王話翔

(上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部公布的數(shù)據(jù)顯示，由于中國城鎮(zhèn)人口數(shù)量逐漸增加、居民用水需求上升，中國污水年排放量逐年增長，并在2019年達(dá)到554.65億m3。雖然年污水處理量達(dá)到了525.85億m3，但城鎮(zhèn)污水處理廠處理后的尾水仍存在氮(N)磷(P)濃度高、濁度低等特點(diǎn)，對地表水水環(huán)境仍存在一定的威脅，而在源頭污水處理與尾水處理上人工濕地的地位逐漸凸顯，被廣泛應(yīng)用在各類污水處理工程中?！秶H濕地公約》中濕地指那些長期或暫時的具備水淹條件的沼澤地、泥炭地等，即水陸之間過渡帶[1]。而人工濕地(Constructed Wetland, CW)則是由人工建造、運(yùn)行管理，通過土壤或基質(zhì)、植物、微生物等之間的物理、化學(xué)、生物的協(xié)同作用，從而凈化污水的處理系統(tǒng)[2]。

2 人工濕地的發(fā)展歷程

目前國際上關(guān)于人工濕地的研究越來越多，在Web of Science上檢索主題“(constructed wetland*)or(artificial wetland*)”，截至2020年有多達(dá)1萬余篇英文文獻(xiàn)，且文獻(xiàn)數(shù)量逐年呈指數(shù)增長，其中我國發(fā)文數(shù)量躍居首位，美國則為第二大研究國(圖1)。

圖1 人工濕地英文文獻(xiàn)數(shù)量及全球分布

2.1 形成與探索

1903年世界上首座用于處理污水的人工濕地建立在英國約克郡[3]，1953年德國Max Planck研究所的著名學(xué)者Dr.Kathe Seidel研究發(fā)現(xiàn)，在去除污水中的有機(jī)物與無機(jī)物上，蘆葦具有顯著的效果，后經(jīng)深入試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蘆葦可很好的吸收污水中的沙門氏菌、大腸菌等多種細(xì)菌，研究同時建立了“Max-planck Institute-Process”系統(tǒng)[4]。1966年Dr.Kathe Seidel又首次發(fā)現(xiàn)水蔥在處理污水上也能起到顯著的效果，漸漸地許多專家學(xué)者開始展開濕地對污水的處理研究[5]。

人工濕地真正形成生態(tài)理論是在20世紀(jì)70年代，由當(dāng)時的學(xué)者Kickuth提出，并被命名為“根區(qū)理論”，即通過矩形蘆葦種植床，結(jié)合添加有鈣、鐵等元素的土壤，將污水中含有的N、P等物質(zhì)去除[6]。在根區(qū)理論形成后，人工濕地正式踏進(jìn)污水生態(tài)處理的大門，各個國家及地區(qū)開始展開污水的生態(tài)處置，并相繼建立起大大小小的人工濕地。21世紀(jì)前，美國處理廢水所用的人工濕地已達(dá)600余座[7]，丹麥、英國等國家也分別建造了200余座人工濕地[8]，到2006年歐洲所建設(shè)的人工濕地已經(jīng)突破1萬座，北美更是突破了2萬座[9]。

2.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

我國在人工濕地方面的研究相對較晚，起步于“七五”期間。我國第一個蘆葦人工濕地1987年由天津環(huán)保所建造。1990年前后，北京、深圳相繼又建造了人工濕地的示范工程[3]。根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒》(2020)中資料顯示，在2009～2013年第二次濕地調(diào)查中，中國除港、澳、臺地區(qū)的人工濕地面積已超過67000 km2，江蘇是擁有人工濕地面積(8740 km2)最大的省，其次是湖北省(6808 km2)、山東省(6345 km2)和廣東省(5953 km2)[10]。到2020年，中國約有150座處理能力在30000 m3/d的人工濕地，主要分布在華東地區(qū)，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致以上地區(qū)水污染壓力較大，從而也使得人工濕地的發(fā)展速度較其他區(qū)域高[11]。

3 人工濕地的組成與分類

3.1 人工濕地的組成

構(gòu)成人工濕地的3個要素是濕地中透水的填料基質(zhì)、適宜的濕地植物以及微生物群。污水經(jīng)過三者的協(xié)同作用，以沉淀、吸附、植物吸收轉(zhuǎn)化、微生物分解等途徑達(dá)到凈化水質(zhì)的目的[12]。

3.1.1 基質(zhì)

有研究發(fā)現(xiàn)大部分污染物的去除都在人工濕地的基質(zhì)中進(jìn)行[13]?；|(zhì)，也就是填料，主要作用有：①為水生植物提供生長條件及支撐；②提供微生物附著生長的場所；③作為各類離子以及各種化合物化學(xué)反應(yīng)的平臺；④攔截、吸附水中雜質(zhì)及部分污染物[14]。

目前主流的基質(zhì)填料有土壤、砂、石灰石、沸石、礫石、爐渣、灰?guī)r等，也是目前國內(nèi)人工濕地主要的填料來源，但在過去10年，對基質(zhì)的種類研究一直在進(jìn)行，新出現(xiàn)的一些基質(zhì)如牡蠣殼、建筑垃圾、輪胎碎片、生物炭、濾網(wǎng)、聚乙烯塑料、鋼渣、稻草等，也在去除污染物上發(fā)揮一定的作用[15]?；|(zhì)物化特性的不同在實(shí)際選用上需加以斟酌，如含鈣、鐵、鋁的基質(zhì)(如礦渣、石灰石、鋁泥等)在除P元素方面具有較好的性能[15]，而高爐渣在去除N、P污染物方面有較好的性能，泥炭則對五日生化需氧量(BOD5)、懸浮物(SS)含量高的污水處理效果較好[16]。此外基質(zhì)的孔隙率、粒徑大小不同對微生物掛膜有一定影響，一般情況粒徑越小比表面積越大，膜附著面積越大，處理效果越好，但過小的粒徑會一定程度上影響水力傳導(dǎo)，造成短流或堵塞現(xiàn)象，通常所用到的基質(zhì)粒徑為5～18 mm，在不同的使用場景下所選擇的粒徑大小會有所不同[13,17]。為解決上文中可能出現(xiàn)的堵塞，通?？赏ㄟ^預(yù)沉淀、不同粒徑大小的基質(zhì)組合布設(shè)、合理選擇進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷、沖洗、加藥生化處理等方法緩解堵塞情況[15,18]。

3.1.2 水生植物

人工濕地所常用的植物主要分為挺水植物、沉水植物以及浮水植物。濕地植物在人工濕地中擔(dān)任重要的角色，其主要作用為：①吸附污水中N、P等元素，富集污水中重金屬等有害物質(zhì)；②植物根區(qū)為好氧微生物提供氧氣，并為其提供生長繁殖場所；③植物根系的通氣組織可維持和提高基質(zhì)的水力傳導(dǎo)性能，并防止土壤板結(jié)[14,19]。當(dāng)然隨著近現(xiàn)代人工濕地對景觀效果上的要求，適宜的濕地植物搭配對美化生境、打造附屬旅游經(jīng)濟(jì)等方面均有較好的效果。

常見的挺水植物有蘆葦、香蒲、水蔥、菖蒲等，其主要特征是根系與根莖可生長在水面以下的基質(zhì)中，而莖葉部分生長在水面以上，一般生長在0～1.5 m的淺水區(qū)域或岸邊；沉水植物主要有苦草、黑藻、金魚藻等，呈帶狀或絲狀，其主要特征是整體浸于水體之中，對含N、P物質(zhì)有較好的吸附作用；浮水植物主要有浮萍、鳳眼蓮等[3,14,20]。在設(shè)計和建造濕地的時候，甄選濕地植物除了要考慮當(dāng)?shù)貧夂蚺c地形，還要考慮針對不同污染物的去除效果適當(dāng)選擇。

3.1.3 微生物

微生物是系統(tǒng)中主要的分解者，微生物的多樣性在濕地運(yùn)行中有著重要的作用，污水中的N元素需通過微生物的作用發(fā)生氨化、硝化及反硝化反應(yīng)去除，有機(jī)污染物的去除也需要微生物的參與[21]。早期的人工濕地的研究主要集中在植物的選取、基質(zhì)的篩選等方面，隨著人們對人工濕地的認(rèn)識愈發(fā)的全面，在微生物方面的研究越來越多。

濕地微生物群落一般主要有細(xì)菌、放線菌、真菌。研究表明：群落中細(xì)菌數(shù)量最多，真菌數(shù)量最少，而在細(xì)菌中數(shù)量較高的是具有脫氮功能的細(xì)菌。一般情況下細(xì)菌主要是負(fù)責(zé)有機(jī)物到無機(jī)物的轉(zhuǎn)化，放線菌則是其中的重要參與者，而真菌主要是分解枯萎腐敗的植物，為濕地植物提供碳源、營養(yǎng)物質(zhì)[21,22]。

3.2 人工濕地的分類

目前人工濕地主要分為表面流人工濕地(SFCW)、水平潛流人工濕地(HFCW)、垂直流人工濕地(VFCW)。在實(shí)際的人工濕地運(yùn)行中也存在一些組合式人工濕地，可更好地去除水體中的污染物。

3.2.1 表面流人工濕地

SFCW比較接近自然濕地，一般水深在0.1～0.6 m，水體沿濕地緩慢向前推進(jìn)，污水漫流沉降、聚集，能有效去除水體中的固體懸浮物，而有機(jī)物則通過植物的根系與附著在植物體上的生物膜去除。雖然SFCW建設(shè)結(jié)構(gòu)要求與成本相對較低，運(yùn)行管理相對方便，但是由于污水不能在SFCW中與基質(zhì)充分接觸，對含N、P物質(zhì)的去除效果欠佳，且其占地面積較大，易受自然因素影響，管理不當(dāng)還會大量的孳生蚊蟲[23]。

3.2.2 水平潛流人工濕地

廢水水平流入HFCW的多孔基質(zhì)，能與好氧區(qū)、缺氧區(qū)、厭氧區(qū)緊密接觸，充分利用基質(zhì)、植物根系以及生物膜去除水體中的污染，特別是對N的去除效果比較明顯，而適當(dāng)?shù)倪x擇吸附性較高的基質(zhì)填料也可以達(dá)到高效除P，一般情況下處理效果好于表面流人工濕地[24]。雖然HFCW的脫N效果較好，并且具有一定的保溫性能，不易孳生蚊蟲，但其系統(tǒng)供氧受植物根系影響較大，冬季植物枯萎期間供氧能力下降，易影響硝化反應(yīng)的進(jìn)行[25]。

3.2.3 垂直流人工濕地

VFCW運(yùn)行模式是污水通過濕地表面自上而下流入基質(zhì)，然后通過底部污水收集系統(tǒng)收集后排出，其除污機(jī)理與HFCW基本相同，但在其進(jìn)水的間歇期，可以將空氣輸送到基質(zhì)中，所以其處理耗氧污染物能力與硝化能力相較HFCW強(qiáng)。VFCW的缺點(diǎn)就是不易操作管理，對SS的去除效果不是很好，并易發(fā)生堵塞現(xiàn)象[26]。

4 人工濕地的應(yīng)用

目前人工濕地主要用于處理各類污水，主要去除水中的N、P物質(zhì)、有機(jī)污染物、重金屬離子、SS以及一些特定化合物等。

4.1 污水廠尾水

雖然目前有很多較為成熟的技術(shù)處理城鎮(zhèn)污水，如混凝沉淀、膜分離、化學(xué)氧化等[27]，但常規(guī)城鎮(zhèn)污水廠出水N、P含量仍相對較高，加上水量較大，對環(huán)境有一定的威脅，所以在污水廠出水末端加設(shè)尾水處理裝置是現(xiàn)在許多國家和地區(qū)采取的方法，而人工濕地處理尾水便逐漸被采納。深度凈化尾水除能緩解入河污染壓力，并且能回補(bǔ)地表水水源[28]。王楠等[29]利用復(fù)合的HFCW與SFCW對污水廠尾水進(jìn)行處理，能除去47.4%的BOD5、35.7%的化學(xué)需氧量(COD)、58.3%的SS、52.8%的TN和53.6%的TP。曹大偉等[30]利用VFCW—HFCW—氧化塘的形式處理了廣西省某污水廠的尾水，測得復(fù)合濕地對尾水中BOD5、COD、TN、TP、NH3-N的去除率可分別達(dá)到59.53%、58.28%、49.90%、51.86%、46.33%。

4.2 河流治理

近年來由于國家逐步重視河流的生態(tài)環(huán)境，人工濕地在河流修復(fù)與治理方面的作用逐漸凸顯，河流治理由開始的截污納管、黑臭整治，到現(xiàn)在的逐步向生態(tài)修復(fù)方向發(fā)展，2012年1月我國發(fā)布了《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》，強(qiáng)調(diào)推進(jìn)河流水生態(tài)修復(fù)，相關(guān)水生態(tài)治理技術(shù)被逐漸納入河流治理工程范圍內(nèi)。人工濕地在山東省的海子河、遼寧省的條子河[31]以及長江經(jīng)濟(jì)帶沿線水系等地均有應(yīng)用，王堅等[32]就在山西省沁河采用了復(fù)合型潛流人工濕地達(dá)到了較好的除P效果，劉晶等[33]通過SFCW+HFCW的復(fù)合濕地形式使得永定河懷來段COD去除率達(dá)到20%～43%，氨氮(NH3-N)去除率達(dá)到11%～43%。

4.3 農(nóng)村生活污水

目前中國自然村超過250萬個，人口數(shù)量龐大，但截至2017年時污水處理率不到30%[34]，農(nóng)村污水面臨的問題有源頭分散難收集、污水中有機(jī)物與氮磷含量高且不穩(wěn)定、管網(wǎng)建設(shè)不健全、運(yùn)營成本較高等，如2015年就因管網(wǎng)不成熟、資金匱乏等問題，北京房山區(qū)58.3%的農(nóng)村濕地處理點(diǎn)無法達(dá)到預(yù)期效果[35]。

中國專家學(xué)者也一直在探究人工濕地用于處理農(nóng)村生活污水的相關(guān)技術(shù)，如江蘇地區(qū)所運(yùn)用的發(fā)酵及跌水加人工濕地的處理方法，使得TN、TP、COD、NH3-N去除率超過了80%[36]。楊鳳飛等[37]組合運(yùn)用生態(tài)濾池、人工濕地與穩(wěn)定塘，將農(nóng)村生活出水處理后達(dá)到了一級B的排放標(biāo)準(zhǔn)，而蘭書煥等[38]運(yùn)用接觸氧化與蔬菜形人工濕地處理的川渝地區(qū)農(nóng)村生活污水達(dá)到了一級A標(biāo)準(zhǔn)。國外對于農(nóng)村生活污水處理方面相對較為成熟，2002年美國便頒布了《分散式污水處理系統(tǒng)應(yīng)用手冊》，僅肯塔基州就有4000多座潛流濕地用于處理獨(dú)戶污水處理。2003年德國也在分散式污水處理上做出了要求，其中便有濕地處理方式。英國在農(nóng)村生活污水處理上廣泛采用人工濕地，并組建了900余座濕地的數(shù)據(jù)庫。法國也有500余座VFCW用于處理農(nóng)村生活污水[39,40]。21世紀(jì)以來，波蘭開始研究改進(jìn)的濕地系統(tǒng)，2000～2015年，共建成了5600座采用細(xì)沙等過濾，通過SFCW與凈化塘組合處理家庭生活污水的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了“零排放技術(shù)”[41]。

4.4 海綿城市建設(shè)

海綿城市主要是通過自身的特性實(shí)現(xiàn)對抗洪澇現(xiàn)象、雨水的凈化或雨水回用等，人工濕地在海綿城市的建設(shè)中主要可以實(shí)現(xiàn)雨洪管理及節(jié)水治污，同時也具備一些景觀、休閑娛樂效果[42]。

4.5 工業(yè)廢水

工業(yè)廢水一般情況下污染物濃度較高，包括紡織染料廢水、石油廢水、皮革廢水、食品加工廢水等，適當(dāng)?shù)牟捎萌斯竦丶夹g(shù)能有效的去除廢水中的污染物。除此之外還有炸藥行業(yè)、木業(yè)、花卉業(yè)、釀酒業(yè)等均涉及到人工濕地的使用[24]。

紡織業(yè)中染整等過程所產(chǎn)生的廢水對環(huán)境危害很大，近年來國內(nèi)也大力整治違規(guī)排污的紡織印染行業(yè)，對相關(guān)企業(yè)作出處罰、關(guān)停等處理。在國外研究中，Hussein等[46]通過種植蘆葦?shù)腣FCW，使得混合染料去除率達(dá)到85%～100%。Mbuligwe等[47]運(yùn)用HFCW處理蠟染廢水得到硫酸鹽、COD的去除率分別為53%、68%。意大利普拉托2003 年所建造的180 m2的HFCW，用以處理紡織廢水。2006～2010年間，測得廢水中的總鉻和六價鉻的去除率分別為40%～50%和67%～71%[48]。皮革行業(yè)是用水量較大的行業(yè)，廢水中有機(jī)物、SS、有機(jī)氮、氨、鉻等濃度很高[49]。葡萄牙一家制革公司利用水平潛流濕地有效去除65%的COD、75%的凱氏氮(TKN)、83%的TP、65%的TSS[50]。坦桑尼亞的一家制革廠通過水平潛流濕地將Cr 濃度降低了 99.8%，濁度降低了 71%[51]。食品加工業(yè)涉及的范圍較廣，有肉類加工、牛奶行業(yè)、制糖行業(yè)等[24]。厄瓜多爾早在1999年投入使用的HFCW，就去除了屠宰場廢水中98%的COD、99%的TSS、82%的NH3-N[51]。意大利某奶酪工廠用兩個平行的VFCW處理廢水，其COD、TN、TP、TSS 的處理效率分別為60%、72%、50%、37%[52]。

4.6 養(yǎng)殖廢水

近年來中國養(yǎng)殖逐漸集約化，規(guī)模也在快速增長，其廢水中NH3-N、有機(jī)物、氮磷、重金屬等含量較高，并存在大量的致病菌[53]。我國2014年8月才開始對畜禽養(yǎng)殖污染開展專項行動，治理體系相對不完善，而國外在20世紀(jì)前后便開始利用人工濕地處理養(yǎng)殖廢水，2001年加拿大圣費(fèi)迪南德的某個鱒魚養(yǎng)殖場采用了2個串聯(lián)的HFCW處理養(yǎng)殖廢水，TSS、TP的去除率分別超過了95%和80%[54]。Pelissari等[55]利用人工濕地處理奶牛養(yǎng)殖廢水，HFCW中TN、NH3-N的去除率分別是59%、58%，而VFCW中TN、NH3-N的去除率分別是23%、80%。Feng等[56]利用人工濕地處理養(yǎng)豬廢水，COD、TN、NH3-N的去除率分別可達(dá)63.06%～77.18%、40.83%～48.70%、87.19%～96.54%。

4.7 其它特定污染物

人工濕地除在常見的工業(yè)污水、生活污水、養(yǎng)殖污水等方面的應(yīng)用，還被用來去除一些特定的污染物，如一些可生化學(xué)較差的新型污染物、具有放射性的污染物等。成水平等[57]對相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計，總結(jié)了人工濕地在新興污染物去除方面的作用，人工濕地對聚酯類殺蟲劑(去除率約為100%)、草甘膦(75%～99%)、二嗪農(nóng)(68%～94%)等農(nóng)藥均有較好的去除效果。Zhang等[58]發(fā)現(xiàn)濕地植物能大量吸收水體中咖啡因，從而降低其污染。在核燃料燃燒、核工業(yè)等過程中會產(chǎn)生一些放射性的重金屬，而利用復(fù)合人工濕地能去除約60%以上的含Sr2+、Cs+廢水[59]，為人工濕地處理放射性廢水提供參考依據(jù)。

5 結(jié)論與展望

人工濕地是由基質(zhì)、水生植物、微生物組合而成的具有凈化水質(zhì)的系統(tǒng)，一般分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地、垂直流人工濕地，在工業(yè)污水、生活污水、養(yǎng)殖廢水、河湖治理等方面均有應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)的污水處理方式，人工濕地的投資建設(shè)、運(yùn)行管理費(fèi)用較少，操作模式較為簡易，但是人工濕地的建設(shè)占地面積較大，管理不善容易造成水質(zhì)變差，在部分區(qū)域的應(yīng)用效果不佳。過去30年來，人工濕地從一開始的目標(biāo)污染物的去除、目標(biāo)植物去除污染物效果研究，到逐步向機(jī)理研究，再到通過科學(xué)研究以及工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)積累發(fā)展壯大，其在處理污、廢水方面還有較為廣闊的前景。

5.1 加強(qiáng)人工濕地的科學(xué)建設(shè)與管理

在建設(shè)人工濕地的過程中，由于建造不合理或管理維護(hù)不當(dāng)?shù)仍?，出現(xiàn)過植物大面積死亡、水質(zhì)異常等現(xiàn)象。在建設(shè)人工濕地時首先要分析當(dāng)?shù)氐匦?、溫度等因素，其次要?yán)格把控植物的種類選擇、植物種植密度、植物搭配比例，同時要根據(jù)水質(zhì)特性選擇合適的基質(zhì)，為避免經(jīng)常性大范圍堵塞可適當(dāng)控制基質(zhì)粒徑，或選擇組合式粒徑搭配。在人工管理上要有明確的規(guī)章制度與操作規(guī)范，定時檢修維護(hù)，及時收割與清理枯萎腐敗植物。

5.2 特殊區(qū)域的人工濕地應(yīng)用

目前在人工濕地的研究中，處理效果相對較好的區(qū)域一般為溫度適宜、地理位置優(yōu)越的區(qū)域，隨著相關(guān)技術(shù)的成熟，人工濕地也被應(yīng)用在高寒、高海拔區(qū)域。在今后的研究中，可將研究方向側(cè)重篩選適宜的耐寒、耐鹽堿、耐毒性污染等濕地植物，選擇性能較好的基質(zhì)，以及研究培養(yǎng)適宜的微生物群，應(yīng)用于高寒、高海拔以及常年干旱等特殊區(qū)域，以更好地發(fā)揮人工濕地在不同地理位置與污水性質(zhì)方面的應(yīng)用。

5.3 推進(jìn)農(nóng)村區(qū)域人工濕地建設(shè)

在我國農(nóng)村地區(qū)，多數(shù)區(qū)域沒有完善的污水收集處理系統(tǒng)，人工濕地處理污水的相關(guān)技術(shù)沒有全面推廣，建有人工濕地污水處理系統(tǒng)的部分農(nóng)村區(qū)域，也由于管理不善或資金支持不到位等問題達(dá)不到預(yù)期的處理效果，而歐美國家早在21世紀(jì)初便將人工濕地技術(shù)廣泛的應(yīng)用在農(nóng)村生活污水處理方面。2019年中央農(nóng)辦、生態(tài)環(huán)境部等九大部門聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于推進(jìn)農(nóng)村生活污水治理的指導(dǎo)意見》中指出對農(nóng)村生活污水散排、亂排等現(xiàn)象要逐步加強(qiáng)管控，所以在今后的研究與工程實(shí)踐中，可側(cè)重研究適合農(nóng)村濕地建設(shè)的方案，借鑒國外“獨(dú)戶式”人工濕地，開發(fā)小型人工濕地，優(yōu)化社區(qū)管理模式。