潛流人工濕地除污機理淺析

范美霖 師永健

（1北京龍世杰投資有限公司 北京 100084 2中國市政工程西北設計研究院北京分院 北京 100037）

潛流人工濕地除污機理淺析

范美霖1師永健2

（1北京龍世杰投資有限公司 北京 100084 2中國市政工程西北設計研究院北京分院 北京 100037）

人工濕地系統具有高效率、低投資、低運行費、低維護技術、處理量靈活、低能耗、處理效果好等優點，非常適合廣大農村地區、中小城鎮地區的污水處理，本文主要從濕地基質和濕地植物兩個方面重點分析了潛流人工濕地對污染物去除的機理。

潛流人工濕地；基質；植物；除污機理

潛流人工濕地系統一般由基質(如土壤、碎石、卵石等)、水生植物(如蘆葦、菖蒲、水蔥等)等組成，是一種獨特的“基質一植物一微生物一水體”生態系統。是一項在我國正在被研究、應用和發展的處理污水的新技術，潛流人工濕地處理污水的機制復雜，本文主要從濕地基質和濕地植物兩方面闡述潛流人工濕地對污染物的去除機理。

1 濕地基質作用

濕地基質不僅為濕地植物、微生物等的提供了生活場所，對水質凈化也有非常重要的作用。研究表明，在不考慮植物因素的條件下，經過濕地處理的模擬生活污水的污染物濃度顯著下降，水質得到改善[1]。

1.1 基質生物膜作用

早期作為濕地基質的物質主要有土壤、細砂、粗砂、礫石、碎瓦片、粉煤灰、泥炭、頁巖、鋁礬土、膨潤土、沸石等，它們是濕地植物的直接支撐者，為植物和微生物提供營養物質。隨著人們對濕地研究的不斷深入，越來越多的材料，如鋼渣、石灰石、石英砂、磁鐵礦渣等也作為濕地填料，給水污泥甚至也作為一種基質添加到濕地研究中，發現對磷的吸附性較好。

濕地填料表面及孔隙中易形成生物膜，上面附著的微生物以污水中的有機污染物為營養物質進行新陳代謝，有機物得以降解，微生物同化作用的同時自身得到增殖，生物膜厚度也不斷增加，微生物種類越來越豐富，更加有利于發揮多種微生物對有機物的協調降解作用。另一方面，微生物附著生長在填料上，泥齡較長，相比于停留時間在6～8h的活性污泥反應器具有很大優勢，特別有利于世代周期長的種群生長，如硝化菌，而更好的促進生物脫氮過程的進行。

濕地基質不僅為植物提供了生存支撐，基質生物膜與植物之間也建立了一種供需平衡關系，例如微生物代謝產物，如水、CO2、氨及其他無機鹽等，進入填料間的流動水層中，少部分隨水排出，而大部分被植物吸收利用。

基質生物膜的作用大小與基質材質、結構和大小直接相關?；|粗糙的表面增加了微生物與基質之間的有效接觸面積，基質中的孔、間隙增加了基質的比表面積，同時也對附著在上面的微生物起保護屏障作用，使其免受水力剪切作用，因此基質表面的粗糙度越高，越利于微生物的附著。從這個方面來說，基質表面的孔徑大小為細菌的5備左右比較合適。因此選擇合適的人工濕地基質材料和配比，對提高人工濕地凈化能力至關重要。

1.2 基質吸附沉淀作用

基質對污水中污染物的吸附作用主要針對氮、磷元素而言。黃德鋒等研究表明，微生物的硝化反硝化作用以及基質對磷的吸附沉淀作用是復合垂直流人工濕地去除氮、磷的主要途徑[2]。

基質對氮的吸附主要針對還原態氨氮，這個過程是快速可逆的，比表面積越大越對氮的吸附有利。因此像沸石、粉煤灰、煤渣、草炭、石灰石等一些通透性好、比表面積大、具有吸附能力的多孔介質常被作為濕地填料。

濕地中的磷，主要以三種形態存在：可溶性磷、固態有機磷及固態無機磷，合稱為總磷酸鹽（TP）。磷的去除途徑包括植物的吸收、微生物的積累和基質的吸附、過濾、沉淀及物理化學作用，其中微生物作用不是很明顯，基質的吸附作用顯著，正磷酸鹽在水流流經濕地基質表面時，被吸附到基質表面上，與基質表面的Al、Mg、Ca等元素產生化學作用，生成不溶性磷酸鹽，再與金屬離子發生配位體交換反應而附著在濕地填料上。并且，該過程受到濕地基質間水力傳導性、基質比表面積及環境酸堿度等因素的影響，一般偏堿性的基質環境更有利于磷的沉淀。

除有機污染物、N、P、懸浮物以外，人工濕地對重金屬也有一定的去除效果。填料表面對鎘、鉻等重金屬發生吸附和絡合反應，直至把重金屬轉化為低毒狀態。

1.3 基質酶作用

人工濕地基質中的酶作為一種生物催化劑，在有機污染物的分解過程中起著重要作用。岳春雷[3]等研究了人工濕地基質中磷酸酶、脲酶和蛋白酶活性的空間分布規律及與污水凈化效果之間的關系，結果發現磷酸酶和脲酶的活性隨基質深度的增加而降低，蛋白酶活性在基質上層最高，下層次之，中層最低；濕地上池基質磷酸酶、脲酶和蛋白酶活性大于下池.磷酸酶活性與污水總磷、CODcr、BOD5去除率正相關；脲酶與總氮的去除率正相關；蛋白酶與總氮、總磷、CODcr、BOD5去除率沒有相關性。吳振斌等也研究出基質磷酸酶的活性與污水中CODCr的去除率有顯著的相關關系[4]。崔偉等[5]研究潛流人工濕地系統選擇軟性填料比蜂巢石填料的脲酶活性和磷酸酶活性更高，脲酶活性與總氮去除率顯著相關，而磷酸酶活性與總磷去除率相關性不顯著。而含Fe3+、Al3+、Ca2+的礦物質對磷的吸附效果較好。因此，在選擇濕地基質時，要考慮填料級配，以便發揮各填料優勢，同時有效的去除各種污染物，提高運行效率。

2 濕地植物作用途徑

2.1 植物直接吸收

植物在生長代謝過程中，要不斷從環境中攝取N、P等營養元素。無機氮（NH4+）進入植物后通過氨化反應將其去除，在植物體內合成蛋白質、氨基酸、酶等有機氮，N最終通過收割植物而去除。挺水植物對氮的吸收潛能為1000-2500kgN·hm-2·a-1，而沉水植物對氮的吸收潛力相對較低，吸收潛能為<700kgN·hm-2·a-1。同理，污水中無機磷也是在植物吸收及同化作用下轉化為植物的有機組成部分，如ATP、DNA、RNA等，也最終通過植物的收割而從系統中去除。黃德鋒等[2]研究表明植物吸收也是脫氮除磷的重要途徑，分別占TN、TP去除量的16%、35%左右。另外，大型水生植物如鳳眼蓮、香蒲、風車草、蘆葦等還可吸收銅、鉛、鎘、砷、汞等重金屬，以金屬螯合物的形式蓄積于某些組織器官中，再通過植物的光合作用、植物揮發和甲基化等作用，促進污水重金屬的氧化和沉降。

2.2 植物與根際微生物聯合作用

濕地植物根際生長著許多微生物，植物為微生物創造了有利的生長環境，一些維管束挺水植物（如蘆葦、香蒲等）通過葉吸收和莖干的運輸作用，將空氣中的氧轉運到根部，再經過植物的根部表面組織擴散，使植物根系周圍的微環境依次呈現好氧、缺氧及厭氧狀態，相當于在許多串聯或并聯的AAO微處理單元，不僅有利于生物脫氮除磷過程的進行，也有利于一些難降解污染物的去除。潛流人工濕地系統對藻毒素、鄰苯二甲酸二丁酯等難降解有機物有較好的去除效果。

濕地植物根系遍布于填料中，污水中的可降解懸浮物被植物根系及基質阻擋截留而沉淀在基質中，為微生物的同化吸收和異化分解污染物提供了物質來源。另外，污水中的部分污染物還可以與植物根際分泌物和微生物分泌物質發生一系列離子交換吸附、沉淀、螯合等反應得以去除。

另一方面，植物在生長過程中不斷釋放大量分泌物，如糖類、醇類、酸類、氨基酸、腐殖質等物質，不斷向基質補充有機碳，為微生物提供了豐富的碳源、氮源等營養，微生物種類隨之增加，微生物間的協調作用不斷增強，而間接加快了有機物的分解速率。

3 結語

綜上，潛流人工濕地系統主要依賴于濕地基質、濕地植物、微生物以及它們之間的聯合作用，對污水水質進一步凈化處理。該系統以其投資低、環境美觀性高、效果顯著等優點，在我國鄉鎮、山區等偏遠地區具有很好的應用潛力，甚至在城市園林設計中，讓污水處理“走進”人們的生活當中，不僅能在凈化污水上發揮重大作用，也能進一步加強人們的環保意識，共同保護環境。

[1]周紅菊,尚忠林,王學東,等． 濕地凈化污水作用及其機理研究進展[J]．南水北調與水利科技,2007,5(4)：64-66．

[2]黃德鋒,李田.不同基質復合垂直流人工濕地對富營養化景觀水的凈化效果[J]；環境污染與防治；2007年8月，第29卷第8期.

[3]岳春雷,常杰,葛瑩,等.人工濕地基質中土壤酶空間分布及其與水質凈化效果之間的相關性 [J].科技通報,2004,20(2):112-115.

[4]吳振斌,梁威,邱東茹,等.復合垂直流構建濕地基質酶活性與污水凈化效果[J].生態學報,2002,22(7):1012-1017.

[5]崔偉，張勇，黃民生.復合垂直流人工濕地脲酶和磷酸酶活性與黑臭河水凈化效果 [J];安徽農業科學，2011,39（13）8016-8018,8022

范美霖（1985——），女，北京人，碩士研究生，部門經理，主要研究水處理方向。