提高人工濕地重金屬凈化效果的關鍵技術研究進展

許浩浩，呂偉婭

(南京工業大學，江蘇 南京 211816)

隨著工業化和城市化的快速發展，大量污染物排入城市水環境，造成城市水體水質惡化。在對城市水體污染物的檢測中，除了營養物質(氮磷)、COD及油脂等污染物超標外，還發現汞、鎘、鉻、鉛、砷、鋅、銅等重金屬的濃度也存在嚴重超標現象[1]。重金屬在水環境中具有高穩定性和難降解性，不僅會破壞敏感的水生態系統，還會通過食物鏈的富集作用危害人體健康[2]。因此，如何有效去除污廢水中的重金屬污染物越來越受到人們的高度關注。作為一種生態的污水處理技術，人工濕地因具有投資成本低、運行費用少、凈化效果好、維護管理簡便及耐負荷沖擊強等優良特點，被廣泛地運用于城市污廢水的處理中[3]。但是，目前關于人工濕地對重金屬污染物的去除效果、凈化機理以及影響因素相關的研究尚不夠深入，仍有待進一步的研究以便能更好地發揮人工濕地對重金屬的高效去除效果。

1 傳統人工濕地重金屬污染處理效果

人工濕地對污廢水中重金屬的去除主要通過填料的吸附沉淀、植物的吸收截留以及微生物的吸收轉化等作用[4]。研究表明[5]，在人工濕地截留重金屬過程中，填料基質和微生物的綜合貢獻率為89%～94%，而植物貢獻率為5%～10%。

Ain等[6]研究種植植物的水平潛流和垂直潛流2種人工濕地分別在水力停留時間為24.1、19.7 h情況下對重金屬的去除效果，發現與未種植植物的水平潛流和垂直潛流人工濕地相比，種植植物的2種濕地系統對Fe、Mn均實現高效率的去除，可提高對重金屬的去除率，還發現水平潛流濕地對重金屬的綜合去除率高于垂直潛流人工濕地，出現這種差異的原因可能是因為水平潛流濕地的水力停留時間較長(表1)。Hadad等[7]在阿根廷圣塔菲市建造一個面積18 m2的表面流人工濕地進行試驗，發現該系統對工業廢水中Fe、Cr的凈化效果顯著，對Ni、Zn的去除率相對較低。胡勝華等[8]通過研究武漢三角湖復合垂直流人工濕地在1 a中對重金屬的削減效果，得出雖然人工濕地的進水濃度較低，但對各金屬元素仍具顯著的削減效果，且對不同重金屬的削減效果有所差異，削減能力由弱到強依次為：RNi﹤RLi﹤RBa﹤RCu﹤RCr﹤RZn﹤RPb﹤RMn﹤RAs﹤RCd，不同季節人工濕地對重金屬的削減率有所差異，其中對Cd、As、Mn、Pb的月最高去除率可達100%，對Ni、Li、Ba的月平均去除率低于40%。張培等[9]研究復合人工濕地對煤礦廢水中Fe、Mn的凈化效果，結果顯示，當pH為2.5，總Fe和總Mn的進水濃度分別為200、12 mg/L時， 經該濕地系統處理24 h后，pH可以升高到7.0左右，Fe、Mn的出水濃度均低于煤炭工業污染物排放標準。

表1 人工濕地對重金屬的凈化效果

上述研究可以發現，不同類型的人工濕地對重金屬的凈化效果差異性明顯，水平潛流人工濕地對重金屬的凈化效果優于垂直潛流，復合人工濕地系統優于單級人工濕地。此外，填料及植物種類、季節變化以及水力停留時間等因素均會影響人工濕地的凈化效果。人工濕地對不同重金屬的去除率也有所不同，對部分重金屬去除率比較低。針對這個情況，很多學者研究采用改良填料、優選植物、組合工藝來優化人工濕地的凈化效果。

2 優化人工濕地對重金屬的凈化效果

2.1 改良填料

Wu等[10]發現錳砂、陶粒、礫石、沸石在24 h后對溶液中As均達到了吸附平衡，吸附容量分別為36.62、25.39、11.96、7.04 mg/kg，推薦錳砂和陶粒作為除As的優選填料(表2)。陳琴等[11]研究表明，各填料對Pb2+的吸附能力依次為A沸石﹥A磁鐵礦石﹥A礫石﹥A石英砂﹥A膨脹珍珠巖﹥A陶粒，其中沸石、磁鐵礦石和礫石對Pb2+的去除率較好，磁鐵礦石和沸石的出水能夠達到GB 8978—1996《污水綜合排放標準》(≤1.0 mg/L)，但綜合去除率和經濟性能，建議在人工濕地中優選礫石并添加適量沸石組成混合填料以此提高對Pb2+的去除率。吳敏等[12]試驗顯示，錳砂的除As效果好于陶粒，錳砂組人工濕地除As高效穩定，陶粒組人工濕地除As效率呈逐漸下降趨勢，因此錳砂可作為除As的改良填料。張曉斌等[13]實驗表明，沸石、煤渣以1∶1質量配比組成的混合填料系統對Cr的凈化效果優于各自單獨使用，但對Zn的去除率低于煤渣、沸石組。這可能是由于基質對于不同重金屬的凈化方式不同而產生的差異。石一民等[14]研究表明，以粒徑為0.5～1 mm細沙、10～30 mm小礫石、30～50 mm大礫石為填料的人工濕地對Pb、Cd、Hg、As的去除效果較好。

不同填料對重金屬的去除效果有所不同，錳砂和陶粒對As的去除效果較好，沸石、磁鐵礦石對Pb的去除效果較好，沸石、煤渣對Zn的去除效果較好。一般來說，混合填料的凈化效果優于單一填料，通過優化填料的組合及配比可以提升系統對重金屬的去除率。在選擇填料時，優先選擇比表面積大、滲透性能好、孔隙率較大、凈化能力強的填料，同時要避免填料的二次污染[10-12]。

表2 填料對重金屬的凈化效果

2.2 優選植物

周桑揚等[15]研究表明，石莼等藻類植物對Cu、Pb、Cd和Hg的吸收能力較強，浮萍、水葫蘆富集Cd和Cu的質量比分別是6 000～13 000、6 000～7 000 mg/kg，超過其正常質量比的1 000倍，蘆竹、燈心草和蘆葦對Cu、Pb、Zn和Cd的去除效果較好(表3)。吳敏等[12]試驗顯示，種植植物可提高濕地除As效率，對于以陶粒為填料的人工濕地系統而言，未種植植物系統對As的去除率為50%，而種植蜈蚣草和燈心草組的系統去除率分別提高了14%、24%，對于以錳砂為填料的人工濕地系統而言，未種植植物系統對As的去除率為89%，而種植蜈蚣草和燈心草組的系統去除率分別為6%、2%。韋菊陽等[16]發現梭魚草和蘆葦對Cd2+和Pb2+的去除率無顯著差異，蘆葦和梭魚草濕地對水中Pb2+的去除率較高，2種植物體內Cd2+和Pb2+的含量均是C根﹥C莖﹥C葉，根部為主要的富集器官。游少鴻等[17]研究表明，李氏禾在Cr、Cu、Ni質量分數已達0.049 094%、0.019 538%、0.010 701%的人工濕地中仍能成活，對Cr、Cu、Ni的去除效果較好，李氏禾對鉻銅鎳的富集量明顯高于蘆竹，因此李氏禾可作為人工濕地處理重金屬的強化植物。史一鳴等[18]研究表明，種植西伯利亞鳶尾的垂直流人工濕地對Cd的平均去除率較高，西伯利亞鳶尾對重金屬的吸附部位主要在根部，Cd的富集量分別達3.48、10.81、19.40 mg/株，西伯利亞鳶尾可用于人工濕地去除重金屬。李冰等[19]發現土壤pH在6.83～7.70時，人工濕地中的寬葉香蒲能有效降低土壤中的Cd、Pb、Zn、Cu和Mn的含量，對重金屬的吸收主要受土壤重金屬含量的影響，Pb和Cd的富集系數平均在0.5以上。

表3 植物對重金屬的凈化效果

上述研究表明，植物對重金屬有一定的去除效果，且不同類型的植物對重金屬的吸收能力也有所不同。通過篩選抗旱耐澇、適應性強、凈化能力好的植物可以提高系統的凈化能力，同時根據污水中重金屬污染物的分布特點，針對性地選擇有特異性去除能力的植物，可以進一步提高凈化效果。

2.3 工藝組合

曹婷婷等[20]試驗顯示，與水平潛流和表面流人工濕地相比，垂直潛流人工濕地對重金屬(Cd、Cr、Pb)的去除效果較好，垂直潛流和水平潛流人工濕地對Cu的去除差異不大，垂直潛流人工濕地對Zn的去除效果好于水平潛流人工濕地，表面流人工濕地對Cu和Zn均有釋放現象，還發現水平潛流、垂直潛流、表面流3種不同工藝組合成的復合人工濕地系統對重金屬的去除效果優于單級人工濕地。董小霞等[21]選擇再力花、美人蕉、水燭、旱傘草、梭魚草、慈姑、菖蒲、水葫蘆和大薸9種植物構建人工濕地、生態浮床、水生植物塘組合型系統研究對重金屬的去除效果，結果表明，該組合系統運行9 d后，對重金屬Cu、Pb和Cd的去除率均超過95%，連續運行60 d后，Cu、Pb和Cd去除率仍然分別達到93.45%、94.48%和95.57%，出水濃度平均值均可達到GB 3838—2002 Ⅲ類水體排放標準，組合系統不僅可以高效去除重金屬，還能避免重金屬耐性低的植物因直接接觸高濃度重金屬廢水中毒死亡。因此，通過將不同類型的人工濕地進行組合構建多級濕地系統或將人工濕地與其他水處理設施相結合組成復合水處理系統均可以提高重金屬的去除效果，運行穩定且高效。

3 優化人工濕地關鍵技術的優缺點分析

填料在人工濕地中占有最大體積，可為濕地中植物和微生物的附著提供生長載體，填料也是人工濕地發揮污染物去除效果的核心組成部分。此外，填料的理化性質對水體中污染物的去除以及系統的堵塞具有一定影響，填料的組成直接關系到污水有機負荷大小、進水水流流速和人工濕地占地面積等因素，因此開發經濟適用、改善土壤肥效、不宜堵塞的人工濕地填料具有重要的現實意義[22-25]。目前填料種類多種多樣，主要分為天然礦物、工業副產物和人造產品三大類(表4)[26]。①天然礦物因具有儲量豐富、價格便宜、可在當地直接開采等特點而得到了廣泛的研究與應用。但是部分孔隙率較低的天然礦物，存在易堵塞、植物較難生長或者凈化效果不理想等問題[26]。②將工業副產物作為人工濕地填料不僅可以實現廢物的資源化利用、減少建設成本，還可以提高濕地對污染物的特異性去除能力。但有研究顯示[26-28]，工業副產物的理化性質、去污效果、應用成本等會隨原料、工藝的不同而差異性顯著，且部分工業副產物會對人工濕地的其他組分產生不良影響或造成二次污染，因而應用工業副產物為填料還需大量的研究。③人造產品是指通過物理、化學等手段對天然材料進行改造，以此提升對特定污染物的凈化效果。人造產品具有吸附能力強、可根據需要進行制造等特點正在逐漸得到研究。雖然人造填料的去污能力大大提升，但因其成本遠高于天然礦和工業副產物，在現階段應用并不多[26，29-30]。

表4 人工濕地填料種類

上述研究發現，填料對人工濕地系統去除污染物起主要作用，適合的填料不僅可以增加系統去污效果，還可以緩解濕地堵塞狀況。目前，單一填料已經無法滿足去污能力的要求，通過優化不同填料的組合及配比可以提升系統的去污效果。

植物作為人工濕地的重要組成部分，在系統中發揮著重要的作用。一方面，人工濕地的植物可以減緩水流通過人工濕地的流速，延長水力停留時間，可直接吸收污水中的NOx、重金屬和有機污染物，并能增加填料中微生物的活性[31-33]。另一方面，植物還可為動物提供棲息地，通過遮擋填料而緩解熱島效應，此外形成的植物群落可產生顯著多樣的景觀元素，提高當地的生物多樣性[33]。但有研究表明，植被設計不當會影響人工濕地對污染物的凈化效果和使用壽命[33-34]。如選用須根細短的植物易形成較大的孔隙結構，可能會占據空隙導致填料過早堵塞[33，35]；若植物布局設計不當不僅會影響人工濕地的污染控制功能，還會增加后期養護管理成本。因此，植物的篩選和植被的合理設計是人工濕地設計和運行的關鍵[33]。由于不同類型人工濕地內部的水力學特征不同，因而其所適合的植物也有所差異。水平潛流人工濕地在選擇植物時要考慮到其深度較淺、負荷小、易受溫度影響等特點，適宜選擇適應能力強、生長性好的植物，如水生植物類型；潛流人工濕地因具有保溫性較好、處理污水負荷較高等特點，適合于具有濃密和較長根系的濕地植物，如水生草本植物。

濕地植物的種類繁多，且易受地域和自然條件的影響[34,36]。配置適宜植物的人工濕地可以增加系統對污染物的去除能力，自身也可以吸附污染物，還可提高微生物的活性，也可增加濕地系統的景觀性效果，甚至可以緩解基質堵塞問題。不同植物在濕地中的污水處理效果存在很大的差異，通過篩選具有特異性去除能力的植物及配置不同凈化效果的植物可以提高系統的凈化效果[37]。

單一人工濕地往往很難達到對污染物的良好的去除效果，尤其是重金屬污染、石油污染等。為了發揮不同人工濕地或者其他水處理工藝的優點，克服彼此的缺點，把不同濕地或者人工濕地與其他工藝進行組合，這樣可以增強對污染物的處理效果[38]。楊旭等[38]將人工濕地與膜工藝組合處理廢水，結果發現，組合工藝減少了人工濕地占地面積，也減輕了膜污染，提高膜處理工藝的處理效率，降低了處理成本[38]。Ge等[39]研究表明，2種或2種以上的人工濕地串聯成的組合系統對污水水質的改善遠高于單一濕地系統的應用。復合人工濕地能有效去除有機物(BOD5、COD)和懸浮固體，而氮和磷等營養物的去除效率與濕地的組合類型和濕地運行的條件有關。雖然組合工藝能顯著提升系統對污染物的凈化效果，但是對工藝操作較為嚴格，尤其是運行條件的要求。總的來說，組合工藝可以彌補單一人工濕地系統對污染物凈化效果不理想的問題，尤其對特異性的污染物，還可以降低成本。

4 結論與展望

人工濕地對重金屬污染物有良好的凈化效果，但目前不同類型及規模人工濕地的重金屬的凈化效果仍波動較大，同時對去除機理及其影響因素(填料、植物、微生物、進水負荷、溫度、水力停留時間)仍缺乏系統研究，反映這些因素與凈化效果及機理的聯系尚不完全清楚。此外，雖然近年來，提出了一些提高人工濕地凈化重金屬效果的改進措施，如填料改良、植物強化、組合工藝等，但尚未形成成熟、系統的設計標準，且大多數的研究主要集中在實驗室、小試和中試，缺乏對大型人工濕地以及在實際工程中的研究。

結合國內外在人工濕地對重金屬污染控制方面的研究，對中國今后人工濕地的研究方向提出了展望：①對實際運行的人工濕地在凈化重金屬污染方面進行長期的監測，加強對大型人工濕地的重金屬去除研究，通過收集的實際運行資料來分析與模擬實驗室之間存在的差距，提出優化改進的措施；②深入研究人工濕地對重金屬的去除機理及影響因素，包括污染物的遷移規律、濃度變化、物質形態和轉化過程，確定環境條件和工藝運行參數對人工濕地的影響程度與過程；③優化人工濕地對重金屬凈化效果技術的研究，從填料的選擇與配比、植物篩選、工藝組合等方面再深入研究，優化人工濕地工藝操作參數，提高重金屬的去除效果。