李忠民

(吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展、全球人口急劇膨脹及人們生活水平的進(jìn)一步提高，人均需水量和總需水量均大幅增加，淡水資源的缺乏嚴(yán)重影響到了人類的生存和發(fā)展，改善水質(zhì)和水生生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)是當(dāng)前極為緊迫的任務(wù)。據(jù)報(bào)道，2010年我國(guó)廢污水排放總量達(dá)750億t，河流水質(zhì)不達(dá)標(biāo)率近40%，其中喪失利用價(jià)值的劣Ⅴ類水占20%?！叭尤?黃河、淮河、遼河、太湖、巢湖、滇池)嚴(yán)重污染問(wèn)題遲遲的不到有效解決。截止2010年底，我國(guó)26個(gè)國(guó)控重點(diǎn)湖泊(水庫(kù))中，水質(zhì)為Ⅴ類的有6個(gè)，占23.1%，劣Ⅴ類的10個(gè)，占38.5%［1］。反映了我國(guó)污水處理能力依然嚴(yán)重不足。常規(guī)的污水生物處理技術(shù)能有效地去除有機(jī)物，但對(duì)氮磷的去除效率不高;化學(xué)方法能去除氮磷，但成本高而且容易造成二次污染。人工濕地具有成本低、運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)方便、運(yùn)行費(fèi)用低、氮磷去除能力強(qiáng)、對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng)，以及兼具美學(xué)價(jià)值等優(yōu)點(diǎn)［2］，因而受到了越來(lái)越多地關(guān)注。目前，人工濕地已在發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛的應(yīng)用，主要用于處理來(lái)自化糞池、養(yǎng)殖場(chǎng)、造紙廠、油田、煤礦、富營(yíng)養(yǎng)化湖泊及城市生活污水等。

濕地是陸生生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)之間的過(guò)渡性地帶，一般包括河流、湖泊、水庫(kù)、沼澤、灘涂、低潮時(shí)的淺海區(qū)等。國(guó)際濕地公約中對(duì)濕地的定義為:“濕地系指不論其為天然或人工、長(zhǎng)久或暫時(shí)之沼澤地、泥炭地或水域地帶，帶有或靜止或流動(dòng)、或?yàn)榈?、半咸水或咸水水體者，包括低潮時(shí)水深不超過(guò)6m的區(qū)域”［3］。濕地被稱為“地球之腎”，具有強(qiáng)大的生態(tài)凈化作用，是人類最重要的生存環(huán)境之一。

2 人工濕地的概念與組成

人工濕地(constructed wetland)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種廢水處理技術(shù)［4］，是人工設(shè)計(jì)建造的由填料(石、砂、土壤、煤渣等)、植物(沉水植物、浮水植物和挺水植物)和微生物組成的可控制、工程化的污水處理生態(tài)系統(tǒng)。

人工濕地主要是由預(yù)處理系統(tǒng)、配水系統(tǒng)和濕地處理系統(tǒng)組成。其中，預(yù)處理系統(tǒng)主要由沉淀池等組成，去除污水中粒徑較大的顆粒物，以減輕濕地處理系統(tǒng)的負(fù)荷。配水系統(tǒng)主要由進(jìn)水、排水管網(wǎng)組成。人工濕地處理系統(tǒng)是人工濕地的核心部分，用于去除污水中的各種污染物，凈化污水。

基質(zhì)是人工濕地中不可缺少的組成部分，大部分物理、化學(xué)和生物反應(yīng)等都在基質(zhì)中進(jìn)行。基質(zhì)不但支持濕地植物的生長(zhǎng)、為生物膜提供附著體，還可以通過(guò)阻力截留過(guò)程直接去除污染物。多種材料包括土壤、砂子、礦物、有機(jī)物料及工業(yè)副產(chǎn)品如爐渣、鋼渣和粉煤灰等都可作為人工濕地的基質(zhì)［6］。

3 人工濕地的類型

3.1 自由水面人工濕地

自由水面人工濕地與天然濕地相似，污水在基質(zhì)表面漫流，依靠浸沒(méi)在水面下的植物莖稈表面的生物膜來(lái)去除污染物。這種濕地不需要考慮基質(zhì)種類和結(jié)構(gòu)，因而投資少、運(yùn)行費(fèi)用較低，缺點(diǎn)是不能充分利用植物根莖來(lái)去除污染物，去污效率低。另外，自由水面人工濕地的保溫性能差，冬天容易結(jié)冰，夏天又容易滋生蠅蚊，散發(fā)惡臭，影響衛(wèi)生狀況。

3.2 潛流式人工濕地

潛流式人工濕地中，污水在基質(zhì)表面下的空隙中流動(dòng)，不但可以通過(guò)植物根系和填料來(lái)截留污水中的懸浮顆粒物，還可以通過(guò)植物根系直接吸收污染物。此外，由于污水在基質(zhì)表面下流動(dòng)，所以保溫性能好，受氣候的影響較小，且衛(wèi)生狀況好。缺點(diǎn)是這種模式的投資較高，且容易發(fā)生堵塞。

3.3 垂直水流型人工濕地

垂直水流型人工濕地結(jié)合了自由水面人工濕地和潛流式人工濕地的特點(diǎn)，污水在填料床層間做豎向運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)了污水在填料中的停留時(shí)間，去污能力更強(qiáng)。缺點(diǎn)是這種模式對(duì)配水系統(tǒng)的要求更高、投資高［5］，因而應(yīng)用較少。

4 人工濕地植物的選擇

4.1 濕地植物的作用

濕地植物是人工濕地中的重要組成部分，其種類選擇和數(shù)量決定了人工濕地的功能發(fā)揮，同時(shí)也影響著污水處理效率和景觀效應(yīng)。對(duì)于植物吸收污染物的作用，有兩種不同的說(shuō)法，有些學(xué)者認(rèn)為植物的吸收具有高效的去污能力，靖元孝等［7］研究了潛流型海桑人工濕地、桐花樹(shù)人工濕地和木欖人工濕地對(duì)污水的凈化效果。結(jié)果表明，3種紅樹(shù)植物人工濕地對(duì)BOD5、CODCr、TP、TN、－N和－N的平均去除效率分別達(dá)到了83%、74%、41%、50%和84%以上。但也有學(xué)者認(rèn)為植物的主要作用并不在吸收污染物方面，李林峰等［8］研究發(fā)現(xiàn)，濕地植物吸收的TN和TP中有相當(dāng)一部分是存儲(chǔ)在地下部，通過(guò)刈割而被去除的TN和TP只占人工濕地TN和TP去除量的0.3% ～14.1%和 0.8% ～19.6% ，認(rèn)為濕地植物的直接吸收在人工濕地系統(tǒng)氮、磷去除中不占重要地位，而在其生態(tài)效應(yīng)的發(fā)揮。

4.2 濕地植物的選擇原則

4.2.1 生長(zhǎng)適地性

植物的生長(zhǎng)受到氣候、地形、水文等條件的限制，因此，應(yīng)當(dāng)選擇能夠在當(dāng)?shù)卣ＩL(zhǎng)的植物，優(yōu)先考慮當(dāng)?shù)氐奈锓N。某些外來(lái)物種可能具有高效的去污能力，但須慎重選擇，以免發(fā)生生物入侵。

4.2.2 耐污能力強(qiáng)

不同植物的耐污能力不同，選擇濕地植物時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇耐污能力強(qiáng)的植物，使得植物在污染物濃度較高時(shí)仍能正常生存，并能有效地凈化吸收污水中的有害物質(zhì)。例如，鳳眼蓮、滿江紅、水浮蓮對(duì)鱉池中的亞硝態(tài)氮、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮的去除率分別達(dá)到了57.5% 、74.3% 和 66.5% ，具有較好的去污效果［9］。

4.2.3 多種植物配合

人工濕地是一種人工構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)，而生物多樣性是維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件之一，將多種合適的植物組合種植在人工濕地中，可以維持系統(tǒng)的高效去污能力。

4.2.4 與基質(zhì)和濕地類型相適應(yīng)

基質(zhì)為植物和微生物提供了生長(zhǎng)空間，同時(shí)為氧的傳遞提供了必需條件［10］?；|(zhì)的 pH值、含鹽量、孔隙度等影響濕地植物的生長(zhǎng)，濕地植物應(yīng)當(dāng)與基質(zhì)相適應(yīng)。濕地類型也決定了某種植物能否用于該濕地。例如，適合北方人工潛流濕地的植物為蘆葦、茭白、香蒲、水燭、藨草，適合表流濕地的植物是水葫蘆、大薸、菱角［11］。

4.2.5 美學(xué)價(jià)值

選擇濕地植物時(shí)，還應(yīng)考慮濕地植物的景觀效果，濕地植物是營(yíng)造濕地景觀的自然材料，在濕地中將沉水植物、浮水植物、挺水植物合理搭配，并在岸邊種植樹(shù)木，構(gòu)建園林景觀。

5 人工濕地的去污機(jī)理

5.1 基本去污機(jī)制

人工濕地作為一種高生產(chǎn)力的新型污水處理系統(tǒng)，通過(guò)濕地中基質(zhì)、植物和微生物相互關(guān)聯(lián)，物理、化學(xué)、生物學(xué)工程協(xié)同作用凈化污水［12］。成熟的人工濕地中，微生物大量繁殖，在填料表面形成生物膜，植物根系廣泛分布，通過(guò)吸附、過(guò)濾、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解等過(guò)程來(lái)達(dá)到水質(zhì)凈化的目的。

5.2 對(duì)各種污染物的去除機(jī)制

5.2.1 氮的去除機(jī)理

人工濕地具有氮去除效果好、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、投資低和生態(tài)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。一般情況下，人工濕地的脫氮途徑主要有3種:植物和其他生物的吸收作用、微生物的氨化、硝化和反硝化作用以及氨氣的揮發(fā)作用［13］。其中，硝化/反硝化是最主要的氮去除機(jī)理，占濕地氮去除總量的60% ～86%［14］，其次是通過(guò)植物吸收和積淀物的積累去除，污水的pH值較低時(shí)，氨氣的揮發(fā)作用可以忽略。決定人工濕地脫氮效率的因素有植物的耐污能力、溶解氧含量、污染物負(fù)荷及水力停留時(shí)間等，見(jiàn)表1。［14］

表1 濕地中的氮去除機(jī)理

(1)微生物的除氮機(jī)理。人工濕地中的氮有兩種存在形式，即無(wú)機(jī)氮和有機(jī)氮，無(wú)機(jī)氮主要有氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮。微生物的脫氮作用主要包括氨化、亞硝化、硝化和反硝化等階段，需要氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的共同作用。硝化作用在有氧狀態(tài)下進(jìn)行，而反硝化作用在厭氧狀態(tài)下進(jìn)行。由于人工濕地中污水表面的復(fù)氧作用和植物向根系的輸氧作用，在污水中形成了無(wú)數(shù)有氧—缺氧—厭氧的微環(huán)境，使得硝化菌和反硝化菌在人工濕地中同時(shí)作用，因而具有高效的處理能力。反應(yīng)機(jī)理見(jiàn)表2。

表2 濕地微生物脫氮反應(yīng)機(jī)理

(2)植物除氮機(jī)理。無(wú)機(jī)氮是植物正常生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，污水中的無(wú)機(jī)氮可直接被植物吸收，最終通過(guò)收割而從濕地中去除。另一方面，植物龐大的根系為微生物提供了生存的附著體，并提供微生物所需的碳源［13］。

(3)氨氣的揮發(fā)。微生物的脫氮作用主要發(fā)生在人工濕地中的氧化還原層、植物根系與土壤的界面層以及挺水植物的地下部分［13］。氨氣的揮發(fā)受污水pH值的影響大，一般情況下，通過(guò)氨氣揮發(fā)而除去的氮的量很小，可忽略。

5.2.2 磷的去除機(jī)理

污水中的磷主要來(lái)源于生活污水、農(nóng)田排水、工業(yè)廢水，主要形態(tài)有活性磷(正磷酸鹽)、非活性磷(聚磷酸鹽和有機(jī)磷等)，非活性磷有可溶性和顆粒性兩種存在形態(tài)。磷的去除主要通過(guò)植物吸收、土壤和填料吸附及微生物固定和沉降實(shí)現(xiàn)［15］，其存在形式和去除機(jī)理見(jiàn)圖1。

圖1 人工濕地中磷的存在形式和去除機(jī)理

5.2.3 有機(jī)物的去除機(jī)理

污水有機(jī)物的去除是由于植物的吸收利用、基質(zhì)的吸附及微生物的氧化利用綜合作用的結(jié)果［16］。其中，微生物的氧化利用占主導(dǎo)作用，包括好養(yǎng)呼吸、無(wú)氧呼吸和發(fā)酵，其反應(yīng)方程式見(jiàn)表3。

(1)植物除磷機(jī)制。植物根系可以直接吸收一部分磷，通過(guò)刈割而除去。另外，植物向根系輸送氧氣，支持微生物的生存，間接除去了污水中的磷。

(2)吸附沉淀除磷。化學(xué)作用(吸附和沉淀)是人工濕地的主要除磷機(jī)制。

(3)微生物脫磷機(jī)制。微生物以聚磷的形式在細(xì)胞中存貯磷，其含量可以超過(guò)生長(zhǎng)所需。其主要反應(yīng)過(guò)程如下:

表3 濕地微生物分解有機(jī)物機(jī)理

其中，以好氧降解為主［15］，因此，污水中的溶解氧含量是影響去污效果的主要因素。

污水中有機(jī)物的成分決定了哪些種屬的細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)，主要有動(dòng)膠桿菌屬、假單胞菌屬(含糖、烴類污水)、產(chǎn)堿桿菌屬(蛋白質(zhì)含量高的污水)、黃桿菌屬及大腸桿菌屬等。

6 存在的問(wèn)題及展望

人工濕地的堵塞是其應(yīng)用的最大障礙，堵塞是由沉降和被過(guò)濾的固體顆粒在微生物作用下累積而成［17］。潛流式人工濕地最容易發(fā)生堵塞。堵塞的主要原因是污水中的懸浮顆粒物在填料層不斷沉積而使孔隙逐漸減小，同時(shí)，微生物的代謝產(chǎn)物也不斷蓄積。人工濕地發(fā)生堵塞后，其去污能力大大降低。濕地填料粒徑、污水的有機(jī)物負(fù)荷、懸浮顆粒物粒徑大小等是影響堵塞的主要因素。

作為一種新興的污水處理技術(shù)，其對(duì)我國(guó)城市污水處理和新農(nóng)村建設(shè)具有重要意義。我國(guó)正處在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展階段，長(zhǎng)期以來(lái)高投入、高污染的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式給生態(tài)環(huán)境造成了極大的破壞，嚴(yán)重影響到了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。人工濕地以其投資省、費(fèi)用低的特點(diǎn)，已得到廣泛的應(yīng)用，取得較好的效益。但同時(shí)，當(dāng)前人工濕地的發(fā)展還存在許多的不足，需要進(jìn)一步的研究和探索。

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