高志勇，謝恒星，李吉鋒，劉史力

(1．渭南師范學(xué)院農(nóng)商學(xué)院，陜西 渭南714099;2．陜西省河流濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西渭南714099)

0 引言

目前，世界范圍內(nèi)的水資源短缺、污染和干涸等環(huán)境問題日益增多。然而，由于惡劣的環(huán)境和大量的環(huán)境污染，特別是在發(fā)展中國(guó)家，使得這些問題變得更加嚴(yán)峻。過去，大部分國(guó)家應(yīng)用傳統(tǒng)的集中污水處理系統(tǒng)成功地處理了污水。然而，這些污水處理技術(shù)，例如活性污泥法、膜生物反應(yīng)器和薄膜分析法，都相當(dāng)昂貴而且不是在城市的任何范圍都可執(zhí)行的。此外，當(dāng)面對(duì)更難處理的污水和更高要求的污水處理標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，這些方法便有了它們的局限性和不足性。所以，選擇更加低成本和更有效的污水處理方法，尤其是對(duì)發(fā)展中國(guó)家，有著更加重要的意義。從這一意義出發(fā)，人工濕地因具有低成本、低要求和易操作的特點(diǎn)，而成為處理污水的合理選擇。1953年，德國(guó)Max－Planck研究所在研究中發(fā)現(xiàn)，蘆葦可大量地去除無機(jī)物和有機(jī)物，從而開始了利用人工濕地處理污水的研究［1］;1972年，Kickuth又提出了根區(qū)理論［2］，更促進(jìn)了這一研究的發(fā)展;進(jìn)入20世紀(jì)80年代，人工濕地系統(tǒng)從試驗(yàn)階段進(jìn)入了應(yīng)用階段，首先應(yīng)用于小城鎮(zhèn)的污水治理。在大量污水治理的方法中，人工濕地處理技術(shù)因其出水水質(zhì)穩(wěn)定、耐沖力負(fù)荷強(qiáng)、運(yùn)行成本較低且容易維護(hù)而越來越受到重視，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)點(diǎn)面源污染、城市生活污水和富營(yíng)養(yǎng)化水體等的治理中。［3－4］探索研究人工濕地對(duì)污水治理、改善環(huán)境有著重要的作用。文章概括了人工濕地的定義、分類和應(yīng)用，探討了人工濕地可持續(xù)處理污水的平臺(tái)，討論了人工濕地的設(shè)計(jì)參數(shù)和操作條件，包括植被種類、基質(zhì)類型、水深、水力負(fù)荷、水力滯留時(shí)間及有關(guān)污水的可持續(xù)處理的供養(yǎng)模式。最后，強(qiáng)調(diào)了人工濕地的穩(wěn)定性和可持續(xù)性在未來研究中的重要意義。

1 人工濕地的含義和分類

1．1 人工濕地的含義

人工濕地是基于模擬自然濕地處理污水的原理而設(shè)計(jì)出來的，其主要由植被、基質(zhì)、土壤、微生物和水組成。它是利用復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物反應(yīng)過程，對(duì)各種污染物進(jìn)行凈化，改善水質(zhì)，起到改善環(huán)境的作用。［5］

1．2 人工濕地的分類

根據(jù)濕地水文地理的不同，處理污水的人工濕地可分為兩類:自由水面的人工濕地(FWS)和地下流的人工濕地(SSF)。［6］其中FWS系統(tǒng)類似于天然濕地，污水流在飽和的基質(zhì)之上;在SSF系統(tǒng)中，污水水平或垂直穿過支持它生長(zhǎng)著的植物，并根據(jù)流動(dòng)方向的不同，SSF型人工濕地又可分為垂直流(VF)的人工濕地和水平流(HF)的人工濕地。各種類型濕地系統(tǒng)的組合，稱為混合型人工濕地，同樣也用于污水處理。這種混合型人工濕地通常由幾種平行人工濕地類型中的兩種組成，如VF－HF型人工濕地、HF－VF型人工濕地、HF－FW型人工濕地和FWS－HF型人工濕地。［7］另外，由3種以上類型的人工濕地組成的混合型人工濕地已經(jīng)開始使用了。［8］近幾年來，為了提高人工濕地的凈化能力，人們改進(jìn)了許多人工濕地，例如，充入二氧化碳的人工濕地、阻礙流動(dòng)的人工濕地、分級(jí)進(jìn)給的人工濕地等。

2 人工濕地在處理污水中的研究

2．1 人工濕地在處理污水中的應(yīng)用

在早期，人工濕地主要用于處理家庭和城市污水。而現(xiàn)今，人工濕地的應(yīng)用已經(jīng)顯著擴(kuò)大到凈化農(nóng)業(yè)污水、工業(yè)污水、礦井排水、垃圾滲濾液、污染的河流和湖泊、城市和公路徑流，并且也有了適應(yīng)溫暖濕潤(rùn)、干旱、寒冷、熱帶等不同氣候的人工濕地。［9］從20世紀(jì)60年代末的第一個(gè)人工濕地的建成，到目前為止，歐洲已經(jīng)建立了超過50 000處的人工濕地，北美也有超過10 000處的人工濕地。［8－11］此外，在發(fā)展中國(guó)家，人工濕地有很好地取代傳統(tǒng)污水處理的前景，特別是在中國(guó)，已有數(shù)以萬計(jì)的人工濕地投入污水處理的應(yīng)用中。人工濕地處理技術(shù)通常都是選擇一些細(xì)沙、土壤作為填充物，不同的填充物具備不同的凈化功能。同時(shí)，人工濕地通常采用不同的多種植物，使得不同的植物能夠吸收不同的污染物。利用植物與基質(zhì)的有效協(xié)同配合，能夠?qū)⑽鬯木侍岣叩?0%以上，人工濕地處理污水技術(shù)對(duì)于農(nóng)藥、重金屬的去除率也能在 90%以上，除污能力可觀。［4，6－8］

在FWS人工濕地和SSF人工濕地中，處理含氮和含磷的物質(zhì)方面，F(xiàn)WS人工濕地能夠更有效地處理有機(jī)物和懸浮物［8］，然而，它們會(huì)在寒冷的氣候中和植物腐爛后失去凈化能力［10］。相較于FWS型人工濕地，SSF型人工濕地能更有效地凈化有機(jī)物、懸浮物、微生物污染和重金屬，且它們對(duì)冷不敏感，可以在寒冷的冬季運(yùn)作，然而，對(duì)于氮類物質(zhì)的處理，這種濕地要依賴于活水中氧和碳的含量，除非有高吸附能力的特殊材料，才能凈化污水中低含量的磷。［12］

2．2 人工濕地處理廢水的成本效益分析

基于Brundtland委員會(huì)提出的可持續(xù)發(fā)展的概念，成本效益分析已經(jīng)被視為可持續(xù)發(fā)展過程中的必要評(píng)估程序。對(duì)于傳統(tǒng)人工濕地的可持續(xù)性來說，成本效益分析主要包括土地的征用、投資和經(jīng)營(yíng)的成本、能源的消耗、生態(tài)效益等。以往的一系列研究表明，與傳統(tǒng)的污水處理廠(WWTP)相比，人工濕地在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)上有明顯的優(yōu)勢(shì)。［13］同樣，人工濕地在能源消耗方面，也比傳統(tǒng)的污水處理廠小很多。然而，人工濕地對(duì)土地的需求可能成為限制它廣泛應(yīng)用的主要因素，尤其是在一些土地資源稀缺、人口密度高的地區(qū)。另外，為了達(dá)到高效的凈化能力，像人工加入二氧化碳的這種創(chuàng)新方式，也會(huì)增加人工濕地的建設(shè)成本。

3 人工濕地的設(shè)計(jì)和操作

人工濕地的設(shè)計(jì)和操作內(nèi)容主要包括位置選擇、植物選擇、基質(zhì)選擇、污水類型選擇、水深與水力負(fù)荷率(HLR)、水力滯留時(shí)間(HRT)、運(yùn)作模式、維護(hù)過程等，其中植物選擇、基質(zhì)選擇、水深與水力負(fù)荷率、水力滯留時(shí)間和運(yùn)作模式，是建立一個(gè)可行人工濕地系統(tǒng)和成功處理污水的關(guān)鍵因子。［14］

3．1 人工濕地中植物的選擇

濕地植物的特點(diǎn)，在人工濕地處理污水的過程中起到關(guān)鍵性的作用，它們也被認(rèn)為是人工濕地處理污水設(shè)計(jì)中必需的組成部分。然而只有一少部分的植物被廣泛運(yùn)用到人工濕地系統(tǒng)中來。［15］所以，在如今人工濕地的設(shè)計(jì)研究中，人工濕地中植物種類的選擇也應(yīng)該受到重視。對(duì)于濕地植物的選擇，需要考慮浸水缺氧的耐受力、富營(yíng)養(yǎng)化的耐受力和吸收污染物的能力，也包括對(duì)極端環(huán)境的適應(yīng)力。

濕地植物被認(rèn)為是影響濕地中水質(zhì)量的主要因素之一。作為人工濕地的主要組成部分，濕地植物由于在凈化過程中的促進(jìn)作用和直接利用污水中的氮、磷和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)成為凈化過程中的媒介。［16］另外，濕地植物可以累積吸收有毒物質(zhì)，例如，污水中的重金屬和抗生素［17］，因而，相關(guān)專家開展了大量有關(guān)濕地植物處理污水能力的研究。濕地植物對(duì)于處理污水中的氮和磷有極大的作用，它們可以處理掉污水中15%～80%的氮和24%～80%的磷。［18］然而，另一些研究表明，濕地植物的作用會(huì)低一些，它們可以分別處理掉污水中總氮含量的 14．29%～51．89%、總磷含量的 10．76%～34．17%。［19－20］另外，研究指出不同的植物對(duì)重金屬的生物濃縮程度不同，地下生物量比地上生物量能更有效地移除重金屬。［21］

3．2 人工濕地基質(zhì)的選擇

基質(zhì)是人工濕地設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)，特別是對(duì)于SSF型人工濕地，因?yàn)樗鼮橹参锾峁┝讼鄳?yīng)的生長(zhǎng)介質(zhì)，同時(shí)也是污水流動(dòng)的介質(zhì)。［22］此外，基質(zhì)在吸附污水中的污染物時(shí)同樣起著重要作用。［23］因此，人工濕地在處理工業(yè)污水中的一個(gè)重要問題，就是合適基質(zhì)的選擇。由于基質(zhì)理化性質(zhì)影響人工濕地運(yùn)行的穩(wěn)定性和凈化能力，選擇合適的基質(zhì)能顯著提高濕地對(duì)污染物的處理效率。人工濕地多以當(dāng)?shù)刈匀煌寥罏榛|(zhì)，在土壤顆粒表面形成一層生物膜，污水流經(jīng)顆粒表面時(shí)，大量的不溶性有機(jī)物被填料阻擋截留，起到沉淀、過濾和吸附的作用。［4］

3．3 設(shè)計(jì)和操作的優(yōu)化

3．3．1 水深

水深是決定人工濕地中植物類型的關(guān)鍵因子，也是通過控制人工濕地中的氧化還原反應(yīng)和溶解氧的水平，影響對(duì)污染物的移除的生化反應(yīng)。［24］研究發(fā)現(xiàn)，莎草科濕地植物的豐富程度與水深有著十分密切的關(guān)系。［25］另外，García等在2004年的研究中，比較了0．27 m 深的濕地河堤和0．5 m 深的濕地河堤，表明系統(tǒng)中不同的水深將出現(xiàn)不同的污染物轉(zhuǎn)化能力。同樣地，García等在2005年又研究了在HF型人工濕地中不同水深對(duì)3年來污染物的凈化能力。研究結(jié)果表明，岸堤水深在0．27 m能更好地移除化學(xué)氧消耗的需求、生物氧的需求、氨和溶解的活性磷。［26］另外，Aguirre等在2005年實(shí)驗(yàn)調(diào)查了HF型人工濕地不同水深對(duì)有機(jī)物移除效率的不同，結(jié)果表明不同的水深將導(dǎo)致不同的代謝通路。［27］

3．3．2 水力負(fù)荷率和滯留時(shí)間

水文學(xué)參數(shù)是控制濕地功能的重要因子，其流速也決定著處理的程度。［28］水力負(fù)荷率(Hydraulic Loading Rate，HLR)和水力滯留時(shí)間(Hydraulic Retention Time，HRT)在人工濕地的凈化能力上起著十分重要的作用。一方面，好的HLR將促進(jìn)污水快速地通過介質(zhì)，減少了最優(yōu)處理時(shí)間;另一方面，人工濕地建立的合適的微生物種群，有助于適應(yīng)一個(gè)長(zhǎng)的HRT污染物處理時(shí)間。［6，11］

3．3．3 流入液的供給模式

流入液的供給模式是另一個(gè)重要參數(shù)，不同的供給模式(如持續(xù)的、批量的、間斷的)都將影響濕地系統(tǒng)中氧化還原的狀態(tài)，氧的轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散，相應(yīng)地改變了整個(gè)濕地的凈化能力。有各種研究致力于流入液供給模式對(duì)人工濕地凈化能力的影響。一般來說，批量的供給模式通過提高氧含量，比持續(xù)的供給模式有更強(qiáng)的處理能力。研究發(fā)現(xiàn)，人工濕地批量供給模式對(duì)銨的處理效率(95．2%)，比持續(xù)的供給模式對(duì)銨的處理效率(80．4%)有顯著提高。然而對(duì)于人工濕地批量供給模式比持續(xù)供給模式的凈化效率高這一論斷，現(xiàn)在還不能最終確定。［29］

間斷式供給模式被認(rèn)為能更有效地移除人工濕地污水中的氮和有機(jī)物。［6］Caselles－Osorio和 García在2007年評(píng)估了SSF型人工濕地間斷式供水模式和持續(xù)供水模式對(duì)污染物凈化效率的影響，指出間斷式供給模式比持續(xù)供給模式能更有效地將污水中的銨凈化掉。然而，持續(xù)供給模式比間斷供給模式能更有效地處理污水中的硫酸鹽。［30］在研究VF型人工濕地間斷式流入液和不同干燥時(shí)間對(duì)凈化效率的影響中，發(fā)現(xiàn)相比濕地系統(tǒng)中的持續(xù)供給模式，間斷式供給模式能夠提高對(duì)污水中低濃度的COD和TP的移除，而且由于間斷式供水模式提高了濕地中的氧含量，使得其對(duì)銨的移除效率顯著提高(超過90%)。同樣地，比較FWS型和SSF型人工濕地持續(xù)和間斷式供給模式對(duì)氮移除效率的影響，結(jié)果表明，在SSF型人工濕地中，間斷的供給模式對(duì)銨的移除有顯著提高，在FWS型人工濕地中沒有顯著變化。［31］

4 人工濕地運(yùn)作持續(xù)性的長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮

人工濕地處理污水被認(rèn)為在幾年后將被研究推廣成為一項(xiàng)可行的處理各種污水的技術(shù)。目前的研究表明，改善人工濕地的設(shè)計(jì)參數(shù)可以大幅度地提高污水的處理效率并且能使處理系統(tǒng)的持久運(yùn)行能力得到很大提高。例如，在處理高強(qiáng)度污水和寒冷的氣候條件下，可通過優(yōu)化水力學(xué)參數(shù)，改善運(yùn)作模式、污染物負(fù)荷、可能的植物種類和基質(zhì)的選擇，從而得到人工濕地更好的處理效率。然而，面對(duì)世界范圍內(nèi)對(duì)處理后污水重新使用的水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的提升，人工濕地依然存在一定的局限性，有必要開展進(jìn)一步的調(diào)查研究。

5 結(jié)語(yǔ)

多年來，人們已經(jīng)在人工濕地處理污水方面取得巨大成就，但與達(dá)到系統(tǒng)中水質(zhì)持續(xù)改善的設(shè)想仍有一定差距。與此同時(shí)，有關(guān)人工濕地處理污水的性能研究，在國(guó)際期刊和書籍中發(fā)表數(shù)量于近幾十年內(nèi)大幅度提升。所以，對(duì)近幾年有關(guān)人工濕地處理污水技術(shù)的知識(shí)和發(fā)展的討論和思考是十分必要的。未來的研究將著重強(qiáng)調(diào)提高人工濕地持續(xù)性的利用方面，這一問題的良好解決，將對(duì)治理污水、改善環(huán)境、提高人居生活水平，有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

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