處理生活污水的人工濕地系統構成及其優化配置研究進展

隨著農村社會經濟的發展和農村生活方式的巨大變化，以及自來水普及、衛生潔具、洗衣機、沐浴設施、農村養殖業的發展等，農村生活污水的各項指標均有較大變化。例如，排入太湖的生活污水中洗衣廢水占21.6%，巢湖、滇池的大約為17.9%[1]。目前，適用于農村的污水處理技術雖然能夠在一定程度上去除污染物，但總體對氮、磷的去除效果并不理想；盡管化學方法和物理方法去除污染有效，但成本較高且容易造成二次污染[2-3]。人工濕地技術不僅適用于我國農村生活污水的處理，而且建設成本較低、維護簡便、效率高和美觀等特點[2-3]。然而傳統的人工濕地系統已不能較好地處理目前變化較大的農村生活污水。

處理生活污水的人工濕地系統主要由植物、根際微生物和基質三部分組成，通過物理作用、化學作用及生物作用完成對污水的凈化，促進綠色植物的有機生長，實現廢水再利用和無害化處理[4]。當人工濕地系統設計不合理時，就會存在對污水凈化效率低、使用壽命短、形成二次污染以及造成經濟損失等問題[5-6]。因此，文章闡述了人工濕地系統構成因素基質、植物和根際微生物及其優化配置研究和應用的進展，并展望下一步研究的重點方向。

1 人工濕地系統構成因素及研究現狀

1.1 植 物

濕地植物處理生活污水主要包括以下3種方式[7]：（1）根系直接吸收和利用生活污水中的氮、磷等營養元素，或者吸附和富集污水中重金屬等有害物質；（2）根系吸附氧，為微生物的生長、繁殖和各類生化反應提供氧氣，保證微生物處理污染物的效率；（3）濕地植物的蒸騰作用、水分吸收作用等加強和維持水體的水力傳輸能力，并在一定程度的污染脅迫下保持一定的去污能力。

國內外常見的濕地植物有33科、124屬、超過1000種，根據植物的生活類型可分為4類，即濕生植物、挺水植物、沉水植物及漂浮植物。在國內使用較為廣泛和研究較多的有香蒲、再力花、菖蒲、蘆葦、美人蕉、水蔥、燈心草、水芹菜、水麥冬、慈姑、香根草、梭魚草等植物。目前對于濕地植物的研究側重點各不相同，陳永華等[10]通過研究濕地植物的根系長度、根系活力、生物量等生理特性來證明和改善相關污水處理能力。胡勇有等[11]則從較為宏觀的生態學角度進行研究，例如研究濕地植物的地域性，防止在因引入濕地植物時導致生態入侵，造成生態災難和生態破壞。劉超翔等[12]研究側重點則是通過分子水平來描述濕地植物的生物特性對污水處理的影響，例如對蘆葦具有較強運輸氧的能力的研究。陳發先等[7]研究了濕地植物在整個人工濕地系統中的作用，闡述了濕地植物在處理生活污水中的機理。陽承勝等[13]的研究則是從濕地植物各個器官對污染元素的富集、積累、代謝等角度闡述了去污機理。李小霞等[14]將實際應用效果作為研究切入點，研究了不同濕地基質上種植同一濕地植物時污水處理效率的差別。另外有相關研究表明，種植多種植物比種植單一植物的人工濕地處理污水的效果更為明顯，例如駱世明等[15]采用潛流式人工濕地處理豬場廢水，在夏季進水COD達1 000～1 400 mg/L時采用風車草和香根草作為濕地植物，經最后檢查研究發現其對COD的處理率依然達90%。從目前對于濕地植物的研究中不難發現，濕地植物的生長發育及其對污水的凈化能力均與根際微生物、基質有較大的關聯。

1.2 根際微生物

據研究表明，人工濕地對氮的去除主要依靠微生物的氨化、硝化以及反硝化作用，氨態氮通過亞硝化菌與硝化菌，轉化為亞硝態氮、硝態氮，之后再通過反硝化菌轉化為N2O或N2，使污水中的氮得以去除。生活污水中污染物組成復雜，因此微生物種類在一定范圍內豐度越高，對營養元素與有機物的降解效率越高，出水品質也就越好[8]。

據相關報道，在人工濕地系統中，基質的上中層之間微生物量相差近3個數量級，而中下層之間相差卻不到1個數量級，微生物以細菌數量最多，其次為放線菌，真菌最少[16]。夏宏生等[17]通過對人工濕地系統運行時根際微生物的變化研究發現，隨著濕地植物根系釋放溶解氧量的增加，微生物群落不斷在適應新的環境，種群結構調整，微生物的生物量與豐度在逐漸增加，微生物的豐度越高則利用污水中污染物的層次也越多，出水水質也更好。而李智等[18]研究了處理污水效果較為穩定的人工濕地系統發現，在0～20 cm之間的基質層中微生物豐度最高，20 cm以下的基質層中微生物豐度顯著下降，而大部分濕地植物中的根系主要集中在0～20 cm的基質層中。有研究表明，根際微生物的多樣性受地上部分生物多樣性的影響[10，19]。魏成等[20]試驗研究了濕地植物對根際微生物多樣性的影響，發現3種植物組合系統比兩種植物組合系統根際微生物群落的多樣性更高，利用碳源的能力較強，而單一植物系統的根際微生物群落多樣性較低，利用碳源能力較差。由此可知，根際微生物的生長繁殖受到了濕地植物與基質較大程度的影響，體現出了根際微生物與濕地植物和基質的互動性。

1.3 基 質

基質本身也具有對氮素、磷素、懸浮物的凈化效果，主要依賴基質的物理化學特性，如吸附作用、絡合反應、離子交換等[9]，之后可通過濕地植物或微生物將氮素、磷素“消化”。污水中氮的去除主要依賴微生物的硝化和反硝化作用，然而基質卻對微生物之間形成的生物膜面積起到了不可忽視的作用。而比表面積大的基質有利于生物膜的生長，增加了污水與微生物的接觸面積，能更好地去除污水中的氮。

基質是人工濕地系統重要的組成部分，它構成了濕地植物根系生長和微生物附著繁殖的環境。濕地基質一般可分為3類：天然材料、工業副產品和人工產品。天然材料濕地基質一般取之自然環境，如赤泥、石灰石、頁巖等；工業副產品主要是指在從事工業活動后產生的廢棄物，如爐渣、礦渣、粉煤灰等；人工產品通常則是為了模擬人工濕地或達到某種特定的要求而人為合成生產的一些材料，如輕質聚合體（LWA）[21]等。由于人工產品基質對污水中污染元素針對性強，且成本較高，因而不適于推廣使用。天然材料基質與工業副產品基質的成本低廉，易于獲取，但單用一種基質，對污水的凈化效率不如復合型基質的凈化效率。張克寧等[22]對此作了研究，發現在污水停留24 h、流量為0.32 m3/d的情況下，單一基質對COD的去除率均低于25%，而復合型基質對其去除率最低也有49.6%。徐麗花等[23]為提高濕地系統的除磷脫氮效果，通過對單一和復合式的基質材料處理污水效果的研究，選用沸石、石灰石和沸石-石灰石3種填料作為濕地基質進行了對比試驗，系統地解決了人工濕地去除氨氮的難題，填料上吸附的氮被植物和微生物利用，其除氮能力也就不會因時間的推移而降低，從而使人工濕地系統能更加有效地用于去污。基質本身的物理化學特性，決定了濕地植物和根際微生物生長的基礎環境，充分體現了濕地基質對濕地植物、根際微生物的承載性。

2 人工濕地系統構成因素的優化配置

首先，濕地植物對根際微生物、基質的關聯性決定了在構建人工濕地系統時首先所需要確定的，可是，通過人工濕地系統濕地植物的一般選取原則、實際環境特性和濕地植物特性來進行選擇。例如：適宜于湖南的濕地植物菖蒲（Acorus calamus），它在生長過程中需要吸收大量的N、P等營養元素，可用于處理含N、P等較多的污水。另據相關報道[4]，菖蒲根系平均長度在60 cm左右，根系平均數量在22條左右，并通過對根系的活力以及過氧化物酶的活性監測發現，其平均值分別達到了和51.32 μg/（g﹒h）和16.0 U/（g﹒min）。通過此項的研究可以發現，菖蒲具有較多的根系多且數量及較長的根系，但根系的活力并不強，這為也使得選擇根際微生物制品提供了依據。其次，可利用根基根際微生物具有的互動性，選擇含有特定根基際微生物的生物制品。例如：當濕地植物是菖蒲時，可在不同基質層投放含有硝化菌和亞硝化菌的培養基，分別投放于不同基質層中，已以達到縮短移栽對濕地植物縮短移栽或幼苗的馴化的時間的目的，在基質中較快地充實基質層中各生態位的微生物，增加污水接觸面積和時間，進一步提高出水品質。最后，基質承載著濕地植物的生長和根際微生物的附著。因此，所選擇的基質不僅要求能夠滿足濕地植物的根系伸展的特性、根系環境要求等，還需較高的孔隙率為微生物提供附著場所，以形成較大的生物膜。為了能夠較好的地提高出水品質，所選擇的基質可采用混合型基質，以提高水力停留時間，增加濕地植物和微生物對污水的接觸時間。

因此優化配置后的人工濕地系統具有較為明顯的優勢，濕地植物可吸收豐度較高的根際微生物提供的營養元素，得以較快地適應環境、較好地生長發育，然后反饋給根際微生物溶解氧、有機質等物質，促進微生物的生長繁殖，形成一個良性循環；較好的物理特性、較高的孔隙率、較高的基質為濕地植物根系的生長伸展提供了有利環境，還為微生物提供了較大的附著面積，同時自身的高孔隙率等物理特性增加了污水的水力停留時間，化學特性則在濕地植物和根基際微生物的生物活性較低的秋冬季保證了出水品質；而濕地植物根系的伸展拓展地下空間，和微生物的生長繁殖對有機質的“消化”，都使得基質能夠保持較為暢通的地下環境，延長了整個人工濕地系統的使用壽命和出水效率。

3 人工濕地系統研究展望

人工濕地系統的構成因素優化配置后，能夠增加原本傳統或單一應用高效材料的系統對污水的處理。為了合理的地對人工濕地系統進行優化配置，系統科學地的提高污水凈化能力，建議未來應著力開展以下方面的研究工作。

首先，要研究克服目前人工濕地系統優化配置的障礙。第一是濕地植物的搭配種類，國內外能夠應用于人工濕地系統且常見的濕地植物數量與種類非常多，而人工濕地系統中濕地植物可單種、復種和多種，因此合適的植物組合，乃至整個系統搭配種類非常相應也多。第二，根際微生物的生物制劑研發，各地區的溫度、pH值、優勢微生物種群等不同，使得在研制相應的根際微生物制劑時更為復雜，同時還需保證在使用過程中不會因制劑問題，使微生物在處理污水過程中產生毒素，造成生態污染。

其次，對新的研究思路和方向開展研究。在單純的不考慮基質更換的情況下，菖蒲在潛流式人工濕地系統中對污水氮的處理率達到了77.7%，而空白的則為55.8%；在復合垂直式人工濕地中對磷的去除率達到了61%，空白的則只有28%[24-25]。而人工濕地對氮的去除主要依靠微生物進行。人工濕地系統構成因素經優化配置后，加強其內在聯系、合理的搭配，系統的凈化能力必然會有較大提高，這也為不斷增加的農村生活污水量和污染物組成提供了新的研究思路和方向。

第三，應開展對人工濕地系統材料以及搭配性能的研究。傳統人工濕地系統主要存在的主要問題是缺乏科學完善的管理與規范、使用壽命較短、污水凈化效率較低等問題。經優化配置的人工濕地系統的組成部分是相互聯系而非當作獨立的個體研究，必定能較好地處于良性循環狀態。另外，可以通過基質解決濕地植物枯萎期和微生物活性較低時對污染物的吸收、富集，基質的低降解析率可使得在植物生長活躍以及微生物活力旺盛時分解、吸收、利用基質富集的污染物，從而延長使用壽命。因此，材料的選擇和搭配顯得尤為重要，也是以今后研究工作的重點。

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（責任編輯：盧紅玲）