植物。在國內(nèi)使用較為廣泛和研究較多的有香蒲、再力花、菖蒲、蘆葦、美人蕉、水蔥、燈心草、水芹菜、水麥冬、慈姑、香根草、梭魚草等植物。目前對于濕地植物的研究側(cè)重點(diǎn)各不相同，陳永華等[10]通過研究濕地植物的根系長度、根系活力、生物量等生理特性來證明和改善相關(guān)污水處理能力。胡勇有等[11]則從較為宏觀的生態(tài)學(xué)角度進(jìn)行研究，例如研究濕地植物的地域性，防止在因引入濕地植物時(shí)導(dǎo)致生態(tài)入侵，造成生態(tài)災(zāi)難和生態(tài)破壞。劉超翔等[12]研究側(cè)重點(diǎn)則是通過分子水平來描述濕地植物的生物特性對污水處理的影響，例如對蘆葦具有較強(qiáng)運(yùn)輸氧的能力的研究。陳發(fā)先等[7]研究了濕地植物在整個(gè)人工濕地系統(tǒng)中的作用，闡述了濕地植物在處理生活污水中的機(jī)理。陽承勝等[13]的研究則是從濕地植物各個(gè)器官對污染元素的富集、積累、代謝等角度闡述了去污機(jī)理。李小霞等[14]將實(shí)際應(yīng)用效果作為研究切入點(diǎn)，研究了不同濕地基質(zhì)上種植同一濕地植物時(shí)污水處理效率的差別。另外有相關(guān)研究表明，種植多種植物比種植單一植物的人工濕地處理污水的效果更為明顯，例如駱世明等[15]采用潛流式人工濕地處理豬場廢水，在夏季進(jìn)水COD達(dá)1 000～1 400 mg/L時(shí)采用風(fēng)車草和香根草作為濕地植物，經(jīng)最后檢查研究發(fā)現(xiàn)其對COD的處理率依然達(dá)90%。從目前對于濕地植物的研究中不難發(fā)現(xiàn)，濕地植物的生長發(fā)育及其對污水的凈化能力均與根際微生物、基質(zhì)有較大的關(guān)聯(lián)。

1.2 根際微生物

據(jù)研究表明，人工濕地對氮的去除主要依靠微生物的氨化、硝化以及反硝化作用，氨態(tài)氮通過亞硝化菌與硝化菌，轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮，之后再通過反硝化菌轉(zhuǎn)化為N2O或N2，使污水中的氮得以去除。生活污水中污染物組成復(fù)雜，因此微生物種類在一定范圍內(nèi)豐度越高，對營養(yǎng)元素與有機(jī)物的降解效率越高，出水品質(zhì)也就越好[8]。

據(jù)相關(guān)報(bào)道，在人工濕地系統(tǒng)中，基質(zhì)的上中層之間微生物量相差近3個(gè)數(shù)量級，而中下層之間相差卻不到1個(gè)數(shù)量級，微生物以細(xì)菌數(shù)量最多，其次為放線菌，真菌最少[16]。夏宏生等[17]通過對人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)根際微生物的變化研究發(fā)現(xiàn)，隨著濕地植物根系釋放溶解氧量的增加，微生物群落不斷在適應(yīng)新的環(huán)境，種群結(jié)構(gòu)調(diào)整，微生物的生物量與豐度在逐漸增加，微生物的豐度越高則利用污水中污染物的層次也越多，出水水質(zhì)也更好。而李智等[18]研究了處理污水效果較為穩(wěn)定的人工濕地系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，在0～20 cm之間的基質(zhì)層中微生物豐度最高，20 cm以下的基質(zhì)層中微生物豐度顯著下降，而大部分濕地植物中的根系主要集中在0～20 cm的基質(zhì)層中。有研究表明，根際微生物的多樣性受地上部分生物多樣性的影響[10，19]。魏成等[20]試驗(yàn)研究了濕地植物對根際微生物多樣性的影響，發(fā)現(xiàn)3種植物組合系統(tǒng)比兩種植物組合系統(tǒng)根際微生物群落的多樣性更高，利用碳源的能力較強(qiáng)，而單一植物系統(tǒng)的根際微生物群落多樣性較低，利用碳源能力較差。由此可知，根際微生物的生長繁殖受到了濕地植物與基質(zhì)較大程度的影響，體現(xiàn)出了根際微生物與濕地植物和基質(zhì)的互動性。

1.3 基 質(zhì)

基質(zhì)本身也具有對氮素、磷素、懸浮物的凈化效果，主要依賴基質(zhì)的物理化學(xué)特性，如吸附作用、絡(luò)合反應(yīng)、離子交換等[9]，之后可通過濕地植物或微生物將氮素、磷素“消化”。污水中氮的去除主要依賴微生物的硝化和反硝化作用，然而基質(zhì)卻對微生物之間形成的生物膜面積起到了不可忽視的作用。而比表面積大的基質(zhì)有利于生物膜的生長，增加了污水與微生物的接觸面積，能更好地去除污水中的氮。

基質(zhì)是人工濕地系統(tǒng)重要的組成部分，它構(gòu)成了濕地植物根系生長和微生物附著繁殖的環(huán)境。濕地基質(zhì)一般可分為3類：天然材料、工業(yè)副產(chǎn)品和人工產(chǎn)品。天然材料濕地基質(zhì)一般取之自然環(huán)境，如赤泥、石灰石、頁巖等；工業(yè)副產(chǎn)品主要是指在從事工業(yè)活動后產(chǎn)生的廢棄物，如爐渣、礦渣、粉煤灰等；人工產(chǎn)品通常則是為了模擬人工濕地或達(dá)到某種特定的要求而人為合成生產(chǎn)的一些材料，如輕質(zhì)聚合體（LWA）[21]等。由于人工產(chǎn)品基質(zhì)對污水中污染元素針對性強(qiáng)，且成本較高，因而不適于推廣使用。天然材料基質(zhì)與工業(yè)副產(chǎn)品基質(zhì)的成本低廉，易于獲取，但單用一種基質(zhì)，對污水的凈化效率不如復(fù)合型基質(zhì)的凈化效率。張克寧等[22]對此作了研究，發(fā)現(xiàn)在污水停留24 h、流量為0.32 m3/d的情況下，單一基質(zhì)對COD的去除率均低于25%，而復(fù)合型基質(zhì)對其去除率最低也有49.6%。徐麗花等[23]為提高濕地系統(tǒng)的除磷脫氮效果，通過對單一和復(fù)合式的基質(zhì)材料處理污水效果的研究，選用沸石、石灰石和沸石-石灰石3種填料作為濕地基質(zhì)進(jìn)行了對比試驗(yàn)，系統(tǒng)地解決了人工濕地去除氨氮的難題，填料上吸附的氮被植物和微生物利用，其除氮能力也就不會因時(shí)間的推移而降低，從而使人工濕地系統(tǒng)能更加有效地用于去污。基質(zhì)本身的物理化學(xué)特性，決定了濕地植物和根際微生物生長的基礎(chǔ)環(huán)境，充分體現(xiàn)了濕地基質(zhì)對濕地植物、根際微生物的承載性。

2 人工濕地系統(tǒng)構(gòu)成因素的優(yōu)化配置

首先，濕地植物對根際微生物、基質(zhì)的關(guān)聯(lián)性決定了在構(gòu)建人工濕地系統(tǒng)時(shí)首先所需要確定的，可是，通過人工濕地系統(tǒng)濕地植物的一般選取原則、實(shí)際環(huán)境特性和濕地植物特性來進(jìn)行選擇。例如：適宜于湖南的濕地植物菖蒲（Acorus calamus），它在生長過程中需要吸收大量的N、P等營養(yǎng)元素，可用于處理含N、P等較多的污水。另據(jù)相關(guān)報(bào)道[4]，菖蒲根系平均長度在60 cm左右，根系平均數(shù)量在22條左右，并通過對根系的活力以及過氧化物酶的活性監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，其平均值分別達(dá)到了和51.32 μg/（g﹒h）和16.0 U/（g﹒min）。通過此項(xiàng)的研究可以發(fā)現(xiàn)，菖蒲具有較多的根系多且數(shù)量及較長的根系，但根系的活力并不強(qiáng)，這為也使得選擇根際微生物制品提供了依據(jù)。其次，可利用根基根際微生物具有的互動性，選擇含有特定根基際微生物的生物制品。例如：當(dāng)濕地植物是菖蒲時(shí)，可在不同基質(zhì)層投放含有硝化菌和亞硝化菌的培養(yǎng)基，分別投放于不同基質(zhì)層中，已以達(dá)到縮短移栽對濕地植物縮短移栽或幼苗的馴化的時(shí)間的目的，在基質(zhì)中較快地充實(shí)基質(zhì)層中各生態(tài)位的微生物，增加污水接觸面積和時(shí)間，進(jìn)一步提高出水品質(zhì)。最后，基質(zhì)承載著濕地植物的生長和根際微生物的附著。因此，所選擇的基質(zhì)不僅要求能夠滿足濕地植物的根系伸展的特性、根系環(huán)境要求等，還需較高的孔隙率為微生物提供附著場所，以形成較大的生物膜。為了能夠較好的地提高出水品質(zhì)，所選擇的基質(zhì)可采用混合型基質(zhì)，以提高水力停留時(shí)間，增加濕地植物和微生物對污水的接觸時(shí)間。

因此優(yōu)化配置后的人工濕地系統(tǒng)具有較為明顯的優(yōu)勢，濕地植物可吸收豐度較高的根際微生物提供的營養(yǎng)元素，得以較快地適應(yīng)環(huán)境、較好地生長發(fā)育，然后反饋給根際微生物溶解氧、有機(jī)質(zhì)等物質(zhì)，促進(jìn)微生物的生長繁殖，形成一個(gè)良性循環(huán)；較好的物理特性、較高的孔隙率、較高的基質(zhì)為濕地植物根系的生長伸展提供了有利環(huán)境，還為微生物提供了較大的附著面積，同時(shí)自身的高孔隙率等物理特性增加了污水的水力停留時(shí)間，化學(xué)特性則在濕地植物和根基際微生物的生物活性較低的秋冬季保證了出水品質(zhì)；而濕地植物根系的伸展拓展地下空間，和微生物的生長繁殖對有機(jī)質(zhì)的“消化”，都使得基質(zhì)能夠保持較為暢通的地下環(huán)境，延長了整個(gè)人工濕地系統(tǒng)的使用壽命和出水效率。

3 人工濕地系統(tǒng)研究展望

人工濕地系統(tǒng)的構(gòu)成因素優(yōu)化配置后，能夠增加原本傳統(tǒng)或單一應(yīng)用高效材料的系統(tǒng)對污水的處理。為了合理的地對人工濕地系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置，系統(tǒng)科學(xué)地的提高污水凈化能力，建議未來應(yīng)著力開展以下方面的研究工作。

首先，要研究克服目前人工濕地系統(tǒng)優(yōu)化配置的障礙。第一是濕地植物的搭配種類，國內(nèi)外能夠應(yīng)用于人工濕地系統(tǒng)且常見的濕地植物數(shù)量與種類非常多，而人工濕地系統(tǒng)中濕地植物可單種、復(fù)種和多種，因此合適的植物組合，乃至整個(gè)系統(tǒng)搭配種類非常相應(yīng)也多。第二，根際微生物的生物制劑研發(fā)，各地區(qū)的溫度、pH值、優(yōu)勢微生物種群等不同，使得在研制相應(yīng)的根際微生物制劑時(shí)更為復(fù)雜，同時(shí)還需保證在使用過程中不會因制劑問題，使微生物在處理污水過程中產(chǎn)生毒素，造成生態(tài)污染。

其次，對新的研究思路和方向開展研究。在單純的不考慮基質(zhì)更換的情況下，菖蒲在潛流式人工濕地系統(tǒng)中對污水氮的處理率達(dá)到了77.7%，而空白的則為55.8%；在復(fù)合垂直式人工濕地中對磷的去除率達(dá)到了61%，空白的則只有28%[24-25]。而人工濕地對氮的去除主要依靠微生物進(jìn)行。人工濕地系統(tǒng)構(gòu)成因素經(jīng)優(yōu)化配置后，加強(qiáng)其內(nèi)在聯(lián)系、合理的搭配，系統(tǒng)的凈化能力必然會有較大提高，這也為不斷增加的農(nóng)村生活污水量和污染物組成提供了新的研究思路和方向。

第三，應(yīng)開展對人工濕地系統(tǒng)材料以及搭配性能的研究。傳統(tǒng)人工濕地系統(tǒng)主要存在的主要問題是缺乏科學(xué)完善的管理與規(guī)范、使用壽命較短、污水凈化效率較低等問題。經(jīng)優(yōu)化配置的人工濕地系統(tǒng)的組成部分是相互聯(lián)系而非當(dāng)作獨(dú)立的個(gè)體研究，必定能較好地處于良性循環(huán)狀態(tài)。另外，可以通過基質(zhì)解決濕地植物枯萎期和微生物活性較低時(shí)對污染物的吸收、富集，基質(zhì)的低降解析率可使得在植物生長活躍以及微生物活力旺盛時(shí)分解、吸收、利用基質(zhì)富集的污染物，從而延長使用壽命。因此，材料的選擇和搭配顯得尤為重要，也是以今后研究工作的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 高錫蕓，陸用海. 關(guān)于富營養(yǎng)化與洗滌劑禁（限）磷的思考[J]. 環(huán)境保護(hù)，1997，（9）：43-46.

[2] Brix H. Treatment of wastewater in the rhizosphere of wetland plants —The root—zone method[J]. Water Science and Technology，1987，19：107-118.

[3] Green M B，Upion J. Constructed reed beds： A cost-effective way to polish wastewater effluents for small communities[J]. Water Environment Research，1994，66（3）：188-192.

[4] 藉國東. 人工濕地及其在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，13（2）：224-228.

[5] Man P F，Bavor H J. Phosphorus removal in constructed wetlands using gravel and industrial waster substrata[J]. Water Science and Technology，1993，27（1）：107-113.

[6] Schierup H，Brix H，Lorenzen B. Wastewater treatment in constructed reed beds in Denmark –state of the art[A]. Copper P F，F(xiàn)indlater B C. Constructed Wetland in Water Pollution Control[C]. Oxford：Pergamon Press，1990. 495-504.

[7] 陳發(fā)先，王鐵良，柴 宇，等. 人工濕地植物研究現(xiàn)狀與展望[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2010，（2）：1-4.

[8] 郭如美，劉漢湖，周立剛，等. 潛流式人工濕地以及群落結(jié)構(gòu)及脫氮效果的研究[J]. 江蘇環(huán)境科技，2006，19（5）：14-16.

[9] 阮晶晶，高 德，洪劍明. 人工濕地基質(zhì)研究進(jìn)展[J]. 首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30（6）：85-89.

[10] 陳永華，吳曉芙，蔣麗娟，等. 處理生活污水濕地植物的篩選與凈化潛力評價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（8）：1549-1554.

[11] 胡勇有，王 鑫，張?zhí)剑? 用低濃度生活污水篩選適于華南人工濕地植物[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，（1）：105-109，122.

[12] 劉超翔，胡洪營，黃 霞，等. 滇池流域農(nóng)村污水生態(tài)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 中國給水排水，2003，19（2）：93-94.

[13] 陽承勝，藍(lán)崇鈺，張 干. N、P、K在寬葉香蒲人工濕地系統(tǒng)中的分布與積累[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2005，22（3）：264-268.

[14] 李小霞，解慶林，游少鴻. 人工濕地植物和填料的作用與選擇[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保，2008，34（3）：54-56.

[15] 駱世明. 人工濕地對豬場廢水有機(jī)物處理效果的研究[J]. 應(yīng)用生態(tài)（上接第59頁）

學(xué)報(bào)，2002，13（1）：113-117.

[16] 付融冰，楊海真，顧國維. 人工濕地基質(zhì)微生物狀況與凈化效果相關(guān)分析[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，2005，18（6）：44-49.

[17] 夏宏生，蔡 明，向 欣. 人工濕地凈化作用與微生物相關(guān)性研究[J]. 廣東水利水電，2008，（3）：4-8.

[18] 李 智，楊在娟，岳春娟. 人工濕地基質(zhì)微生物和酶活性的空間分布[J]. 浙江林業(yè)科技，2005，25（3）：1-5.

[19] 蔣玲燕，殷 峻，聞 岳，等. 修復(fù)受污染水體的潛流人工濕地微生物多樣性研究[J]. 環(huán)境污染與防治，2006，28（10）：734-737.

[20] 魏 成，劉 平. 人工濕地污水凈化效率與根際微生物群落多樣性的相關(guān)性研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27（6）：2401-2406.

[21] 宴再生，王世和. 基質(zhì)對于人工濕地凈化磷素潛能的探討[J]. 生態(tài)環(huán)境，2007，16（2）：661-666.

[22] 張克寧，韓會玲，李文奇，等. 不同基質(zhì)濕地對污水凈化效果的研究[J]. 人民長江，2011，11：78-80.

[23] 徐麗花，周 琪. 不同填料的人工濕地處理系統(tǒng)的凈化能力研究[J]. 上海環(huán)境科學(xué)，2002，21（10）：603-605.

[24] 袁東海，任全進(jìn)，高士祥. 幾種濕地植物凈化生活污水COD，總N效果比較[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，15（12）：2337-2341.

[25] 吳振斌，陳慧蓉，賀 峰. 人工濕地系統(tǒng)對污水磷的凈化效果[J]. 水生生物學(xué)報(bào)，2001，15（1）：28-34.

（責(zé)任編輯：盧紅玲）