國豪 李杰 王亞娥

摘要：綜合考慮西北地區(qū)干旱缺水的實(shí)際情況以及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)條件的制約，提出運(yùn)用人工濕地系統(tǒng)技術(shù)來處理西北地區(qū)的生活污水。主要總結(jié)了人工濕地強(qiáng)化技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其在國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀，闡述了該技術(shù)對(duì)于處理西北地區(qū)生活污水的重要性，并依據(jù)該地區(qū)的實(shí)際背景提出了合理的建議與展望。

關(guān)鍵詞：人工濕地;有機(jī)污染物;降解機(jī)制;廢水處理;西北地區(qū)

中圖分類號(hào)： X52? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）14-0055-06

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，全球人口基數(shù)的急劇膨脹和人民生活水平的提高，人均用水需求和總需水量大幅增加。相關(guān)研究表明，西北干旱缺水地區(qū)人均水資源量低于全國的平均水平。其中，甘肅省屬于嚴(yán)重缺水的地區(qū)[1-2]。淡水資源的缺乏嚴(yán)重影響了人類生活質(zhì)量和發(fā)展水平的進(jìn)一步提升，因此改善水質(zhì)和修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)是目前亟待解決的問題。人工濕地系統(tǒng)技術(shù)是20世紀(jì)70年代逐步發(fā)展起來的一種新型生態(tài)污水處理技術(shù)，具有成本低，操作維護(hù)方便，運(yùn)行成本低，氮磷去除能力強(qiáng)，對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng)，并兼具美化環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[3]，因此在國外許多國家得到廣泛的推廣及應(yīng)用。但該技術(shù)也存在占地面積較大、易受西北高寒氣候條件限制等不足，因此，如何解決問題、保持有效運(yùn)行，是目前亟需解決的問題。因此，圍繞水資源的可持續(xù)發(fā)展來研究西北干旱缺水地區(qū)人工濕地系統(tǒng)技術(shù)具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

人工濕地根據(jù)濕地中主要植物形式可以分為浮生植物系統(tǒng)、挺水植物系統(tǒng)和沉水植物系統(tǒng)。人工濕地系統(tǒng)根據(jù)污水在濕地床中流動(dòng)的方式一般可以分為以下3類，分別為自由表面流濕地、潛流人工濕地和垂直流人工濕地[4]。也可將這3種最基本的方式進(jìn)行搭配，從而形成復(fù)合流人工濕地。

1 人工濕地污水處理凈化機(jī)制

一般認(rèn)為，人工濕地作為一種高生產(chǎn)力的新型污水處理系統(tǒng)，通過濕地中基質(zhì)、植物和微生物相互關(guān)聯(lián)，物理、化學(xué)、生化反應(yīng)三重協(xié)同作用凈化污水[5]。

污水中的氮主要研究的是無機(jī)氮的去除機(jī)制[6]。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[7]。其中，硝化和反硝化作用是最主要的氮去除機(jī)制，占濕地氮去除總量的60%～86%[8]。

污水中磷的普遍存在形式主要有磷酸鹽、有機(jī)磷酸鹽、聚磷酸鹽等[9]。污水中的磷主要來自于生活生產(chǎn)污水、農(nóng)田灌溉用水、工業(yè)廢水，主要形態(tài)有活性磷、非活性磷，非活性磷有可溶性和顆粒性2種存在形態(tài)。人工濕地技術(shù)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)良好的除磷效果，主要是通過以下3種途徑：植物的吸收作用、填料的物理化學(xué)作用及微生物的協(xié)同作用[10]。

2 人工濕地污水處理強(qiáng)化技術(shù)

人工濕地具有運(yùn)行管理費(fèi)用和投資成本較低、處理效果較為穩(wěn)定、出水水質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)勢但同時(shí)也存在占地面積大、容易堵塞、受區(qū)域氣候條件因素所制約等缺點(diǎn)。因此，如何解決該技術(shù)已有的問題、維持人工濕地的長時(shí)間有效運(yùn)行，是亟待解決的問題。近年來，人們研究了許多可應(yīng)用于該系統(tǒng)的強(qiáng)化技術(shù)來提高濕地系統(tǒng)的硝化和反硝化能力以及除磷能力，以擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域及推廣范圍。

2.1 基質(zhì)強(qiáng)化

在基質(zhì)本身的性質(zhì)作用之下，污染物被基質(zhì)高效地過濾、沉降和吸附，從凈化結(jié)果上看，基質(zhì)的主要作用為去除磷?；|(zhì)中鈣、鐵和鋁等元素含量的多少?zèng)Q定了吸附磷能力的強(qiáng)弱，富含鈣、鐵和鋁的基質(zhì)對(duì)磷的去除效果好。根據(jù)污染物質(zhì)類型的差異，選擇不同的基質(zhì)或基質(zhì)組合對(duì)污染物質(zhì)的去除效果是各不相同的。因此，可根據(jù)污水中污染物類型選取不同基質(zhì)或選擇幾種基質(zhì)進(jìn)行有效組合。

2.2 曝氣強(qiáng)化

人工濕地的主要氧氣來源有植物根部的氧氣運(yùn)輸及大氣擴(kuò)散，對(duì)于潛流濕地而言，根部的氧氣運(yùn)輸作用是濕地中主要的氧氣來源[11]。相關(guān)研究表明，植物根部的氧氣運(yùn)輸量對(duì)濕地的作用十分有限[12]。因此，運(yùn)用強(qiáng)化曝氣方法來解決濕地溶解氧不足這一問題就顯得尤為重要。

而且提高濕地內(nèi)溶解氧的含量，是保證硝化過程可以順利進(jìn)行，使脫氮效率得到有效提高的關(guān)鍵。同時(shí)，為了滿足濕地系統(tǒng)中反硝化反應(yīng)所需的缺氧條件和環(huán)保節(jié)能的要求，將其中的連續(xù)曝氣方式改進(jìn)為間歇曝氣，可顯著提高對(duì)氮的去除能力;曝氣也可以改變濕地中溶解氧的分布，使一部分厭氧區(qū)變?yōu)楹醚鯀^(qū)，極大地增強(qiáng)硝化細(xì)菌的生理活性。

2.3 布水方式強(qiáng)化

濕地可以通過調(diào)節(jié)進(jìn)水的方式使水流均勻分布，增加污水與濕地基質(zhì)接觸時(shí)間以及濕地中的溶解氧含量，進(jìn)而影響濕地對(duì)污染物質(zhì)的去除效率。水平流人工濕地具有較長的流程，且反硝化能力較強(qiáng);垂直流濕地污水與氧氣混合效果好，硝化反應(yīng)效果好。近年來，研究表明單一的水流方向并不能同時(shí)滿足好氧和厭氧微生物所需的環(huán)境條件，在濕地的實(shí)際運(yùn)用中，通過改變?nèi)斯竦貎?nèi)部的水流方向，促進(jìn)水體內(nèi)循環(huán)，內(nèi)循環(huán)作用還可以使污染物質(zhì)與填料和植物根系的接觸面積和機(jī)會(huì)大大增加，還可以使進(jìn)水獲得一定程度的稀釋，使?jié)竦刂械娜芙庋鹾吭黾?，出水的臭味減少，促進(jìn)濕地硝化和反硝化作用進(jìn)而提高人工濕地的運(yùn)行性能。

2.4 不同類型的人工濕地組合強(qiáng)化

近年來，出現(xiàn)的各種不同類型的人工濕地各有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和不同的適用范圍，將它們進(jìn)行合理的組合，可以進(jìn)一步提高各自的污水凈化效率。Mhlum等將放置于水平流濕地前的垂直流濕地作為預(yù)處理工藝，濕地系統(tǒng)除污效率明顯提高[13]。Cooper等提出了水平流濕地和垂直流濕地的組合工藝，2種濕地的合理有效組合能夠相互補(bǔ)充，相互強(qiáng)化，最終可以充分地發(fā)揮各自的處理作用[14-15];出水的回流也可以提高濕地的脫氮效果，且脫氮率隨著回流比的增加而提高。

3 國內(nèi)外人工濕地污水處理應(yīng)用現(xiàn)狀.

3.1 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

國外人工濕地污水處理技術(shù)在20世紀(jì)70年代獲得了快速發(fā)展及廣泛推廣，英國Sesern Trene公司的人工濕地污水處理廠飛快地發(fā)展為現(xiàn)在的100多個(gè)，如今，歐洲有5 000多處人工濕地在運(yùn)行，丹麥就建立了30多個(gè)濕地污水處理廠。

Zhao經(jīng)過十幾年的探索，對(duì)鋁污泥人工濕地的濕地結(jié)構(gòu)、機(jī)制及處理效果、運(yùn)行方式等進(jìn)行了深入的分析及研究。將愛爾蘭給水廠的脫水鋁污泥作為濕地的填料，用來提高對(duì)污水的凈化效率，特別是對(duì)磷濃度較高污水的凈化處理。鋁污泥濕地既具有優(yōu)良高效的污水凈化效率，還為污泥的可持續(xù)利用提供了一條新的途徑。將鋁污泥作為濕地填料不僅可以降低土地資源和填埋能耗，而且還可以將飽和后的鋁污泥當(dāng)作肥料使用或進(jìn)行磷的回收?！耙詮U治廢”這一觀念與可持續(xù)發(fā)展思路相契合，并且具有較高的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)收益[16]。

Zhao等還研究了中試規(guī)模的潮流濕地系統(tǒng)，用于處理強(qiáng)大的農(nóng)業(yè)廢水。該系統(tǒng)位于英國斯塔福德郡的一個(gè)農(nóng)場，由5個(gè)濕地處理階段組成，其中植被為普通蘆葦。從每個(gè)階段的入口和出口收集廢水樣品并分析。生化需氧量（BOD5）、化學(xué)需氧量（COD）、水質(zhì)中的懸浮物（SS）、氨態(tài)氮、正磷酸鹽等分別在年度處理中被去除82%、80%、78%、58%、45%的容量為1 752 m3（假設(shè)系統(tǒng)運(yùn)行一整年而不休息）。顯示濕地系統(tǒng)基質(zhì)內(nèi)生物膜和微生物活動(dòng)的形成，是有機(jī)污染物降解的原因[16-17]。

人工濕地技術(shù)是在發(fā)達(dá)國家中興盛起來，并隨著時(shí)代的發(fā)展逐步完善。在國外，人工濕地技術(shù)不僅應(yīng)用于處理各種領(lǐng)域中不同類型的污水，如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污水、城區(qū)生活污水等，而且還廣泛地應(yīng)用于水的深度處理和淡水的回收利用，凈水效果一般高于常規(guī)二級(jí)處理效果。

3.2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

3.2.1 人工濕地工藝的應(yīng)用

我國在“七五”期間開始了對(duì)人工濕地的探索研究[18]。前期的水平流濕地每日處理的工業(yè)廢水和生活污水量較低，之后生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科研所在深圳白泥坑建立了人工濕地試驗(yàn)基地。

2016年，我國某省科學(xué)研究設(shè)計(jì)院進(jìn)行了由省科技廳批準(zhǔn)立項(xiàng)的“某高校人工濕地污水處理技術(shù)應(yīng)用及示范研究”。目的是為了加強(qiáng)對(duì)高校水污染防治技術(shù)的支持力度，促進(jìn)人工濕地污水處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用和推廣，填補(bǔ)我國高校中人工濕地建設(shè)和研究的空白。

山東省曹莊人工濕地護(hù)坡最內(nèi)層基質(zhì)層覆蓋10 cm厚度的沸石，外層覆蓋5種形狀存在差異的礫石，其粒徑分別為15、25、30、50 cm，其出水水質(zhì)達(dá)到了國家Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn);東營市明月湖國家城市濕地公園不僅構(gòu)建了一種人與自然之間的和諧共處關(guān)系，而且提升了城市居民居住環(huán)境的舒適度，豐富了城市景觀的多樣性;陜西省永生村濕地示范工程首先將自來水廠產(chǎn)生的脫水污泥用于人工濕地的基質(zhì)中，既大幅度提高了污水中磷的去除效率，同時(shí)變廢為寶，也提高了經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)境效益。

天津市南港工業(yè)區(qū)處理出水標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，已達(dá)到廢水離岸排海的要求，但為更進(jìn)一步降低排海廢水中的氮磷含量以及難降解有機(jī)污染物含量，南港工業(yè)區(qū)通過人工濕地對(duì)污水處理廠一級(jí)A出水進(jìn)行深度凈化，使污染物進(jìn)一步削減后再離岸排放。

包頭市黃河濕地是由黃河改道形成，位于包頭市東河區(qū)的南側(cè)。通過濕地將有效改善進(jìn)入黃河的水的水質(zhì)，為下游的水源地提供安全保障，還可以修復(fù)濕地的生態(tài)景觀，改善包頭市人民生活環(huán)境及美化生態(tài)景觀，并通過對(duì)河水的資源化利用，緩解城市的水資源短缺問題。

國內(nèi)人工濕地除了被廣泛應(yīng)用于處理生活污水以外，還被應(yīng)用于處理富營養(yǎng)化水體、采礦廢水等。在農(nóng)村生活污水處理和農(nóng)業(yè)面源污染治理中，人工濕地具有其獨(dú)特的解決優(yōu)勢。因此，我國正進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)人工濕地處理農(nóng)村污水的示范研究，以期探索出一條適合我國國情的農(nóng)村污水處理方法，為進(jìn)一步推進(jìn)農(nóng)村污水處理奠定良好基礎(chǔ)。

3.2.2 人工濕地與其他工藝的聯(lián)用

單一的污水處理工藝不足于滿足各類污水水質(zhì)與不同的污水處理標(biāo)準(zhǔn)的要求，而多種不同處理工藝的優(yōu)化組合是解決目前這一難題的必然發(fā)展趨勢。因此，如何進(jìn)行不同工藝之間的有效組合和優(yōu)化，將會(huì)對(duì)污水凈化效率的提升有著極其重要的價(jià)值與意義。而在組合污水處理工藝中，人工濕地技術(shù)一般應(yīng)用于污水的深度處理。

運(yùn)用生物濾池-人工濕地-穩(wěn)定塘組合工藝來處理農(nóng)村生活污水，其出水水質(zhì)可以達(dá)到第二類污染物一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，該工藝投資少、基建費(fèi)用和運(yùn)營成本低、處理效果較好、運(yùn)行操作簡單[19]。

人工濕地技術(shù)與活性污泥法的組合工藝在處理城市生活污水中，應(yīng)用也較為廣泛[20]。

4 關(guān)于西北地區(qū)發(fā)展人工濕地污水處理的重要性及建議

4.1 人工濕地污水處理在西北地區(qū)運(yùn)行的重要性

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，城市化進(jìn)程的不斷加快和人們環(huán)保意識(shí)的急劇增強(qiáng)，不僅國家越來越關(guān)注環(huán)境保護(hù)問題，人們也越來越渴望擁有良好的水環(huán)境。但在我國西北部地區(qū)，居民衛(wèi)生用水和廚房污水等生活污水不經(jīng)過處理隨意排放入河流、湖泊和水庫中，使本身問題就已突出的水環(huán)境污染這一難題變得更加嚴(yán)重，人們對(duì)水資源的需求量也與日俱增。這不僅加劇了西北地區(qū)的淡水資源危機(jī)，也破壞了周邊的生態(tài)環(huán)境，影響了該地區(qū)人們的生存與發(fā)展。如果不加強(qiáng)對(duì)已有水資源的保護(hù)和對(duì)周圍水生生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，將導(dǎo)致區(qū)域缺水情況進(jìn)一步加重，進(jìn)而令水資源需求量的增加與水資源短缺之間的矛盾不斷加劇，最終影響經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與社會(huì)的和諧安定。目前，亟需一種針對(duì)該地域的污水處理技術(shù)，而我國西北地區(qū)由于人口分散、經(jīng)濟(jì)條件較為落后及周邊環(huán)境較為脆弱等諸多因素，進(jìn)而使人工濕地技術(shù)成為解決當(dāng)前西北地區(qū)每況愈下的水污染問題的有效舉措之一。

人工濕地系統(tǒng)作為一種自然生態(tài)污水處理系統(tǒng)，其利用水生植物和填料床來進(jìn)行污水的凈化作用。填料常為土壤、卵石、塑料、爐渣、活性炭等，具有基建費(fèi)用低、運(yùn)行成本少等優(yōu)點(diǎn)，且具有生態(tài)修復(fù)功能與綠化環(huán)境功能。在日常運(yùn)行維護(hù)中，操作簡單，只需及時(shí)清理沉積物、枯萎植物等。因此，該污水系統(tǒng)十分適用于經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)相對(duì)較差、土地面積相對(duì)豐富的西北地區(qū)的污水處理。

4.2 人工濕地污水處理在西北地區(qū)運(yùn)行存在的問題

4.2.1 低溫問題

在西北低溫高寒地區(qū)濕地運(yùn)行的關(guān)鍵問題就是冬季低溫問題，溫度是影響人工濕地的植物、微生物活性的重要因素之一，一般情況下，微生物的最適溫度在25 ℃左右，我國西北地區(qū)冬季的平均溫度一般都低于0 ℃，過低的溫度會(huì)抑制微生物的活性，甚至?xí)刮⑸锾幱谛菝郀顟B(tài)，而人工濕地去除污染物質(zhì)的凈化效果與微生物的數(shù)量、活性密切相關(guān)。因此，在西北地區(qū)溫度比較低的氣候條件限制下，會(huì)對(duì)濕地的植物、微生物的生理活性及對(duì)污染物去除效果造成不同程度影響。

Crites研究表明，硝化菌在溫度為10 ℃左右時(shí)，能維持較為穩(wěn)定的硝化速率，如果溫度進(jìn)一步降低，硝化菌的硝化過程將會(huì)逐漸停止，系統(tǒng)脫氮效果將會(huì)明顯下降[21]。Brodrick等研究表明，反硝化菌在溫度低于5 ℃時(shí)，基本停止了生理活動(dòng)，特別當(dāng)溫度低于4 ℃時(shí)，微生物的生理活動(dòng)幾乎停止[22]。由于晝夜溫差較大和冬季氣溫較低的氣候特征，使得西北地區(qū)人工濕地系統(tǒng)的植物生長緩慢甚至休眠停止生長，進(jìn)而影響系統(tǒng)的污染物去除效率。由此證明，由于人工濕地生態(tài)系統(tǒng)本質(zhì)上十分依賴于自然環(huán)境因素，其凈化效果受溫度變化的影響較大，從而加大了該地區(qū)冬季污水處理的難度。

4.2.2 缺氧問題

對(duì)于西北地區(qū)而言，溶解氧已成為限制人工濕地技術(shù)進(jìn)一步推廣發(fā)展的重要因素之一。因?yàn)槲鞅钡貐^(qū)冬季較為干燥的氣候，水體對(duì)氧的溶解效果比較差;西北地區(qū)較低的溫度也不利于水體對(duì)氧的溶解。由于含氧量較低的原因，使得西北地區(qū)人工濕地系統(tǒng)的植物生長緩慢，最終影響人工濕地的除污效率。溶解氧濃度與氨化細(xì)菌、亞硝化菌和反硝化菌數(shù)量之間存在顯著的相關(guān)性，與氨化細(xì)菌、亞硝化菌數(shù)量呈正相關(guān)，與反硝化菌數(shù)量呈負(fù)相關(guān)，說明溶解氧是影響人工濕地脫氮效率的重要因素，因此，采取措施改善溶解氧條件有利于人工濕地中氮的去除。

4.2.3 碳源問題

碳源是反硝化過程中重要控制因素之一，在人工濕地中碳源的問題主要是碳源不足、種類單一。碳源不足將會(huì)抑制反硝化菌的活性，最終影響脫氮效果;碳源種類單一會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)易受到外界環(huán)境變化的影響，抵抗環(huán)境變化能力差。

4.2.4 占地面積問題

從國內(nèi)外的人工濕地建筑工程占地情況可以看出，人工濕地具有較大的占地面積，一般認(rèn)為，相比于傳統(tǒng)的污水處理工藝，人工濕地的占地面積要高出2～3倍，人工濕地的占地面積較大由其本身的凈化機(jī)制與特點(diǎn)所決定。很多時(shí)候會(huì)因此導(dǎo)致人工濕地發(fā)展受限制，并阻礙了人工濕地技術(shù)的進(jìn)一步推廣普及，尤其是在土地資源緊缺的地區(qū)更是如此。而且人工濕地的填料和植物配置對(duì)污水處理的能力是有限的，基質(zhì)容易飽和，就必須依靠更多的平行濕地進(jìn)行交替運(yùn)行工作，以確保整個(gè)濕地仍舊可以維持運(yùn)行狀態(tài)。因此，占地面積較大是影響人工濕地發(fā)展推廣的關(guān)鍵因素之一。

4.2.5 基質(zhì)堵塞問題

基質(zhì)在人工濕地中發(fā)揮著十分重要的作用，但隨著污水處理過程的不斷進(jìn)行，濕地中的微生物也相應(yīng)地繁殖，基質(zhì)的吸附能力也趨于飽和，再加上植物的腐敗，下落堆積未及時(shí)處理，那么極易導(dǎo)致基質(zhì)堵塞。當(dāng)堵塞發(fā)生時(shí)，不僅影響濕地的使用壽命以及濕地長期運(yùn)行的穩(wěn)定性，甚至?xí)節(jié)竦叵到y(tǒng)喪失污水凈化功能，應(yīng)用價(jià)值也會(huì)大大降低。

4.2.6 后期管理問題

優(yōu)美和諧的生態(tài)環(huán)境是城市健康發(fā)展的基礎(chǔ)，目前，各地區(qū)積極地建設(shè)人工濕地，卻忽視了濕地后期的管理維護(hù)，使得人工濕地經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，因基質(zhì)堵塞、落葉堆積等原因，使原有的經(jīng)濟(jì)觀賞價(jià)值和處理效果極大地降低。如果之后仍不采取科學(xué)有效的管理措施，不但不能改善和維持地區(qū)生態(tài)環(huán)境，甚至可能會(huì)導(dǎo)致城市環(huán)境的二次污染。在人工濕地運(yùn)行過程中，各種管道、護(hù)欄時(shí)常遭到破壞，管道多處被人為損壞。在人工濕地中栽植的多種具有較高觀賞和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的植物，在其生長過程中，也經(jīng)常遭到人為破壞。

4.3 人工濕地污水處理在西北地區(qū)運(yùn)行的解決途徑

4.3.1 選擇合適類型

在西北地區(qū)應(yīng)用傳統(tǒng)的人工濕地技術(shù)，受限制因素較多，并且根據(jù)該技術(shù)在西北地區(qū)所存在的問題及目前研究結(jié)果來看，為確保人工濕地技術(shù)可以在西北地區(qū)高效穩(wěn)定地運(yùn)行，潛流型的人工濕地具有非常明顯的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的人工濕地相比，潛流型人工濕地對(duì)濃度較高的污水處理的效果比較好;也可以更好地適應(yīng)冬季的氣候變化及低溫條件;對(duì)西北地區(qū)寒冷氣候而言，潛流型濕地與大氣之間有覆蓋層隔斷，可以減少污水蒸發(fā)蒸騰和流動(dòng)造成的能量損失，因此保溫效果也是最好的，覆蓋層對(duì)濕地的保護(hù)也非常有效。

4.3.2 選擇合適基質(zhì)

填料的差異將會(huì)影響人工濕地系統(tǒng)的污水處理效率，特別是對(duì)除磷效果影響較大。因此，加強(qiáng)填料的選擇和防止填料堵塞將是今后的研究重點(diǎn)之一。因?yàn)樗粌H為植物生長繁殖提供了相應(yīng)的生存空間與環(huán)境條件，同時(shí)也是污水流動(dòng)的介質(zhì)[23]。此外，基質(zhì)在吸附污水中的污染物時(shí)，同樣也發(fā)揮著非常重要的作用[24]。因此，人工濕地在處理污水中須要考慮的一個(gè)十分重要的問題就是選擇合適的基質(zhì)。

基于人工濕地占地面積比較大，基質(zhì)投加量多的特點(diǎn)，基質(zhì)的選取原則應(yīng)當(dāng)依據(jù)以下幾點(diǎn)：材料的價(jià)格較為低廉、處理效果較好、容易獲得及安全性高等[25]。因不同的基質(zhì)具有不同的理化性質(zhì)，導(dǎo)致基質(zhì)對(duì)各類污染物的去除效果存在差異，進(jìn)而影響濕地的凈化效率。粒徑較小可以確保濕地具有足夠的水力停留時(shí)間，但基質(zhì)粒徑過小極容易導(dǎo)致濕地堵塞;基質(zhì)粒徑較大的確可以有效防止?jié)竦囟氯麊栴}，但如果粒徑過大反而會(huì)縮短濕地中水力停留時(shí)間，進(jìn)而也會(huì)影響污水的處理效果。

鐵屑作為目前常用的水處理材料，盡管價(jià)格低廉，但形狀和粒徑無法根據(jù)需求選擇，比表面積小，且去除效率低，長期運(yùn)行易結(jié)塊，原材料利用率極低。因此，須要選擇一種高效的新型材料。

柴志龍等研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)生物鐵法相比，F(xiàn)e0- 生物鐵法可以持續(xù)不斷地進(jìn)行鐵碳微電解作用和類Fenton效應(yīng)，其對(duì)微生物降解污染物質(zhì)具有協(xié)同強(qiáng)化的作用;并且Fe0可以以載體的形式投加到濕地系統(tǒng)中，大大降低了在實(shí)際工程中應(yīng)用的難度。并指出今后的探索研究方向應(yīng)主要集中于可以應(yīng)用在人工濕地處理系統(tǒng)中，工藝參數(shù)及性能良好的Fe0材料[26]。

馬寧等經(jīng)過一系列的研究表明，海綿鐵是一種新型的多功能水處理材料，具備良好的物理化學(xué)性能。與鐵屑相比較，海綿鐵易于加工、質(zhì)量優(yōu)良;比表面積大，可以更好地運(yùn)用零價(jià)鐵的特點(diǎn)與優(yōu)勢;抗板結(jié)與再生性能良好;通過微電解、吸附、絮凝沉淀、直接還原和間接氧化等作用，對(duì)水體中的污染物存在較強(qiáng)的去除能力。而且微生物與海綿鐵二者在污水處理的過程中具有相互協(xié)同促進(jìn)的作用，將會(huì)使生物海綿鐵體系污水凈化效率得到進(jìn)一步的提升，因此，海綿鐵材料將成為應(yīng)用于人工濕地處理技術(shù)的高效新型材料[27]。

4.3.3 合理控制溫度

西北地區(qū)冬季氣溫較低時(shí)，會(huì)造成系統(tǒng)凈化的能力下降，水質(zhì)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，因此有必要采取措施來減小氣溫影響，使系統(tǒng)可以正常運(yùn)行?？梢圆扇「牧既斯竦氐脑O(shè)施與構(gòu)造，利用薄膜、冰雪以及樹葉等覆蓋保溫層等措施，來確保濕地在西北地區(qū)冬季低溫時(shí)運(yùn)行依舊擁有較高的污水處理能力?？赏ㄟ^將水位上升到冰凍面形成一層冰凍層，然后再降低水位到水面與冰凍層之間形成絕緣的空氣層，水生植物密實(shí)的莖可以對(duì)冰層起到支撐作用，枯死濕地植物上積累的雪層可以使系統(tǒng)達(dá)到保溫效果;濕地表面覆蓋一層易生物降解的物質(zhì)，如樹葉、木屑、復(fù)合肥等，也可起到保溫的作用。

4.3.4 合理規(guī)劃設(shè)計(jì)

由于人工濕地的占地面積較大，使得其在國內(nèi)的發(fā)展推廣受到限制，但由于其自身處理污水的特殊性，使得人工濕地技術(shù)在占地面積上的問題很難得到有效解決，因此，國內(nèi)外開始加大對(duì)它的研究力度和實(shí)踐總結(jié)，力圖找到一些科學(xué)有效且適當(dāng)?shù)姆椒▉碜畲蟪潭冉档驼嫉孛娣e。首先，在選址時(shí)須要綜合考慮規(guī)模、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益等3個(gè)方面，為了不占用市區(qū)寶貴的土地資源，可以將濕地工程地址選在市郊區(qū)域，這樣做還可減輕風(fēng)沙對(duì)市區(qū)環(huán)境的影響和破壞;另外，可嘗試采取組合工藝，可將濕地與其他類型的濕地或者其他的污水處理工藝組合，可以有效地改善傳統(tǒng)濕地的結(jié)構(gòu)，這樣既可以大大減少濕地的占用面積，還可以提高人工濕地技術(shù)凈化污水的效率[28]。人工濕地需要在其應(yīng)用的過程中不斷地完整完善，這也是人工濕地技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展推廣應(yīng)用的必然路徑。

4.3.5 有效管理措施

一個(gè)運(yùn)行良好的人工濕地需要一個(gè)有效且合理的管理運(yùn)行模式。溶解氧不足時(shí)，應(yīng)采用人工曝氣輔助強(qiáng)化處理;碳源不足時(shí)，應(yīng)定期投加碳源;定期對(duì)植物進(jìn)行收割;實(shí)時(shí)監(jiān)測出水水質(zhì);定期對(duì)濕地系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)檢查;采取一定的防堵措施和應(yīng)對(duì)方法;把人工濕地的效益與當(dāng)?shù)鼐用竦男б嬗行ЫY(jié)合起來，通過利益共享，使其積極主動(dòng)地投入到人工濕地的日常維護(hù)中去，這樣可以有效減少因人為破壞而導(dǎo)致的損失。同時(shí)，可以通過設(shè)立標(biāo)志告示牌、口頭宣傳和書面通知等方式，使當(dāng)?shù)鼐用裾J(rèn)識(shí)到人工濕地建設(shè)的必要性及其發(fā)揮的重要作用，并呼吁居民積極參加有關(guān)環(huán)境保護(hù)的科普教育。

5 人工濕地污水處理技術(shù)展望

人工濕地是集生物學(xué)、化學(xué)、水文學(xué)和水力學(xué)等為一體的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，它在處理復(fù)雜廢水方面發(fā)揮了巨大作用，應(yīng)用前景十分可觀。而人工濕地的堵塞是其推廣應(yīng)用的最大障礙，堵塞是由沉降和被過濾的固體顆粒在微生物作用下累積而造成的[28]。

近年來，我國正處在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展階段，長期以來高投入、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)重影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)的健康發(fā)展，廢水排放量日益增加，水污染問題日趨嚴(yán)重，而城市污水處理仍主要采用傳統(tǒng)的二級(jí)活性污泥處理工藝，其工程投資高、耗能大、運(yùn)行成本及管理要求高。而人工濕地作為一種天然的“污水處理廠”，其高效、簡易、低耗的特點(diǎn)就顯得意義重大。人工濕地以其基建費(fèi)用與運(yùn)行成本低、維護(hù)方便、處理效果好、且占地面積小的特點(diǎn)，已得到國外廣泛的應(yīng)用，而且可配合種植水生植物，不僅可達(dá)到綠化及美化景觀的效果，而且可以取得較好的效益。針對(duì)我國西北地區(qū)地域特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后的狀況，西北地區(qū)應(yīng)積極利用本土資源，采用基建費(fèi)用少、運(yùn)行成本低的人工濕地污水處理技術(shù)，并在西北地區(qū)進(jìn)行大規(guī)模的推廣和應(yīng)用，以促進(jìn)西北地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)文明健康和諧的發(fā)展。

當(dāng)前，人工濕地發(fā)展還存在許多的不足，人工濕地還存在很多問題沒有解決。因此，在推廣應(yīng)用時(shí)應(yīng)慎重，特別是在大面積使用時(shí)應(yīng)充分考慮該技術(shù)有可能帶來的一系列影響，避免盲目推廣，同時(shí)也須要進(jìn)一步的研究和探索。

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收稿日期：2019-08-01

基金項(xiàng)目：中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：2017Z003-B）。

作者簡介：國 豪（1995—），男，山東青島人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槿斯竦匚鬯幚砑夹g(shù)。E-mail：1057509896@qq.com。

通信作者：李 杰，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槲⑸锕潭ɑd體的研發(fā)及在污水處理中應(yīng)用。E-mail：936271028@qq.com。