影響人工濕地污水凈化效果的因素綜述

趙佳浩，栗敏杰，范逸婷，李鵬濤，高騰云

(河南農(nóng)業(yè)大學 牧醫(yī)工程學院，河南 鄭州 450046)

隨著我國工業(yè)的發(fā)展和畜禽養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴大，隨之而來的是對環(huán)境的嚴重污染。養(yǎng)殖廢水和工業(yè)廢水都是重要的污染源。養(yǎng)殖廢水中含有較高濃度的氮、磷、氨氮等有機物[1]，而工業(yè)廢水中也含有大量有毒有害物質(zhì)，直接排放到環(huán)境中都會嚴重污染土壤及地下水資源，從而影響到人體健康。

依賴于植物對污染物的富集吸收，基質(zhì)組分對污染物的截留、微生物的降解等共同作用，人工濕地凈水技術能深度處理污水，且具有成本低、易管理等優(yōu)點，有很好的應用前景。

1 濕地植物

濕地植物作為生態(tài)環(huán)境中的“生產(chǎn)者”，不但可以過濾、富集水體中污染物，還可以通過光合作用等方式利用水體中的氮、磷等多種營養(yǎng)元素來合成自身物質(zhì)，從而起到凈化水質(zhì)的效果。

1.1 濕地植物種類

濕地植物的種類多種多樣，由于不同濕地植物對環(huán)境的耐受性和適應能力均不同，因而不同植物適用于不同人工濕地生態(tài)系統(tǒng)。Rozena等[2]研究發(fā)現(xiàn)只有香蒲屬等少數(shù)濕地植物適用于美國東北部地區(qū)人工濕地。因此在設計人工濕地時對所用濕地植物應進行認真選擇。對于同一廢水，不同種類濕地植物對其處理能力也不同。Toet等[3]發(fā)現(xiàn)不同水力停留時間(HRT)人工濕地凈化效果受植物種類和溫度等的影響。美人蕉、花葉芋、水葫蘆、萬壽菊、劍蘭5種人工濕地中水葫蘆和萬壽菊2種人工濕地對污水處理的效果最好，且在干濕比為1∶5的條件下，種植水葫蘆的土柱出水中COD、NH4+-N、TN、TP的去除率分別為81.2%、86.3%、30.7%、58.9%，種植萬壽菊的土柱出水中COD、NH4+-N、TN、TP的去除率分別為78.9%、84.3%、34%、54.9%[4]。

對11種濕地植物進行篩選發(fā)現(xiàn)，尖尾芋、橐吾和鳥巢蕨3種植物對富營養(yǎng)化程度較高的畜禽養(yǎng)殖廢水耐受性較好，對其污染物去除率較高，可用于凈化養(yǎng)殖廢水；在高濃度畜禽廢水中，尖尾芋、橐吾和鳥巢蕨對COD的去除率均高于87.1%，橐吾對TP、NH4+-N和TN的去除率均最高，分別為97.86%、91.96%和91.51%；在低濃度畜禽廢水中，橐吾和鳥巢蕨對TP的去除率均達90%以上，且鳥巢蕨對COD和NH4+-N的去除率均最高，分別為82.57%和92.14%[5]。李芳柏等[6]通過無土栽培方式對水稻、美人蕉、野生稻、蕹菜4種濕地植物處理生活廢水能力進行了研究，結(jié)果表明：美人蕉、蕹菜處理效果最好，且美人蕉對COD、TN和TP的平均去除率分別為87.1%、88.1%和98%，蕹菜對COD、TN和TP的平均去除率分別為85.3%、96.4%和94.0%，而野生稻處理效果較差。鳳眼蓮、紫萍和大薸3種濕地植物中，大薸改善富營養(yǎng)化水體水質(zhì)的效果最佳，在處理時間為6 h條件下，對TN和TP的去除率分別為19.3%和96.4%[7]。

由于對不同營養(yǎng)元素需求量的不同，同種濕地植物對不同污染物的凈化能力也不同。人工濕地中香蒲對N的吸收速率為565 mg/(m2·d)，對P的吸收速率為261 mg/(m2·d)[8]。水葫蘆對養(yǎng)豬廢水中COD、N、P的去除率分別為51.57%、90.28%、44.81%[9]。湯顯強等[10]通過室外盆栽試驗對水蔥、蘆葦?shù)?種不同濕地植物對氮、磷的凈化能力進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，7種植物中千屈菜對TP的去除率最高為86.21%，蘆葦最低為78.58%，但就TN的去除率而言，千屈菜的最低(77.64%)，蘆葦則相對較好(86.05%)。由此可見，在設計人工濕地時，濕地植物的選擇至關重要，不但影響到人工濕地的凈化效果，甚至影響到人工濕地本身的可行性。與此同時，可利用不同種類濕地植物對不同污染物凈化能力差異性的特點，進行適當組合配置以達到更好的處理效果。目前，關于利用不同植物組合人工濕地進行污水處理的研究已有很多。

1.2 根系泌氧功能

濕地植物根系有多重功能，最基本的就是固定植株，與此同時還能夠起到過濾、富集污染物的作用。濕地植物可以將外界環(huán)境中的氧氣通過一系列反應傳遞到根部區(qū)域，繼而擴散到根系周圍的水體環(huán)境中，為根系周邊水體提供一定的氧氣，為硝化反應等一系列好氧反應提供有利條件。有研究表明：植物的泌氧速率遠大于空氣中氧氣向濕地液面的擴散速率，自然條件下根部任何位置都會產(chǎn)生很強的徑向泌氧(ROL)活動；在缺氧條件下，ROL強度由根尖向根基方向遞減；在好氧條件下，ROL在根區(qū)的強度很低[11]。不同濕地植物的根系泌氧能力差別較大。鐘金明[12]通過比較水芹菜、蘆葦、荷花、荇菜、菖蒲5種濕地植物的根系泌氧能力，發(fā)現(xiàn)蘆葦?shù)拿谘跄芰ψ顝姡闫汛沃苫ǖ拿谘跄芰ψ钊酰姨J葦濕地對污染物的去除率相對較高且最穩(wěn)定，其對氨氮的總?cè)コ蕿?8%。吳海明等[13]研究發(fā)現(xiàn)，香蒲、蘆葦、水蔥3種濕地植物中蘆葦?shù)拿谘跄芰ψ顝姡涿娣e泌氧率和比放氧速率均最高，分別(O2)為4.35 g/(m2·d)和3.36 mg/(g·d)；降解污染物的效果也最好，對COD、NH4+-N、TN、TP的去除速率分別為3.65、0.13、0.27、0.09 g/(m2·d)。

1.3 根系分泌功能

在正常生長的情況下，植物根系能分泌許多氨基酸、糖、有機酸、甾類化合物、微量的生長物質(zhì)等小分子有機物和無機離子，這些物質(zhì)統(tǒng)稱為根系分泌物[14]。受基因、環(huán)境等多方面因素的影響，不同種類植物根系分泌物的量和種類均存在較大差異。研究表明，環(huán)境中礦物元素含量對植物根系分泌物的分泌活動影響很大。在環(huán)境養(yǎng)分高濃度的脅迫條件下，根系分泌物能起到提高植物抵抗脅迫能力的作用；在環(huán)境養(yǎng)分匱乏時，根系分泌物能促進植株吸收轉(zhuǎn)化能力以維持正常生存[15]。這種補償機制對于濕地植物在含礦物元素較多、富營養(yǎng)程度高的水體中生存，并發(fā)揮凈化作用起著至關重要的作用。

1.4 植物化感物質(zhì)

植物能產(chǎn)生多種化感物質(zhì)，且不同類型植物所產(chǎn)生的化感物質(zhì)種類及其數(shù)量也不同。就挺水植物而言，在產(chǎn)生的化感物質(zhì)中次生代謝物居多，按成分大致分為酚類、萜類、低分子有機酸、脂肪酸等。其中酚類化感物質(zhì)數(shù)量多、活性強；萜類化感物質(zhì)可抑制雜草，毒害其他植物；有機酸類化感物質(zhì)可促進(如檸檬酸)或毒害(如水楊酸)植物；脂肪酸類化感物質(zhì)能明顯抑制某些種類的植物或藻類[16]。濕地植物通過化感作用抑制藻類過量增殖，從而防止水體富營養(yǎng)化的研究已有很多。李鋒民等[17-18]研究發(fā)現(xiàn)蘆葦化感物質(zhì)2-甲基乙酰乙酸乙酯(EMA)能使斜生柵藻細胞結(jié)構(gòu)顯著紊亂，且高濃度的EMA可降低銅綠微囊藻POD、CAT、SOD等抗氧化體系酶的活性。用菖蒲化感物質(zhì)α-細辛醚抑制羊角月牙藻，發(fā)現(xiàn)羊角月牙藻生長速率減慢，細胞內(nèi)線粒體數(shù)目明顯增多[19]。在石菖蒲水中培養(yǎng)藻類可以破壞藻類的葉綠素[20]。添加4 mg/L EMA能使蛋白核小球藻和銅綠微囊藻離子滲出量達到破壞細胞膜最大滲出量的95%以上[21]。以上研究表明，植物化感物質(zhì)能夠通過破壞細胞亞顯微結(jié)構(gòu)、降低酶活性、破壞細胞膜、抑制呼吸作用和光合作用等途徑來抑制藻類的增殖。

2 人工濕地微生物

2.1 微生物在人工濕地系統(tǒng)中的作用

微生物作為“分解者”，能有效降解污水中有機大分子物質(zhì)和氮磷等污染物。好氧微生物能降解污水中大部分有機氮，硝化細菌能起到硝化作用，反硝化細菌和其他厭氧氨氧化微生物能繼續(xù)將反應后的硝態(tài)氮、氨態(tài)氮等轉(zhuǎn)化為氣體而排出水體[22]。研究表明，通過人工濕地微生物去除的氮量占人工濕地氮去除總量的60%～90%，起到相對主導作用[23-24]。植物不能直接吸收水體中的有機磷以及大部分無機磷鹽。而人工濕地中微生物(磷細菌等)能夠?qū)⒂袡C磷化合物分解礦化，將無機磷進行氧化還原進而被植物吸收利用。

2.2 人工濕地微生物的多樣性及其影響因素

人工濕地微生物中數(shù)量最多的為細菌，其次為放線菌，真菌數(shù)量最少。與氮去除相關的氨化細菌、亞硝化細菌、硝化細菌和反硝化細菌數(shù)量占優(yōu)[25]。這也是濕地微生物具有良好脫氮效果的重要原因之一。微生物作為人工濕地復雜系統(tǒng)中重要的組成部分，不可避免地會受到多種環(huán)境因素的影響。Wang等[26]研究發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)上層多為好氧性氨氧化古菌和氨氧化細菌，而基質(zhì)下層多為厭氧性氨氧化菌。陶敏等[27]通過氧調(diào)控對濕地中微生物群落結(jié)構(gòu)及活性變化的研究發(fā)現(xiàn)，氧調(diào)控下微生物數(shù)量明顯增多，且微生物群落專一性更高、活性更強。對六氯苯脅迫下根際土壤中微生物數(shù)量和酶活性變化的研究發(fā)現(xiàn)，根際土壤微生物(細菌、放線菌、真菌)數(shù)量大于非根際土壤，且六氯苯含量與蘆葦、香蒲根際微生物數(shù)量和酶活性呈負相關[28]。不同濕地植物對人工濕地中微生物群落和豐度有顯著的影響[29-30]。大量研究表明，濕地植物根系的泌氧功能使得根系周圍由近及遠同時存在好氧區(qū)域、缺氧區(qū)域和厭氧區(qū)域[31-33]，這為水體微生物提供了良好的生存和代謝條件，使得根區(qū)對污染物進行降解利用的微生物的多樣性和豐度均高于非根區(qū)。另外，其他因素如基質(zhì)種類、基質(zhì)結(jié)構(gòu)、不同植物組合和碳源等也會對微生物的多樣性和豐度造成影響，從而影響到人工濕地微生物對污染物的凈化效果。付融冰等[25]通過對濕地基質(zhì)微生物狀況與凈化效果相關性的研究發(fā)現(xiàn)，濕地基質(zhì)中細菌的數(shù)量與BOD5去除率存在顯著的相關性(r=0.897，P<0.05),亞硝酸細菌數(shù)量與TN的去除率存在極顯著相關性(r=0.988，P<0.01)，且濕地微生物的數(shù)量和活性會隨著濕地的長期運行而逐漸趨于穩(wěn)定。

3 人工濕地設計參數(shù)的相關因素

3.1 不同人工濕地構(gòu)型

根據(jù)水流方向不同，人工濕地可分為潮汐流人工濕地、表面流人工濕地和潛流人工濕地等，而潛流人工濕地又可細分為水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地。不同構(gòu)型人工濕地對污水凈化效果不同。由于水流流態(tài)及其路徑等不同，垂直流人工濕地相比于水平流人工濕地對污染物的去除率更高[34]。Li等[35]利用多級表面流人工濕地處理豬場養(yǎng)殖廢水，發(fā)現(xiàn)多級表面流人工濕地能有效去除廢水中COD、TN、NH4+和NO3-等污染物均具有良好的凈化效果，去除率分別為16.3、9.14、7.75、45.49 g/(m2·d)。段然[36]研究發(fā)現(xiàn)，表流-水平流人工濕地對COD、生物需氧量(BOD5)和固體懸浮物(SS)的處理效率分別為85.33%、96.61%和98.11%，表流-垂直流人工濕地對COD、生物需氧量和固體懸浮物的處理效率分別為85.21%、95.62%和95.46%，且表流-水平流人工濕地對BOD5和SS的處理效果顯著優(yōu)于表流-垂直流人工濕地(P<0.05)。因此，在進行人工濕地設計之初就應該因地制宜選用合適的人工濕地構(gòu)型以達到更好的凈化效果。

3.2 基質(zhì)種類

基質(zhì)在人工濕地系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，能通過吸附、過濾、生物降解等方式去除污染物。不同基質(zhì)種類對人工濕地污染物的去除效果有著較大影響，選擇合適的填料作為基質(zhì)可以大大提高人工濕地的凈化效果。利用礫石、紫色土、河沙去除畜禽養(yǎng)殖廢水氮磷的研究發(fā)現(xiàn)，廢水中的磷主要通過基質(zhì)的吸附作用去除，各試驗組中土壤基質(zhì)吸附磷含量均大于32 mg/kg，河沙基質(zhì)吸附磷含量在8～14 mg/kg，而礫石基質(zhì)吸附磷含量均低于4 mg/kg，總體吸附能力依次為土壤>河沙>礫石，且土壤中吸附磷含量沿河床方向基質(zhì)對磷的去除量呈增加的趨勢，床體前端、中部、尾部的吸附磷含量依次為45.09、48.67、66.98 mg/kg[37]。方偉成等[38]研究了水泥磚、陶粒和紅磚3種基質(zhì)對人工濕地中磷的去除能力，發(fā)現(xiàn)水泥磚的理論飽和磷吸附量最大為1.5921 mg/g，最適合作為人工濕地填料，陶粒和紅磚理論飽和吸附量較小，分別為0.3611和0.4599 mg/g。另外，不同基質(zhì)去除污染物的作用機理也不同。在沸石、陶粒、火山巖3種基質(zhì)中，陶粒主要通過物理作用吸附去除氨氮，而沸石和火山巖以離子交換為主，且3種基質(zhì)對氨氮最大吸附量由大到小依次為沸石、火山巖、陶粒，分別為0.9625、0.8643、0.6928 mg/g[39]。廢磚塊、沸石、火山巖和海蠣殼4種基質(zhì)人工濕地凈化豬養(yǎng)殖場廢水，發(fā)現(xiàn)海蠣殼主要通過化學吸附作用去除磷，而其他3種基質(zhì)主要通過物理吸附而發(fā)揮作用[40]。

3.3 進水濃度

不同進水濃度對人工濕地的凈化效果有較大影響。日常生活廢水污染物濃度相對較低、處理難度較小，而養(yǎng)殖廢水和工業(yè)廢水等水體中污染物濃度相對較高，凈化難度相對較大，在利用人工濕地進行凈化處理時，對濕地植物本身的耐受性也是一種挑戰(zhàn)[41-43]。洪海燕[44]利用模擬三級組合式垂直流人工濕地系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，合理控制分級進水濃度可以提高氮去除率，在第一級進水濃度和第二級進水濃度分別為90%和10%時，TN的去除率最大為59.39%。在一定范圍內(nèi)，進水濃度越大，N2O、CH4和CO2的釋放量越多,但在過高的進水濃度條件下，N2O的釋放量減少[45]。張燕等[46]研究了TN濃度分別為60(低)、120(中)、240 mg/L(高)3種不同的進水濃度對美人蕉組合人工濕地氮去除率的影響發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)對TN、NH4+-N和NO3--N的去除率均表現(xiàn)為低濃度>中濃度>高濃度，且9月份的低濃度試驗組在HRT為48 h時，對TN和NH4+-N的去除率均大于60%，對NO3--N的去除率大于90%。

3.4 水力負荷

大量研究表明，水力負荷對人工濕地的凈化效果有較大的影響[47-49]。傳統(tǒng)人工濕地水力負荷低，占地面積較大。目前廣泛應用的人工濕地碎石床的水力負荷只有0.2～0.4 m3/(m2·d)[50]。提高水力負荷可以減少濕地面積，但會影響到處理效果[51-52]。很多學者就如何在不降低處理效果的同時提高水力負荷方面進行了大量研究。李懷正等[53]研究發(fā)現(xiàn)，隨水力負荷升高，COD、SS和TN的去除率先升高后下降，TP的去除率受水力負荷的影響不大。在水力負荷為2.52～3.34 m3/(m2·d)時，人工濕地對污染物處理效果最佳，此時TN和SS的去除率最高，分別達1.8 g/(m2·d)和117.6 g/(m2·d)，而COD在水力負荷為1.74～4.6 m3/(m2·d)時的去除率較高，為55～69 g/(m2·d)。

3.5 水力停留時間

水力停留時間(HRT)是人工濕地系統(tǒng)設計中一個重要參數(shù)。利用人工濕地系統(tǒng)凈化工業(yè)廢水和養(yǎng)殖廢水等水量大、污染物濃度高、難降解的污水時，處理效率相對較低，其中一個很重要的原因就是需要HRT較長。研究表明，增加HRT的確可以有效增強人工濕地對污染物的去除能力[54-57]。吳建強等[54]研究發(fā)現(xiàn)，潛流型濕地和垂直流濕地均在HRT為2 d左右時對COD的去除率最高，分別為92.3%和93.1%，均在HRT為2.5 d時對NH4+-N去除效率最高，分別為81.5%和97.7%。但對于營利性企業(yè)，如何保證處理效率的前提下降低HRT仍有待研究。

4 展望

(1)人工濕地系統(tǒng)中還有很多不可控或從經(jīng)濟角度較難進行人為控制的因素，如溫度、碳源、季節(jié)性變化、自然降水量等[58-59]，但這些因素對人工濕地處理效果的影響卻不容忽視。如何利用可控條件，使人工濕地凈化技術發(fā)揮更好的處理效果仍需進一步研究。

(2)進一步對人工濕地去除各種污染物的機理進行研究，從而為人工濕地設計和實施提供更為有效的參考。

(3)可通過不同參數(shù)人工濕地對同一污水的凈化效果的對比研究，為不同污水的最適人工濕地類型及配置提供科學依據(jù)。