影响人工湿地污水净化效果的因素综述

2020-12-22赵佳浩栗敏杰范逸婷李鹏涛高腾云

江西农业学报 2020年11期

赵佳浩，栗敏杰，范逸婷，李鹏涛，高腾云

(河南农业大学牧医工程学院，河南郑州 450046)

随着我国工业的发展和畜禽养殖规模的不断扩大，随之而来的是对环境的严重污染。养殖废水和工业废水都是重要的污染源。养殖废水中含有较高浓度的氮、磷、氨氮等有机物[1]，而工业废水中也含有大量有毒有害物质，直接排放到环境中都会严重污染土壤及地下水资源，从而影响到人体健康。

依赖于植物对污染物的富集吸收，基质组分对污染物的截留、微生物的降解等共同作用，人工湿地净水技术能深度处理污水，且具有成本低、易管理等优点，有很好的应用前景。

1 湿地植物

湿地植物作为生态环境中的“生产者”，不但可以过滤、富集水体中污染物，还可以通过光合作用等方式利用水体中的氮、磷等多种营养元素来合成自身物质，从而起到净化水质的效果。

1.1 湿地植物种类

湿地植物的种类多种多样，由于不同湿地植物对环境的耐受性和适应能力均不同，因而不同植物适用于不同人工湿地生态系统。Rozena等[2]研究发现只有香蒲属等少数湿地植物适用于美国东北部地区人工湿地。因此在设计人工湿地时对所用湿地植物应进行认真选择。对于同一废水，不同种类湿地植物对其处理能力也不同。Toet等[3]发现不同水力停留时间(HRT)人工湿地净化效果受植物种类和温度等的影响。美人蕉、花叶芋、水葫芦、万寿菊、剑兰5种人工湿地中水葫芦和万寿菊2种人工湿地对污水处理的效果最好，且在干湿比为1∶5的条件下，种植水葫芦的土柱出水中COD、NH4+-N、TN、TP的去除率分别为81.2%、86.3%、30.7%、58.9%，种植万寿菊的土柱出水中COD、NH4+-N、TN、TP的去除率分别为78.9%、84.3%、34%、54.9%[4]。

对11种湿地植物进行筛选发现，尖尾芋、橐吾和鸟巢蕨3种植物对富营养化程度较高的畜禽养殖废水耐受性较好，对其污染物去除率较高，可用于净化养殖废水；在高浓度畜禽废水中，尖尾芋、橐吾和鸟巢蕨对COD的去除率均高于87.1%，橐吾对TP、NH4+-N和TN的去除率均最高，分别为97.86%、91.96%和91.51%；在低浓度畜禽废水中，橐吾和鸟巢蕨对TP的去除率均达90%以上，且鸟巢蕨对COD和NH4+-N的去除率均最高，分别为82.57%和92.14%[5]。李芳柏等[6]通过无土栽培方式对水稻、美人蕉、野生稻、蕹菜4种湿地植物处理生活废水能力进行了研究，结果表明：美人蕉、蕹菜处理效果最好，且美人蕉对COD、TN和TP的平均去除率分别为87.1%、88.1%和98%，蕹菜对COD、TN和TP的平均去除率分别为85.3%、96.4%和94.0%，而野生稻处理效果较差。凤眼莲、紫萍和大薸3种湿地植物中，大薸改善富营养化水体水质的效果最佳，在处理时间为6 h条件下，对TN和TP的去除率分别为19.3%和96.4%[7]。

由于对不同营养元素需求量的不同，同种湿地植物对不同污染物的净化能力也不同。人工湿地中香蒲对N的吸收速率为565 mg/(m2·d)，对P的吸收速率为261 mg/(m2·d)[8]。水葫芦对养猪废水中COD、N、P的去除率分别为51.57%、90.28%、44.81%[9]。汤显强等[10]通过室外盆栽试验对水葱、芦苇等7种不同湿地植物对氮、磷的净化能力进行了研究，结果发现，7种植物中千屈菜对TP的去除率最高为86.21%，芦苇最低为78.58%，但就TN的去除率而言，千屈菜的最低(77.64%)，芦苇则相对较好(86.05%)。由此可见，在设计人工湿地时，湿地植物的选择至关重要，不但影响到人工湿地的净化效果，甚至影响到人工湿地本身的可行性。与此同时，可利用不同种类湿地植物对不同污染物净化能力差异性的特点，进行适当组合配置以达到更好的处理效果。目前，关于利用不同植物组合人工湿地进行污水处理的研究已有很多。

1.2 根系泌氧功能

湿地植物根系有多重功能，最基本的就是固定植株，与此同时还能够起到过滤、富集污染物的作用。湿地植物可以将外界环境中的氧气通过一系列反应传递到根部区域，继而扩散到根系周围的水体环境中，为根系周边水体提供一定的氧气，为硝化反应等一系列好氧反应提供有利条件。有研究表明：植物的泌氧速率远大于空气中氧气向湿地液面的扩散速率，自然条件下根部任何位置都会产生很强的径向泌氧(ROL)活动；在缺氧条件下，ROL强度由根尖向根基方向递减；在好氧条件下，ROL在根区的强度很低[11]。不同湿地植物的根系泌氧能力差别较大。钟金明[12]通过比较水芹菜、芦苇、荷花、荇菜、菖蒲5种湿地植物的根系泌氧能力，发现芦苇的泌氧能力最强，香蒲次之，荷花的泌氧能力最弱，且芦苇湿地对污染物的去除率相对较高且最稳定，其对氨氮的总去除率为88%。吴海明等[13]研究发现，香蒲、芦苇、水葱3种湿地植物中芦苇的泌氧能力最强，其面积泌氧率和比放氧速率均最高，分别(O2)为4.35 g/(m2·d)和3.36 mg/(g·d)；降解污染物的效果也最好，对COD、NH4+-N、TN、TP的去除速率分别为3.65、0.13、0.27、0.09 g/(m2·d)。

1.3 根系分泌功能

在正常生长的情况下，植物根系能分泌许多氨基酸、糖、有机酸、甾类化合物、微量的生长物质等小分子有机物和无机离子，这些物质统称为根系分泌物[14]。受基因、环境等多方面因素的影响，不同种类植物根系分泌物的量和种类均存在较大差异。研究表明，环境中矿物元素含量对植物根系分泌物的分泌活动影响很大。在环境养分高浓度的胁迫条件下，根系分泌物能起到提高植物抵抗胁迫能力的作用；在环境养分匮乏时，根系分泌物能促进植株吸收转化能力以维持正常生存[15]。这种补偿机制对于湿地植物在含矿物元素较多、富营养程度高的水体中生存，并发挥净化作用起着至关重要的作用。

1.4 植物化感物质

植物能产生多种化感物质，且不同类型植物所产生的化感物质种类及其数量也不同。就挺水植物而言，在产生的化感物质中次生代谢物居多，按成分大致分为酚类、萜类、低分子有机酸、脂肪酸等。其中酚类化感物质数量多、活性强；萜类化感物质可抑制杂草，毒害其他植物；有机酸类化感物质可促进(如柠檬酸)或毒害(如水杨酸)植物；脂肪酸类化感物质能明显抑制某些种类的植物或藻类[16]。湿地植物通过化感作用抑制藻类过量增殖，从而防止水体富营养化的研究已有很多。李锋民等[17-18]研究发现芦苇化感物质2-甲基乙酰乙酸乙酯(EMA)能使斜生栅藻细胞结构显著紊乱，且高浓度的EMA可降低铜绿微囊藻POD、CAT、SOD等抗氧化体系酶的活性。用菖蒲化感物质α-细辛醚抑制羊角月牙藻，发现羊角月牙藻生长速率减慢，细胞内线粒体数目明显增多[19]。在石菖蒲水中培养藻类可以破坏藻类的叶绿素[20]。添加4 mg/L EMA能使蛋白核小球藻和铜绿微囊藻离子渗出量达到破坏细胞膜最大渗出量的95%以上[21]。以上研究表明，植物化感物质能够通过破坏细胞亚显微结构、降低酶活性、破坏细胞膜、抑制呼吸作用和光合作用等途径来抑制藻类的增殖。

2 人工湿地微生物

2.1 微生物在人工湿地系统中的作用

微生物作为“分解者”，能有效降解污水中有机大分子物质和氮磷等污染物。好氧微生物能降解污水中大部分有机氮，硝化细菌能起到硝化作用，反硝化细菌和其他厌氧氨氧化微生物能继续将反应后的硝态氮、氨态氮等转化为气体而排出水体[22]。研究表明，通过人工湿地微生物去除的氮量占人工湿地氮去除总量的60%～90%，起到相对主导作用[23-24]。植物不能直接吸收水体中的有机磷以及大部分无机磷盐。而人工湿地中微生物(磷细菌等)能够将有机磷化合物分解矿化，将无机磷进行氧化还原进而被植物吸收利用。

2.2 人工湿地微生物的多样性及其影响因素

人工湿地微生物中数量最多的为细菌，其次为放线菌，真菌数量最少。与氮去除相关的氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌数量占优[25]。这也是湿地微生物具有良好脱氮效果的重要原因之一。微生物作为人工湿地复杂系统中重要的组成部分，不可避免地会受到多种环境因素的影响。Wang等[26]研究发现，基质上层多为好氧性氨氧化古菌和氨氧化细菌，而基质下层多为厌氧性氨氧化菌。陶敏等[27]通过氧调控对湿地中微生物群落结构及活性变化的研究发现，氧调控下微生物数量明显增多，且微生物群落专一性更高、活性更强。对六氯苯胁迫下根际土壤中微生物数量和酶活性变化的研究发现，根际土壤微生物(细菌、放线菌、真菌)数量大于非根际土壤，且六氯苯含量与芦苇、香蒲根际微生物数量和酶活性呈负相关[28]。不同湿地植物对人工湿地中微生物群落和丰度有显著的影响[29-30]。大量研究表明，湿地植物根系的泌氧功能使得根系周围由近及远同时存在好氧区域、缺氧区域和厌氧区域[31-33]，这为水体微生物提供了良好的生存和代谢条件，使得根区对污染物进行降解利用的微生物的多样性和丰度均高于非根区。另外，其他因素如基质种类、基质结构、不同植物组合和碳源等也会对微生物的多样性和丰度造成影响，从而影响到人工湿地微生物对污染物的净化效果。付融冰等[25]通过对湿地基质微生物状况与净化效果相关性的研究发现，湿地基质中细菌的数量与BOD5去除率存在显著的相关性(r=0.897，P<0.05),亚硝酸细菌数量与TN的去除率存在极显著相关性(r=0.988，P<0.01)，且湿地微生物的数量和活性会随着湿地的长期运行而逐渐趋于稳定。

3 人工湿地设计参数的相关因素

3.1 不同人工湿地构型

根据水流方向不同，人工湿地可分为潮汐流人工湿地、表面流人工湿地和潜流人工湿地等，而潜流人工湿地又可细分为水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地。不同构型人工湿地对污水净化效果不同。由于水流流态及其路径等不同，垂直流人工湿地相比于水平流人工湿地对污染物的去除率更高[34]。Li等[35]利用多级表面流人工湿地处理猪场养殖废水，发现多级表面流人工湿地能有效去除废水中COD、TN、NH4+和NO3-等污染物均具有良好的净化效果，去除率分别为16.3、9.14、7.75、45.49 g/(m2·d)。段然[36]研究发现，表流-水平流人工湿地对COD、生物需氧量(BOD5)和固体悬浮物(SS)的处理效率分别为85.33%、96.61%和98.11%，表流-垂直流人工湿地对COD、生物需氧量和固体悬浮物的处理效率分别为85.21%、95.62%和95.46%，且表流-水平流人工湿地对BOD5和SS的处理效果显著优于表流-垂直流人工湿地(P<0.05)。因此，在进行人工湿地设计之初就应该因地制宜选用合适的人工湿地构型以达到更好的净化效果。

3.2 基质种类

基质在人工湿地系统中发挥着重要作用，能通过吸附、过滤、生物降解等方式去除污染物。不同基质种类对人工湿地污染物的去除效果有着较大影响，选择合适的填料作为基质可以大大提高人工湿地的净化效果。利用砾石、紫色土、河沙去除畜禽养殖废水氮磷的研究发现，废水中的磷主要通过基质的吸附作用去除，各试验组中土壤基质吸附磷含量均大于32 mg/kg，河沙基质吸附磷含量在8～14 mg/kg，而砾石基质吸附磷含量均低于4 mg/kg，总体吸附能力依次为土壤>河沙>砾石，且土壤中吸附磷含量沿河床方向基质对磷的去除量呈增加的趋势，床体前端、中部、尾部的吸附磷含量依次为45.09、48.67、66.98 mg/kg[37]。方伟成等[38]研究了水泥砖、陶粒和红砖3种基质对人工湿地中磷的去除能力，发现水泥砖的理论饱和磷吸附量最大为1.5921 mg/g，最适合作为人工湿地填料，陶粒和红砖理论饱和吸附量较小，分别为0.3611和0.4599 mg/g。另外，不同基质去除污染物的作用机理也不同。在沸石、陶粒、火山岩3种基质中，陶粒主要通过物理作用吸附去除氨氮，而沸石和火山岩以离子交换为主，且3种基质对氨氮最大吸附量由大到小依次为沸石、火山岩、陶粒，分别为0.9625、0.8643、0.6928 mg/g[39]。废砖块、沸石、火山岩和海蛎壳4种基质人工湿地净化猪养殖场废水，发现海蛎壳主要通过化学吸附作用去除磷，而其他3种基质主要通过物理吸附而发挥作用[40]。

3.3 进水浓度

不同进水浓度对人工湿地的净化效果有较大影响。日常生活废水污染物浓度相对较低、处理难度较小，而养殖废水和工业废水等水体中污染物浓度相对较高，净化难度相对较大，在利用人工湿地进行净化处理时，对湿地植物本身的耐受性也是一种挑战[41-43]。洪海燕[44]利用模拟三级组合式垂直流人工湿地系统研究发现，合理控制分级进水浓度可以提高氮去除率，在第一级进水浓度和第二级进水浓度分别为90%和10%时，TN的去除率最大为59.39%。在一定范围内，进水浓度越大，N2O、CH4和CO2的释放量越多,但在过高的进水浓度条件下，N2O的释放量减少[45]。张燕等[46]研究了TN浓度分别为60(低)、120(中)、240 mg/L(高)3种不同的进水浓度对美人蕉组合人工湿地氮去除率的影响发现，系统对TN、NH4+-N和NO3--N的去除率均表现为低浓度>中浓度>高浓度，且9月份的低浓度试验组在HRT为48 h时，对TN和NH4+-N的去除率均大于60%，对NO3--N的去除率大于90%。

3.4 水力负荷

大量研究表明，水力负荷对人工湿地的净化效果有较大的影响[47-49]。传统人工湿地水力负荷低，占地面积较大。目前广泛应用的人工湿地碎石床的水力负荷只有0.2～0.4 m3/(m2·d)[50]。提高水力负荷可以减少湿地面积，但会影响到处理效果[51-52]。很多学者就如何在不降低处理效果的同时提高水力负荷方面进行了大量研究。李怀正等[53]研究发现，随水力负荷升高，COD、SS和TN的去除率先升高后下降，TP的去除率受水力负荷的影响不大。在水力负荷为2.52～3.34 m3/(m2·d)时，人工湿地对污染物处理效果最佳，此时TN和SS的去除率最高，分别达1.8 g/(m2·d)和117.6 g/(m2·d)，而COD在水力负荷为1.74～4.6 m3/(m2·d)时的去除率较高，为55～69 g/(m2·d)。

3.5 水力停留时间

水力停留时间(HRT)是人工湿地系统设计中一个重要参数。利用人工湿地系统净化工业废水和养殖废水等水量大、污染物浓度高、难降解的污水时，处理效率相对较低，其中一个很重要的原因就是需要HRT较长。研究表明，增加HRT的确可以有效增强人工湿地对污染物的去除能力[54-57]。吴建强等[54]研究发现，潜流型湿地和垂直流湿地均在HRT为2 d左右时对COD的去除率最高，分别为92.3%和93.1%，均在HRT为2.5 d时对NH4+-N去除效率最高，分别为81.5%和97.7%。但对于营利性企业，如何保证处理效率的前提下降低HRT仍有待研究。