人工濕地水處理技術研究進展

曾毅夫 邱敬賢 劉君 彭芬

（1 航天凱天環保科技股份有限公司，湖南 長沙 410100；2 長沙環保（服務）工業技術研究院，湖南 長沙 410100）

近年來，隨著城市化進程和工業的快速發展，水污染現象日益嚴重，不僅破壞了水體生態環境，也對人類健康造成了危害。因此，需要尋找一種經濟簡單有效的水處理技術。人工濕地作為一種新型的生態污水凈化處理技術，因其具有處理效果好、工藝簡單、運行投資低、維護方便等特點，在水處理領域得到了廣泛的關注和應用。

1 人工濕地的類型及特點

人工濕地是人工建造和控制運行的類似于自然濕地的地面，是由填料基質—水生植物—微生物所形成的一個獨特的綜合生態系統。經過多年的發展和改良，人工濕地已有了多種類型，根據水流方向的不同主要分為表面流人工濕地和潛流人工濕地，而潛流人工濕地又可分為水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地。

1.1 表面流人工濕地

這種濕地與自然濕地最為接近，水流在濕地表面呈推流式前進，水位較淺，一般為0.1～0.6 m，在流動過程中，主要是通過植物及其根部的生物膜對污水進行凈化，并在終端流出。該濕地具有投資少、運行成本低、操作方便等優點，但也存在易滋生蚊蠅、有臭味、易受自然氣候條件影響，去除效果有限等缺陷。

1.2 潛流人工濕地

在該濕地中，主要是利用植物根系、填料基質以及兩者上生長的生物膜等作用實現濕地地表下流動污水的凈化，去除效果較好，是目前國內外研究和應用較多的一種人工濕地。由于水流在地表下流動，保溫性較好，受氣溫影響較小，不易滋生蚊蠅，但比較容易堵塞。

1.2.1 水平潛流人工濕地 在該濕地中，污水從地表下進水口一端沿水平方向流向出水口。與表面流人工濕地相比，具有水力負荷高，對有機物、懸浮物、重金屬等污染物去除效果好的優點，且很少有臭氣產生和蚊蠅滋生。

1.2.2 垂直潛流人工濕地 在此濕地中，污水從濕地表面垂直流向基質底部，通過不同的基質達到凈化污水的目的。在凈化過程中基質處于缺氧狀態，硝化能力較強，但去除COD的能力較弱，適于處理高氨氮廢水。

2 人工濕地在水處理中的去除機理

人工濕地對污染物的去除主要是利用填料基質、濕地植物、微生物的物理、化學、生物三重協同作用，對其進行凈化處理。其中填料基質為微生物和濕地植物的生長提供了所需的環境及營養物質。濕地植物一方面為微生物提供了必要的生活環境，同時對氧氣進行輸送擴散，另一方面對廢水中的污染物進行吸附吸收，將其部分轉化為自身需要的營養物質。微生物主要通過自身的活動對污染物進行去除、分解或將其轉化為營養物質和能量。

3 人工濕地在水處理中的應用研究

目前，隨著我國水資源的短缺和水污染現象的加劇以及各種環保利好政策的出臺，極大地加快了水處理技術的發展。人工濕地由于其工藝簡單、處理效果好、建設運行費用低、耐沖擊負荷、維護管理方便等特點而被廣泛應用在水處理領域。

3.1 生活污水的處理

生活污水是水體的主要污染源之一，主要是指人類生活中使用的各種廚房用水、洗滌用水和衛生間用水所產生的排放水，多為無毒的無機鹽類，可生化性好，但排放量較大。據統計，2015年僅城鎮生活污水排放量就達到了535.2億t。人工濕地由于其高效率、低投資、低運營和維護簡單等優點而被用于處理生活污水。

不同類型人工濕地對生活污水的處理效果，會受到包括濕地類型、植物種類、溫度和填料基質等許多因素的影響。通過菖蒲、千屈菜、水蔥和香蒲在不同類型人工濕地對生活污水處理效果的研究，發現4種植物對生活污水COD的去除率均表現為垂直下行流濕地＞垂直上行流濕地＞水平潛流濕地，其原因可能是垂直下行流濕地中好氧環境眾多，極大地增強了參與根系表面好氧過程的好氧微生物的活性，對有機污染物的降解具有很好的效果。而在同種類型的人工濕地中，香蒲對COD的去除率均高于其它3種植物，可能是由于香蒲相較于其它3種植物對有機污染物的吸收降解能力更強（劉文杰等,2016）。通過鳶尾、吊蘭、馬蒂蓮3種植物對生活污水凈化效果的研究，結果發現3種植物對COD、NH4+-N和TP的去除效果均較好，依次為鳶尾＞吊蘭＞馬蒂蓮（白曉龍等, 2014）。利用象草和美人蕉在不同溫度下表面流人工濕地處理生活污水，發現2種植物對生活污水的凈化效果受溫度影響，呈一定的正相關性（張雪琪等, 2012）。可能是由于在一定溫度范圍內隨著溫度的升高，一方面增強了微生物的活性，提高了硝化和反硝化效果，同時促進了磷的吸收同化；另一方面加強了植物的光合作用，使得植物根系生長旺盛，促進了對氮磷的吸收。研究青石、砂子和礫石3種濕地基質對污染物去除效果的影響，發現3種基質對生活污水中COD、氨氮、TP、SS的去除率均是砂子＞青石＞礫石，其原因可能是砂子的粒徑較小，比表面積大，更容易吸附污染物（孫鵬, 2013）。

3.2 有機廢水的處理

有機廢水往往具有濃度高、成分復雜、色度高、不易生物降解等特點，對環境的危害較大。一些學者通過研究發現人工濕地可以較好地凈化有機廢水。利用水平潛流人工濕地處理含大量溶解性難降解有機物的重油采出水（Ji Guodong et al,2002），發現蘆葦濕地系統對其具有良好的去除效果，最高可達81%，且重油采出水對蘆葦的纖維素和木質素等生理指標沒有明顯的影響，為人工濕地的實際處理含油廢水提供了依據。通過水葫蘆、皇冠草和菖蒲3種植物的人工濕地對硝基苯廢水處理效果的研究發現，3種植物對硝基苯廢水均具有較好的凈化效果，去除率在66%以上，其中最好的為皇冠草，去除率高達93%。同時當人工濕地受到小污染負荷時，對硝基苯的去除效果下降較為明顯，但可在2 h內回升到初始水平，表明了其耐短期沖擊負荷能力比較強（曲文杰,2012）。此外，一些專家學者還對人工濕地處理藥物和個人護理用品（PPCPs）進行了研究（肖敏如等,2015），發現人工濕地能很好地去除PPCPs，主要是依靠吸附、降解和植物作用，其中吸附是主要且具有長期去除效果的途徑。

3.3 氨氮廢水的處理

氨氮廢水主要來源于養殖、焦化、石化、制藥、食品、垃圾滲濾液等，大量氨氮廢水的排放會破壞生態平衡，引起水體富營養化，給環境造成極大的危害。目前，人們主要利用物理法、化學法和生物法處理氨氮廢水，其中人工濕地由于其工藝簡單、處理效果好、運營成本低等優點而被廣泛用于處理氨氮廢水。通過不同類型的潛流濕地處理養殖廢水的研究發現，垂直潛流人工濕地對氨氮和總氮的去除率均達到80%以上，而水平潛流濕地系統的去除率均低于60%，兩者處理效果差異較大（李鵬宇等,2013），其原因可能是由于濕地系統去除氮素的主要途徑是微生物的硝化反硝化作用，而水平潛流床體大部分處于缺氧/厭氧狀態，硝化作用不足，相反垂直潛流中氧氣可通過植物傳輸和大氣擴散進入濕地，加強了硝化作用，進而促進了氮素的去除。利用表流濕地與潛流濕地相結合形成的復合人工濕地處理富營養化水體，結果發現：表流濕地、潛流濕地和復合濕地對TN的平均去除率分別為27%、30%和34%，并且濕地對TN的去除效果與溶解氧呈顯著的負相關，而與水體溫度存在正相關，間接表明了濕地中氮的去除主要依靠硝化、反硝化作用（崔麗娟等,2010）。

除了對人工濕地處理低濃度氨氮廢水進行研究以外，一些研究人員還對高氨氮廢水的處理進行了研究。通過對濕地基質和植物的選擇研究了潛流人工濕地處理垃圾滲濾液的可行性，結果發現，當用粉煤灰和磷石膏作為濕地基質，白掌和美人蕉作為濕地植物時，人工濕地處理垃圾滲濾液是可行的（張穎,2011）。一些學者還對人工濕地處理高氨氮的生活污水進行了研究，發現鋼渣-灰巖垂直潛流人工濕地長期處理高氨氮生活污水是完全可行的，并且濕地系統對NH4+-N的去除效果優于對TN的去除效果（黃玲,2009）。

3.4 高鹽廢水的處理

高鹽廢水是指總含鹽質量分數至少1%的廢水，目前處理高鹽廢水的方法主要是熱法、膜法和生物法，但由于熱法耗能高、運行費用高，膜法中膜易污染堵塞、建設投資高，都有一定的局限性。而人工濕地由于其耐沖擊負荷和運營維護簡單等優點被用于高鹽廢水的處理。利用人工濕地處理沿海高鹽度地區的微咸水，并對濕地植物的耐鹽性進行了研究，發現黃花鳶尾的耐鹽性和去除污染物的效果最好，適合在土壤鹽堿化地區推廣應用（郭煥曉等,2006）。一些學者對人工濕地處理高鹽廢水中不同耐鹽植物去除氯離子的能力進行了研究（尚克春等,2014），結果表明，6種重度耐鹽堿植物的蘆葦、黃花鳶尾、大米草、鹽角草、鹽地堿蓬、堿蒿對氯離子的去除能力依次為蘆葦＞鹽地堿蓬＞堿蒿＞黃花鳶尾＞鹽角草＞大米草，該研究為人工濕地處理高鹽廢水提供了理論依據。通過潛流人工濕地處理高鹽度養蝦廢水的研究發現，耐鹽植物極大地提高了人工濕地對污染物的去除效率（Sansanayuth et al,1996）。隨著耐鹽植物高鹽環境下去除污染物能力和耐鹽能力的提高，人工濕地將會成為處理高鹽廢水的重點。

3.5 重金屬廢水的處理

重金屬廢水由于其毒性強、難以生物降解、易于累積等特點，對環境和人體健康具有重大威脅。人們通常采用理化法和生物法處理重金屬廢水，但理化法存在處理成本較高且易于造成二次污染的風險，而人工濕地技術則可以很好地解決這一難題。利用波式潛流人工濕地處理含有Mn、Zn、Cd、Cu和Ni的重金屬廢水（許吟波,2013），發現該濕地系統對重金屬的去除具有較高的穩定性，并且對Zn、Cd、Cu和Ni的去除率均達到90%以上，而對Mn的去除率只有69.1%，其原因可能是濕地內部的弱堿性環境利于Zn、Cd、Cu和Ni的去除，在裝置的前半部分已基本完全去除；Mn的去除除了受pH值影響外，還要受溶解氧濃度的影響，而濕地植物對重金屬的直接吸收去除效果較小。通過濕地基質對人工濕地處理含鉛廢水影響的研究，發現濕地基質為粉煤灰、污泥、細煤渣、礫石和細沙等材料配制時，濕地對Pb的去除效果最佳（關正義,2017）。利用人工濕地植物香蒲、蘆葦和鴨跖草處理含鉛廢水，發現對于不同濃度的含鉛廢水，可選擇的最佳植物不同。處理10 mg/L以上的高濃度含鉛廢水時，香蒲的去除效果最好，而鴨跖草在處理10 mg/L以下的低濃度含鉛廢水時去除效果最好（林芳芳等,2014）。研究人工濕地寬葉香蒲去除重金屬的機理，發現寬葉香蒲能有效降低濕地土壤中多種重金屬含量，其中根的選擇吸收和重金屬的相互作用是寬葉香蒲吸收重金屬的關鍵因素（李冰等,2016）。

3.6 放射性廢水的處理

放射性廢水主要來源于核工業、核燃料燃燒和放射性核素的開采、加工使用等環節，其主要污染物質為具有放射性的重金屬，如Cs、U和Sr等，對環境和人體健康具有嚴重的危害。目前，人工濕地處理放射性廢水具有很多難點。通過人工濕地去除污染物的機理分析了人工濕地處理低濃度放射性廢水的可行性，認為在技術上人工濕地可以處理低濃度放射性廢水（康軍利,2011）。對組裝式人工濕地處理低濃度含Sr2+/Cs+廢水進行了研究，并考察了污染物初始濃度、pH值、運行時間等因素對處理效果的影響，結果發現，隨著運行時間的延長和污染物初始濃度的升高，系統對Sr2+和Cs+的去除率都隨之增加，達到了60%以上，為以后人工濕地處理其它低濃度放射性廢水提供了理論依據（湯年華,2013）。

4 人工濕地存在的問題、改進措施及展望

人工濕地在水處理領域的應用比較廣泛，但在應用過程中也出現了包括易受氣溫影響、基質易堵塞和占地面積大等很多問題，這些問題對人工濕地的應用發展造成了一定的影響。其中氣溫的影響比較大，直接影響了濕地的凈化效果；而基質堵塞會縮短濕地的使用壽命，同時影響處理效果的可靠性；占地面積大則會影響土地的批復使用。

針對以上問題，相應的改進措施如下：①采取保溫措施，減少氣溫對人工濕地造成的不利影響，同時可以促進對污染物的去除；②加強對進水的預處理，去除懸浮物，減少基質堵塞，同時定期對基質進行反沖洗或更換，保持人工濕地的穩定運行；③采用組合式人工濕地處理污水，在減少濕地占用面積的同時提高處理效果。

目前，人們主要是利用人工濕地的工藝簡單、運營成本低、便于維護管理等特點來凈化污染物，具有一定的局限性。隨著人工濕地去除污染物機理的探明、濕地植物的強化培育和基質的優化配制等，會極大地提高人工濕地的凈化性能和應用范圍，使人工濕地更多地應用在水處理領域，為解決水資源危機和水污染問題發揮巨大的作用。