丁 怡，孫 園，丁 冉，劉興坡，宋新山

（1.上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海201306；2.上海海事大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)模擬研究中心，上海201306；3.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海201620）

隨著全球經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的快速發(fā)展，加工及生產(chǎn)過(guò)程中衍生的各種污染物進(jìn)入水體，造成全球水環(huán)境污染總體趨勢(shì)愈發(fā)嚴(yán)峻。以我國(guó)為例，根據(jù)《2020中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，在開(kāi)展?fàn)I養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的110 個(gè)湖泊中，中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)湖泊占61.8%，氨氮、總磷和COD 仍是主要污染指標(biāo)。富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題不僅導(dǎo)致水體氧含量下降、水質(zhì)變差、水生動(dòng)植物生存環(huán)境受到破壞，也是藻類爆發(fā)和水華形成的重要因素，對(duì)飲用水安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅〔1-2〕。傳統(tǒng)的污水治理技術(shù)包括電解法、膜分離法、高級(jí)氧化法、活性污泥法及生物膜法等，雖然取得了一定成效，但普遍存在能耗大、技術(shù)成本高且無(wú)法長(zhǎng)期持續(xù)使用等缺點(diǎn)〔3〕。如何低成本、生態(tài)化、持續(xù)高效地去除導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的污染物質(zhì)，是提高流域水環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵所在〔4-5〕。人工濕地具有構(gòu)建使用成本低、操作維護(hù)簡(jiǎn)便、低能耗和高成效等優(yōu)點(diǎn)，可利用濕地中植物-基質(zhì)-微生物之間形成的物理-化學(xué)-生物復(fù)合修復(fù)機(jī)制協(xié)同凈化水體中常見(jiàn)的污染物質(zhì)〔6-7〕。但是，人工濕地當(dāng)前普遍面臨秋冬季節(jié)去除效率不佳的難題，主要原因在于低溫條件限制了植物和微生物的生長(zhǎng)，影響了植物吸收和微生物主導(dǎo)的降解除污過(guò)程。此外，濕地在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中亦面臨溶解氧不足和水力性能下降的困境，限制了氨氮轉(zhuǎn)化、總磷去除和有機(jī)污染物的好氧降解，使?jié)竦爻坌蔬M(jìn)一步下降〔8-9〕。筆者系統(tǒng)歸納了人工濕地對(duì)水體中氮、磷及有機(jī)污染物的生態(tài)修復(fù)機(jī)制，總結(jié)了影響人工濕地除污性能的主要因素，并在綜述文獻(xiàn)研究的過(guò)程中提出針對(duì)性的解決方法。最后，根據(jù)當(dāng)前人工濕地運(yùn)行過(guò)程中存在的主要問(wèn)題，提出了合理的建議及展望。

1 人工濕地生態(tài)除污機(jī)制

圖1 闡釋了人工濕地生態(tài)除污的機(jī)制。

圖1 人工濕地生態(tài)除污機(jī)制Fig.1 Ecological purification mechanisms in constructed wetlands

如圖1 所示，人工濕地通過(guò)植物、基質(zhì)和微生物3 部分的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)對(duì)水體污染進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)〔10〕，其中微生物主導(dǎo)的硝化反硝化作用是確保濕地有效除氮的關(guān)鍵所在〔11〕。濕地脫氮微生物主要包括硝酸菌、亞硝酸菌和反硝化細(xì)菌等，硝酸菌和亞硝酸菌通常在好氧條件下生長(zhǎng)，主導(dǎo)硝化反應(yīng)的發(fā)生，將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，因此濕地內(nèi)氧水平成為硝化作用的主要限制因素；反硝化細(xì)菌通常在缺氧或厭氧條件下生長(zhǎng)并主導(dǎo)反硝化過(guò)程的進(jìn)行〔12〕，將硝化反應(yīng)生成的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮逸出濕地〔13〕。因此，硝化反應(yīng)推動(dòng)了濕地脫氮的進(jìn)程，而反硝化反應(yīng)則實(shí)現(xiàn)了濕地脫氮的目標(biāo)。

基質(zhì)對(duì)磷的吸附是濕地除磷的重要途徑，其性能取決于基質(zhì)的化學(xué)組成（鋁、鐵和鈣的含量）和物理性質(zhì)（比表面積、孔隙度、粒徑大小），因此在濕地中應(yīng)首選吸附能力強(qiáng)、比表面積大的基質(zhì)〔14〕。此外，基質(zhì)也為微生物生長(zhǎng)繁殖提供了附著表面，在基質(zhì)表面形成的生物膜中，微生物和各類目標(biāo)降解物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)除污功效。特定微生物還可以同化吸收水體中的磷元素，例如聚磷菌對(duì)磷的攝取作用已成為濕地除磷的重要機(jī)制〔15〕，因此定期清洗基質(zhì)層中老化的生物膜，不僅有助于持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)揮濕地除磷功效，還可保障濕地水力性能的通暢。另外，植物生長(zhǎng)過(guò)程中也需要吸收一部分氮和磷作為營(yíng)養(yǎng)元素，因此在濕地中種植吸收氮磷能力強(qiáng)的植物亦有助于提高濕地除污能力。注重濕地植物級(jí)配，首選吸收能力強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)、四季常青的植物組合，可有力保障濕地植物在低溫環(huán)境下發(fā)揮除污效能〔16-20〕。

污水中的有機(jī)污染物通常分為3 種形態(tài)：可溶態(tài)、膠體態(tài)和微粒態(tài)。在人工濕地中，大多數(shù)膠體態(tài)和微粒態(tài)的有機(jī)物通過(guò)沉淀和過(guò)濾后被截留下來(lái)，而可溶態(tài)有機(jī)物作為污水中有機(jī)碳的主要組成，其去除過(guò)程較為復(fù)雜〔21〕，一般通過(guò)植物根系、基質(zhì)吸附及異養(yǎng)微生物代謝降解作用被去除。根據(jù)濕地內(nèi)氧環(huán)境差異，表層復(fù)氧及植物光合泌氧使人工濕地中上層區(qū)域內(nèi)保持較好的氧環(huán)境，促進(jìn)好氧微生物在植物根際及基質(zhì)生物膜內(nèi)生長(zhǎng)，保證有機(jī)物被好氧菌分解生成小分子的二氧化碳和水〔22〕；中下層區(qū)域因遠(yuǎn)離植物泌氧根區(qū)，一般呈現(xiàn)缺氧和厭氧狀態(tài)，厭氧微生物通常在該區(qū)域內(nèi)生長(zhǎng)，有機(jī)物易被厭氧菌分解成二氧化碳和甲烷〔23〕。

2 影響人工濕地去污的主要因素

2.1 低溫

植物和微生物不僅是人工濕地的重要組成部分，更是濕地發(fā)揮去污作用的重要參與者。然而低溫條件會(huì)對(duì)植物和微生物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制，進(jìn)而影響兩者除污作用的發(fā)揮。

大多數(shù)植物在低溫條件下會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)植物泌氧和新陳代謝能力都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，植物出現(xiàn)凋零衰敗的跡象，植物根區(qū)的好氧、缺氧和厭氧狀態(tài)遭受破壞，人工濕地氧水平被進(jìn)一步削弱，進(jìn)而導(dǎo)致硝化作用和有機(jī)物好氧降解能力受到限制；植物凋零衰敗后形成濕地枯落物，所吸收的氮磷隨之分解進(jìn)入濕地中，進(jìn)一步增加人工濕地的去污負(fù)荷〔24-25〕；同時(shí)植物殘?bào)w易造成濕地基質(zhì)堵塞，降低基質(zhì)間的水力傳遞效率和污水的處理總量，從而影響濕地凈污能力和除污效率。

濕地微生物一般最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境是25～35 ℃，而秋季平均氣溫為10～15 ℃，冬季平均氣溫為-5～5 ℃，顯然秋冬季節(jié)濕地微生物的生長(zhǎng)代謝和去污能力都將受到明顯抑制和影響。低溫主要通過(guò)減弱微生物細(xì)胞膜的滲透功能及體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)速率降低細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝速率，進(jìn)而影響細(xì)菌的降解能力和活性〔26〕。

2.2 濕地氧環(huán)境

目前，氨氮和有機(jī)物是地表水體中的主要污染因子，也是典型的耗氧污染物〔27〕。溶解氧作為人工濕地去除耗氧污染物的重要限制因素和控制條件，決定著氨氮和有機(jī)物是否能被有效去除〔28〕。人工濕地中氧環(huán)境存在如下變化規(guī)律：（1）濕地表層因接近大氣，復(fù)氧效果好，呈現(xiàn)好氧狀態(tài)，而底層則呈現(xiàn)明顯的缺氧或厭氧狀態(tài)；（2）濕地進(jìn)水區(qū)域氧含量相對(duì)較高，但隨著水體中氨氮和有機(jī)物在好氧條件下被轉(zhuǎn)化及降解，濕地沿程氧含量逐步減少，出水區(qū)域往往呈現(xiàn)缺氧的狀態(tài)；（3）濕地植物通過(guò)根系泌氧使近根區(qū)形成好氧狀態(tài)，而遠(yuǎn)離根際的區(qū)域則形成缺氧或厭氧狀態(tài)。因此，人工濕地內(nèi)氧含量會(huì)隨著時(shí)間及沿程而變化，當(dāng)污水總量或其中耗氧污染物濃度增高時(shí)，濕地沿程氧含量將驟減，直至消耗殆盡。其中，有機(jī)物好氧降解還將與硝化脫氮競(jìng)爭(zhēng)消耗溶解氧，導(dǎo)致硝化反應(yīng)進(jìn)行不暢；隨著有機(jī)物濃度減少，反硝化脫氮又將受到有機(jī)碳源不足的制約，最終導(dǎo)致總氮去除受到影響〔29-30〕。

種植根系泌氧能力強(qiáng)的植物、改變濕地運(yùn)行模式及人工機(jī)械增氧等，是改善濕地內(nèi)氧水平的主要方法〔31〕。其中植物泌氧能力有限，而間歇增氧和連續(xù)增氧是當(dāng)前使用較普遍的2 種人工機(jī)械增氧技術(shù)，但是連續(xù)增氧除了增加能耗及使用成本外，還易使?jié)竦卣w呈現(xiàn)好氧條件，不利于反硝化脫氮的進(jìn)行，進(jìn)而影響總氮的去除；間歇增氧能解決連續(xù)增氧產(chǎn)生的問(wèn)題，一方面降低能耗、減少操作成本，另一方面為濕地創(chuàng)造好氧-缺氧-厭氧的交替環(huán)境，使有著不同氧需求的微生物菌群發(fā)揮除污作用，更有利于氮、磷及有機(jī)污染物的去除〔32〕。另外，從節(jié)約能耗的角度出發(fā)，通過(guò)改變濕地運(yùn)行模式或利用藻類光合作用進(jìn)行無(wú)動(dòng)力增氧的方式，正受到廣泛關(guān)注及研究，以滿足生態(tài)化、低成本的可持續(xù)污水治理需要。

2.3 濕地水力性能

濕地水力性能的主要評(píng)價(jià)參數(shù)包括水流狀況、水力停留時(shí)間、水力負(fù)荷和水位變化等。在水力性能不佳的情況下，濕地易發(fā)生短流、水流滯留及死區(qū)面積擴(kuò)大等影響濕地運(yùn)行的問(wèn)題，因此適宜的水力狀況對(duì)保障濕地有效去污發(fā)揮著重要作用〔33〕。

基質(zhì)粒徑大小、水流流速、基質(zhì)材料屬性和進(jìn)出水方式共同影響著濕地中水體的流態(tài)及流程，其中基質(zhì)的顆粒大小主要決定著濕地系統(tǒng)的孔隙度和污染物質(zhì)在濕地中的停留時(shí)間。通常選擇較大粒徑的基質(zhì)和較低的水流流速，這樣能夠延長(zhǎng)水流流程和平均停留時(shí)間，進(jìn)而提高濕地的有效體積比和水力效率，使?jié)竦刂谢|(zhì)、微生物與污染物質(zhì)有更充分的接觸面積和反應(yīng)時(shí)間，進(jìn)而提升濕地去污效率〔34〕。另外，基質(zhì)材料屬性也是影響濕地水力性能的重要因素，當(dāng)人工濕地長(zhǎng)期處理高濃度的難降解有機(jī)廢水時(shí)，基質(zhì)極易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，進(jìn)而影響系統(tǒng)水力傳導(dǎo)性和除污效率，而鐵碳基質(zhì)可利用鐵碳顆粒間形成的原電池效應(yīng)促進(jìn)難降解有機(jī)物質(zhì)的分解，在提高廢水可生化性的同時(shí)，進(jìn)一步強(qiáng)化濕地除污效能〔35〕。濕地進(jìn)出水方式除了影響水流流程外，也將影響溶解氧分布，從而對(duì)耗氧污染物的去除產(chǎn)生影響。

水力停留時(shí)間是指污水進(jìn)入濕地后，在濕地內(nèi)的平均停留時(shí)間。停留時(shí)間越長(zhǎng)意味著污水與濕地中植物、基質(zhì)和微生物的接觸越充分，污水中的污染物越能夠通過(guò)物理、化學(xué)及生物機(jī)制等被逐步轉(zhuǎn)化并去除〔36〕。通常情況下，濕地內(nèi)污染物去除率與水力停留時(shí)間成正比，為降低濕地運(yùn)行成本、提高濕地去污總量，確定合理的水力停留時(shí)間是至關(guān)重要的管理措施。

水力負(fù)荷是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的污水水量，調(diào)控水力負(fù)荷就是決定污水在濕地內(nèi)的平均停留時(shí)間。當(dāng)水力負(fù)荷增大時(shí)，一方面意味著污水在濕地內(nèi)的停留時(shí)間變短，另一方面意味著污染物負(fù)荷有所增高。較高負(fù)荷的污染物無(wú)法被濕地內(nèi)植物、基質(zhì)及微生物充分吸收、吸附及降解，最終將影響濕地去污效率，因此確定適宜的水力負(fù)荷是發(fā)揮濕地水力性能的關(guān)鍵所在〔37〕。

水位變化能影響濕地內(nèi)的氧含量，因此通過(guò)設(shè)置人工濕地的飽和水位，可達(dá)到調(diào)控濕地內(nèi)好氧區(qū)及厭氧區(qū)分布的效果，以滿足不同去污微生物生長(zhǎng)繁殖所需的氧環(huán)境〔38〕。例如，通過(guò)調(diào)低濕地水位，可使?jié)竦鼗|(zhì)孔隙間產(chǎn)生空隙吸力，令空氣進(jìn)入基質(zhì)層間，好氧微生物將保持較高的活性，這有利于濕地硝化過(guò)程的進(jìn)行及有機(jī)物好氧降解；而當(dāng)調(diào)高水位至完全飽和狀態(tài)時(shí)，濕地整體趨于厭氧環(huán)境，反硝化細(xì)菌生長(zhǎng)得到有力保障，有助于硝態(tài)氮的高效去除〔39〕。

3 強(qiáng)化人工濕地去污效率的措施

3.1 強(qiáng)化濕地低溫去污措施

現(xiàn)有的低溫強(qiáng)化措施主要包括非生物強(qiáng)化和生物強(qiáng)化措施，其中非生物措施主要包括植物覆蓋和地膜覆蓋。植物覆蓋是指將收割后的植物覆蓋在濕地表層以起到保溫效果，該方法雖有一定成效，但鋪設(shè)植物殘?bào)w也易造成二次污染；地膜覆蓋是將薄膜覆蓋在濕地表面，該方法鋪設(shè)過(guò)程較復(fù)雜，投資高，同時(shí)易造成白色污染〔40〕。

常見(jiàn)的生物強(qiáng)化措施主要為培養(yǎng)低溫復(fù)合菌種和固定化微生物。復(fù)合菌種可以彌補(bǔ)單一菌種作用的局限性，Yuanyuan SHAO 等〔41〕從人工濕地植物根際土壤中分離出6 種耐低溫的異源反硝化菌株，將其培養(yǎng)成復(fù)合菌種后接種至人工濕地中，發(fā)現(xiàn)與沒(méi)有接種復(fù)合菌的濕地相比，接種復(fù)合菌的濕地對(duì)

COD、TP、NH4+-N 和TN 的去除率明顯提高，分別達(dá)到85.7%、90.4%、96.8%和96.7%；該復(fù)合菌提高了微生物的整體活性，但由于水流的侵蝕作用，微生物接種效率不夠穩(wěn)定，需多次接種以保障濕地除污菌種的有序生長(zhǎng)和存活。Xinyue ZHAO 等〔42〕將具有硝化和反硝化作用的混合菌株接種至垂直流人工濕地內(nèi)，發(fā)現(xiàn)與非生物強(qiáng)化系統(tǒng)相比，生物強(qiáng)化后的濕地內(nèi)COD、TN 和NH4+-N 的去除率分別提高了5.6%、8.8%和13.3%，這主要是因?yàn)榻?jīng)生物強(qiáng)化的濕地內(nèi)部建立了新的細(xì)菌群落平衡，豐富了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。微生物固定化技術(shù)將游離的微生物固定在特定區(qū)域，有效避免了菌種的流失，在增加微生物量的同時(shí)還能保持微生物代謝活性，實(shí)現(xiàn)菌株的連續(xù)重復(fù)利用〔43〕。微生物固定化技術(shù)主要包括交聯(lián)固定化、吸附固定化和包埋固定化技術(shù)，其中包埋固定化技術(shù)最常見(jiàn)〔44〕。王碩等〔45〕首先利用梯度降溫方式富集得到耐冷氨氧化功能菌群，隨后通過(guò)海藻酸鈉將其包埋固定后投加到人工濕地中，發(fā)現(xiàn)經(jīng)微生物固定化后，人工濕地內(nèi)氨氮平均去除率可達(dá)86%，比未固定微生物的對(duì)照組濕地提高了26%；微生物包埋固定化通過(guò)實(shí)現(xiàn)固液分離，降低外界不利環(huán)境及毒害物質(zhì)對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響，不僅充分保障了氨氧化功能菌群的增長(zhǎng)，也能促使?jié)竦仄渌N含量的提升，從而整體提高濕地對(duì)污染物的去除效果。鄒海燕等〔46〕利用聚乙烯醇和海藻酸鈉復(fù)合材料對(duì)低溫混合菌實(shí)現(xiàn)包埋固定化，并將其負(fù)載于生物炭上后投入人工濕地內(nèi)，發(fā)現(xiàn)人工濕地去污效率顯著提升，對(duì)COD、TN、NH4+-N 和TP 的去 除 率 分別達(dá)到92.21%、94.70%、91.08%和89.75%，且去污效率持續(xù)穩(wěn)定。導(dǎo)致此結(jié)果的原因可能是：（1）低溫混合菌能夠抵御并適應(yīng)寒冷環(huán)境，進(jìn)而增強(qiáng)人工濕地微生物除污過(guò)程；（2）生物炭比表面積大、吸附能力強(qiáng)，能夠改良土壤理化性狀，為植物和微生物生長(zhǎng)提供良好環(huán)境；（3）濕地利用負(fù)載固定化低溫混合菌的生物炭作為填料，增大了低溫菌附著面積和生物密度，為低溫環(huán)境下濕地除污提供有利條件。

3.2 調(diào)控濕地氧補(bǔ)充方式及水平

當(dāng)前，人工濕地內(nèi)溶解氧水平總體呈現(xiàn)不足的態(tài)勢(shì)，限制了氨氮和有機(jī)污染物的轉(zhuǎn)化和去除。為改善這個(gè)問(wèn)題，研究人員嘗試了多種增氧技術(shù)，目前常見(jiàn)的濕地增氧方式見(jiàn)表1。

如表1 所示，常見(jiàn)濕地增氧方式主要包括：（1）通過(guò)自然改變濕地運(yùn)行方式來(lái)提高濕地氧含量，例如采取潮汐流運(yùn)行、跌水復(fù)氧及出水回流模式等，該方法能耗低、使用簡(jiǎn)便；（2）人工機(jī)械增氧，即通過(guò)鋪設(shè)多孔換氣管、鼓風(fēng)曝氣、進(jìn)水預(yù)曝氣和噴淋進(jìn)水等方式增氧，該增氧方式能耗較高，但增氧效果較顯著，通常使用的增氧策略為間歇增氧或連續(xù)增氧，增氧位置為水平潛流人工濕地的前端、中端或后端及垂直潛流人工濕地的表層、中層或下層；（3）利用藻類、植物和蚯蚓等生物實(shí)現(xiàn)濕地增氧。

表1 常見(jiàn)濕地增氧方式對(duì)比Table 1 Comparison of common aeration technologies in constructed wetlands

跌水增氧是常見(jiàn)的自然增氧方式之一。王寧寧等〔56〕通過(guò)回流泵將出水回流至進(jìn)水處，再采用自然跌水方式，使水流跌入濕地，形成復(fù)氧進(jìn)水效應(yīng)，經(jīng)研究證實(shí)，當(dāng)濕地內(nèi)溶解氧維持在8 mg/L 時(shí)，氨氮、總氮、總磷和COD 的去除率達(dá)到最高，分別為94.70%、91.00%、80.13%和86.56%。自然跌水復(fù)氧過(guò)程一方面對(duì)水流產(chǎn)生推動(dòng)作用，另一方面有助于提高濕地微生物種類和活性，進(jìn)而促進(jìn)濕地的去污效果。出水回流增氧通過(guò)將濕地出水重新引入濕地的方式使?jié)竦匮鹾康玫接行аa(bǔ)充，同時(shí)進(jìn)一步提升污染物深度凈化的效果。

作為新興的人工濕地系統(tǒng)，潮汐流人工濕地可利用淹沒(méi)和排水交替運(yùn)行的方式將大氣中的氧氣吸入濕地填料中，解決間歇或連續(xù)增氧方式產(chǎn)生的高能耗問(wèn)題。潮汐流運(yùn)行模式為微生物生長(zhǎng)提供了有利的微環(huán)境，并有效提高了濕地內(nèi)微生物群落豐度，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能增氧的同時(shí)，也達(dá)到顯著提升濕地去污效率的目標(biāo)。Jing LI 等〔57〕比較了間歇增氧和潮汐流運(yùn)行增氧對(duì)人工濕地氧水平及去污效能的影響，結(jié)果顯示，潮汐流人工濕地中氧的傳輸效率及含量最高，NH4+-N（98.30%）、TN（72.22%）及COD（93.21%）的平均去除率最佳。

尚亞丹等〔58〕比較了不曝氣、間歇曝氣和連續(xù)曝氣3 種條件下人工濕地對(duì)生活污水的處理效果，結(jié)果顯示間歇曝氣條件下濕地去污的整體效率最佳，對(duì)生活污水中NH4+-N、TN、TP 和COD 的去除率分別達(dá)到99.70%、78.49%、90.30%和98.58%。微曝氣增氧和間歇曝氣均為相對(duì)經(jīng)濟(jì)且有效的增氧技術(shù)，但微曝氣通常只能實(shí)現(xiàn)局部增氧且增氧量相對(duì)有限。要想經(jīng)濟(jì)、快速、有效地提升人工濕地的去污效率和降低能源消耗，需根據(jù)人工濕地類型和污水性質(zhì)，探究合適的增氧條件（曝氣量、曝氣時(shí)間、曝氣速率、曝氣范圍）。Haiming WU 等〔59〕研究了曝氣時(shí)間（1～10 h/d）和曝氣速率（0.1～2.0 L/min）對(duì)垂直流人工濕地凈化生活污水的影響，結(jié)果表明當(dāng)曝氣時(shí)間和速率 分 別 為4 h/d 和1.0 L/min 時(shí)，COD、NH4+-N 和TN去除率最高，分別達(dá)到97.2%、98.4%和90.6%。此外，調(diào)控間歇曝氣增氧策略不僅有助于提高濕地氧含量，同時(shí)還可以優(yōu)化濕地氧分布，為去除氨氮和有機(jī)污染物創(chuàng)造好氧-厭氧交替的有利條件。Xiaoou WANG 等〔60〕研究發(fā)現(xiàn)曝氣位置可以影響濕地內(nèi)溶解氧的分布，進(jìn)而對(duì)不同區(qū)域內(nèi)污染物的去除產(chǎn)生影響。從垂直流人工濕地中層開(kāi)啟增氧時(shí)，溶解氧可同時(shí)向上下2 個(gè)方向擴(kuò)散，因此拓展了濕地好氧區(qū)域，此時(shí)COD 和氨氮得到更有效的去除；而從垂直流人工濕地底層開(kāi)啟增氧時(shí)，溶解氧分布單一化，好氧區(qū)域主要集中在底層，氧濃度由底層到表層呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，表層更有利于總氮去除。

Qiu JIN 等〔54〕向人工濕地中引入蚯蚓后發(fā)現(xiàn)出水水質(zhì)滿足城市污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，蚯蚓的引入不僅可以改善溶解氧的狀況，還可以疏通基質(zhì)，緩解濕地基質(zhì)堵塞的難題。Yi DING 等〔61〕將高效藻類塘與人工濕地聯(lián)用后發(fā)現(xiàn)，污水在高效藻類塘內(nèi)停留一段時(shí)間后，藻類光合作用釋放的氧氣顯著提高了水體中的氧含量，當(dāng)這部分富氧水體進(jìn)入人工濕地后，濕地內(nèi)氧環(huán)境得到明顯改善，促進(jìn)濕地硝化反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，也有利于水體中總氮的去除。

3.3 改進(jìn)濕地水力性能

水力性能和去污效果是人工濕地2 個(gè)最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，而人工濕地去污效果與濕地的水流運(yùn)動(dòng)狀況、水深、水力停留時(shí)間和水力負(fù)荷等有著密切聯(lián)系，優(yōu)化水力運(yùn)行條件可以改善濕地內(nèi)部的水力性能，從而提高濕地的去污效果。Yuhui WANG 等〔62〕通過(guò)氯化鈉和染料示蹤試驗(yàn)考察了基質(zhì)粒徑、水流流速和進(jìn)出水方式對(duì)人工濕地水力性能及運(yùn)行效果的影響，結(jié)果顯示，選擇較大粒徑的基質(zhì)和較低的水流流速能促進(jìn)水流平穩(wěn)、均勻地向前推動(dòng)，減少死區(qū)面積和短流現(xiàn)象發(fā)生；另外，濕地底部進(jìn)水和頂部出水的運(yùn)行方式能使水流克服重力流動(dòng)，延長(zhǎng)水流流程，提高濕地有效體積比和水力性能。郭士林等〔63〕設(shè)置4 個(gè)水位變幅（0、3、6 和9 cm/d）研究水位變化對(duì)水平潛流人工濕地脫氮效率的影響，結(jié)果表明，水位變化可改變濕地氧環(huán)境，有助于提高濕地內(nèi)硝化強(qiáng)度，但一定程度上也抑制了反硝化強(qiáng)度；水位變幅6 cm/d 的濕地系統(tǒng)內(nèi)氮素去除效果最佳。周斌等〔64〕探討了間歇和連續(xù)運(yùn)行方式對(duì)水平潛流人工濕地脫氮效率的影響，結(jié)果證實(shí)間歇運(yùn)行方式下濕地的硝化和反硝化作用均優(yōu)于連續(xù)運(yùn)行方式，主要原因在于間歇運(yùn)行有利于濕地復(fù)氧，使人工濕地內(nèi)形成好氧-缺氧-厭氧的交替環(huán)境，不僅解除了濕地脫氮的限制性因素，還能確保硝化和反硝化過(guò)程同時(shí)暢通，提升總氮去除效果。K.ANGASSA 等〔65〕將水力負(fù)荷由0.025 m/d 調(diào)整至0.05 m/d 后發(fā)現(xiàn)，人工濕地中COD、TN 和TP 的去除率分別由95.0%、95.2%和95.2%下降至90.8%、86.8%和88.5%，提高水力負(fù)荷意味著增加了系統(tǒng)中有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)負(fù)荷，同時(shí)減少了這部分污染物在系統(tǒng)中的停留和反應(yīng)時(shí)間，從而降低了濕地去污效率；研究還發(fā)現(xiàn)與有機(jī)物去除相比，水力停留時(shí)間延長(zhǎng)對(duì)總氮去除的影響更明顯，因?yàn)闈竦匮鹾侩S著停留時(shí)間延長(zhǎng)而逐步減少，為厭氧反硝化的充分進(jìn)行創(chuàng)造了有利環(huán)境，總氮去除率因此獲得提升。王櫹橦等〔66〕構(gòu)建了三級(jí)復(fù)合潛流人工濕地，其中一、二級(jí)處理單元為上行流布水效果的垂直潛流濕地，而三級(jí)處理單元為下行流布水效果的水平潛流濕地，該布水方法既可避免濕地“短流”問(wèn)題產(chǎn)生，又增大了濕地的作用面積，使污水與濕地中植物、基質(zhì)和微生物的接觸更充分，有助于進(jìn)一步提高濕地的除污效率；復(fù)合濕地系統(tǒng)對(duì)COD 和NH4+-N 均有著較好的處理效果，最佳水力負(fù)荷區(qū)間為0.356～0.378 m3（/m2·d），而COD和NH4+-N 的最佳水力停留時(shí)間梯度區(qū)間分別為0.76～0.80 d 和0.79～0.85 d。因此，適宜的水力負(fù)荷和水力停留時(shí)間有助于提高濕地水力性能及除污效果。

4 結(jié)語(yǔ)和展望

（1）低溫條件已經(jīng)成為制約人工濕地運(yùn)行效率和除污效果的主要因素，造成人工濕地在我國(guó)北方地區(qū)的推廣普及受到嚴(yán)重限制。一系列新型濕地應(yīng)運(yùn)而生，例如鐵碳微電解人工濕地、電極強(qiáng)化型人工濕地和微生物燃料電池型人工濕地。新型濕地旨在解決低溫條件下微生物生長(zhǎng)和活性受限的難題，其能較好地改善濕地水力條件、促進(jìn)微生物生長(zhǎng)繁殖；但其使用成本較高，運(yùn)行穩(wěn)定性和成效性有待長(zhǎng)期驗(yàn)證，對(duì)于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平相對(duì)滯后的偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)而言，推廣應(yīng)用仍需時(shí)日。如何經(jīng)濟(jì)、快速、有效地提高低溫條件下人工濕地的除污效果和應(yīng)用范圍是今后的研究重點(diǎn)。

（2）氧含量對(duì)濕地中微生物生長(zhǎng)和耗氧污染物去除有較大影響。通常，好氧環(huán)境中微生物種類更豐富、微生物群落多樣性更高。間歇或連續(xù)曝氣是常用的動(dòng)力增氧技術(shù)，效果雖好，但成本較高；采取潮汐流運(yùn)行、自然跌水復(fù)氧或藻類光合增氧等無(wú)動(dòng)力增氧方式，不僅能降低濕地運(yùn)行成本，同時(shí)可有效提高濕地氧含量。但氧含量過(guò)高也易造成濕地系統(tǒng)內(nèi)碳源不足，碳氧水平的有效調(diào)控是提高濕地除污效果的關(guān)鍵。今后的研究應(yīng)利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理，深入分析人工濕地生態(tài)系統(tǒng)中碳氮氧平衡變化和微生物生長(zhǎng)參數(shù)之間的相互關(guān)系，為優(yōu)化人工濕地的調(diào)控管理提供科學(xué)依據(jù)。

（3）污染物負(fù)荷過(guò)高，加重濕地負(fù)荷，導(dǎo)致污染物在濕地中的反應(yīng)時(shí)間減少，同時(shí)可能加重濕地基質(zhì)堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，影響人工濕地處理時(shí)效和使用壽命。選擇較大粒徑的基質(zhì)、較低的水流流速及底端進(jìn)水-頂端出水的運(yùn)行方式，能延長(zhǎng)水流流程和平均停留時(shí)間，減少死區(qū)面積，提高濕地的有效體積比和水力效率。今后應(yīng)當(dāng)以不同類型的人工濕地為研究對(duì)象，構(gòu)建并求解相對(duì)應(yīng)的水力數(shù)學(xué)模型和水質(zhì)處理數(shù)學(xué)模型，以掌握各類型人工濕地的水力效率和特性，為進(jìn)一步優(yōu)化濕地結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行效率和去污效果提供理論依據(jù)。