人工濕地及其在生活污水氮磷去除方面的應用分析

文_丘好華 廣東誠實建設工程設計有限公司

1 人工濕地及其應用

1.1 人工濕地組成及類型

人工濕地是以基質、植物和微生物為載體通過物理、化學和生物的協同作用來對污水進行處理而達到凈化目的的一種技術，亦是基于模擬自然濕地而人為設計和建造的自然生態系統，具備可監控性和工程化特點。濕地基質、植物和微生物作為組成人工濕地的三大基本要素，對污染物的轉化和去除具有重要作用。

1.1.1 人工濕地組成

（1）濕地基質。根據材料特性基質可分為三大類，一類屬于天然材料，包括礦物、巖石、海洋沉積物和土壤，如石灰石、硅酸鈣鹽礦、白云石和沸石、頁巖等，這類材料可直接使用，也可經碾磨、熱處理等前處理來提高其吸附能力；一類為工業副產品，如高爐礦渣、電弧爐鋼渣和爐渣等來自鋼鐵、采礦和發電行業的廢物；還有一類為人造產品，主要指輕質聚合體。基質是人工濕地區別于自然濕地的重要特征，其在人工濕地結構中體積占比最大。污水中磷的去除主要靠基質的沉淀和吸附作用，而氨氮則既可通過吸附直接去除也可通過改變濕地植物的根基環境來影響氮素的轉化和去除。不同基質對污染物的去除效果也不同，如沸石去除氨氮效果較好而礫石煤渣等對磷的去除效果明顯，因此在實際應用中往往多種基質混合使用。

（2）濕地植物。濕地植物是人工濕地的重要組成部分，不同植物的生長速度、對污染物的吸收轉化能力和泌氧能力各不相同，因此篩選適宜的植物對提高人工濕地的穩定和凈化能力具有重要意義。人工濕地水生植物的選擇一般依據以下原則：適宜本土生長，耐污抗寒能力強；根系發達、生長旺盛、抗蟲病能力強；有一定經濟價值等。人工濕地中植物的去污作用體現在：對污水中對態營養物質的直接吸收、利用；吸附和富集重金屬等有毒有害物質；為水中微生物輸送氧氣至根區，提供多樣的生存環境，利于根區細菌群落對多種污染物的降解等。目前國內外常用的植物有蘆葦、香蒲、燈芯草、鳳眼蓮、黑三棱和水蔥等。

（3）濕地微生物。由于大多數生物化學反應是在酶與微生物的相互作用下進行的，因此作為人工濕地的三大要素之一，微生物在人工濕地水處理系統中起著至關重要的作用。研究表明，人工濕地中存在大量細菌、放線菌、真菌、氨氧化細菌和亞硝化菌等，且沿著水流方向數量逐漸減少。

1.1.2 人工濕地類型

人工濕地按系統布水方式的不同或者水流方式差異可分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地三種。

（1）表面流人工濕地，無論從生態結構、內部構造還是外觀上來看都與天然濕地比較相似。污水以表面推流的形式流經濕地，從溢流口流出。表面流人工濕地具有運行費用低、操作簡單的優勢，但同樣存在易受自然氣候條件影響，水利負荷低，去污能力有限的劣勢。

（2）水平潛流人工濕地，污水進入濕地后，在基質表面以下流動，具有保溫效果好，重金屬、BOD和COD去除率高的優勢。

（3）垂直潛流人工濕地，與水平潛流人工濕地一樣，污水在基質表面以下流動，但流過填料的方向為垂直向上或向下。因濕地內部水力條件的差異，垂直潛流人工濕地總氮和總磷的去除效果優于水平潛流人工濕地。

1.2 人工濕地在污水磷氮去除中的應用

1.2.1 氮磷去除機理

（1）氮的去除

人工濕地脫氮有多種機制，包括微生物作用、植物吸收等生物作用，沉積、揮發等物理作用，以及化學吸附作用。研究發現，植物對氮的吸收貢獻很小，約為總氮的8%～16%，而有氧區的硝化細菌和厭氧區的反硝化細菌作用貢獻率高達80%。濕地中挺水植物對氧具有輸送、釋放和擴散的作用，氧氣被輸送至根部后經擴散，在植物根部周圍依次形成好氧區、兼氧區和厭氧區。氨氮在好氧區經氧化反應被氧化成硝酸鹽，而硝酸鹽則在厭氧區或兼氧區經反硝化反應被還原成氣態氨，并最終從水中逸出。另外，不同類型濕地脫氮機理也有所不同，如沸石潛流濕地主要通過沸石對氨氮的吸附作用脫氮等。

（2）磷的去除

人工濕地磷的去除主要通過濕地基質的物理沉積，化學沉淀與吸附，植物的吸收轉化和微生物的吸收與積累等作用，以及三者的聯合作用實現磷的去除。研究表明，基質的化學吸附和沉淀作用對污水中總磷的去除貢獻率約為50%～65%，即基質填料對磷的吸附是濕地除磷的有效機制，人工濕地對磷的去除效果主要依賴于此。

1.2.2 應用

胡世琴研究了潛流人工濕地中鳶尾、香蒲、茭白和蘆葦等4種不同植被對生活污水中總氮、總磷、氨氮、生物耗氧量和化學耗氧量的去除能力及對氮磷的積累效應。結果表明：不同植被對生活污水的凈化效果存在差異，綜合比較而言，茭白和鳶尾的去除效果較好；4種植被對總磷的去除率最高，且對氨氮和化學耗氧量的去除率差異不顯著，P＞0.05；不同植被氮、磷積累量分別與生物量、植被氮含量和磷含量呈顯著的線性關系，P＜0.01，且與生物量相關性高于氮含量和磷含量，因此可通過生物量來評價植被對氮磷的去除效果。

張智超等通過構建表面流人工濕系統，研究濕地地對滏陽河水種中主要污染物總氮和氨氮的去除效果，開展了為期4個月的去污效果跟蹤，運行條件為水力負荷430mm/d、水力停留時間0.5d，結果表明，表面流系統對總氮和氨氮的平均去除率分別為51.89%和47.00%，具有良好的凈化效果；進一步分析得出，溶解氧是影響對總氮和氨氮去除效果的關鍵因素，且對氨氮的去除影響更明顯。

2 人工濕地在污水處理中存在的不足及對策

人工濕地因其在處理污水的同時也美化了環境，是一種生態處理工程技術，自發展以來，應用廣泛。但是在實際應用中也暴露出許多問題，諸如易受氣候條件影響，基質易飽和、堵塞，易受植物種類影響，占地面積較大及管理不完善等，下面就存在的問題作詳細介紹并提出相應解決措施。

2.1 受氣候和溫度影響明顯

人工濕地對污染物的去除能力受氣候溫度條件影響較大，主要是因為濕地系統中的植物和微生物對溫度比較敏感。研究表明，當水溫低于10℃時，濕地系統的去污效果會顯著下降，且有學者認為，溫度低于4℃時，濕地的硝化作用幾乎停止。另外，溫度和氧含量降低會導致微生物的活性下降，使得對有機物的分解能力下降。

加強濕地的保溫可以有效解決上述問題，如通過設計覆蓋層來提高濕地的溫度。根據覆蓋材料的不同，可分為植物覆蓋和地膜覆蓋等。

2.2 占地面積大

從國內外人工濕地占地情況來看，人工濕地占地面積均較大，一般認為是傳統污水處理工藝的2～3倍。人工濕地占地面積大是由其去污機制的本質決定的，例如對于水力負荷低的水平潛流人工濕地而言占地面積更大。此外，由于濕地基質易飽和及填料和植物的納污能力有限，為了保證濕地的處理效果，需要平行濕地交替運行，這就使得實際使用時占地面積更大。

為減少占地面積，可改變濕地類型，采取組合工藝，如將占地面積大的水平流與垂直流相結合，既減少了占用面積還提高了去污效果。

2.3 基質易堵塞

隨著污水處理過程的不斷進行，濕地中微生物繁殖增多，加之植物的腐敗和基質吸附能力的下降（趨于飽和），若濕地運行維護不當，特別容易出現基質阻塞和淤積現象。當出現堵塞時，濕地系統水力負荷下降，穩定性和壽命都會降低，甚至喪失功能。

隨著研究的深入，目前常用的有效治堵措施有：選擇合適的基質粒徑和級配，對進水預處理，選擇適宜的污染負荷和植物，合理的運行方式等。

2.4 易受各組成部分及水利負荷和運行方式的影響

濕地系統主要由植物、基質和微生物組成，也通過它們各自或相互之間的協同作用發揮凈化功能。但是植物和基質的種類較多，應合理選擇和搭配。如果植物數量、種類等選擇不當會造成對光、水和營養的競爭，從而影響植物自身或其周圍植物的生長，降低凈化效果。不同基質具有不同的處理機制和處理效果，為植物和微生物提供的環境也不同，如果選擇不當，對污水處理效果影響也十分明顯。此外，水力負荷過大和污染負荷過重會縮短水力停留時間，減弱凈化效果，甚至會造成堵塞。

3 結語

人工濕地作為一種生態去污技術，有其獨特的優勢，應用較為廣泛。但對于某些特殊領域的應用如污水處理廠的二級出水凈化，相關研究仍不夠深入，主要集中在提高去污效果上而忽略了全國范圍內不同區域的情況特性，因此在以后的應用研究中仍需加強。