人工濕地污水生態(tài)處理工藝強(qiáng)化應(yīng)用進(jìn)展

金洛楠， 吳家俊， 魏樂(lè)成， 馬柯， 朱亮*

(1.杭州市城鄉(xiāng)建設(shè)設(shè)計(jì)院股份有限公司，浙江 杭州 310016； 2.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310058)

當(dāng)前，世界各國(guó)尤其是發(fā)展中國(guó)家普遍面臨水資源短缺、水環(huán)境污染、飲用水安全難保障等突出問(wèn)題，而且，在未來(lái)幾十年將愈發(fā)嚴(yán)峻。同時(shí)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中產(chǎn)生的稻田排水、養(yǎng)殖廢水等由于富含氮磷及有機(jī)污染物，其污染負(fù)荷削減與循環(huán)利用受到研究者日益關(guān)注[1-3]。作為一種模擬自然濕地的生態(tài)修復(fù)技術(shù)，人工濕地具有較高的生產(chǎn)力和污染去除效果[4]，具有抗沖擊性能強(qiáng)、外部能源需求低、碳中和潛力大、易于操作和維護(hù)的特點(diǎn)，新近發(fā)展快速，未來(lái)應(yīng)用潛力巨大[5]，尤其在處理農(nóng)業(yè)與城鎮(zhèn)面源污染等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[6-9]。

人工濕地技術(shù)于1953年由德國(guó)Max Plank研究所首先用于污水凈化，在20世紀(jì)60年代和70年代經(jīng)由Seidel和Kickuth兩位學(xué)者推動(dòng)而得到迅速發(fā)展，并于1996年9月在奧地利維也納召開(kāi)的第4屆人工濕地與水污染控制國(guó)際研討會(huì)上正式進(jìn)入水污染控制領(lǐng)域[10]。在發(fā)展早期，人工濕地主要作為生活污水的二級(jí)或三級(jí)處理設(shè)施。而隨著污水處理技術(shù)飛速發(fā)展，污水處理理念不斷進(jìn)步，“低薪高能”的人工濕地愈發(fā)受到學(xué)者與工程師的關(guān)注，不僅有更多的試驗(yàn)和工程將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)排水[11]、垃圾滲濾液[12]以及醫(yī)藥廢水[13]處理，還對(duì)新型污染物[14]的去除進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用。

人工濕地主要由填料、植物、微生物三大要素構(gòu)成，對(duì)污染物的去除過(guò)程較為復(fù)雜，其中填料介質(zhì)是濕地最為關(guān)鍵的組成部分，作為污染物去除功能的載體，不僅為植物和微生物的生長(zhǎng)提供基礎(chǔ)環(huán)境，還可以通過(guò)直接和間接作用去除污染物，如過(guò)濾、吸附、化學(xué)和微生物降解等，從而實(shí)現(xiàn)污水凈化[15]。因此，針對(duì)當(dāng)?shù)赝寥李?lèi)型合理選擇填料介質(zhì)并進(jìn)行優(yōu)化布置，是強(qiáng)化人工濕地污水處理性能的重要途徑。此外，人工濕地性能還受到溫度、進(jìn)水負(fù)荷、濕地構(gòu)型、運(yùn)行模式等因素的影響，對(duì)這些關(guān)鍵因素的調(diào)整及其對(duì)濕地處理性能的影響同樣引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。

本文綜述當(dāng)前不同類(lèi)型人工濕地的污水凈化處理性能與存在的短板，總結(jié)當(dāng)前人工濕地共性問(wèn)題，從優(yōu)化濕地填料、創(chuàng)新濕地構(gòu)型、調(diào)整運(yùn)行策略等角度綜述人工濕地強(qiáng)化措施，并對(duì)今后的研究方向進(jìn)行展望。

1 人工濕地的分類(lèi)

根據(jù)水在濕地中流動(dòng)方式的不同或濕地布水方式的不同，人工濕地系統(tǒng)一般被分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地和垂直流人工濕地[16]。然而，這些采用傳統(tǒng)布水方式的人工濕地通常無(wú)法兼顧好氧和厭氧環(huán)境。因此，為實(shí)現(xiàn)更好的污染物去除效果，尤其是氮素和磷素的去除，出現(xiàn)了由不同類(lèi)型濕地組合而成的復(fù)合流人工濕地[17]。在生產(chǎn)實(shí)踐中，人工濕地類(lèi)型的選擇應(yīng)當(dāng)充分考慮污水處理系統(tǒng)的處理對(duì)象、處理目標(biāo)、處理成本、可用土地面積等。

1.1 表面流人工濕地

表面流人工濕地類(lèi)似于沼澤，在整個(gè)濕地表面形成自由水面，水流沿著一定方向前進(jìn)，在流動(dòng)過(guò)程中與填料介質(zhì)、植物根系及附著生長(zhǎng)的生物膜接觸，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的凈化，并從終端流出。表面流人工濕地投資運(yùn)行費(fèi)用低、操作管理簡(jiǎn)單，但占地大、水力負(fù)荷小、冬季容易結(jié)冰、夏季易滋生蚊蠅，凈化能力受自由水面深度影響較大，遠(yuǎn)不如其他幾種類(lèi)型的濕地。因此，表面流人工濕地僅適用于低污染污水處理[18-19]。

1.2 水平潛流人工濕地

由填料基質(zhì)、植物和微生物組成的水平潛流人工濕地，床底有隔水層，縱向有坡度。污水從布水溝進(jìn)入填料床，在向另一端水平滲濾直至流出的過(guò)程中，通過(guò)填料吸附、過(guò)濾、植物吸收、微生物降解作用等實(shí)現(xiàn)污染物去除。水平潛流濕地可由多個(gè)填料床組成，因此，水力負(fù)荷與污染負(fù)荷較大，對(duì)TSS、BOD5、COD等去除效果好[20-22]。但受限于填料床層氧氣不足，氨氮去除效果有限[20]。在所有類(lèi)型的人工濕地中，水平潛流人工濕地內(nèi)部的氧化還原條件相對(duì)穩(wěn)定，有助于污水中磷的去除[21]。

1.3 垂直流人工濕地

垂直流人工濕地作為滲濾型土地處理系統(tǒng)的一種強(qiáng)化形式，通過(guò)地表與地下滲濾過(guò)程中發(fā)生的物理、化學(xué)和生物反應(yīng)使污水得到凈化。在垂直流人工濕地中，氧氣主要通過(guò)植物根系傳輸與大氣擴(kuò)散進(jìn)人濕地內(nèi)部，床體不同深度溶解氧狀態(tài)也不同。表層由于溶解氧充足，硝化能力強(qiáng)，床層深處因?yàn)槿毖醵鴮?shí)現(xiàn)反硝化，在碳源充足時(shí)，垂直流濕地可以滿足較高的總氮去除率，因而適合處理高氨氮污水[23]。但是，垂直潛流人工濕地由于受間歇進(jìn)水影響，填料床中的溶解氧易引起顆粒表面磷的解吸釋放，導(dǎo)致總磷去除性能不穩(wěn)定[23-25]。

1.4 復(fù)合流人工濕地

2 人工濕地污水強(qiáng)化處理的措施

目前，人工濕地普遍存在占地面積大、處理效果不穩(wěn)定等突出問(wèn)題。人工濕地污水處理效果的影響因素眾多，大體可分為3類(lèi)：濕地參數(shù)(濕地構(gòu)型、填料、植物、微生物等)，環(huán)境參數(shù)(溫度、溶解氧、pH等)，運(yùn)行參數(shù)(進(jìn)水負(fù)荷、水力停留時(shí)間[7]等)。研究者們?cè)诮y(tǒng)籌考慮以上眾多因素后，往往從優(yōu)化濕地填料、創(chuàng)新濕地構(gòu)型、調(diào)整運(yùn)行策略等角度對(duì)人工濕地的污染物去除性能進(jìn)行強(qiáng)化并研究相關(guān)機(jī)理。

2.1 優(yōu)化濕地填料

填料是人工濕地的骨架，濕地中的大部分物理、化學(xué)和生物反應(yīng)都在填料中進(jìn)行[15]。傳統(tǒng)人工濕地的填料主要由土壤、細(xì)砂、粗砂、礫石、沸石、碎瓦片或灰渣等構(gòu)成，這些天然材料雖然具有價(jià)格低廉、便于取材等優(yōu)點(diǎn)，但是它們較低的孔隙度和易飽和性，無(wú)法滿足更高的濕地出水要求和更長(zhǎng)的濕地運(yùn)行周期。為此，研究者們嘗試通過(guò)濕地填料優(yōu)化實(shí)現(xiàn)其性能強(qiáng)化。

人工合成填料。主要是指加工生產(chǎn)的新型填料，或?qū)σ延刑盍线M(jìn)行改性，增強(qiáng)其吸附性能。Drizo等[30]利用鈣化海藻作為人工濕地填料，對(duì)磷的去除率高達(dá)98%，去除率明顯高于普通礫石填料。路宏偉等[31]則發(fā)明了一種人工濕地專(zhuān)用填料，將水泥、粉煤灰、水按照一定比例混合，并加入鋁粉發(fā)泡劑攪拌均勻，將漿料倒入模具中，在20～50 ℃下發(fā)泡20～60 min，這種新型填料對(duì)磷的理論飽和吸附量為10 mg·g-1。

鐵碳微電解填料。鐵碳微電解材料不僅具有高效的磷吸附能力，還能在鐵碳之間形成電極電位差，無(wú)形中生成無(wú)數(shù)個(gè)微小原電池，促進(jìn)有機(jī)物的去除[33]。Jia等[34]研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)鐵碳微電解工藝，鐵和碳基濕地中的硝酸鹽還原率可以達(dá)到87%，并且由于完成了反硝化過(guò)程，一氧化二氮(N2O)排放較低(4.6～11.75 μg·m-2h-1)。此外，鐵和碳基濕地使得重金屬總鉻(Cr)和總鉛(Pb)削減75%～97%。

2.2 創(chuàng)新濕地構(gòu)型

人工濕地的構(gòu)造方式會(huì)直接影響污水與濕地填料的接觸時(shí)間及DO在濕地內(nèi)部的分布，從而影響人工污染物去除性能，尤其是對(duì)COD、TN、TP的去除效果。在對(duì)人工濕地研究過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變濕地構(gòu)型從而優(yōu)化濕地內(nèi)部水循環(huán)，不僅能改善運(yùn)行中存在的“短流”、“死區(qū)”等現(xiàn)象，還能有效增加填料床層內(nèi)的DO含量。在相關(guān)思路的啟發(fā)下，研究者開(kāi)發(fā)了一系列新型人工濕地。

循環(huán)流人工濕地。Peng等[35]充分借鑒用于處理養(yǎng)豬廢水的循環(huán)流操作模式，將幾個(gè)隔間在濕地的環(huán)形廊道相連，最終隔間中的溢流堰可控制部分尾水回流到進(jìn)水區(qū)。將該循環(huán)流動(dòng)人工濕地用于處理高濃度廢水，不僅有效提高了TN的去除率，還能稀釋進(jìn)水濃度，從而降低高濃度廢水對(duì)濕地植物和微生物的毒害作用。

2.3 調(diào)整運(yùn)行策略

人工濕地污染物去除性能主要由濕地參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)決定，而濕地參數(shù)在濕地建設(shè)完成后就已基本確定，因此，人工濕地強(qiáng)化策略多數(shù)從環(huán)境參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化上考慮。常見(jiàn)的調(diào)整措施包括：人工曝氣、潮汐作業(yè)、跌水式進(jìn)水、外加碳源、投加生物菌劑等。

人工曝氣。在人工濕地中，脫氮主要依靠微生物硝化和反硝化作用實(shí)現(xiàn)，而硝化反應(yīng)作為濕地中生物脫氮的主要限速步驟需要濕地維持相對(duì)較高的溶解氧含量，以保證反應(yīng)順利進(jìn)行。Headley[38]等研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使用人工曝氣可以顯著改善濕地對(duì)有機(jī)物、氨氮以及大腸桿菌的去除。此外，Tang等[39]應(yīng)用每天8 h的曝氣循環(huán)后(DO高于2 mg·L-1，ORP為300 mV)，發(fā)現(xiàn)垂直流人工濕地中的磷去除率提高至50%。

潮汐作業(yè)。該操作方式充分模仿了天然潮汐過(guò)程，每天進(jìn)行多次周期性的浸沒(méi)和排水循環(huán)，從而解決傳統(tǒng)進(jìn)水方式的氧氣轉(zhuǎn)移限制。隨著污水的充填和排泄，空氣被吸入土壤孔隙并迅速對(duì)生物膜進(jìn)行充氧。Austin等[40]研究發(fā)現(xiàn)，硝化作用強(qiáng)化主要發(fā)生在濕地排水階段，在該階段吸附在溶解態(tài)生物膜和土壤顆粒上的銨離子被氧化為硝酸根離子，硝酸根離子在隨后的浸沒(méi)階段大量解吸到水中，并通過(guò)以有機(jī)碳為電子供體的反硝化微生物還原為氮?dú)猓惶娴男柩鹾蛥捬醐h(huán)境極大提高了氮的去除率，且該技術(shù)僅需要曝氣濕地的一半功率。

跌水式進(jìn)水。針對(duì)常規(guī)人工濕地的低污染物去除效率和有限氧氣轉(zhuǎn)移能力，Zou等[41]開(kāi)發(fā)了一種新型的多層跌水式進(jìn)水方式，相關(guān)試驗(yàn)在2個(gè)0.75 m2的中試規(guī)模垂直流濕地中進(jìn)行。結(jié)果表明，雙層跌水式進(jìn)水能夠?yàn)檫M(jìn)水提供2～6 mg·L-1的溶解氧。而在安裝了6層跌水式進(jìn)水裝置后，濕地的5 d生化需氧量(BOD5)去除負(fù)荷從8.1增加到14.2 g·m-2d-1。但是，該運(yùn)行方式具有一定的適用溫度范圍，低溫寒冷天氣容易凍結(jié)，氣溫上升后跌水裝置內(nèi)污水易于滋生蚊蠅。

外加碳源。作為去除污水中硝酸鹽的主要機(jī)制，反硝化是厭氧的異化途徑，通常需要有機(jī)碳作為電子供體。人工濕地中的碳源通常來(lái)自污水、濕地土壤和植物的根系沉積物，但是有時(shí)這部分碳源并不能滿足反硝化需求。為了強(qiáng)化濕地脫氮作用，往往需要向人工濕地外加碳源。Saeed等[42]將甘蔗渣作為有機(jī)碳源加入垂直流人工濕地，發(fā)現(xiàn)濕地的TN去除率比對(duì)照組高70%。此外，除了上述生物質(zhì)碳源外，諸如丁二酸丁二醇酯、聚乳酸等有機(jī)合成碳源同樣受到了研究者廣泛關(guān)注，這類(lèi)聚合物不僅更加穩(wěn)定可控，還具有更好的脫氮效果。

投加生物菌劑。通過(guò)向人工濕地中投加某些具有特定代謝功能的微生物以加速污染物的生物降解是強(qiáng)化人工濕地性能的重要措施。人工濕地在施工建成后，通常需要一段適應(yīng)期來(lái)發(fā)展微生物對(duì)污染物的處理能力，而投加生物菌劑將加速濕地微生物群落的發(fā)展，從而大大縮短適應(yīng)期。一些經(jīng)過(guò)篩選的生物菌劑能夠有效增強(qiáng)對(duì)某些特定污染物的降解，例如農(nóng)藥、有機(jī)化學(xué)品以及重金屬等。Runes等[43]調(diào)查了投加特定生物菌劑對(duì)人工濕地中阿特拉津溢出部位土壤的影響，發(fā)現(xiàn)投加菌劑后人工濕地對(duì)阿特拉津的礦化率達(dá)到了25%～30%，而未進(jìn)行菌劑投加的濕地中阿特拉津礦化率僅為2%～3%。Zaytsev等[44]在研究水平潛流人工濕地時(shí)發(fā)現(xiàn)，往濕地中添加低濃度菌懸液能顯著加強(qiáng)濕地反硝化能力。

3 小結(jié)與展望

人工濕地作為一種環(huán)境友好的污水生物生態(tài)處理技術(shù)，具有投資及維護(hù)費(fèi)用低、出水水質(zhì)好、二次污染小等優(yōu)勢(shì)[4-5]。人工濕地自身結(jié)構(gòu)及運(yùn)行中各項(xiàng)參數(shù)變化(溶解氧、碳源、溫度、水流停留時(shí)間等)均會(huì)影響其去污性能與穩(wěn)定性。新近從優(yōu)化濕地填料、創(chuàng)新濕地構(gòu)型、調(diào)整運(yùn)行策略等角度開(kāi)展人工濕地的強(qiáng)化措施與過(guò)程機(jī)理的研究，推進(jìn)了人工濕地應(yīng)用的理論創(chuàng)新與技術(shù)應(yīng)用。然而，隨著我國(guó)進(jìn)入生態(tài)文明建設(shè)新征程，必然會(huì)對(duì)水環(huán)境質(zhì)量改善、面源污染控制提出更高要求。

目前，我國(guó)大部分城市污水處理廠正經(jīng)歷二次提標(biāo)改造，海綿城市建設(shè)初見(jiàn)成效，人工濕地深度處理技術(shù)具有極大的應(yīng)用潛力，相關(guān)研究值得進(jìn)一步深入：(1)從改善濕地微生物生境出發(fā)，開(kāi)展構(gòu)型與工藝參數(shù)優(yōu)化，建立規(guī)范適用的運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)控體系；(2)以濕地系統(tǒng)長(zhǎng)效性為出發(fā)點(diǎn)，強(qiáng)化濕地功能菌群富集生長(zhǎng)，提高濕地系統(tǒng)去污性能；(3)從分子生物水平定量分析相關(guān)微生物功能基因，解析濕地系統(tǒng)污染物去除途徑與過(guò)程微生物學(xué)機(jī)理。