范美霖 師永健

（1北京龍世杰投資有限公司 北京 100084 2中國市政工程西北設(shè)計研究院北京分院 北京 100037）

潛流人工濕地除污機理淺析

范美霖1師永健2

（1北京龍世杰投資有限公司 北京 100084 2中國市政工程西北設(shè)計研究院北京分院 北京 100037）

人工濕地系統(tǒng)具有高效率、低投資、低運行費、低維護技術(shù)、處理量靈活、低能耗、處理效果好等優(yōu)點，非常適合廣大農(nóng)村地區(qū)、中小城鎮(zhèn)地區(qū)的污水處理，本文主要從濕地基質(zhì)和濕地植物兩個方面重點分析了潛流人工濕地對污染物去除的機理。

潛流人工濕地；基質(zhì)；植物；除污機理

潛流人工濕地系統(tǒng)一般由基質(zhì)(如土壤、碎石、卵石等)、水生植物(如蘆葦、菖蒲、水蔥等)等組成，是一種獨特的“基質(zhì)一植物一微生物一水體”生態(tài)系統(tǒng)。是一項在我國正在被研究、應(yīng)用和發(fā)展的處理污水的新技術(shù)，潛流人工濕地處理污水的機制復(fù)雜，本文主要從濕地基質(zhì)和濕地植物兩方面闡述潛流人工濕地對污染物的去除機理。

1 濕地基質(zhì)作用

濕地基質(zhì)不僅為濕地植物、微生物等的提供了生活場所，對水質(zhì)凈化也有非常重要的作用。研究表明，在不考慮植物因素的條件下，經(jīng)過濕地處理的模擬生活污水的污染物濃度顯著下降，水質(zhì)得到改善[1]。

1.1 基質(zhì)生物膜作用

早期作為濕地基質(zhì)的物質(zhì)主要有土壤、細砂、粗砂、礫石、碎瓦片、粉煤灰、泥炭、頁巖、鋁礬土、膨潤土、沸石等，它們是濕地植物的直接支撐者，為植物和微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)。隨著人們對濕地研究的不斷深入，越來越多的材料，如鋼渣、石灰石、石英砂、磁鐵礦渣等也作為濕地填料，給水污泥甚至也作為一種基質(zhì)添加到濕地研究中，發(fā)現(xiàn)對磷的吸附性較好。

濕地填料表面及孔隙中易形成生物膜，上面附著的微生物以污水中的有機污染物為營養(yǎng)物質(zhì)進行新陳代謝，有機物得以降解，微生物同化作用的同時自身得到增殖，生物膜厚度也不斷增加，微生物種類越來越豐富，更加有利于發(fā)揮多種微生物對有機物的協(xié)調(diào)降解作用。另一方面，微生物附著生長在填料上，泥齡較長，相比于停留時間在6～8h的活性污泥反應(yīng)器具有很大優(yōu)勢，特別有利于世代周期長的種群生長，如硝化菌，而更好的促進生物脫氮過程的進行。

濕地基質(zhì)不僅為植物提供了生存支撐，基質(zhì)生物膜與植物之間也建立了一種供需平衡關(guān)系，例如微生物代謝產(chǎn)物，如水、CO2、氨及其他無機鹽等，進入填料間的流動水層中，少部分隨水排出，而大部分被植物吸收利用。

基質(zhì)生物膜的作用大小與基質(zhì)材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和大小直接相關(guān)?；|(zhì)粗糙的表面增加了微生物與基質(zhì)之間的有效接觸面積，基質(zhì)中的孔、間隙增加了基質(zhì)的比表面積，同時也對附著在上面的微生物起保護屏障作用，使其免受水力剪切作用，因此基質(zhì)表面的粗糙度越高，越利于微生物的附著。從這個方面來說，基質(zhì)表面的孔徑大小為細菌的5備左右比較合適。因此選擇合適的人工濕地基質(zhì)材料和配比，對提高人工濕地凈化能力至關(guān)重要。

1.2 基質(zhì)吸附沉淀作用

基質(zhì)對污水中污染物的吸附作用主要針對氮、磷元素而言。黃德鋒等研究表明，微生物的硝化反硝化作用以及基質(zhì)對磷的吸附沉淀作用是復(fù)合垂直流人工濕地去除氮、磷的主要途徑[2]。

基質(zhì)對氮的吸附主要針對還原態(tài)氨氮，這個過程是快速可逆的，比表面積越大越對氮的吸附有利。因此像沸石、粉煤灰、煤渣、草炭、石灰石等一些通透性好、比表面積大、具有吸附能力的多孔介質(zhì)常被作為濕地填料。

濕地中的磷，主要以三種形態(tài)存在：可溶性磷、固態(tài)有機磷及固態(tài)無機磷，合稱為總磷酸鹽（TP）。磷的去除途徑包括植物的吸收、微生物的積累和基質(zhì)的吸附、過濾、沉淀及物理化學(xué)作用，其中微生物作用不是很明顯，基質(zhì)的吸附作用顯著，正磷酸鹽在水流流經(jīng)濕地基質(zhì)表面時，被吸附到基質(zhì)表面上，與基質(zhì)表面的Al、Mg、Ca等元素產(chǎn)生化學(xué)作用，生成不溶性磷酸鹽，再與金屬離子發(fā)生配位體交換反應(yīng)而附著在濕地填料上。并且，該過程受到濕地基質(zhì)間水力傳導(dǎo)性、基質(zhì)比表面積及環(huán)境酸堿度等因素的影響，一般偏堿性的基質(zhì)環(huán)境更有利于磷的沉淀。

除有機污染物、N、P、懸浮物以外，人工濕地對重金屬也有一定的去除效果。填料表面對鎘、鉻等重金屬發(fā)生吸附和絡(luò)合反應(yīng)，直至把重金屬轉(zhuǎn)化為低毒狀態(tài)。

1.3 基質(zhì)酶作用

人工濕地基質(zhì)中的酶作為一種生物催化劑，在有機污染物的分解過程中起著重要作用。岳春雷[3]等研究了人工濕地基質(zhì)中磷酸酶、脲酶和蛋白酶活性的空間分布規(guī)律及與污水凈化效果之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)磷酸酶和脲酶的活性隨基質(zhì)深度的增加而降低，蛋白酶活性在基質(zhì)上層最高，下層次之，中層最低；濕地上池基質(zhì)磷酸酶、脲酶和蛋白酶活性大于下池.磷酸酶活性與污水總磷、CODcr、BOD5去除率正相關(guān)；脲酶與總氮的去除率正相關(guān)；蛋白酶與總氮、總磷、CODcr、BOD5去除率沒有相關(guān)性。吳振斌等也研究出基質(zhì)磷酸酶的活性與污水中CODCr的去除率有顯著的相關(guān)關(guān)系[4]。崔偉等[5]研究潛流人工濕地系統(tǒng)選擇軟性填料比蜂巢石填料的脲酶活性和磷酸酶活性更高，脲酶活性與總氮去除率顯著相關(guān)，而磷酸酶活性與總磷去除率相關(guān)性不顯著。而含F(xiàn)e3+、Al3+、Ca2+的礦物質(zhì)對磷的吸附效果較好。因此，在選擇濕地基質(zhì)時，要考慮填料級配，以便發(fā)揮各填料優(yōu)勢，同時有效的去除各種污染物，提高運行效率。

2 濕地植物作用途徑

2.1 植物直接吸收

植物在生長代謝過程中，要不斷從環(huán)境中攝取N、P等營養(yǎng)元素。無機氮（NH4+）進入植物后通過氨化反應(yīng)將其去除，在植物體內(nèi)合成蛋白質(zhì)、氨基酸、酶等有機氮，N最終通過收割植物而去除。挺水植物對氮的吸收潛能為1000-2500kgN·hm-2·a-1，而沉水植物對氮的吸收潛力相對較低，吸收潛能為<700kgN·hm-2·a-1。同理，污水中無機磷也是在植物吸收及同化作用下轉(zhuǎn)化為植物的有機組成部分，如ATP、DNA、RNA等，也最終通過植物的收割而從系統(tǒng)中去除。黃德鋒等[2]研究表明植物吸收也是脫氮除磷的重要途徑，分別占TN、TP去除量的16%、35%左右。另外，大型水生植物如鳳眼蓮、香蒲、風(fēng)車草、蘆葦?shù)冗€可吸收銅、鉛、鎘、砷、汞等重金屬，以金屬螯合物的形式蓄積于某些組織器官中，再通過植物的光合作用、植物揮發(fā)和甲基化等作用，促進污水重金屬的氧化和沉降。

2.2 植物與根際微生物聯(lián)合作用

濕地植物根際生長著許多微生物，植物為微生物創(chuàng)造了有利的生長環(huán)境，一些維管束挺水植物（如蘆葦、香蒲等）通過葉吸收和莖干的運輸作用，將空氣中的氧轉(zhuǎn)運到根部，再經(jīng)過植物的根部表面組織擴散，使植物根系周圍的微環(huán)境依次呈現(xiàn)好氧、缺氧及厭氧狀態(tài)，相當(dāng)于在許多串聯(lián)或并聯(lián)的AAO微處理單元，不僅有利于生物脫氮除磷過程的進行，也有利于一些難降解污染物的去除。潛流人工濕地系統(tǒng)對藻毒素、鄰苯二甲酸二丁酯等難降解有機物有較好的去除效果。

濕地植物根系遍布于填料中，污水中的可降解懸浮物被植物根系及基質(zhì)阻擋截留而沉淀在基質(zhì)中，為微生物的同化吸收和異化分解污染物提供了物質(zhì)來源。另外，污水中的部分污染物還可以與植物根際分泌物和微生物分泌物質(zhì)發(fā)生一系列離子交換吸附、沉淀、螯合等反應(yīng)得以去除。

另一方面，植物在生長過程中不斷釋放大量分泌物，如糖類、醇類、酸類、氨基酸、腐殖質(zhì)等物質(zhì)，不斷向基質(zhì)補充有機碳，為微生物提供了豐富的碳源、氮源等營養(yǎng)，微生物種類隨之增加，微生物間的協(xié)調(diào)作用不斷增強，而間接加快了有機物的分解速率。

3 結(jié)語

綜上，潛流人工濕地系統(tǒng)主要依賴于濕地基質(zhì)、濕地植物、微生物以及它們之間的聯(lián)合作用，對污水水質(zhì)進一步凈化處理。該系統(tǒng)以其投資低、環(huán)境美觀性高、效果顯著等優(yōu)點，在我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)、山區(qū)等偏遠地區(qū)具有很好的應(yīng)用潛力，甚至在城市園林設(shè)計中，讓污水處理“走進”人們的生活當(dāng)中，不僅能在凈化污水上發(fā)揮重大作用，也能進一步加強人們的環(huán)保意識，共同保護環(huán)境。

[1]周紅菊,尚忠林,王學(xué)東,等． 濕地凈化污水作用及其機理研究進展[J]．南水北調(diào)與水利科技,2007,5(4)：64-66．

[2]黃德鋒,李田.不同基質(zhì)復(fù)合垂直流人工濕地對富營養(yǎng)化景觀水的凈化效果[J]；環(huán)境污染與防治；2007年8月，第29卷第8期.

[3]岳春雷,常杰,葛瑩,等.人工濕地基質(zhì)中土壤酶空間分布及其與水質(zhì)凈化效果之間的相關(guān)性 [J].科技通報,2004,20(2):112-115.

[4]吳振斌,梁威,邱東茹,等.復(fù)合垂直流構(gòu)建濕地基質(zhì)酶活性與污水凈化效果[J].生態(tài)學(xué)報,2002,22(7):1012-1017.

[5]崔偉，張勇，黃民生.復(fù)合垂直流人工濕地脲酶和磷酸酶活性與黑臭河水凈化效果 [J];安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011,39（13）8016-8018,8022

范美霖（1985——），女，北京人，碩士研究生，部門經(jīng)理，主要研究水處理方向。