人工湿地污水处理技术研究和应用现状

周丽

（美尚生态景观股份有限公司，江苏 无锡 214125）

人工湿地污水处理技术研究和应用现状

周丽

（美尚生态景观股份有限公司，江苏 无锡 214125）

人工湿地污水处理技术具有基建投资少、运行费用低、处理效果好、生态作用强等优点。从近年来人工湿地污水处理技术研究主要方向，以及人工湿地污水处理效果的影响因素等方面，阐述了人工湿地污水处理技术在不同污水处理中的应用，分析了人工湿地污水处理技术与其他污水处理技术联用等，对我国人工湿地污水处理技术研究和应用现状进行了综述。

人工湿地；研究现状；应用现状；污水处理

人工湿地是通过人为地创造水湿条件，种植相应的湿生植物形成的一种湿地。它是由人工建造和监督控制的，根据自然湿地生态系统中物理、化学、生化反应的协调作用来实现对污水的净化，是对天然湿地系统的模拟和强化［1-2］。具有投资少、建设快、效果好、生态效益突出等优点。

对人工湿地污水处理技术的研究开始于20世纪初，并于20世纪80、90年代在欧洲、美国、加拿大、日本等得到了广泛的应用［3］。我国直到 20世纪90年代初才开展人工湿地污水处理技术机理上的研究，其应用方面相对落后。近年来随着对人工湿地机理及影响人工湿地污水处理效果因素的深入研究，相关应用也得到长足发展，应用区域从南向北不断扩展，应用对象也从农业污水、生活污水等富营养化污染水体，拓展到工业废水、垃圾渗滤液等难处理污水。

1 人工湿地污水处理技术概述

1.1 人工湿地的组成和污水处理机理

人工湿地与天然湿地一样，由具有各种透水性的基质，适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物，好氧或厌氧微生物群落和水体（各种待处理污水）组成［1］。人工湿地的基质为植物提供物理支持，为微生物提供附着场所，需要具有较强的吸附能力、强度和稳定性，是各种反应的界面。在植物的选择上，需要选择易活、易管理、耐污能力强、根系发达、富集能力强，并有一定美学价值和经济价值的湿地植物，不仅能吸收富集污染物，且植物的根区及其根系分泌物为微生物的生长提供一个良好的环境。污水在基质中流动，为植物和微生物提供营养物质。利用系统中基质-水生植物-微生物的物理、化学、生物的三重协同作用，通过基质过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化。

1.2 人工湿地的特点

人工湿地污水处理系统目前广泛用于污水的二级和三级处理，具有建造及运转费用低、维护简单、适用面广、对负荷变化适应能力强、污水处理效果好、综合利用价值高等优点。资料显示，人工湿地系统的建设成本和运营成本约为传统污水处理厂（如活性污泥法）相应成本的1/10～1/5［4］。从生态作用上看，人工湿地系统具有强大的生物修复能力，不仅能保护水资源，调节气候，而且能吸收二氧化硫、氮氧化物等有毒有害气体。除此以外，人工湿地植物还具有很好的观赏价值（如美人蕉）和很高的经济价值（如芦苇）。

人工湿地系统也存在以下不足：首先，人工湿地易受气候条件的影响。植物是人工湿地系统的重要组成部分，而植物的生长有一定周期，与气候条件、节气息息相关。人工湿地处理效果与植物生长是否旺盛呈正相关。其次，人工湿地易产生淤积、阻塞现象，因此需要有备用池，并定期地对基质进行去淤、更换，对植物进行收割。最后，人工湿地易堵塞，因此需要建造相应的污水预处理设施，减少堵塞的发生。所以，人工湿地需要的占地面积是传统污水处理厂的2～3倍左右。

2 人工湿地污水处理技术的研究现状

2.1 人工湿地基质的研究

如今，研究人员对人工湿地基质做了大量的研究比对。张翔凌［5］进行了沸石、无烟煤、页岩、蛭石、陶瓷滤料、砾石、钢渣、生物陶粒等基质形成的垂直流人工湿地净化试验研究，经过对污水中的有机物、磷、氮的去除效果的对比，上述8种基质综合去除能力由强到弱排列依次为：无烟煤、钢渣、沸石、生物陶粒、蛭石、陶瓷滤料、砾石、页岩，其中蛭石和砾石对各种污染物去除效果的波动性均较大，砾石、页岩较易被堵塞，沸石、页岩、钢渣和生物陶粒对有毒金属元素具有一定吸附作用。页岩、粗砾石、铁矿石、麦饭石等填料对磷的吸附能力依次为页岩＞铁矿石＞麦饭石＞粗砾石，其中页岩最大磷吸附量随粒径的增加而减小［6］。吸附饱和的火山岩、麦饭石、活性炭、海绵铁等填料对磷的稳定能力较差，易于释放到水中，且粒径越小，稳定性越差。经过综合考察，钢渣、无烟煤、高岭土、瓷砂陶粒等是湿地填料较好的选择［7］。李晓东等［8］研究指出水淬渣是一种比砂子、钢渣对磷吸附性更强、更有应用前景的基质，并且粉煤灰、高炉矿渣、灰漠土等也可作为常规除磷基质的替代。黄逸群［9］对不同类型基质进行优化，指出粉煤灰、煤渣、空心砖以体积比为3∶1∶1混合填料作为人工湿地去污填料较为适宜，且能弥补使用单一基质的弊端。

不同的基质材料吸附和处理污水中目标污染物的能力有很大差别，应依据各自的性能和成本，通过科学配比才能取得最佳、最经济的污水处理效果。

2.2 人工湿地植物的研究

1977年德国学者Kickuth［10］的湿地净化根区法（RZM）理论认为，根区是人工湿地净化功能的主要场所，主要通过植物吸收，微生物代谢除污。而植物吸收在人工湿地脱氮除磷中的贡献只占很少部分［11］，经换算植物吸收时总氮和总磷去除贡献不到15%［12］，虽然植物在人工湿地中对水质的净化作用不大，但植物可以提高一定的基质孔隙率，具有非决定性的防堵塞效果［13］。植物对人工湿地植物根区产生微好氧的环境有利，但目前没有直接的证据证明根区的溶解氧浓度与植物有直接关系［14］。因此，对人工湿地植物的选择和利用应该更注重其间接生态效应和综合作用的发挥。

植物对污染物种类具有选择去除的特性，目前用于人工湿地的植物多为芦苇、香蒲等。赵建松等［15］通过模拟表面流湿地条件下芦苇和卢竹生长特性，指出卢竹比芦苇更适宜作为潜流人工湿地植物。同时水平潜流人工湿地中风车草对养殖水体中磷的去除效果显著高于香蒲，且对不同形态磷的去除效果不同［16］。王全金等［17］研究以薏苡、风车草、茭白和美人蕉为植被构建的潜流人工湿地，考察其对生活污水中氮、磷的净化效果，指出美人蕉湿地对总氮的去除效果最好，茭白对总磷的去除效果最好，且各种植物对氮、磷的去除率随水力停留时间的延长而逐渐增加。

人工湿地植物对污水的处理效果与生长季节有关，以春夏为佳，而冬季较差。其中美人蕉更适宜作为夏季人工湿地系统的湿地植物。时应征等［18］指出石龙芮和酸模可作为寒冷地区或时节人工湿地植物，与常规植物互补使用可提高处理效果和延长运行时间。王磊等［19］从群落配置、合理布局与景观美学等方面对植物进行调控与配置，筛选出适合北方潜流湿地的植物为芦苇、茭白、香蒲、水烛、藨草，适合表面流湿地的植物是水葫芦、大薸、菱角。北方地区的人工湿地植物宜选择水生鸢尾、菖蒲、香蒲和荻等耐寒性能优良的水生植物［20］。

不同植物对重金属的去除能力也不同。凤眼莲与水蕹对Zn2+、Cd2+的耐受范围远高于水花生和荇菜，能明显提高 Zn2+、Cd2+去除效率［21］。香蒲对Fe3+的吸收去除能力高于风车草、再力花，而对Mn2+的去除能力则为再力花和香蒲最好［22］。植物收割也会影响人工湿地的净化能力，使基质中磷酸酶、脲酶、蛋白酶等活性在一段时间内增强，去污效果也得到提高［23］。木本植物中夹竹桃、木槿的净化能力较强，净化能力中等的有棕榈、小叶迎春、栀子花、六月雪、龟甲冬青等［24］。

因此，对人工湿地植物的选择可以从其种类、生物量、耐污能力、富集能力、对地区气候适应能力、抗病虫害能力和经济价值等方面进行考量。

2.3 人工湿地微生物的研究

根区微生物是人工湿地除污能力的主体，这方面的研究主要集中在优势菌群鉴别、种群分布、酶活性以及有机物的生物降解等方面。研究发现人工湿地植物根际和非根际土壤中微生物的数量均为异养细菌＞放线菌＞真菌，细菌是湿地微生物群落中数量最多的一个群，占微生物总量的95%左右［25］，且根际硝酸细菌、亚硝酸细菌和反硝化细菌数量均高于非根际。由于植物的泌氧作用对根际微生物有促生作用，根际区酶活性显著高于非根际区，植物种类、进水中碳、氮、磷的质量比以及季节的不同使得植物根际的基质优势菌群组成和酶活性也存在差异［26］，如氮、磷等污染物低温时的去除率显著低于气温高的季节。在适宜的温度范围内，微生物的活性是可以恢复的。当水温低至5℃以下时，湿地系统对COD仍能产生较高的处理效率［27］。有研究表明在运行稳定的人工湿地中上层基质酶活性较高，总磷、总氮的去除率与磷酸酶和脲酶的活性呈极显著正相关，COD和总磷去除率则与脱氢酶的活性呈显著正相关［28］。通风强化可显著增加部分酶活性。李辉等［29］鉴定了人工湿地基质中 5株氨化细菌，发现芽孢杆菌属（Bacillus）、假单胞菌属（Pseudomonas）为人工湿地中氨化细菌的优势菌属，且在系统中添加适量沸石有利于氨氮的去除。周巧红等［30］从基质酶的角度阐明了人工湿地的污水处理与其中微生物和酶密切相关。

2.4 其他

除了以上主要影响人工湿地的因素以外，各种基质配合使用的体积配比不同，其污水处理效果也有很大差异，所需的水力停留时间、布水方案也不相同［31］。基质的装填方式、分层顺序等对人工湿地的污水处理效果影响也有显著影响［32］。基质上是否挂膜和是否曝气对人工湿地除污能力也有很大影响，研究发现有挂膜基质比无挂膜基质的氨氮去除率提高20%［33］，而有曝气比无曝气的人工湿地系统对氨氮、总氮、溶解性反应磷和总磷的去除率提高8.0%～24.4%。资料显示，基质中微生物活性与基质碳含量呈正相关［34］。

人工湿地污水处理系统是模拟自然湿地的复杂污水处理技术，其除污效果不仅受植物、基质和微生物的影响，还受非人工湿地系统的因素影响，如进水有机物浓度、进水方式、曝气气水比、进水前处理效果等［35］，这些影响可以通过条件优化来屏蔽。

3 人工湿地污水处理技术的应用现状

3.1 人工湿地对不同污水的处理

目前人工湿地系统主要应用于生活污水、家畜与家禽的粪水、富营养化水体、垃圾场渗滤液、制革和电镀等工业废水的处理。

在对泰安城镇生活污水处理的三级人工湿地应用中［9］，以粉煤灰、煤渣、空心砖为基质，体积比为3∶1∶1进行混合时，COD、总氮、氨氮的去除效果最好；在陶粒作为人工湿地床主要填料的情况下，芦苇、水稗草、水生美人蕉能够较快适应，并在各种污染物浓度下很好地生长，可以作为人工湿地栽种植物；水葫芦不能适应高浓度污水，但是在中低浓度污水中能迅速生长，可以作为人工湿地中后段栽种植物。对于高寒地区，陈兴华等［36］采用稻田人工湿地系统处理生活污水，该系统稳定运行10余年，初步计算可以获得10万元/a的经济效益。李燕等［37］以薏苡作为潜流人工湿地的主要植物，对公园厕所污水中COD、氨氮、总氮和总磷的平均去除率分别达到 56.4%、53.3%、49.8%和73.0%，而且薏苡经济效益较高，产值可达1.8万元/hm2。

芦苇、香蒲、凤眼莲、灯心草等是垃圾渗滤液的人工湿地处理系统常用植物。陈金发等［38］以组合人工湿地处理垃圾渗滤液，指出选取灯心草+凤眼莲+菹草的组合，COD和氨氮去除率均达到90%以上，而且对Pb2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+的去除率也均达到95%以上。人工湿地在制革废水深度处理中也有很好的应用，通过对浙江通天星皮革厂人工湿地深度处理系统连续2年的监测，氨氮和COD的平均去除率均在60%以上，解决了出水氨氮浓度较高和COD浓度不稳定的问题［39］。人工湿地系统处理含重金属离子废水同样具有显著的效果，水葫芦、稗草、藨草等湿地植物对电镀废水处理能力的研究表明，水葫芦的耐污能力高于稗草，藨草、美人蕉次之［40］，其中藨草对Zn2+、Mn2+、Ni2+的富集能力好，美人蕉对Zn2+、Mn2+的富集能力好。藨草、美人蕉、黄菖蒲、千屈菜适合处理中低浓度电镀废水。孙和和［41］利用垂直流-水平潜流复合人工湿地对金华清湖电镀厂排放的电镀废水尾水进行深度处理，也取得了很好的效果，COD去除率为60%左右，Cr6+、Zn2+、Mn2+、Cu2+的去除率达到70%～88%。

3.2 人工湿地与其他工艺的联用

单一污水处理技术难以满足不同水质、不同处理要求的需要，多种技术的组合与优化是解决这一问题的必然趋势。进行不同处理技术的组合工艺优化，将对提高污水处理效果有着重要意义。

在污水处理组合工艺中，人工湿地系统常作为三级处理使用。张晟等［42］考察了不同工艺组合人工湿地系统对富营养化湖泊水体中磷的去除规律，结果表明，人工湿地与其他处理工艺联合使用时，塘系统水处理技术宜作为湿地系统中前置工艺，在不同的季节，不同水力负荷的冲击试验下，复合垂直流湿地系统对温度和季节变化、水力负荷的冲击稳定耐受性优于表面流和潜流湿地系统。袁莉英等［43］研究了膜生物反应器-复合垂直流人工湿地组合工艺系统对污水的净化效果，该系统对COD、氨氮、总氮和总磷的去除率在分别为 97.5%、99.0%、59.6%和65.2%，在处理高浓度综合污水方面有广阔前景。滴滤池与人工湿地组合工艺对农村生活污水也具有较好的处理效果，对COD、氨氮、总氮、总磷的平均去除率分别达到73.6%、89.5%、61.7%和 78.4%［44］。活性污泥法与人工湿地的组合工艺在城市污水处理中也有较好应用［45］。李红芳等［46］以生物滤池-人工湿地-稳定塘工艺处理农村生活污水，出水水质达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》中第二类污染物一级排放标准的要求，该工艺投资少、处理效果好、操作简单、维护成本低。低氧接触氧化-微曝气人工湿地工艺在净化受污染河水的应用中取得了很好的效果，解决了人工湿地在高负荷下运行时易堵塞和效率低的问题，硝化效率明显提高，工艺整体运行稳定，且除污效率高［47］。

4 结语

人工湿地污水处理系统虽然具有占地面积大、容易产生饱和淤积等不足之处，但其基建投资少、运行费用低、处理效果好、生态作用强等。目前，人工湿地的构建研究是国际湿地研究的一个热点问题，我国人工湿地污水处理系统的研究也集中针对人工湿地除污效率的影响因素，如湿地植物的选择搭配，特别是寒冷地区湿地植物的选择搭配；廉价、高效基质，特别是如粉煤灰、冶金固废等固废回收利用的研究，以及不同类型基质的配比；微生物种群及优势微生物种类的鉴定，基因工程菌的构建；人工湿地与其他污水处理工艺的联用和对不同类型污水处理的研究和应用上。

人工湿地技术具有广阔的发展前景，因此，有针对性地开展研究和应用工作，并选择应用领域有规模地实施，是当前人工湿地技术发展指导方向。

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Research and application of sewage treatment technology of constructed wetland

ZHOU Li
（Misho Ecology&Landscape Co.，Ltd.，Wuxi 214125，China）

Constructed wetland sewage treatment technology has many advantages，such as low capital investment，low operating cost，good treatment effect and great ecological effect，etc.From the aspects of main research directions and influencing factors of constructed wetland technology，the application status of it for different kinds of sewage treatment was elaborated；besides，the application of the combined process of constructed wetland with other technologies was also analyzed.The research and application status of constructed wetland sewage treatment technology in China were summarized.

constructed wetland；research status；application status；sewage treatment

X703.1

A

%1009-2455（2016）05-0008-05

周丽（1980-），女，湖北郧县人，工程师，博士，主要从事环境污染控制和生态修复方向的研究，（电子信箱）zl@misho. com.cn。

2016-06-14（修回稿）