人工湿地污水处理技术研究进展

    杨晓彤 徐景涛

    摘 要：人工湿地（CWs）作为一种绿色又环保的技术应用于废水处理已经有几十年了。通过从人工湿地类型及其去除各类污染物的机理进行分析和讨论，人工湿地作为一种处理污水的有效方式，可以有效减少流入受纳水体的污染负荷，提升受纳水体水质。

    关键词：人工湿地;污染物去除;湿地净化

    发展中国家的水环境问题特别突出，随着国家的不断发展，建成了各种污水处理设施来应对各类废水排放量的日益增加[1]。但经过处理的水仍不能满足排放标准，排放进河流会造成水体富营养化以及藻类的大面积爆发，对水体中的鱼类等动物造成不可避免的伤害。人工湿地以其净化效率高、投资省、出水水质稳定等优点得到广泛应用。

    一、人工湿地处理技术概论

    （一）人工湿地类型

    人工湿地根据径流方向的区别，通常将人工湿地分为表面流人工湿地和潜流人工湿地[2]。

    1.表面人工湿地

    表流人工湿地从湿地的一边进水，污水通过植物根系、微生物、基质吸附等的共同作用得到净化，然后再从另一端排出。表面流人工湿地在北美地区得到了广泛的应用，其最表层含氧量高，水体处于好氧状态。位置较深的水体DO较低，大多处在缺氧或厌氧状态[3]。但表面流人工湿地由于和自然人工湿地类似，易受气候条件的影响，冬季温度低时去污能力受到限制。

    2.潜流人工湿地

    潜流人工湿地又可以细分为水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地。潜流湿地中的好氧、缺氧交叉能更好地适应湿地中不同类型菌群的生长和代谢，提高对污染物的降解能力和处理容量。污水在床体内的自由流动，很大程度上利用基质层上的生物膜，而且还可以利用水生植物的根系对污染物的去除作用。污水環境温度相对稳定，处理效果所受限制较小，且对温度变化没有表流人工湿地敏感。

    所以目前我国潜流人工湿地的研究和实际应用较多。潜流人工湿地结构不同，则其水流方式也不同，进而影响湿地脱氮除磷的效果。

    （二）人工湿地处理技术特点

    人工湿地是近年来愈来愈受欢迎的一种新型生态处理单元，广泛应用于污染水体的水质净化与恢复、雨水处理、生活污水处理、垃圾渗滤液处理、尾水处理等领域[1]，具有污染物去除效果稳定、投资费用少、运行维护成本低且能产生一定的经济效益等突出的优点，是去除二级出水中各类污染物的有效工艺之一，而且减少了排入受纳水体的负荷，提高水环境质量，具有良好的环境、经济效益。

    二、人工湿地去除污染物的机理

    人工湿地生态系统净化污水的原理是利用系统中物化的协同作用，通过基质的过滤吸附等、植物吸收和微生物分解来提高污水的净化效果。

    （一）氮的去除

    人工湿地对N的去除其主要作用的是微生物，污水进入湿地，通过氨化、硝化、反硝化等作用完成对污染物的去除[4]。反硝化作用中进入湿地的氧化态氮越少，系统总氮的去除效果越有效。氨氮的去除受季节变化的影响。

    （二）磷的去除

    人工湿地对P的去除包括基质吸附、植物吸收等等。当湿地系统对P的吸附容量达到饱和时，P又会被释放到水体中，对基质填料要定期更换。通过收割湿地中的植物将水中的无机磷去除，不及时收割会造成植物的腐烂，有报道证明腐烂的植物会将P再次释放到水环境中，因而要定期收割湿地植物[5]。微生物中例如聚磷菌通过对P释放和过量积累，来去除湿地中的磷。

    （三）有机污染物的去除

    人工湿地去除有机物主要途径是微生物的好氧代谢、植物吸收、沉降和过滤。有机氯农药OCPs和有机氯PPCPs是两类典型的有机氯污染物。Chen等人[6]和Waltman等人[7]的研究结果表明，人工湿地可有效去除污水中的TCS，去除率约70%。有机氯污染物的去除主要依靠基质和植物的吸附和吸收作用。由于有机氯污染物一般对微生物存在毒性和抑制作用，因此微生物对有机氯的去除作用有限。

    三、人工湿地净化

    人工湿地大多由基质填料、植物和微生物组成。利用三者的物理、化学生物作用将污水中的污染物去除，提高水质质量[8]。

    （一）基质

    当污水进入湿地系统后，基质将污染物截留下来，然后通过吸附、沉淀、络合等途径去除水中富含氮磷等物质[9]。基质还是植物和微生物的生存场所，植物在基质中扎根，微生物则可以有稳定的附着场所。不同基质对COD、总氮、氨氮、总磷的去除效果不同，我们要根据具体水质选择基质。经过改性的基质可以将pH从强酸性提升为弱酸性，减少酸性废水对环境的伤害。通过16SrDNA扩增子测序探究硝化及反硝化菌群得知不同孔隙率的基质可以改善人工湿地的溶解氧，从而提高氮的去除[10]。

    基质对磷的吸附容量较大，定期更换基质、按时收割植物，短期内不会达到磷的吸附饱和[11]。加强人工湿地基质的管理，将更换下的基质和收割的植物妥善处理，尽可能减少二次污染。

    （二）植物

    植物是人工湿地系统的重要组成成分之一[12]。植物能吸收污染物，而且植物根部可给微生物提供生存和附着的场所[13]。人工湿地的主要植物有浮水植物、挺水植物和沉水植物。

    鲁敏等[14]发现有植物存在的湿地，HRT为1d时出水已基本满足排污要求。湿地配合相应的植物可以降低水体中重金属（铁、锰、铝、钴、镍、铬）的浓度，改善水环境质量。

    选择合适的植物将氧气传送到根部，可以提高湿地对植物的净化效果。在选择湿地植物时可以从以下几个方面作为参考：根据所在地区的环境条件选择合适的植物;根系发达，生长旺盛;抗病能力强;耐污和抗寒能力强;收割后还可以带来经济价值[15]。

    （三）微生物

    人工湿地的脱氮和除磷等主要是由附着在植物和基质上的微生物活动起作用，湿地中微生物的活动使水中有机物得到降解。

    从植物根区到远离植物根的地方，氧气浓度逐渐降低，靠近根部的区域好氧微生物活动较为强烈，硝化反应比较好;离根越远从好氧区到兼性厌氧区再到厌氧区，硝化反应变弱反硝化反应增强，最终以氮气形式释放到环境中[16]。

    四、总结与展望

    人工湿地在我国作为一种成本低、操作简便，又可以美化环境的污水处理新工艺，适用于中小城镇及农村地区，有着广阔的应用前景。人工湿地的广泛应用是非常有必要的，选择适合的植物和基质可以提高湿地的氮磷去除率，使湿地的处理效果事半功倍，同时还能增加观赏性。减少对受纳水体的污染，使我国的水环境越变越好。

    参考文献：

    [1]WU H，ZHANG J，NGO H H，et al.A review on the sustainability of constructed wetlands for wastewater treatment：Design and operation[J].Bioresource Technology，2015，175.

    [2]STOTTMEISTER U，WIEβNER A，KUSCHK P，et al.Effects of plants and microorganisms in constructed wetlands for wastewater treatment[J].Biotechnology Advances，2003，22（1）.

    [3]宿军勇.湿地组合工艺处理污水处理厂尾水的性能研究[D].山东大学，2017.

    [4]JUN Z，QI Z.Mechanism of nitrogen and phosphorus removal in free-water surface constructed wetland[J].Ecology and Environment，2004.

    [5]HONG-QUAN R，HAI-ZHEN Y J J S E E，TECHNOLOGY.Progresses in Research of Subsurface Constructed Wetland[J].2004.

    [6]CHEN X，PAULY U，REHFUS S，et al.Removal of personal care compounds from sewage sludge in reed bed container（lysimeter）studies-Effects of macrophytes[J].Science of the Total Environment，2009，407（21）.

    [7]WALTMAN E L，VENABLES B J，WALLER W T.Triclosan in a North Texas wastewater treatment plant and the influent and effluent of an experimental constructed wetland[J].Environmental Toxicology and Chemistry，2006，25（2）.

    [8]郑于聪，王晓昌，葛媛，等.不同复合人工湿地对高污染河流有机污染物的去除[J].2015，（06）：2577-81.

    [9]张太平，陈，J.人工湿地生态系统提高氮磷去除率的研究进展[J].生态环境，2005，14（004）：580-4.

    [10]A G F，A J W，A J H，et al.Effects of substrate type on denitrification efficiency and microbial community structure in constructed wetlands[J].307.

    [11]梁威，吳振斌.人工湿地对污水中氮磷的去除机制研究进展[J].环境科学动态，2000，（03）：32-7.

    [12]LU D，YUQING Z，CHUAN W，et al.Effects of plant on denitrification pathways in integrated vertical-flow constructed wetland treating swine wastewater[J].Ecotoxicology and environmental safety，2020，201.

    [13]袁东海，景丽洁，张孟群，等.几种人工湿地基质净化磷素的机理[J].中国环境科学，2004，（05）：103-6.

    [14]鲁敏，曾庆福，谭远友.七种湿地植物处理污水的比较研究[J].武汉科技学院学报，2007（09）：25-8.

    [15]彭婉婷，邹琳，段维波，等.多种湿地植物组合对污水中氮和磷的去除效果[J].环境科学学报，2012，32（03）：612-7.

    [16]李寒娥.人工湿地系统在我国污水处理中的应用[J].环境污染治理技术与设备，2004，（07）：9-12.

    作者简介：杨晓彤（1996— ），女，汉族，山东聊城人，研究生在读，研究方向：水处理理论与技术。

    *通讯作者：徐景涛。