人工濕地工藝研究現狀及影響因素分析

梅藝鋒 李楠 廣東省環境科學研究院

濕地是一種永久或周期性被水浸透的區域，作為一種具有成本效益和能源效率的解決方案，人工濕地為污水處理提供了可持續的綠色技術。人工濕地在去除廢水中的有機物、病原體、重金屬和其他污染物方面表現出卓越的效果。典型的人工濕地系統由濕地植物（大型植物）、基質或介質、廢水和微生物群落組成。通過模仿自然濕地的生態功能，人工濕地為環境治理提供了可持續且環保的解決方案。

1 研究現狀

根據水力水平的不同，人工濕地可分為自由表面流 (FSF)、地下流 (SSF)、潮汐流和擋板流人工濕地。自由表面流人工濕地指的是介質頂部表面上方的水流，然而由于其對環境產生的負面影響，通常不推薦使用。首選的方案是地下流人工濕地，其中廢水在人工濕地頂部以下10～15 cm處流動。地下流可通過兩種方式實現：垂直地下水流 (VFCW) 和水平地下水流(HFCW)。潮汐流人工濕地是一種改進的系統，結合了植被、微生物固定膜以及創新的填充和排水潮汐循環，以增強好氧和缺氧處理過程。擋板流人工濕地利用擋板以正弦曲線方式引導水流，增加微生物與廢水之間的接觸時間。為了提高整體效率，混合人工濕地充分利用了VFCW和HFCW的優勢，實現了更高水平的處理效果，并能產生生化需氧量和氮含量非常低的廢水。

人工濕地是一種有效處理廢水的方法，但其所需占地面積會受到氣候和廢水特性的影響。研究表明，相比于水平地下水流 (HFCW)，垂直地下水流(VFCW) 可以更小面積地實現更高的氧氣傳輸效率。人工濕地床由介質和植物組成，在污染物去除中起著至關重要的作用。介質提供了微生物形成生物膜所需的大表面積，從而通過吸附和過濾等過程去除污染物。此外，人工濕地中的大型植物有助于去除養分（如氮和磷）和污染物，促進根際環境多樣性，增強微生物和化學過程。

人工濕地已被證明在去除生化需氧量(85%～90%) 和總懸浮固體 (90%～95%) 方面非常有效。然而，充足的氧氣供應對于適當的硝化作用至關重要，在改進人工濕地中的硝化-反硝化方面已取得了一定進展。然而，除磷對人工濕地仍然是一個挑戰，限制了其在處理富磷廢水方面的應用。此外，人工濕地在土地利用要求和處理高強度和有毒廢水方面面臨一定的限制。

2 影響因素分析

2.1 間歇曝氣/人工曝氣

在有氧條件下，硝化作用需要消耗4.5 kg氧氣才能去除1 kg氮，而去除1 kg BOD5只需要1.2 kg氧氣。進一步觀察發現，當廢水中的溶解氧（DO）水平高于1.5 mg/L時，硝化作用會發生，而當DO低于0.5 mg/L時，高效反硝化作用會發生。然而，要維持這些條件對自然環境來說具有挑戰性，需要使用人工曝氣來提供氧氣。相較于其他系統，垂直地下水流（ VFCW）需要較少的人工曝氣，因為約50%的所需氧氣可以從大氣中獲得。此外，VFCW中DO的分布在頂部的0～10 cm深度顯示出最高濃度，隨著深度增加逐漸降低。大部分氧氣消耗用于去除BOD5，這主要發生在距頂部10～40 cm的位置。相比之下，硝化作用主要發生在該深度以下，因此氧氣供應相對有限。

在人工濕地中，植物起著將氧氣從大氣中轉移到根際根系的作用。然而，大約一半的氧氣被植物用于呼吸作用。

人工濕地中植物的氧氣釋放率在0.014～10 g/m2/d之間，這不足以有效去除BOD和養分。在沒有曝氣的地下流人工濕地（ SSF-CW）中，平均溶解氧（DO）濃度約為0.24 mg/L，這不足以支持硝化作用的進行。為了提高人工濕地中的DO濃度，采用了各種技術，例如混合人工濕地（結合VFCW和HFCW）、流出物分步進料、噴嘴法和分批操作。人工濕地中一種經濟高效的曝氣方法是使用帶有穿孔的垂直管。這些管道將外部大氣與人工濕地內部床相連，促進硝化作用的進行。因此，每天進行4～6 h的間歇曝氣不僅可以降低曝氣成本，還可以提高人工濕地在脫氮和有機物去除方面的處理效率。

2.2 基質

基質是指人工濕地中使用的過濾介質。這些過濾介質在過濾、吸附和吸收等物理過程中起著至關重要的作用。人工濕地的性能受基質類型、大小、形狀、孔隙空間、化學成分和滲透性等因素的影響。

人工濕地不僅能有效去除可生物降解的廢物，還能有效處理磷和重金屬等不可生物降解的污染物。人工濕地中常用的基質材料包括土壤、沙子、礫石、碎石和其他天然材料。雖然這些材料能有效去除可生物降解的有機物，但對于重金屬的去除效果有限。此外，這些過濾介質為微生物的生長提供了較大的表面積，促進了有機廢物的生物降解過程。

如果沒有采用適當的介質，極易發生堵塞等現象。堵塞會導致在人工濕地中形成死區，使得大量水繞過濾床而導致整體效率降低。堵塞程度主要取決于介質的孔隙率和時間。隨著時間的推移，由于蘆葦和生物膜的發展，堵塞的程度會減少。在初始設置階段，觀察到粗礫石、橡膠和塑料介質的孔隙率相比于礫石和橡膠介質分別降低了19%、12%和9%。同時，在人工濕地的運行過程中，需要進行適時的維護和清洗以保持良好的水流通和過濾效果。

2.3 再循環

再循環是人工濕地中一個值得考慮的重要參數，再循環率決定了處理過的廢水相對于進水的比例，對整個處理過程起著至關重要的作用。在具有100%再循環的混合人工濕地（HFCW+VFCW）中觀察到，再循環提高了廢水中的氧氣水平，從而改善了硝化作用。通過增加廢水之間的接觸，氮去除率提高了40%并促進了生物膜的形成。根據不同類型的人工濕地，可以采用不同比例的再循環來減少其占地面積。然而，由于HFCW具有較高的占地面積和過高的水力負荷，目前尚未廣泛采用再循環。需要綜合考慮人工濕地的具體情況和要求，以確定適當的再循環率，以實現最佳的廢水處理效果。這可以通過實地調查和系統評估來確定最佳的再循環策略，并確保人工濕地的性能和可持續性。

再循環通過廢水和微生物之間更長時間的相互作用，促進NH4-N通過硝化細菌轉化為硝酸鹽(NO3-N)，有助于增強NH4-N的去除。再循環率的增大會使氮和懸浮固體去除增加，但也會增加能源消耗，突出了優化再循環率的重要性。再循環率的變化不會顯著影響除磷。將再循環與間歇曝氣相結合可以產生更高的效率，從而能夠去除BOD和TN，同時減少所需的人工濕地面積。

再循環在人工濕地中的應用確實可以促進NH4-N的硝化過程，將氨氮轉化為硝酸鹽。通過延長廢水和微生物之間的接觸時間，再循環提供了更多的機會，使硝化細菌有更多時間將氨氮轉化為硝酸鹽。增加再循環率可以提高氮和懸浮固體的去除效果，但也會增加能源消耗。因此，優化再循環率變得非常重要，以在最佳的去除效果和能源效率之間實現平衡。相比之下，再循環對除磷的影響較小，即再循環率的變化不會顯著影響除磷過程。結合再循環和間歇曝氣可以進一步提高人工濕地的效率，從而在減少廢水中的BOD和TN的同時，減少所需的人工濕地面積。因此，通過合理設計再循環率并結合其他增效措施，可以實現更高效的廢水處理，并在降低能源消耗和減少占地面積方面取得平衡。

有研究人員在人工濕地中采用再循環來處理高固體含量的污泥，觀察到通過再循環增加的蒸散損失，促進了從污泥中分離出的污水的處理。事實證明，100～150 mm/d的再循環比最有效地實現污泥中COD的最大去除，同時由于蒸發蒸騰增加而減少了污水量。通常，HFCW和VFCW的再循環比范圍為0.2～2.5。

2.4 植物

作為濕地內主要的氧氣來源，植被在人工濕地中起著至關重要的作用。植物的存在降低了水流速度，為廢水中的固體顆粒提供了足夠的時間沉淀。此外，植物形成的絕緣層有助于維持適當的系統溫度，從而促進微生物活動。植物的碳維持了硝化和反硝化過程所需的C/N比。在人工濕地中，植物對BOD、COD、TN、NH4-N和磷酸鹽等參數的去除表現出積極影響。然而，對于NO3-N和硫酸鹽的去除，它們可能產生負面影響，因為這些轉化過程通常發生在缺氧條件下。此外，濕地中開花植物的存在增強了處理廠的美感。

人工濕地中植物的密度對系統的停留時間有影響。每種植物物種具有不同程度的孔隙率，這直接影響生物膜生成的可用表面積。較高的孔隙率導致較少的水下植物材料，從而減少生物膜的形成。研究人員發現，互生香附子是一種成本效益較高的選擇，盡管其除磷能力并不顯著，但其具有快速生長和有效的COD去除能力。因此，建議將香附子與其他具有吸磷能力的植物結合使用。

2.5 碳氮比和溫度

碳/氮比在人工濕地處理中起著至關重要的作用，因為低的C/N比會限制氮和磷的去除。處理低C/N比廢水通常涉及能源密集型過程，例如厭氧氨氧化和同步硝化反硝化。碳在去除NO3-N過程中扮演關鍵角色，因為它在反硝化過程中充當電子供體。在HFCW中，未添加碳時，NO3-N的去除率僅為7%；然而，通過添加蔗糖以保持COD/NO3-N比率為3.5:1時，NO3-N的去除率增加到70%。在FSFCW中，當COD/NO3-N比率在3.5:1和5:1之間時，觀察到NO3-N完全去除，但進一步增加C/N比率并沒有增強NO3-N的去除效果。當COD/NO3-N比率低于2時，NO3-N的去除受到限制，因為大部分有機物去除發生在人工濕地的頂層，減少了底層可用于反硝化的碳源。

生物反硝化作用與溫度密切相關，低于15℃時反硝化顯著降低，在5 ℃以下完全停止。然而，BOD和COD去除率對溫度的影響不顯著，表明有機物去除主要依賴于微生物活動，即使在低于15℃的溫度下，微生物活動仍會持續存在。相比之下，氨和氮的降解高度依賴于溫度，15 ℃以上的溫度會影響氮的去除效率。多孔介質和植物根系的存在有助于將廢水溫度保持在比環境氣溫高2～3℃。對于處理奶酪乳清廢水的HFCW進行的研究表明，在初始調試階段，種植和未種植的HFCW在COD去除方面表現出類似的趨勢。然而，在穩定條件下，即水力停留時間（HRT）為4d時，溫度的影響變得明顯。當溫度高于15 ℃時，兩種系統均實現了90%以上的COD去除率，但當溫度低于15℃時，未種植的HFCW僅實現了60%的COD去除率，而種植的HFCW實現了90%的COD去除率。

因此，在進行有效的人工濕地操作時，保持溫度在15℃以上，并考慮使用混養種植的人工濕地來幫助調節系統溫度至關重要。此外，正確選擇適當的外部碳源并保持最佳的C/N比（范圍從3.5:1到5:1）非常關鍵，因為它們促進反硝化作用并有助于減少溫室氣體排放。

3 優缺點分析

人工濕地是一種經濟高效的廢水處理技術，其能源和運營成本相對較低，通常僅占資本成本的1%～2%。人工濕地具有廣泛的應用領域，可有效處理各種類型的廢水，包括農業、乳制品、制革、紡織以及紙漿和造紙工業廢水。通過引入人工濕地，污水處理廠的外觀可以得到改善，呈現出像花園一樣的綠色景觀，提升了視覺吸引力。在去除效率方面，人工濕地可以與現代廢水處理技術相媲美，如活性污泥法、序批式反應器、移動床生物膜反應器和升流式厭氧污泥床等。人工濕地能夠顯著去除各種污染物，并且工業廢物可用作人工濕地中的介質，既可提供微生物的生長表面，也可作為固體廢物管理的解決方案。

但人工濕地也存在一定的局限性。在人工濕地中使用的植物通常會產生大量生物質，這可能導致堵塞問題并增加運營和維護成本。因此，及時收獲生物質非常重要，否則其分解會重新引入污染物到系統中，從而降低出水質量。季節性變化對人工濕地的性能產生顯著影響，通常夏季的效率較高，而冬季的效率會降低。此外，由于對微生物群落和植物的負面影響，化學濕地在處理有毒和高濃度廢水方面的效果相對不佳。與傳統處理方法相比，因人工濕地水力停留時間更長，故需要更大的土地面積。

4 結語

為了提高人工濕地技術的可持續性，可以將工業廢物用作人工濕地的基質。盡管曝氣在BOD降解和硝化中起著至關重要的作用，但連續通氣會增加操作成本。因此，需要采用間歇曝氣的方式。同時，將處理過的廢水再循環回人工濕地入口，通過促進稀釋和增加廢水與微生物之間的接觸來提高效率。植物類型的選擇、每平方米面積的植物數量以及它們的再利用對工藝也具有重要影響。此外，需要維持適當的C/N比以實現有效的硝化和反硝化作用。