人工湿地处理污水研究进展

高志勇，谢恒星，李吉锋，刘史力

(1．渭南师范学院农商学院，陕西 渭南714099;2．陕西省河流湿地生态与环境重点实验室，陕西渭南714099)

0 引言

目前，世界范围内的水资源短缺、污染和干涸等环境问题日益增多。然而，由于恶劣的环境和大量的环境污染，特别是在发展中国家，使得这些问题变得更加严峻。过去，大部分国家应用传统的集中污水处理系统成功地处理了污水。然而，这些污水处理技术，例如活性污泥法、膜生物反应器和薄膜分析法，都相当昂贵而且不是在城市的任何范围都可执行的。此外，当面对更难处理的污水和更高要求的污水处理标准时，这些方法便有了它们的局限性和不足性。所以，选择更加低成本和更有效的污水处理方法，尤其是对发展中国家，有着更加重要的意义。从这一意义出发，人工湿地因具有低成本、低要求和易操作的特点，而成为处理污水的合理选择。1953年，德国Max－Planck研究所在研究中发现，芦苇可大量地去除无机物和有机物，从而开始了利用人工湿地处理污水的研究［1］;1972年，Kickuth又提出了根区理论［2］，更促进了这一研究的发展;进入20世纪80年代，人工湿地系统从试验阶段进入了应用阶段，首先应用于小城镇的污水治理。在大量污水治理的方法中，人工湿地处理技术因其出水水质稳定、耐冲力负荷强、运行成本较低且容易维护而越来越受到重视，现已被广泛应用于农业点面源污染、城市生活污水和富营养化水体等的治理中。［3－4］探索研究人工湿地对污水治理、改善环境有着重要的作用。文章概括了人工湿地的定义、分类和应用，探讨了人工湿地可持续处理污水的平台，讨论了人工湿地的设计参数和操作条件，包括植被种类、基质类型、水深、水力负荷、水力滞留时间及有关污水的可持续处理的供养模式。最后，强调了人工湿地的稳定性和可持续性在未来研究中的重要意义。

1 人工湿地的含义和分类

1．1 人工湿地的含义

人工湿地是基于模拟自然湿地处理污水的原理而设计出来的，其主要由植被、基质、土壤、微生物和水组成。它是利用复杂的物理、化学和生物反应过程，对各种污染物进行净化，改善水质，起到改善环境的作用。［5］

1．2 人工湿地的分类

根据湿地水文地理的不同，处理污水的人工湿地可分为两类:自由水面的人工湿地(FWS)和地下流的人工湿地(SSF)。［6］其中FWS系统类似于天然湿地，污水流在饱和的基质之上;在SSF系统中，污水水平或垂直穿过支持它生长着的植物，并根据流动方向的不同，SSF型人工湿地又可分为垂直流(VF)的人工湿地和水平流(HF)的人工湿地。各种类型湿地系统的组合，称为混合型人工湿地，同样也用于污水处理。这种混合型人工湿地通常由几种平行人工湿地类型中的两种组成，如VF－HF型人工湿地、HF－VF型人工湿地、HF－FW型人工湿地和FWS－HF型人工湿地。［7］另外，由3种以上类型的人工湿地组成的混合型人工湿地已经开始使用了。［8］近几年来，为了提高人工湿地的净化能力，人们改进了许多人工湿地，例如，充入二氧化碳的人工湿地、阻碍流动的人工湿地、分级进给的人工湿地等。

2 人工湿地在处理污水中的研究

2．1 人工湿地在处理污水中的应用

在早期，人工湿地主要用于处理家庭和城市污水。而现今，人工湿地的应用已经显著扩大到净化农业污水、工业污水、矿井排水、垃圾渗滤液、污染的河流和湖泊、城市和公路径流，并且也有了适应温暖湿润、干旱、寒冷、热带等不同气候的人工湿地。［9］从20世纪60年代末的第一个人工湿地的建成，到目前为止，欧洲已经建立了超过50 000处的人工湿地，北美也有超过10 000处的人工湿地。［8－11］此外，在发展中国家，人工湿地有很好地取代传统污水处理的前景，特别是在中国，已有数以万计的人工湿地投入污水处理的应用中。人工湿地处理技术通常都是选择一些细沙、土壤作为填充物，不同的填充物具备不同的净化功能。同时，人工湿地通常采用不同的多种植物，使得不同的植物能够吸收不同的污染物。利用植物与基质的有效协同配合，能够将污水的精化效率提高到90%以上，人工湿地处理污水技术对于农药、重金属的去除率也能在 90%以上，除污能力可观。［4，6－8］

在FWS人工湿地和SSF人工湿地中，处理含氮和含磷的物质方面，FWS人工湿地能够更有效地处理有机物和悬浮物［8］，然而，它们会在寒冷的气候中和植物腐烂后失去净化能力［10］。相较于FWS型人工湿地，SSF型人工湿地能更有效地净化有机物、悬浮物、微生物污染和重金属，且它们对冷不敏感，可以在寒冷的冬季运作，然而，对于氮类物质的处理，这种湿地要依赖于活水中氧和碳的含量，除非有高吸附能力的特殊材料，才能净化污水中低含量的磷。［12］

2．2 人工湿地处理废水的成本效益分析

基于Brundtland委员会提出的可持续发展的概念，成本效益分析已经被视为可持续发展过程中的必要评估程序。对于传统人工湿地的可持续性来说，成本效益分析主要包括土地的征用、投资和经营的成本、能源的消耗、生态效益等。以往的一系列研究表明，与传统的污水处理厂(WWTP)相比，人工湿地在建设和运营上有明显的优势。［13］同样，人工湿地在能源消耗方面，也比传统的污水处理厂小很多。然而，人工湿地对土地的需求可能成为限制它广泛应用的主要因素，尤其是在一些土地资源稀缺、人口密度高的地区。另外，为了达到高效的净化能力，像人工加入二氧化碳的这种创新方式，也会增加人工湿地的建设成本。

3 人工湿地的设计和操作

人工湿地的设计和操作内容主要包括位置选择、植物选择、基质选择、污水类型选择、水深与水力负荷率(HLR)、水力滞留时间(HRT)、运作模式、维护过程等，其中植物选择、基质选择、水深与水力负荷率、水力滞留时间和运作模式，是建立一个可行人工湿地系统和成功处理污水的关键因子。［14］

3．1 人工湿地中植物的选择

湿地植物的特点，在人工湿地处理污水的过程中起到关键性的作用，它们也被认为是人工湿地处理污水设计中必需的组成部分。然而只有一少部分的植物被广泛运用到人工湿地系统中来。［15］所以，在如今人工湿地的设计研究中，人工湿地中植物种类的选择也应该受到重视。对于湿地植物的选择，需要考虑浸水缺氧的耐受力、富营养化的耐受力和吸收污染物的能力，也包括对极端环境的适应力。

湿地植物被认为是影响湿地中水质量的主要因素之一。作为人工湿地的主要组成部分，湿地植物由于在净化过程中的促进作用和直接利用污水中的氮、磷和其他营养物质成为净化过程中的媒介。［16］另外，湿地植物可以累积吸收有毒物质，例如，污水中的重金属和抗生素［17］，因而，相关专家开展了大量有关湿地植物处理污水能力的研究。湿地植物对于处理污水中的氮和磷有极大的作用，它们可以处理掉污水中15%～80%的氮和24%～80%的磷。［18］然而，另一些研究表明，湿地植物的作用会低一些，它们可以分别处理掉污水中总氮含量的 14．29%～51．89%、总磷含量的 10．76%～34．17%。［19－20］另外，研究指出不同的植物对重金属的生物浓缩程度不同，地下生物量比地上生物量能更有效地移除重金属。［21］

3．2 人工湿地基质的选择

基质是人工湿地设计中的关键参数，特别是对于SSF型人工湿地，因为它为植物提供了相应的生长介质，同时也是污水流动的介质。［22］此外，基质在吸附污水中的污染物时同样起着重要作用。［23］因此，人工湿地在处理工业污水中的一个重要问题，就是合适基质的选择。由于基质理化性质影响人工湿地运行的稳定性和净化能力，选择合适的基质能显著提高湿地对污染物的处理效率。人工湿地多以当地自然土壤为基质，在土壤颗粒表面形成一层生物膜，污水流经颗粒表面时，大量的不溶性有机物被填料阻挡截留，起到沉淀、过滤和吸附的作用。［4］

3．3 设计和操作的优化

3．3．1 水深

水深是决定人工湿地中植物类型的关键因子，也是通过控制人工湿地中的氧化还原反应和溶解氧的水平，影响对污染物的移除的生化反应。［24］研究发现，莎草科湿地植物的丰富程度与水深有着十分密切的关系。［25］另外，García等在2004年的研究中，比较了0．27 m 深的湿地河堤和0．5 m 深的湿地河堤，表明系统中不同的水深将出现不同的污染物转化能力。同样地，García等在2005年又研究了在HF型人工湿地中不同水深对3年来污染物的净化能力。研究结果表明，岸堤水深在0．27 m能更好地移除化学氧消耗的需求、生物氧的需求、氨和溶解的活性磷。［26］另外，Aguirre等在2005年实验调查了HF型人工湿地不同水深对有机物移除效率的不同，结果表明不同的水深将导致不同的代谢通路。［27］

3．3．2 水力负荷率和滞留时间

水文学参数是控制湿地功能的重要因子，其流速也决定着处理的程度。［28］水力负荷率(Hydraulic Loading Rate，HLR)和水力滞留时间(Hydraulic Retention Time，HRT)在人工湿地的净化能力上起着十分重要的作用。一方面，好的HLR将促进污水快速地通过介质，减少了最优处理时间;另一方面，人工湿地建立的合适的微生物种群，有助于适应一个长的HRT污染物处理时间。［6，11］

3．3．3 流入液的供给模式

流入液的供给模式是另一个重要参数，不同的供给模式(如持续的、批量的、间断的)都将影响湿地系统中氧化还原的状态，氧的转移和扩散，相应地改变了整个湿地的净化能力。有各种研究致力于流入液供给模式对人工湿地净化能力的影响。一般来说，批量的供给模式通过提高氧含量，比持续的供给模式有更强的处理能力。研究发现，人工湿地批量供给模式对铵的处理效率(95．2%)，比持续的供给模式对铵的处理效率(80．4%)有显著提高。然而对于人工湿地批量供给模式比持续供给模式的净化效率高这一论断，现在还不能最终确定。［29］

间断式供给模式被认为能更有效地移除人工湿地污水中的氮和有机物。［6］Caselles－Osorio和 García在2007年评估了SSF型人工湿地间断式供水模式和持续供水模式对污染物净化效率的影响，指出间断式供给模式比持续供给模式能更有效地将污水中的铵净化掉。然而，持续供给模式比间断供给模式能更有效地处理污水中的硫酸盐。［30］在研究VF型人工湿地间断式流入液和不同干燥时间对净化效率的影响中，发现相比湿地系统中的持续供给模式，间断式供给模式能够提高对污水中低浓度的COD和TP的移除，而且由于间断式供水模式提高了湿地中的氧含量，使得其对铵的移除效率显著提高(超过90%)。同样地，比较FWS型和SSF型人工湿地持续和间断式供给模式对氮移除效率的影响，结果表明，在SSF型人工湿地中，间断的供给模式对铵的移除有显著提高，在FWS型人工湿地中没有显著变化。［31］

4 人工湿地运作持续性的长远考虑

人工湿地处理污水被认为在几年后将被研究推广成为一项可行的处理各种污水的技术。目前的研究表明，改善人工湿地的设计参数可以大幅度地提高污水的处理效率并且能使处理系统的持久运行能力得到很大提高。例如，在处理高强度污水和寒冷的气候条件下，可通过优化水力学参数，改善运作模式、污染物负荷、可能的植物种类和基质的选择，从而得到人工湿地更好的处理效率。然而，面对世界范围内对处理后污水重新使用的水质量标准的提升，人工湿地依然存在一定的局限性，有必要开展进一步的调查研究。

5 结语

多年来，人们已经在人工湿地处理污水方面取得巨大成就，但与达到系统中水质持续改善的设想仍有一定差距。与此同时，有关人工湿地处理污水的性能研究，在国际期刊和书籍中发表数量于近几十年内大幅度提升。所以，对近几年有关人工湿地处理污水技术的知识和发展的讨论和思考是十分必要的。未来的研究将着重强调提高人工湿地持续性的利用方面，这一问题的良好解决，将对治理污水、改善环境、提高人居生活水平，有着重大的现实意义。

参考文献:

［1］Seidel K．Abbau von bacterium coli durch höhere wasserpflanzen［J］．Naturwissenschaften，1964，51(16):395．

［2］Brix H．Use of constructed wetlands in water pollution control:historical development，present status，and future perspectives［J］．Water Science and Technology，1994，30(8):209－224．

［3］Greenway M．Suitability of macrophytes for nutrient removal from surface flow constructed wetlands receiving secondary treated sewage effluent in Queensland，Australia［J］．Water Science ＆ Technology，2003，48(2):121－128．

［4］朱彤，许振成，胡康萍，等．人工湿地污水处理系统应用研究［J］．环境科学研究，1991(5):17－22．

［5］Adrados B，Sánchez O，Arias C，et al．Microbial communities from different types of natural wastewater treatment systems:vertical and horizontal flow constructed wetlands and biofilters［J］．Water research，2014，55(10):304－312．

［6］Saeed T，Sun G．A review on nitrogen and organics removal mechanisms in subsurface flow constructed wetlands:Dependency on environmental parameters，operating conditions and supporting media［J］．Journal of environmental management，2012，112(24):429－448．

［7］Vymazal J．The use of hybrid constructed wetlands for wastewater treatment with special attention to nitrogen removal:a review of a recent development［J］．Water research，2013，47(14):4795－4811．

［8］Kadlec R H，Wallace S．Treatment wetlands［M］．New York:CRC press，2008:64－72．

［9］Wu S，Kuschk P，Brix H，et al．Development of constructed wetlands in performance intensifications for wastewater treatment:a nitrogen and organic matter targeted review［J］．Water research，2014，57(5):40－55．

［10］Vymazal J．Plants used in constructed wetlands with horizontal subsurface flow:a review［J］．Hydrobiologia，2011，674(1):133－156．

［11］Yan Y，Xu J．Improving winter performance of constructed wetlands for wastewater treatment in northern China:a review［J］．Wetlands，2014，34(2):243－253．

［12］Babatunde A，Zhao Y，Zhao X．Alum sludge－based constructed wetland system for enhanced removal of P and OM from wastewater:Concept，design and performance analysis［J］．Bioresource technology，2010，101(16):6576－6579．

［13］吴振斌，成水平．垂直流人工湿地的设计及净化功能初探［J］．应用生态学报，2002，13(6):715－718．

［14］Lai W L，Wang S Q，Peng C L，et al．Root features related to plant growth and nutrient removal of 35 wetland plants［J］．Water research，2011，45(13):3941－3950．

［15］Vymazal J．Emergent plants used in free water surface constructed wetlands:a review［J］．Ecological Engineering，2013，61(19):582－592．

［16］Vymazal J．Removal of nutrients in various types of constructed wetlands［J］．Science of the Total Environment，2007，380(1):48－65．

［17］Wolhart S，Davis E，Roodarmel W，et al．Potential effect and accumulation of veterinary antibiotics in Phragmites australis under hydroponic conditions［J］．Ecological Engineering，2013，53(2):138－143．

［18］Greenaway M，Woolley A．Changes in plant biomass and nutrient removal over 3 years in a constructed wetland in Cairns，Australia［J］．Water Science ＆ Technology，2001，44(11－12):303－310．

［19］Wu H，Zhang J，Li C，et al．Mass balance study on phosphorus removal in constructed wetland microcosms treating polluted river water［J］．CLEAN－Soil，Air，Water，2013，41(9):844－850．

［20］Wu H，Zhang J，Wei R，et al．Nitrogen transformations and balance in constructed wetlands for slightly polluted river water treatment using different macrophytes［J］．Environmental Science and Pollution Research，2013，20(1):443－451．

［21］Yadav A K，Abbassi R，Kumar N，et al．The removal of heavy metals in wetland microcosms:Effects of bed depth，plant species，and metal mobility［J］．Chemical Engineering Journal，2012，S211－212(22):501－507．

［22］Fu G，Zhang J，Chen W，et al．Medium clogging and the dynamics of organic matter accumulation in constructed wetlands［J］．Ecological Engineering，2013，60(11):393－398．

［23］Ju X，Wu S，Huang X，et al．How the novel integration of electrolysis in tidal flow constructed wetlands intensifies nutrient removal and odor control［J］．Bioresource technology，2014，169(5):605－613．

［24］Song H L，Nakano K，Taniguchi T，et al．Estrogen removal from treated municipal effluent in small－scale constructed wetland with different depth［J］．Bioresource technology，2009，100(12):2945－2951．

［25］Dwire K A，Kauffman J B，Baham J E．Plant species distribution in relation to water－table depth and soil redox potential in montane riparian meadows［J］．Wetlands，2006，26(1):131－146．

［26］García J，Aguirre P，Barragán J，et al．Effect of key design parameters on the efficiency of horizontal subsurface flow constructed wetlands［J］．Ecological Engineering，2005，25(4):405－418．

［27］Aguirre P，Ojeda E，Garcia J，et al．Effect of water depth on the removal of organic matter in horizontal subsurface flow constructed wetlands［J］．Journal of Environmental Science and Health，2005，40(6－7):1457－1466．

［28］Lee Cg，Fletcher T D，Sun G．Nitrogen removal in constructed wetland systems［J］．Engineering in Life Sciences，2009，9(1):11－22．

［29］Zhang D Q，Tan S K，Gersberg R M，et al．Nutrient removal in tropical subsurface flow constructed wetlands under batch and continuous flow conditions［J］．Journal of environmental management，2012，96(1):1－6．

［30］Caselles－Osorio A，García J．Impact of different feeding strategies and plant presence on the performance of shallow horizontal subsurface－flow constructed wetlands［J］．Science of the Total Environment，2007，378(3):253－262．

［31］Tanner C C，Sukias J P，Headley T R，et al．Constructed wetlands and denitrifying bioreactors for on－site and decentralised wastewater treatment:comparison of five alternative configurations［J］．Ecological Engineering，2012，42(5):112－123．