人工湿地水处理技术研究进展

2018-03-29曾毅夫邱敬贤刘君彭芬

湿地科学与管理 2018年3期

曾毅夫邱敬贤刘君彭芬

（1 航天凯天环保科技股份有限公司，湖南长沙 410100；2 长沙环保（服务）工业技术研究院，湖南长沙 410100）

近年来，随着城市化进程和工业的快速发展，水污染现象日益严重，不仅破坏了水体生态环境，也对人类健康造成了危害。因此，需要寻找一种经济简单有效的水处理技术。人工湿地作为一种新型的生态污水净化处理技术，因其具有处理效果好、工艺简单、运行投资低、维护方便等特点，在水处理领域得到了广泛的关注和应用。

1 人工湿地的类型及特点

人工湿地是人工建造和控制运行的类似于自然湿地的地面，是由填料基质—水生植物—微生物所形成的一个独特的综合生态系统。经过多年的发展和改良，人工湿地已有了多种类型，根据水流方向的不同主要分为表面流人工湿地和潜流人工湿地，而潜流人工湿地又可分为水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地。

1.1 表面流人工湿地

这种湿地与自然湿地最为接近，水流在湿地表面呈推流式前进，水位较浅，一般为0.1～0.6 m，在流动过程中，主要是通过植物及其根部的生物膜对污水进行净化，并在终端流出。该湿地具有投资少、运行成本低、操作方便等优点，但也存在易滋生蚊蝇、有臭味、易受自然气候条件影响，去除效果有限等缺陷。

1.2 潜流人工湿地

在该湿地中，主要是利用植物根系、填料基质以及两者上生长的生物膜等作用实现湿地地表下流动污水的净化，去除效果较好，是目前国内外研究和应用较多的一种人工湿地。由于水流在地表下流动，保温性较好，受气温影响较小，不易滋生蚊蝇，但比较容易堵塞。

1.2.1 水平潜流人工湿地在该湿地中，污水从地表下进水口一端沿水平方向流向出水口。与表面流人工湿地相比，具有水力负荷高，对有机物、悬浮物、重金属等污染物去除效果好的优点，且很少有臭气产生和蚊蝇滋生。

1.2.2 垂直潜流人工湿地在此湿地中，污水从湿地表面垂直流向基质底部，通过不同的基质达到净化污水的目的。在净化过程中基质处于缺氧状态，硝化能力较强，但去除COD的能力较弱，适于处理高氨氮废水。

2 人工湿地在水处理中的去除机理

人工湿地对污染物的去除主要是利用填料基质、湿地植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对其进行净化处理。其中填料基质为微生物和湿地植物的生长提供了所需的环境及营养物质。湿地植物一方面为微生物提供了必要的生活环境，同时对氧气进行输送扩散，另一方面对废水中的污染物进行吸附吸收，将其部分转化为自身需要的营养物质。微生物主要通过自身的活动对污染物进行去除、分解或将其转化为营养物质和能量。

3 人工湿地在水处理中的应用研究

目前，随着我国水资源的短缺和水污染现象的加剧以及各种环保利好政策的出台，极大地加快了水处理技术的发展。人工湿地由于其工艺简单、处理效果好、建设运行费用低、耐冲击负荷、维护管理方便等特点而被广泛应用在水处理领域。

3.1 生活污水的处理

生活污水是水体的主要污染源之一，主要是指人类生活中使用的各种厨房用水、洗涤用水和卫生间用水所产生的排放水，多为无毒的无机盐类，可生化性好，但排放量较大。据统计，2015年仅城镇生活污水排放量就达到了535.2亿t。人工湿地由于其高效率、低投资、低运营和维护简单等优点而被用于处理生活污水。

不同类型人工湿地对生活污水的处理效果，会受到包括湿地类型、植物种类、温度和填料基质等许多因素的影响。通过菖蒲、千屈菜、水葱和香蒲在不同类型人工湿地对生活污水处理效果的研究，发现4种植物对生活污水COD的去除率均表现为垂直下行流湿地＞垂直上行流湿地＞水平潜流湿地，其原因可能是垂直下行流湿地中好氧环境众多，极大地增强了参与根系表面好氧过程的好氧微生物的活性，对有机污染物的降解具有很好的效果。而在同种类型的人工湿地中，香蒲对COD的去除率均高于其它3种植物，可能是由于香蒲相较于其它3种植物对有机污染物的吸收降解能力更强（刘文杰等,2016）。通过鸢尾、吊兰、马蒂莲3种植物对生活污水净化效果的研究，结果发现3种植物对COD、NH4+-N和TP的去除效果均较好，依次为鸢尾＞吊兰＞马蒂莲（白晓龙等, 2014）。利用象草和美人蕉在不同温度下表面流人工湿地处理生活污水，发现2种植物对生活污水的净化效果受温度影响，呈一定的正相关性（张雪琪等, 2012）。可能是由于在一定温度范围内随着温度的升高，一方面增强了微生物的活性，提高了硝化和反硝化效果，同时促进了磷的吸收同化；另一方面加强了植物的光合作用，使得植物根系生长旺盛，促进了对氮磷的吸收。研究青石、砂子和砾石3种湿地基质对污染物去除效果的影响，发现3种基质对生活污水中COD、氨氮、TP、SS的去除率均是砂子＞青石＞砾石，其原因可能是砂子的粒径较小，比表面积大，更容易吸附污染物（孙鹏, 2013）。

3.2 有机废水的处理

有机废水往往具有浓度高、成分复杂、色度高、不易生物降解等特点，对环境的危害较大。一些学者通过研究发现人工湿地可以较好地净化有机废水。利用水平潜流人工湿地处理含大量溶解性难降解有机物的重油采出水（Ji Guodong et al,2002），发现芦苇湿地系统对其具有良好的去除效果，最高可达81%，且重油采出水对芦苇的纤维素和木质素等生理指标没有明显的影响，为人工湿地的实际处理含油废水提供了依据。通过水葫芦、皇冠草和菖蒲3种植物的人工湿地对硝基苯废水处理效果的研究发现，3种植物对硝基苯废水均具有较好的净化效果，去除率在66%以上，其中最好的为皇冠草，去除率高达93%。同时当人工湿地受到小污染负荷时，对硝基苯的去除效果下降较为明显，但可在2 h内回升到初始水平，表明了其耐短期冲击负荷能力比较强（曲文杰,2012）。此外，一些专家学者还对人工湿地处理药物和个人护理用品（PPCPs）进行了研究（肖敏如等,2015），发现人工湿地能很好地去除PPCPs，主要是依靠吸附、降解和植物作用，其中吸附是主要且具有长期去除效果的途径。

3.3 氨氮废水的处理

氨氮废水主要来源于养殖、焦化、石化、制药、食品、垃圾渗滤液等，大量氨氮废水的排放会破坏生态平衡，引起水体富营养化，给环境造成极大的危害。目前，人们主要利用物理法、化学法和生物法处理氨氮废水，其中人工湿地由于其工艺简单、处理效果好、运营成本低等优点而被广泛用于处理氨氮废水。通过不同类型的潜流湿地处理养殖废水的研究发现，垂直潜流人工湿地对氨氮和总氮的去除率均达到80%以上，而水平潜流湿地系统的去除率均低于60%，两者处理效果差异较大（李鹏宇等,2013），其原因可能是由于湿地系统去除氮素的主要途径是微生物的硝化反硝化作用，而水平潜流床体大部分处于缺氧/厌氧状态，硝化作用不足，相反垂直潜流中氧气可通过植物传输和大气扩散进入湿地，加强了硝化作用，进而促进了氮素的去除。利用表流湿地与潜流湿地相结合形成的复合人工湿地处理富营养化水体，结果发现：表流湿地、潜流湿地和复合湿地对TN的平均去除率分别为27%、30%和34%，并且湿地对TN的去除效果与溶解氧呈显著的负相关，而与水体温度存在正相关，间接表明了湿地中氮的去除主要依靠硝化、反硝化作用（崔丽娟等,2010）。

除了对人工湿地处理低浓度氨氮废水进行研究以外，一些研究人员还对高氨氮废水的处理进行了研究。通过对湿地基质和植物的选择研究了潜流人工湿地处理垃圾渗滤液的可行性，结果发现，当用粉煤灰和磷石膏作为湿地基质，白掌和美人蕉作为湿地植物时，人工湿地处理垃圾渗滤液是可行的（张颖,2011）。一些学者还对人工湿地处理高氨氮的生活污水进行了研究，发现钢渣-灰岩垂直潜流人工湿地长期处理高氨氮生活污水是完全可行的，并且湿地系统对NH4+-N的去除效果优于对TN的去除效果（黄玲,2009）。

3.4 高盐废水的处理

高盐废水是指总含盐质量分数至少1%的废水，目前处理高盐废水的方法主要是热法、膜法和生物法，但由于热法耗能高、运行费用高，膜法中膜易污染堵塞、建设投资高，都有一定的局限性。而人工湿地由于其耐冲击负荷和运营维护简单等优点被用于高盐废水的处理。利用人工湿地处理沿海高盐度地区的微咸水，并对湿地植物的耐盐性进行了研究，发现黄花鸢尾的耐盐性和去除污染物的效果最好，适合在土壤盐碱化地区推广应用（郭焕晓等,2006）。一些学者对人工湿地处理高盐废水中不同耐盐植物去除氯离子的能力进行了研究（尚克春等,2014），结果表明，6种重度耐盐碱植物的芦苇、黄花鸢尾、大米草、盐角草、盐地碱蓬、碱蒿对氯离子的去除能力依次为芦苇＞盐地碱蓬＞碱蒿＞黄花鸢尾＞盐角草＞大米草，该研究为人工湿地处理高盐废水提供了理论依据。通过潜流人工湿地处理高盐度养虾废水的研究发现，耐盐植物极大地提高了人工湿地对污染物的去除效率（Sansanayuth et al,1996）。随着耐盐植物高盐环境下去除污染物能力和耐盐能力的提高，人工湿地将会成为处理高盐废水的重点。

3.5 重金属废水的处理

重金属废水由于其毒性强、难以生物降解、易于累积等特点，对环境和人体健康具有重大威胁。人们通常采用理化法和生物法处理重金属废水，但理化法存在处理成本较高且易于造成二次污染的风险，而人工湿地技术则可以很好地解决这一难题。利用波式潜流人工湿地处理含有Mn、Zn、Cd、Cu和Ni的重金属废水（许吟波,2013），发现该湿地系统对重金属的去除具有较高的稳定性，并且对Zn、Cd、Cu和Ni的去除率均达到90%以上，而对Mn的去除率只有69.1%，其原因可能是湿地内部的弱碱性环境利于Zn、Cd、Cu和Ni的去除，在装置的前半部分已基本完全去除；Mn的去除除了受pH值影响外，还要受溶解氧浓度的影响，而湿地植物对重金属的直接吸收去除效果较小。通过湿地基质对人工湿地处理含铅废水影响的研究，发现湿地基质为粉煤灰、污泥、细煤渣、砾石和细沙等材料配制时，湿地对Pb的去除效果最佳（关正义,2017）。利用人工湿地植物香蒲、芦苇和鸭跖草处理含铅废水，发现对于不同浓度的含铅废水，可选择的最佳植物不同。处理10 mg/L以上的高浓度含铅废水时，香蒲的去除效果最好，而鸭跖草在处理10 mg/L以下的低浓度含铅废水时去除效果最好（林芳芳等,2014）。研究人工湿地宽叶香蒲去除重金属的机理，发现宽叶香蒲能有效降低湿地土壤中多种重金属含量，其中根的选择吸收和重金属的相互作用是宽叶香蒲吸收重金属的关键因素（李冰等,2016）。

3.6 放射性废水的处理

放射性废水主要来源于核工业、核燃料燃烧和放射性核素的开采、加工使用等环节，其主要污染物质为具有放射性的重金属，如Cs、U和Sr等，对环境和人体健康具有严重的危害。目前，人工湿地处理放射性废水具有很多难点。通过人工湿地去除污染物的机理分析了人工湿地处理低浓度放射性废水的可行性，认为在技术上人工湿地可以处理低浓度放射性废水（康军利,2011）。对组装式人工湿地处理低浓度含Sr2+/Cs+废水进行了研究，并考察了污染物初始浓度、pH值、运行时间等因素对处理效果的影响，结果发现，随着运行时间的延长和污染物初始浓度的升高，系统对Sr2+和Cs+的去除率都随之增加，达到了60%以上，为以后人工湿地处理其它低浓度放射性废水提供了理论依据（汤年华,2013）。