譚銘

（鶴山北控村鎮(zhèn)污水處理有限公司，廣東 江門 529700）

0 引言

根據(jù)中商情報網(wǎng)的調(diào)查顯示，我國在2022 年污水排放量超過625 億m3，同比增長接近6%，且水質(zhì)惡化、水源污染問題日益嚴重。過于龐大的污水量進一步提高了污染整治難度，且許多污水處理廠的資金短缺，工藝技術(shù)較為落后，難以有效滿足污水排放標(biāo)準。為解決此類問題，筆者將以人工濕地污水處理技術(shù)作為研究對象，進一步保障水資源安全。

1 人工濕地污水處理技術(shù)的凈化機制

1.1 技術(shù)特點

人工濕地是指由人工打造、管理的與沼澤地相似的地面，通過控制污水污泥，沿既定方向流動，發(fā)揮土壤、植物、微生物的協(xié)同作用，清除污水中包含的有機物、氮磷元素，達到水體凈化的目的。其主要特點在于緩沖容量大，運行費用低、操作簡易、處理效果好，適合小城鎮(zhèn)、農(nóng)村地區(qū)的污水處理，能夠有效降低對水力、污染負荷的沖擊，充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力，避免環(huán)境二次污染。

1.2 有機物去除

人工濕地對于有機物的凈化效果十分顯著，可以憑借土壤較大的比表面積，形成生物膜，在污水流經(jīng)土壤表面時，大量固體懸浮物便會被填料截留，至于不溶性有機物則會在基質(zhì)的沉淀、吸附作用下，被阻擋在外，之后憑借微生物進行分解。至于可溶性有機物，則會被植物根系的生物膜吸收，借助微生物本身具備的代謝功能，進一步去除。最終在土壤好氧區(qū)分解成CO2與水，而在厭氧區(qū)，有機物則會在細菌的發(fā)酵作用下，生成CO2與CH4。

1.3 氮的去除

對于污水中氮元素的去除，主要是憑借人工濕地微生物的硝化作用、反硝化作用（圖1），前者是指反硝化細菌，在缺氧條件下，實現(xiàn)硝酸鹽的還原，釋放分子態(tài)氮或N2O。而后者是指在厭氧條件下，微生物將硝酸鹽、亞硝酸鹽還原為氣態(tài)氮化物與N2。同時，人工濕地還可利用植物吸收、基質(zhì)吸附，提高氮元素的脫除效率。通常來說，污水中的無機氮會被植物吸收，并進一步合成植物蛋白質(zhì)，最終通過收割植物，去除污染物。而對于污水中的有機氮，則會受微生物影響，轉(zhuǎn)變?yōu)榘钡镔|(zhì)，此類物質(zhì)容易造成地表水體富營養(yǎng)化。為此，需要確保在污水流入人工濕地時，進行氨化處理，使其轉(zhuǎn)化為無機氮，從而在硝化與反硝化作用下，徹底去除。但要注意，相較于其他污水處理手段來說，人工濕度對于氮的去除效率尚未達到預(yù)期標(biāo)準，去除率只能維持在50%。為此，許多學(xué)者認為，可適當(dāng)增加濕地中的生化需氧量，添加一定量的甲醇，增加硝酸鹽氮的占比，促進反硝化作用的增強。

圖1 硝化作用、反硝化作用

1.4 磷的去除

人工濕地對于磷的脫除，則是憑借植物與微生物的共同作用，通過植物同化污水中的無機磷，合成三磷酸腺苷、核糖核酸等有機組分，之后在植物的收割作用下，徹底脫除。而微生物本身的代謝功能，則可將溶解性交叉的磷，進一步轉(zhuǎn)化為溶解性無機磷，從而促進植物吸收。而人工濕地的土壤、填料，也能利用離子交換的形式，去除磷，通過調(diào)節(jié)鐵、鋁化合物含量，控制介質(zhì)的吸附容量，從而滿足污水凈化需求。此外，人工濕地中的聚磷菌也對去除磷存在顯著效果。其主要原理表現(xiàn)為，聚磷菌在好氧條件下，會吸附大量磷，而在厭氧條件下，又會將其釋放出來，這樣其中一部分便會在水流內(nèi)擴散，其余部分則會被介質(zhì)吸收。根據(jù)實際調(diào)查顯示，人工濕地在磷的去除方面，更依賴于介質(zhì)本身的吸附機制，而植物的吸收作用則不會對有機磷產(chǎn)生較大影響，但對無機磷的去除效果較為顯著，究其原因在于大型植物在生長過程中，對無機磷的需求較高。

1.5 重金屬去除

人工濕地在實施重金屬去除的過程中，更多的依靠化學(xué)沉淀與離子交換。若污水在表面流濕地中的滯留時長超過20h，則鋅、鎂等元素的去除率可達到最大值。同時，在重金屬去除方面，也可發(fā)揮濕地的植物吸收功能。例如，種植香蒲（圖2），該物質(zhì)可以有效凈化含鉛廢水，對于固體懸浮物、銅等物質(zhì)的脫除率也能達到99%、97%。并且，植物本身具備的泵氧作用，也能促使根部的含氧量大幅度提升，從而推動污水內(nèi)的重金屬沉降[1]。

圖2 香蒲

2 人工濕地污水處理技術(shù)的影響因素

2.1 植物種類

在人工濕地中，水生植物的占比較高，是污水處理系統(tǒng)的重要組成部分，因此植物類型的選取效果，將直接決定人工濕地的應(yīng)用質(zhì)量。筆者將以常見的幾種水生植物作為研究對象：黑三棱，適用于徑流油類、有機物的攝取同化；水麥冬，具有極為發(fā)達的根系，對磷的脫除率極高；水燭，能夠有效吸收污水中的氮[2]。

2.2 基質(zhì)類型

基質(zhì)是指植物生長載體，簡單來說，是濕地生物與非生物的儲存區(qū)域，能夠?qū)⑽鬯幚憝h(huán)節(jié)有機整合成一個整體，具有極強的過濾、沉淀作用。不同類型的基質(zhì)同樣會對人工濕地的應(yīng)用質(zhì)量產(chǎn)生差異性影響。根據(jù)研究人員發(fā)現(xiàn)，混合粗石子與細石子的潛流式人工濕地，會產(chǎn)生一定程度的基質(zhì)抱團問題，無法有效去除滲濾液。而采用2～4cm 粗石子，或者0.5cm 細石子的基質(zhì)，則能保持極佳的水力傳導(dǎo)率，其中后者的濕地流動狀態(tài)更加突出，能夠保持最高的污染處理效果。同時，根據(jù)污水磷凈化研究可以發(fā)現(xiàn)，礦渣、蛙石都會對磷素產(chǎn)生極強的凈化作用，而砂子對磷素的凈化效果則相對較差。若采用石英砂為基質(zhì)，打造人工濕地，實現(xiàn)污水的處理，則能保證生化需氧量、化學(xué)需氧量去除率均接近90%。而采用高爐渣作為基質(zhì)的人工濕地，則具有最高的除磷效率。

2.3 水流方式

人工濕地根據(jù)水流布設(shè)的差異性，可進一步分為以下幾種類型：地表人工濕地，在濕地系統(tǒng)周邊筑有圍墻，水層厚度在10～30cm，濕地中主要采用蘆葦?shù)韧λ椭参?。水流在濕地呈推流式前進，在流動時會與植物、土壤接觸，在物理、生物反應(yīng)下，實現(xiàn)污水凈化；潛流式人工濕地（圖3），通常采用兩級濕地串聯(lián)的形式，而在處理單元方面，則通過并聯(lián)組成。濕地能夠依照污染物的類型，進行不同介質(zhì)的使用，搭配多樣化的凈化植物。水經(jīng)過基質(zhì)與微生物的作用，對石油類、藻類物質(zhì)具有極佳的凈化效果。同時，該類型的濕地?zé)o論是在流態(tài)方面，還是在結(jié)構(gòu)方面，都能產(chǎn)生良好的硝化與反硝化功能；垂直潛流式人工濕地，污水自表面縱向流入床底，依次經(jīng)過不同介質(zhì)層，實現(xiàn)凈化目標(biāo)。該類型濕地的布水系統(tǒng)極為完備，優(yōu)勢在于占地面積較小，地上部分可作為配合景觀使用，且污水的處理效率較高；水平流潛流式人工濕地，污水從進水口依次經(jīng)過砂石、植物根系，最終從出水口流出，其主要結(jié)構(gòu)包括收集系統(tǒng)以及植物系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)雨水的收集、處理，憑借吸附、生化作用，進行污水凈化，更適用于小流域的水質(zhì)治理[3]。

圖3 潛流式人工濕地

2.4 環(huán)境因素

對于人工濕地來說，溫度、水力負荷等環(huán)境因素，都能直接決定污水的凈化效果。若水溫維持在20～25℃，則生物去污率達到最大值，若水溫低于10°C，則污水處理效率會大幅度衰減。由此可見，夏天高溫環(huán)境更適合進行污水治理，但如果水溫超過30°C，則又會在一定程度上抑制硝化、反硝化作用，因此仍需要技術(shù)人員進行合理把控。至于人工濕地的停留時間，也要作為重點控制對象，若污水停留時間較短，不利于生化反應(yīng)的充分實施，若停留時間較長，則可能造成厭氧區(qū)擴大，破壞處理效果。為此，筆者在查閱大量數(shù)據(jù)后，以北京昌平人工濕地作為研究對象，最終發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水力停留時間達到36h，則可滿足城鎮(zhèn)污染物排放標(biāo)準，若停留時間達到4～6d，則污染物處理效果最佳。此外，在水力負荷率方面，當(dāng)數(shù)值處于0.2～0.5m/d 時，化學(xué)需氧量與NH3-N的去除率大約在15%、50%，當(dāng)適當(dāng)提高水力負荷率時，污染物的去除率則會隨之降低。為保證污水的高效治理，可適當(dāng)在水體加入明礬，其主要原理在于鋁離子與磷酸離子，能夠進一步生成磷酸沉淀物[4]。

3 人工濕地污水處理技術(shù)的不足與應(yīng)對方法

根據(jù)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，人工濕地的優(yōu)勢眾多，通過合理選取水流方式、植物類型、基質(zhì)類型，可以保證污水內(nèi)包含的雜質(zhì)得到有效清除。但在實際應(yīng)用過程中，人工濕地系統(tǒng)也存在一定的不足之處，具體表現(xiàn)為：現(xiàn)階段研發(fā)人員對于人工濕地的研究更多的集中在植物方面，側(cè)重于探討植物對污染物的富集效果，在實際應(yīng)用環(huán)節(jié)，存在二次污染，且收集的植物莖葉無法有效處理；人工濕地的工程建設(shè)需要占據(jù)較大空間，且污水處理效率仍未達到預(yù)期標(biāo)準；人工濕地污水處理技術(shù)的使用原理缺少深入挖掘，導(dǎo)致在植物的篩選上缺少合理性與針對性，且設(shè)計的運行參數(shù)缺少可行性驗證，工藝動力學(xué)理論有待進一步分析；人工濕地系統(tǒng)的影響因素較多，容易受氣候條件約束，許多水生植物本身不具有耐寒性能，在低溫條件下會失去吸附、過濾效果，也容易受到病蟲害影響，最終產(chǎn)生淤積問題。

為解決上述問題，需要充分圍繞人工濕地系統(tǒng)、污水治理的主要特點與特征，進一步明確未來的研究重點與方向，具體內(nèi)容：打造數(shù)據(jù)庫，技術(shù)人員可依托云計算、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、數(shù)字化設(shè)備、人工智能，構(gòu)建人工濕地數(shù)據(jù)庫，充分考慮氣候變化狀況，確定濕地規(guī)模，計算負荷率，了解植物種類，并將相關(guān)信息錄入在數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。通過系統(tǒng)程序的自動整理，減少重復(fù)勞動，自動生成濕地設(shè)計的優(yōu)化方案，避免產(chǎn)生低效建設(shè)，為后續(xù)的設(shè)施優(yōu)化、技術(shù)改進提供參考數(shù)據(jù)；深入探究污水凈化機制，人工濕地的凈化作用相對復(fù)雜，無論是植物的吸附作用、微生物的代謝功能，還是物質(zhì)間的化學(xué)反應(yīng)，都能有效治理污染水體，因此系統(tǒng)涉及范圍相對寬泛。一旦凈化污水機制掌握不夠全面，很容易影響污水的治理效率，造成不必要的資源浪費。為此，污水處理廠需要將研究重點放在如何增強硝化、反硝化能力上，將特征污染物作為工作落腳點，通過打造去除反應(yīng)動力學(xué)模型，模擬污水凈化流程，提高污染整治力度；水生植物的選擇，根據(jù)實際調(diào)查顯示，目前，全世界范圍發(fā)現(xiàn)的濕地高等植物類型已經(jīng)超過6800 種，但應(yīng)用在濕地，能夠產(chǎn)生吸附、過濾效果的植物只有近百種。由此可見，人工濕地的水生植物種植潛力巨大，應(yīng)用價值有待進一步挖掘；延伸人工濕地的應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)階段我國對于人工濕地技術(shù)的應(yīng)用更多的集中在生活污水方面。但許多發(fā)達國家，已經(jīng)將人工濕地投入在垃圾滲濾，城鎮(zhèn)污水治理等領(lǐng)域。為此，我國需要加快研究進度，保證人工濕地應(yīng)用價值的充分發(fā)揮[5]。

4 結(jié)語

綜上所述，通過對人工濕地污水處理技術(shù)的凈化機制與影響因素的分析，闡述技術(shù)應(yīng)用過程中存在的不足之處與解決措施，以此充分發(fā)揮人工濕地的應(yīng)用價值，提高污水整治效果，實現(xiàn)資源的節(jié)能化使用，改善生態(tài)環(huán)境，優(yōu)化居民生活質(zhì)量。