人工濕地技術新進展

王春俊 李 帥

（河南省冶金研究所有限責任公司 河南鄭州 450053）

一、前言

對人工濕地的研究包括人工濕地的類型、基質的篩選、植物的選取和處理效果等方面。近年來，國內對人工濕地的研究主要在集中濕地植物的選擇、脫氮除磷效果、去除機理、對各種不同類型廢水的凈化效果等方面。其中，在濕地植物的選擇、脫氮除磷效果方面的研究較多，在去除機理方面在研究較少。

二、去除機理

人們對人工濕地的研究已逐步深入至微生物水平。鑒于微生物在人工濕地中的重要性，國內外學者已做了一定的研究。在微生物多樣性的研究方面，已從個體菌株水平過渡到群體水平生理特征，近年來逐漸進入分子水平[1]。也有部分學者從基因水平對濕地微生物的功能基因遺傳多樣性進行了研究。

目前，對濕地系統中不同微生物群落結構和功能方面所做的研究工作還相當少，且多數集中于傳統技術的間接微生物功能性研究，缺少對氮轉化菌群與其功能基因全面系統的定量研究。

有研究者研究了氧化還原酶活性對人工濕地中污染物去除率的影響，探討將基質酶活性作為評判人工濕地整體去除效能的指標。試驗以生物陶粒和鵝卵石為基質，搭配種植再力花、美人蕉和梭魚草，構成復合垂直流人工濕地。對基質中的4種氧化還原酶（脫氫酶、多酚氧化酶、過氧化物酶和硝酸還原酶）的酶活性進行了測定，并從酶學的角度探討了這4種氧化還原酶的活性與養殖尾水中總氮、硝態氮、總磷、正磷酸鹽、CODMn去除率之間的關系。認為脫氫酶可作為人工濕地中去除CODMn的效能指標，硝酸還原酶可作為人工濕地中去除NO3--N的效能指標[2]。

三、對濕地植物的研究

有研究者對旱傘草、美人蕉和蘆葦植物進行組合實驗發現，三種植物組合系統和兩種植物組合系統根際微生物群落去污功能較強，利用碳源的能力較強，而單一旱傘草植物系統根際微生物群落去污功能較弱，利用碳源能力較差。因此，通過不同植物組合而成的濕地系統，可強化根際微生物群落的去污功能，從而提高人工濕地污染物凈化的效率和穩定性。

有研究者研究了人工濕地植物的根際效應在污水凈化過程中的作用。人工濕地植物的根能夠分泌氧氣以及其它分泌物，稱為人工濕地的根際效應。濕地植物的根際效應所提供的氧氣以及其它分泌物為人工濕地微生物的生長提供了必要的營養物質與能量，對根際微生物活性、種群結構及空間分布產生影響，進而影響有機污染物、重金屬以及營養元素等污染物的降解和去除效果。在人工濕地設計中，應通過篩選人工濕地植物種類和優化工藝條件來強化人工濕地植物根際效應，以提高人工濕地的凈化效率[3]。

有研究人員研究了不同人工濕地植物對生活污水凈化效果研究。選擇美人蕉、香蒲、再力花、營蒲、水蔥、千屈菜、蘆葦共7種常見濕地植物作為研究對象，通過建立人工濕地污水處理系統，考察不同植物在7個月內對COD、總氮、總磷和銨態氮的去除率，同時考察7種濕地植物的氮磷累積能力。結果顯示，香蒲、蘆葦和水蔥具有較高的COD去除率，水蔥、千屈菜和蘆葦具有較高的總氮去除率，香蒲、水蔥和千屈菜對總磷的去除率較高，水蔥、香蒲和千屈菜對銨態氮的去除率較高。7種濕地植物對氮的累積能力均顯著高于磷。香蒲、水蔥、蘆葦和千屈菜對4種污染物具有較好的去除能力。不同植物對4種污染物的去除過程至少需要3個月，并且均在7月和8月具有較高的去除能力。美人蕉和蘆葦與其他濕地植物相比，具有更高的氮磷累積能力。

有研究發現，莎草科濕地植物的豐富程度與水深有著十分密切的關系。有研究人員比較了0.27m深的濕地河堤和0.5m深的濕地河堤，不同的水深將出現不同的污染物轉化能力有研究人員研究了在水平流人工濕地中不同水深對3年來污染物的凈化能力。研究結果表明，岸堤水深在0.27m能更好地去除COD、BOD、氨和溶解的活性磷。有研究人員調查了水平流人工濕地不同水深對有機物移除效率的不同，結果表明不同的水深將導致不同的代謝通路[4]。

有研究者探究了不同耐鹽植物對海水養殖外排水的去污效果。選取了蘆葦、互花米草為濕地植物，細沙、蛙石和珊瑚石為基質，構建了兩套復合垂直流人工濕地系統。對比分析了兩種挺水植物的耐鹽性及對海水養殖外排水中氨氮、亞硝態氮、硝態氮、高錳酸鉀指數和磷的凈化效果。結果顯示，蘆葦耐鹽度最高為20，而互花米草在鹽度35以下均能正常生長。研究表明，在高鹽脅迫下，互花米草生長狀況、對無機氮和CODMn的去除效果均優于蘆葦，兩種植物對磷酸鹽和TP的去除率差異不明顯[5]。

四、脫氮、除磷能力

有研究者對人工濕地的脫氮的能力進行了進一步研究。復合垂直流人工濕地中微生物群落的數量和活性均遠遠高于表面流和潛流人工濕地，其脫氮效果最好。這是由于系統中溶解氧隨深度增加呈現遞減趨勢，上層的有氧環境利于硝化細菌的活動，而中下層的缺氧環境則利于反硝化細菌的活動[6]。

有研究表明，氮轉化速率與編碼氮轉化關鍵酶的基因存在著明顯的定量響應關系。目前，人工濕地微生物主導的氨化、硝化和反硝化作用部分關鍵酶的編碼基因已被探明。近年來，陸續有研究者發現這些功能基因分布在更為廣泛的微生物類群中。人工濕地系統內氮轉化速率與氮轉化基因存在著明顯的定量響應關系。人工濕地內部氮轉化過程之間存在多種耦合機制，氮轉化速率受制于多種氮轉化菌群和功能基因的聯合作用。

有研究人員研究了垂直流人工濕地中氮、磷的降解規律。在實驗室中利用盆栽模擬垂直流人工濕地結構，種植綠蘿和紫邊碧玉椒草兩種植物，測定進水、出水、填料、植物中的總氮總磷含量，研究垂直流人工濕地去除水體中總氮、總磷時，植物與填料的去除作用所占的比例。結果表明，污水中總磷的去除主要為填料吸附作用，去除效率占80.01%～82.02%；植物吸收作用的去除效率占13.62%～14.20%；對于總氮的去除，填料吸附作用占68.26%～71.57%，除填料吸附作用外，微生物等其他因素的作用占很大比例，約24%，植物吸收所占比例較小。

五、對各種不同類型廢水的凈化效果

有研究人員研究了復合垂直流人工濕地對海水養殖外排水的脫氮效率，構建了復合垂直流蘆葦人工濕地，并將其運用于處理海水養殖外排水。海水養殖外排水選擇海水養殖大菱鲆外排水，水生植物選擇蘆葦濕地系統基質填料選擇珊瑚石、蜂石和細砂。實驗結果表明，添加硝化細菌可以提高系統對溶解性無機氮的去除率，且可以在短時間內迅速提高系統對NH4+-N去除率；間歇進水可以提高系統對溶解性無機氮和NH4+-N的去除率[7]。

有研究人員研究了人工濕地技術在農村污泥處理中的應用，論述了近年來國內外關于人工濕地技術在污泥處理中的研究進展，包括其主要設計參數、運行情況以及污泥干化蘆葦床的處理效果比較，其影響因素主要包括污泥負荷、植物、進泥周期、氣候條件等。同時還歸納了蚯蚓堆肥在污泥處理中的應用研究，提出了將蚯蚓堆肥技術與人工濕地相結合的強化型人工濕地技術[8]。

有研究人員研究了人工濕地對水體中抗生素的處理效果。目前，在中國地表水體中，常見的抗生素為磺胺嘧啶（SDZ）、磺胺二甲嘧啶（SMZ）、磺胺甲惡唑（SMX）、羅紅霉素（RTM）、環丙沙星（CFX）和四環素（TC）等，其主要來源于養殖廢水、醫療廢水及人類和動物的排泄物。植物通過自接吸收、植物根系分泌、根區環境改善等途徑，直接或間接地去除抗生素，去除效果因抗生素種類和植物種類不同而差別較大。基質的物理吸附、化學反應、微生物的種類、微生物群落多樣性和酶活性等因素也影響人工濕地對抗生素類污水的凈化效果。關于人工濕地對污水中抗生素的去除，在凈化機理、應用創新、種類拓展和應用推廣等方而有必要進一步研究。