人工濕地應(yīng)用于污水凈化的研究始于20世紀(jì)70年代末，它是一個(gè)自適應(yīng)系統(tǒng)，克服了在污水處理中使用化學(xué)方法易造成二次污染和物理方法治標(biāo)不治本的缺點(diǎn)，具有投資小、處理效果好、運(yùn)行維護(hù)方便等特點(diǎn)，可作為傳統(tǒng)污水處理技術(shù)的一種有效替代方案。目前人工濕地被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水、生活污水、礦山及石油開采廢水的處理，水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的治理，以及污染水體的生態(tài)修復(fù)，并將人工濕地系統(tǒng)構(gòu)建成為觀賞性美學(xué)景觀；特別是人工濕地生態(tài)系統(tǒng)為處理污水中的氮、磷的去除提供了一種新的選擇。

人工濕地是指人工建造和監(jiān)督控制的，類似于沼澤的地面，其設(shè)計(jì)是通過(guò)對(duì)濕地自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物作用的優(yōu)化組合，利用這3種作用的協(xié)調(diào)關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)污水的凈化作用。水體、基質(zhì)、濕生植物和微生物是構(gòu)成人工濕地污水處理系統(tǒng)的4個(gè)基本要素。基質(zhì)在為植物和微生物提供生長(zhǎng)介質(zhì)的同時(shí)，也能夠通過(guò)沉淀、過(guò)濾和吸附等作用直接去除污染物。大型濕地植物既是微生物的“固定化載體”，氧氣的生產(chǎn)和運(yùn)輸“機(jī)器”，同時(shí)還能夠穩(wěn)固濕地床表面，起到冬季保溫和支撐冰面的作用。微生物是消除污染物的作用者，它能夠在去除氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物的同時(shí)把有機(jī)質(zhì)作為豐富的能源轉(zhuǎn)化為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量。

人工濕地根據(jù)其具體用途至少可分為4大類：①人工生境濕地，協(xié)助天然濕地用于生物多樣性的保護(hù)；②人工抗洪濕地，用于控制洪水或泄洪；③人工水產(chǎn)濕地，用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與水產(chǎn)養(yǎng)殖；④人工處理濕地，用于污水污物處理。目前提及的人工濕地污水凈化系統(tǒng)通常是指處理濕地。

人工濕地還可以按污水在濕地床中流動(dòng)的方式不同而分為三種類型：地表濕地（Surface Flow Wetland，SFW）、潛流濕地（Subsurface Flow Wetland，SSFW）和垂直流濕地（Vertical Flow Wetland，VFW）。

人工濕地有以下特點(diǎn)：①造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用便宜，易于維護(hù)；②可進(jìn)行有效可靠的廢水處理；③可緩沖對(duì)水力和污染負(fù)荷的沖擊；④可產(chǎn)生效益，如水產(chǎn)、畜產(chǎn)、造紙?jiān)稀⒔ú�、綠化、野生動(dòng)植物棲息、娛樂(lè)和教育等方面。

1、人工濕地氮磷的去除機(jī)理

人工濕地生態(tài)系統(tǒng)凈化污水的原理是利用系統(tǒng)中的物理、化學(xué)、生物的協(xié)同作用，通過(guò)土壤過(guò)濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的高效凈化。即污水在沿一定方向流動(dòng)的過(guò)程中，在濕地土壤、植物和微生物共同作用下得到了高效的凈化。

1.1  氮的去除

人工濕地對(duì)氮的去除主要依靠微生物的氨化、硝化、反硝化等作用完成。這三個(gè)重要的過(guò)程一般可以同時(shí)發(fā)生在人工濕地系統(tǒng)中，但其發(fā)生的程度卻有所不同。反硝化作用是系統(tǒng)最有效的除氮途徑，即進(jìn)入系統(tǒng)的氧化態(tài)氮越少，系統(tǒng)總氮的去除效果越有效。其次是硝化作用，此過(guò)程需要有一定的溶解氧水平，對(duì)于1.0 mg/L的氨氮，當(dāng)系統(tǒng)中溶解氧大于4.6 mg/L時(shí)，硝化過(guò)程才能順利進(jìn)行，但也有研究表明氮的去除主要通過(guò)廢固體物的沉積作用而去除的，去除率是進(jìn)水氮量的57.6%，再者是反硝化作用，約占40.9%。氨氮的去除受季節(jié)變化的影響，主要起作用的是溫度、質(zhì)量負(fù)載率和流入鹽度三個(gè)因素。其中質(zhì)量負(fù)載率是控制氨氮去除率的關(guān)鍵因素，它隨著溫度的升高呈指數(shù)下降，與鹽度成反比。水流速、水力負(fù)荷以及植物的覆蓋也是關(guān)系到氮去除率的重要因素。

濕地植物雖然亦吸收一部分無(wú)機(jī)氮作為自身的營(yíng)養(yǎng)成分，用于合成植物蛋白等有機(jī)氮，進(jìn)而通過(guò)植物的收割而去除。但這一部分僅占總氮量的8%~16%，因而不是脫氮的主要過(guò)程。植物除了對(duì)污染物直接吸收外，還有重要的間接作用：將氧氣從上部輸送至植物根部，從而在植物根部附近形成一個(gè)好氧環(huán)境，而隨著離根系距離的逐漸增大，濕地中依次出現(xiàn)缺氧、厭氧狀態(tài)，這樣的條件有利于硝化菌和反硝化菌的生長(zhǎng)，進(jìn)而增強(qiáng)濕地微生物的硝化和反硝化作用，提高污水中氮的凈化效率。此外，重金屬有阻礙植物吸收氨氮的作用。去除氮的過(guò)程還可能涉及揮發(fā)作用、填料吸附的作用，但它們所攝取的氮量是十分有限的。

總而言之，由于基質(zhì)吸附的氮素?cái)?shù)量有限，從人工濕地長(zhǎng)期運(yùn)行角度來(lái)看，濕地微生物的硝化和反硝化作用是其氮素凈化的主要途徑，濕地植被根系微生物能增強(qiáng)其作用，提高人工濕地的氮素凈化效率。氮的去除機(jī)理和反應(yīng)過(guò)程十分復(fù)雜，但也是上述人工濕地污水處理系統(tǒng)的4個(gè)基本要素相互作用的結(jié)果。

1.2  磷的去除

污水中磷的存在形態(tài)取決于污水中磷的類型，最常見的有磷酸鹽（包括PO4-、HPO4-、PO43-）、聚磷酸鹽和有機(jī)磷酸鹽等。人工濕地對(duì)于磷亦有較好的去除效果，主要取決于植物吸收、基質(zhì)的吸附過(guò)濾和微生物轉(zhuǎn)化三者的共同作用。磷和氮一樣，都是植物的必需元素，污水中的無(wú)機(jī)磷在植物的吸收和同化作用下被合成ATP等有機(jī)成分，通過(guò)收割而從系統(tǒng)中去除。微生物對(duì)磷的去除作用包括微生物對(duì)磷的正常吸收和過(guò)量積累，濕地中某些細(xì)菌種類因從污水中吸收超過(guò)其生長(zhǎng)所需的磷，而微生物細(xì)胞的內(nèi)含物儲(chǔ)存過(guò)量積累，可通過(guò)對(duì)濕地床的定期更換而將其從系統(tǒng)中去除。

濕地中土壤和填料在為植物和微生物提供生長(zhǎng)介質(zhì)的同時(shí)，還能通過(guò)離子交換、專性與非專性吸附、螯合和沉降反應(yīng)等作用直接去除磷，從而使土壤和填料中的這些元素聚積量急劇升高。填料對(duì)磷的吸附隨著填料的不同而存在著差異。當(dāng)填料含有較多鐵、鉛氧化物時(shí)，磷酸根可通過(guò)配位體交換被吸附到鐵、鉛離子表面，也有利于形成溶解度很低的磷酸鐵與磷酸鉛；而當(dāng)填料中鈣含量較高時(shí)，磷可與鈣反應(yīng)生成不溶性的磷酸鈣而從污水中沉淀下來(lái)。

人工 濕地去除P主要是由于吸附、結(jié)合，與Ca、Al、Fe和土壤顆粒的沉淀反應(yīng)及泥炭積累，其中泥炭積累是不可持續(xù)的工藝。當(dāng)系統(tǒng)中填料的吸附容量達(dá)到飽和，且進(jìn)水濃度較低時(shí)，會(huì)發(fā)生P的釋放，使得出水的P濃度大于進(jìn)水。另外，腐爛的植物組織會(huì)成為P的釋放源，為了去除植物體中積累的P，有必要定期收割濕地植物。

2、提高氮磷去除率的研究

氮、磷作為生物生長(zhǎng)發(fā)育所需的兩種重要元素，通常以多種形態(tài)存在于廢水中而引起水體的富營(yíng)養(yǎng)化，這樣不僅降低水體水質(zhì)和影響水體功能，而且威脅到人類生存的環(huán)境，所以長(zhǎng)期以來(lái)污水除氮、磷一直是污水處理的一項(xiàng)很重要的任務(wù)。提高人工濕地的氮磷去除率主要是通過(guò)濕地植物、基質(zhì)以及微生物的共同作用來(lái)完成的。

2.1  植物

人工濕地根據(jù)濕地中的主要植物形式可分為浮水植物系統(tǒng)、挺水植物系統(tǒng)和沉水植物系統(tǒng)。在人工濕地污水處理系統(tǒng)中，水生植物特別是挺水植物是人工濕地處理系統(tǒng)的重要有機(jī)組成部分，因此能否正確地選擇合適的植物將直接影響到氮的去除效率。Anders認(rèn)為植物在濕地處理中有正面和負(fù)面的作用，植物提供了細(xì)菌環(huán)境（特別是硝化細(xì)菌），但也增加了水?dāng)U散的停留時(shí)間，同類型的水生植物有利于提高氮的去除率。

魯敏等研究了香蒲、美人蕉、燈芯草、蘆葦、菖蒲、茭白和黃花鳶尾這7種武漢地區(qū)常見濕地植物對(duì)生活污水的處理效果。研究表明停留時(shí)間選擇1 d時(shí)，出水中的TN和TP濃度基本上已達(dá)到污水綜合排放的標(biāo)準(zhǔn)（GB 8978—1996），其中香蒲、美人蕉、黃花鳶尾、茭白和菖蒲的處理效果相對(duì)較好。Chris比較了流入污水的水質(zhì)對(duì)濕地去除氮、磷的影響，停留時(shí)間從2 d增加到7 d，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在沒有種植植物的濕地中TN的和TP的去除率分別從相同的12%增加到41%和36%，而在種植了棒燈芯草時(shí)分別從48%和37%增加到75%和74%，但當(dāng)流入污水中氮磷含量增加時(shí)，種植了植物的濕地去除效果有一定程度的提高，沒有種植植物的卻下降。成水平專門考察了香蒲和燈芯草兩種濕地植物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)人工濕地基質(zhì)中氮、磷的含量分別比無(wú)植物的對(duì)照基質(zhì)中的含量低18%~28%和20%~31%。香蒲還能在咸的污水中較好地去除N和BOD5。

在處理輕度富營(yíng)養(yǎng)化水的人工濕地中,植物吸收對(duì)氮磷的去除起主要作用。蔣躍平研究的17種植物平均氮磷積累量對(duì)去除水中氮磷的貢獻(xiàn)率分別為46.8%和51.0%，且氮磷積累量主要集中在植物的地上部,其貢獻(xiàn)率分別為38.5%和40.5%，所以通過(guò)對(duì)植物地上部分的收割,就可以去除水中大部分的N、P。為了篩選對(duì)氨氮濃度比較高廢水有較強(qiáng)適應(yīng)能力的濕地植物，有人從野外采集12種植物，種在不同濃度豬場(chǎng)廢水中作水培觀察，并從耐污力、地上部生物量、根系、景觀、易管理等5方面指標(biāo)分別給予綜合評(píng)定。結(jié)果表明，風(fēng)車草和香根草最適合用作豬場(chǎng)廢水處理的人工濕地植物。風(fēng)車草可以在COD 2800 mg/L、NH3-N 390 mg/L以下豬場(chǎng)廢水中生長(zhǎng)，香根草可以在COD 1300 mg/L、NH3-N 200 mg/L以下的豬場(chǎng)廢水中生長(zhǎng)。而相同情況下風(fēng)車草遷移N、P等養(yǎng)分的能力要比香根草高4~7倍。

由于利用水生植物凈化污水效果主要依靠植物運(yùn)送氧氣到根區(qū)的能力，因而，選擇合適的水生植物種類在凈化污水過(guò)程中至關(guān)重要，從目前人工濕地運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，人們?cè)谶x擇濕地植物時(shí)一般從以下幾方面考慮:適合試驗(yàn)地區(qū)氣候土壤環(huán)境條件的鄉(xiāng)土植物；根系發(fā)達(dá)，生物量較大，一般為多年生，莖葉繁茂；抗病蟲害的能力強(qiáng)；耐污能力和抗寒能力強(qiáng)；具有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2.2  基質(zhì)

目前廣泛應(yīng)用的人工濕地主要由沙粒、沙土、土壤、石塊為基質(zhì)，這些基質(zhì)一方面為微生物的生長(zhǎng)提供穩(wěn)定依附表面，同時(shí)也為水生植物提供了載體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。當(dāng)污水流經(jīng)人工濕地時(shí)，基質(zhì)通過(guò)一些物理的和化學(xué)的途徑（如吸收、吸附、濾過(guò)、離子交換、絡(luò)合反應(yīng)等）來(lái)凈化除去污水中的N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。在早期的研究中，頁(yè)巖由于具有良好的物化性質(zhì)，能極好地去除P且適合于植物生長(zhǎng)而受到青睞。后來(lái)總結(jié)出富含鈣和鐵鋁質(zhì)的基質(zhì)，凈化污水中磷素能力較強(qiáng)，而硅質(zhì)含量較高的基質(zhì)凈化能力較差的規(guī)律。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)沙子除P能力的主要決定因素是鈣的含量，特別是在偏堿性的污水中，較高的鈣含量促成幾乎不溶的磷酸鈣沉淀，相反在酸性污水中，鐵和鋁的含量對(duì)于沉淀反應(yīng)更為重要。

袁東海等以常見的人工濕地基質(zhì)材料為研究對(duì)象，考察了磷素污染物在濕地基質(zhì)系統(tǒng)中形態(tài)轉(zhuǎn)化。基質(zhì)磷素飽和吸附實(shí)驗(yàn)表明，礦渣和粉煤灰凈化磷素能力最強(qiáng)，其次為蛭石、黃褐土和下蜀黃土，砂子和沸石凈化磷素能力最差。由于砂子和沸石顆粒較粗、濾過(guò)性能較好，適合作為潛流型人工濕地基質(zhì)，為了提高其磷素凈化容量，可在砂子和沸石基質(zhì)中添加磷素吸附性能較強(qiáng)的基質(zhì)材料。粉煤灰和礦渣基質(zhì)磷素吸附容量很大，且磷素釋放量很低，是一種很好的凈化磷素的基質(zhì)材料，但是其堿性較大，不適合植物的生長(zhǎng)，可以作為人工濕地砂子基質(zhì)或土壤基質(zhì)的中間吸附層。黃褐土、下蜀黃土、蛭石由于其通透性較差，多用作表面流人工濕地基質(zhì)，因其磷素吸附容量較大，如果加強(qiáng)濕地植被的管理，短期內(nèi)不會(huì)達(dá)到磷素吸附飽和。加強(qiáng)人工濕地基質(zhì)的管理，上述人工濕地基質(zhì)材料的使用一般不會(huì)造成水體二次污染。

Andrea等采用鈣硅石作為濕地生態(tài)系統(tǒng)的基質(zhì)用于去除二級(jí)廢水中可溶解的磷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)11個(gè)垂直上流式的柱子中有9個(gè)去除率達(dá)到80%~96%，當(dāng)停留時(shí)間大于40 h，出水中可溶解磷的平均濃度為0.28 mg/L。

2.3  微生物

利用人工濕地處理污水時(shí)，氮化合物的脫氮作用和磷化合物的轉(zhuǎn)化等主要是由濕地植物根區(qū)的微生物活動(dòng)來(lái)完成的，人工濕地中微生物的活動(dòng)是廢水中有機(jī)物降解的基礎(chǔ)機(jī)制。植物根系將氧氣輸送到根區(qū)，形成了根表面的氧化狀態(tài)，廢水中大部分的有機(jī)物質(zhì)在這一區(qū)域被好氧微生物分解成為CO2和水，氨則被這一區(qū)域的硝化細(xì)菌硝化；離根表面較遠(yuǎn)的區(qū)域氧氣濃度降低（屬于兼性厭氧區(qū)），硝化作用仍然存在，但主要是靠反硝化細(xì)菌將有機(jī)物降解，并使氮素物質(zhì)以氮?dú)獾男问结尫诺酱髿庵小?/p>

李旭東對(duì)沸石蘆葦床去除農(nóng)田回歸水和農(nóng)村生活污水組成的混合污水中的氮進(jìn)行了中試研究。結(jié)果表明，在0.6 m/d的水力負(fù)荷下，系統(tǒng)對(duì)總氮、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的平均去除率冬季和春季分別為38.9%和58.2%，93.11%和78.84%，10.01%和48.99%，38.81%和98.45%。由于春季適合微生物生長(zhǎng)，沸石表面掛膜情況比冬季要好得多，所以春季運(yùn)行效果明顯好于冬季。

此外，可以通過(guò)植物根分泌物影響系統(tǒng)中微生物的特性進(jìn)而影響系統(tǒng)的處理效果，系統(tǒng)中微生物數(shù)量與凈化效果呈顯著正相關(guān)性。這些微生物主要指的是根系微生物，聚居在根際土壤，以根際分泌物為主要營(yíng)養(yǎng)，其根分泌物能為土壤微生物提供大量的營(yíng)養(yǎng)和能源物質(zhì)。根際微生物不僅種類和數(shù)量遠(yuǎn)高于非根際土壤，而且其代謝活性也比非根際微生物高。項(xiàng)學(xué)敏等研究了濕地植物蘆葦和香蒲根際微生物的數(shù)量、活性等特性，結(jié)果表明蘆葦和香蒲具有明顯的根際效應(yīng)，根際微生物活性高于非根際的微生物活性，蘆葦根際比香蒲更適合亞硝酸細(xì)菌的生長(zhǎng)。但是蘆葦這種特性是否更有利于濕地系統(tǒng)中NH3-N的去除，還有待更進(jìn)一步的研究。

3、問(wèn)題與展望

人工濕地污水處理系統(tǒng)是一種集環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益于一體的污水處理方式，具有建造成本較低、運(yùn)行成本很低、出水水質(zhì)好、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)如果選擇合適的植物品種還有美化環(huán)境的作用，是一種適合我國(guó)國(guó)情的一項(xiàng)污水處理新興工藝，尤其適用于解決廣大農(nóng)村地區(qū)、中小城鎮(zhèn)地區(qū)的水質(zhì)問(wèn)題，因而有著廣闊的應(yīng)用前景。去除污水中的氮磷是人工濕地污水凈化系統(tǒng)一個(gè)很重要的功能。為了達(dá)到最佳的氮磷去除效率，建議在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)用時(shí)，根據(jù)人工濕地系統(tǒng)的氮磷的去除機(jī)理及其主要影響因素，避害趨利，以取得理想的氮磷凈化效果。

由于氮在濕地微生物作用下主要經(jīng)硝化和反硝化作用而轉(zhuǎn)化去除，因此應(yīng)研究在缺氧條件下微生物氧化銨的過(guò)程并設(shè)法促進(jìn)之，如通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)境條件，培養(yǎng)優(yōu)化菌種進(jìn)行生物強(qiáng)化。

基質(zhì)是將污水轉(zhuǎn)變成清水以及水生植物和微生物賴以生存的場(chǎng)所，也是有機(jī)污染物轉(zhuǎn)為無(wú)機(jī)無(wú)毒物質(zhì)的樞紐，其組成直接關(guān)系到氮磷的凈化效率等因素，因此很有必要對(duì)基質(zhì)的組成加以深入的研究，以石、礫石、砂和土壤為基本原料，并添加合適的附料，通過(guò)不同的組合方式，進(jìn)一步提高人工濕地的性能以推廣其運(yùn)用。

濕地植物在人工濕地系統(tǒng)去除氮磷的過(guò)程中起到重要的作用，而它們?cè)谌斯竦刂械膬艋饔貌槐M相同。增加人工濕地中的植物多樣性，選擇冬春和夏秋兩類不同功能群的植物在人工濕地中接續(xù)生長(zhǎng)，這樣可以提高人工濕地在冬季的凈化效果，增強(qiáng)人工濕地凈化能力的季節(jié)間穩(wěn)定性。另一方面，要定期處理好老化后的植物，以免降低凈化效率。此外可以利用基因工程培植新的植物種類，以滿足多方面的需求。在選擇凈化植物時(shí)不僅要考慮地帶性、地域性種類，還要選擇經(jīng)濟(jì)價(jià)值高、用途廣以及與濕地園林化建設(shè)相結(jié)合的種類，這樣可以同時(shí)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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