毛明元，趙 霞，吳樂瑤，陳 同，宋世宇

(蘭州理工大學 石油化工學院，蘭州 730050)

引 言

人工濕地是一種模擬自然濕地的人工生態(tài)系統(tǒng)，通過過濾、沉淀、吸附、離子交換、微生物分解和植物吸收等作用[1]凈化水質(zhì)，與其它傳統(tǒng)的水處理技術(shù)相比，具有成本低、操作維護簡便等優(yōu)點，適用于處理水量較小、水質(zhì)變化不大、管理水平較低的農(nóng)村和城鎮(zhèn)地區(qū)分散的污水，具有廣闊的應用前景[2]。

單一人工濕地存在一定的局限性，例如基質(zhì)易堵塞、脫磷效率低、出水不穩(wěn)定等。因此，現(xiàn)階段人工濕地的研究重點在于根據(jù)區(qū)域排水水質(zhì)的不同，開發(fā)并優(yōu)化組合人工濕地及與其它水處理工藝相結(jié)合的組合人工濕地。

1 人工濕地的概況

1.1 人工濕地的分類與特點

人工濕地根據(jù)污水在濕地床體中流動方式的不同，可分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地3種類型。表流人工濕地與自然濕地較接近，占地面積大，易孳生蚊蠅，出水水質(zhì)易受天氣因素影響。水平潛流人工濕地[3]中污水水平流過填料層，因此，水平潛流人工濕地具有耐沖擊負荷能力強、受氣溫影響小、不易滋生蚊蠅等優(yōu)點，但填料床容易被堵塞。垂直流人工濕地[4]中污水從濕地表面縱向流向填料床的底部區(qū)域，達到凈水目的

1.2 單一人工濕地的局限性

目前，人工濕地沒有被廣泛使用是因其在性能上存在一定的局限性，主要包括以下幾個方面。

(1)若長時間處理含顆粒物濃度大的污水易產(chǎn)生基質(zhì)堵塞現(xiàn)象[5]。濕地系統(tǒng)堵塞會導致其內(nèi)部水力特征改變，進而導致出水流量減小，水力停留時間增長，有機物去除能力下降。

(2)脫氮效率較低，因系統(tǒng)內(nèi)部缺乏充足的溶解氧而抑制了微生物的硝化作用。

(3)處理效率受外部環(huán)境因素的影響較大，出水水質(zhì)不穩(wěn)定。

(4)濕地中的生物組分對有毒化學物質(zhì)較為敏感，對高濃度混合農(nóng)藥廢水的處理效果較差[6]。

2 人工濕地的發(fā)展

為突破人工濕地系統(tǒng)目前存在的局限性，提高其整體性能，通常采用組合式人工濕地工藝，以保證出水水質(zhì)。組合式人工濕地可分為：不同類型人工濕地構(gòu)成的復合濕地、人工濕地與其它傳統(tǒng)水處理工藝聯(lián)用的人工濕地。李小艷[7]等人研究表明，目前我國水平潛流濕地占比最大，主要用于處理農(nóng)村生活污水。因政策支持，約有50%的人工濕地工程建于華東地區(qū)，以水平流和垂直流濕地為主；其次分布在華南、西南地區(qū)，約占30%；東北、華北、華中占比較少，僅有10%; 西北地區(qū)人工濕地應用最少只占3%，故有較大的發(fā)展前景。

2.1 不同類型人工濕地的組合

可根據(jù)待處理廢水特征和周圍環(huán)境特點的不同，把表面流濕地、水平潛流式濕地或垂直潛流式濕地系統(tǒng)有機組合，形成復合人工濕地，以平衡每種濕地的優(yōu)缺點，使微生物能有更加穩(wěn)定的生存環(huán)境，提高水處理效率。常見的組合人工濕地有復合垂直流人工濕地(VFs)系統(tǒng)[8～10]、垂直流-水平流人工濕地(VF-HF)系統(tǒng)[11-12]、連續(xù)水平和垂直潛流人工濕地(HF-VF)系統(tǒng)[13-14]等

Seo[15]等人研究表明垂直流(VF)和水平流(HF)混合人工濕地(以方解石作為過濾介質(zhì))中的最優(yōu)組合是HF-VF-HF三段復合人工濕地系統(tǒng)。此系統(tǒng)可為硝化反硝化提供適宜的條件，提高含硝酸鹽廢水中TN的去除率，能有效處理含高硝酸鹽的農(nóng)業(yè)廢水，其出水COD、TN和TP去除率分別達到95.1%、68.4%和94.3%。

馮旭[16]等人設(shè)計了一種回流立式組合人工濕地，即將儲水池中污水連續(xù)通過垂直潛流和水平潛流濕地系統(tǒng)，最后再循環(huán)進入儲水池。該系統(tǒng)耐沖擊負荷能力強，可有效去除污水中的重金屬，對As、Cd、Pb、Cu和Zn的平均去除率均在50%以上，且不影響對CODCr和TN的去除。

黃小龍[17]等人利用沉水植物型表面流復合垂直流人工濕地去除低C/N值河水中的氨氮。表面流人工濕地的增氧作用可以提高后續(xù)垂直流人工濕地對氨氮的去除率，根據(jù)溫度的不同，該復合系統(tǒng)的氨氮去除率在50.1%～80.2%之間。

綜上，多種人工濕地的組合使污水處理負荷更加均衡，可避免出現(xiàn)超負荷及濕地基質(zhì)堵塞問題，提高人工濕地系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的可持續(xù)性，實現(xiàn)農(nóng)村生活污水的集中處理。組合人工濕地為大量微生物提供適宜的生存環(huán)境，比單一類型的濕地去除的污染物種類更豐富，效率更高。

2.2 人工濕地與其它處理工藝的組合

將人工濕地與其它傳統(tǒng)水處理工藝相結(jié)合，可以有效彌補人工濕地占地面積大、出水水質(zhì)易受環(huán)境影響、脫氮效率低等缺點。目前，已被報道的組合工藝有反滲透組合人工濕地系統(tǒng)[19]、化學混凝法-水平-折流型潛流人工濕地[20]、氧化深塘組合人工濕地系統(tǒng)[21]、高負荷人工濕地復合生物電化學系統(tǒng)[22]、固定化微生物反應器-人工濕地(IMRICW)組合工藝[23]、Fenton氧化技術(shù)復合人工濕地系統(tǒng)[24]、潮汐流-潛流組合人工濕地工藝[25]、SBBR(序批式生物膜反應器)-人工濕地系統(tǒng)[26-27]、太陽能微動力A2O+潛流人工濕地組合工藝[28-29]等。

2.2.1 生物接觸氧化-人工濕地組合工藝

生物接觸氧化工藝與人工濕地的組合系統(tǒng)，擁有耐負荷沖擊能力高、對水量和水質(zhì)的變化適應能力強、占地面積小、出水水質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)二級生物處理工藝等優(yōu)點。生物接觸氧化技術(shù)集生物降解反應與沉淀作用于一池，能有效去除污水中的顆粒物質(zhì)和部分溶解有機物，且可以根據(jù)不同季節(jié)和水質(zhì)的變化，調(diào)節(jié)污水在接觸氧化池內(nèi)的停留時間、曝氣時間和曝氣量等參數(shù)，解決人工濕地易堵塞的問題，降低水處理成本。曹飛華[30]等人將一體化生化反應池與垂直流人工濕地組合工藝用以小城鎮(zhèn)污水的處理；高達文[31]等人利用生物接觸氧化復合溫室結(jié)構(gòu)水平潛流人工濕地系統(tǒng)建立了污水處理廠，提高寒冷環(huán)境下特別是在0℃以下的嚴寒地區(qū)的水處理效率；聶發(fā)輝[32]等人針對農(nóng)村分散污水設(shè)計了生物接觸氧化-潛流人工濕地一體化設(shè)備以處理生活污水，出水可達到一級 A排放標準。王凌[33]等人以生物接觸氧化反應器為預處理工藝，在水平低地下濕地上建立厭氧氨氧化系統(tǒng)，以作為環(huán)境敏感地區(qū)污水的深度處理。

2.2.2 上流式厭氧污泥床-人工濕地組合工藝

上流式厭氧污泥床可作為人工濕地的預處理工藝，其適用于高濃度有機廢水的處理，容積負荷率高，成本較低，可有效提高復合系統(tǒng)的氨氮、氮磷去除率。Khateeb[34]等人將上流式厭氧污泥床(UASB)反應器與下表面流(SSF)人工濕地復合，適用于干旱區(qū)和半干旱區(qū)污水的回收再利用。張琳琳[35]等人為解決傳統(tǒng)農(nóng)村庭院式分散養(yǎng)殖產(chǎn)生廢水難以大規(guī)模集中處理的問題，設(shè)計了上流式污泥床(UBF)-復合生物濾池-人工濕地復合工藝。

2.2.3 生物濾池-人工濕地組合工藝

2.2.4 光催化-人工濕地組合工藝

光催化工藝利用人工或自然光的作用在水中產(chǎn)生大量的·OH自由基以氧化分解污水中的有機物，是一種經(jīng)濟高效的水處理技術(shù)。光催化氧化技術(shù)與人工濕地工藝聯(lián)用，一方面可解決濕地現(xiàn)存的與難降解物質(zhì)有關(guān)的堵塞問題，延長濕地的使用壽命，減少濕地近一半的使用面積，降低建設(shè)成本。另一方面人工濕地可減少光催化所需的化學試劑量，以及污水在光催化氧化系統(tǒng)中的停留時間，有效降低氮、磷濃度，減少處理過程中的二次污染。Antoniadis[41-42]等人將光催化TiO2-Fe3+-H2O2系統(tǒng)與表面流人工濕地相結(jié)合，有效降低BOD及廢水中致病菌的數(shù)量。Araa[43]等人研究表明光催化-人工濕地復合系統(tǒng)可用于處理含有高濃度混合農(nóng)藥的污水，光催化技術(shù)可解決某些高濃度有機物不可生物降解的問題，使污水中的毒性降低。Li[44]等人研究了以TiO2為催化劑的光催化-人工濕地復合系統(tǒng)。經(jīng)人工濕地處理后，二氧化鈦光催化氧化的處理時間可縮短3h，出水經(jīng)土地滲濾作用后可作為飲用水直接匯入地下水，適用于沒有排水系統(tǒng)的郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)。

3 展 望

目前，我國城市廣泛應用的活性污泥法水處理工藝因其管理維護及操作要求高等缺點，未能在農(nóng)村地區(qū)廣泛推廣。組合人工濕地工藝可有效彌補傳統(tǒng)水處理工藝的短板，特別在西北農(nóng)村地區(qū)具有廣泛的應用前景。

結(jié)合區(qū)域排水特點，因地制宜的開發(fā)、優(yōu)化組合人工濕地技術(shù)是目前人工濕地的主要發(fā)展方向。將人工濕地與其它傳統(tǒng)水處理工藝聯(lián)用，不僅可以充分發(fā)揮其本身的優(yōu)點，還能有效減少濕地占地面積，避免出現(xiàn)堵塞、出水水質(zhì)不穩(wěn)定等問題，提高系統(tǒng)的整體處理性能，加大應用范圍。

現(xiàn)階段組合人工濕地的研究趨勢有：(1)開發(fā)能突破人工濕地局限性，實現(xiàn)各工藝之間優(yōu)勢互補的組合人工濕地；(2)研究可針對某類特定污染水質(zhì)或污染區(qū)域的組合工藝；(3)基于我國新農(nóng)村建設(shè)政策，開發(fā)出可普遍推行、易于維護的組合人工濕地，降低農(nóng)村水處理成本。例如，光催化-人工濕地組合工藝可以在外界陽光充足的條件下自行運作，具有較高的經(jīng)濟效益。光催化工藝有效減少了人工濕地所需面積，同時人工濕地系統(tǒng)也降低了光催化所需化學試劑量，兩者結(jié)合對含有高濃度混合農(nóng)藥廢水的處理效果較好。該工藝適用于沒有下水道系統(tǒng)的農(nóng)村地區(qū)，利用土地滲濾攔截、降解廢水中殘留的細菌和TiO2，出水可直接流入地下水，為污水無害化、資源化處理提供了新的方法和思路。