人工湿地去污机理研究进展
2021-07-05 09:48
陈明利 , 吴晓芙 , 胡曰利
( 中南林业科技大学资源与环境学院 , 湖南 长沙 410004)
[ 摘 要 ] 人工湿地污水处理系统具有较高的净化效率和相对较低的基建投资和处理成本 , 在许多国家已被广泛应用于生活污水的处理 . 通过工艺创新 , 人工湿地污水处理系统有向工业污水、农业废水等特殊污水处理方向发展的趋势 . 简要论述了人工湿地的研究现状 , 预测其研究与应用发展的趋势 , 探讨了处理机理及性能 , 分析了现行的工艺设计及存在的主要问题 .
[ 关键词 ] 环境科学 ; 人工湿地 ; 污水处理 ; 水资源
[ 中图分类号 ] X53 [ 文献标识码 ] A
水是人类生命之源、生存之本 . 随着农业生产的发展和人口的不断增加 , 水环境问题成了限制人类发展甚至生存的严重问题 . 水资源短缺、水质恶化这一现象摆在了人们面前 . 因此 , 寻找有效的污水净化途径以实现水资源的可持续利用成了关注的热点 . 经过几十年的努力 , 研究者建立起许多成熟有效的污水处理方法 , 其中人工湿地因其建造与运行费用便宜和易于维护等优点正日益受到重视 .
1 人工湿地的发展历史与现状
人工湿地污水处理系统是指为了人类的利用和利益 , 通过模拟自然湿地 , 人为设计与建造的由饱和基质、挺水植物与沉水植物、动物和水体组成的复合体 . 系统由预处理单元和人工湿地单元组成 , 预处理主要去除粗颗粒和降低有机负荷 . 构筑物包括双层沉淀池、化粪池、稳定塘或初沉池 . 人工湿地单元主要由具有透水性质的基质 ( 如土壤、砂、砾石等 ) 、流动的水体、植物、动物和微生物 5 部分组成 . 人工湿地污水处理系统按水流方式可分为地表流湿地、潜流湿地、垂直流湿地 , 其中研究和应用较多的是潜流湿地 .虽然人类很早就有运用湿地处理污水的现象 , 但首次公开报道是在 1903 年 [1] . 首例采用人工湿地净化污水的实验是在 1953 年由德国 M ax P1anck 研究所的 Seidel 博士进行的 , 他在研究中发现芦苇能有效地去除无机和有机污染物 . 20 世纪 60 年代末 , Seidel 和 Kickuth 合作并由 Kickuth 于 1972 年提出根区理论 , 该理论的提出掀起了人工湿地研究与应用热潮 [2] . 其中第 1 个完整的人工湿地的试验始于 1974 年 , 是在德国的 O thfrensen 进行的 . “人工湿地”或类似的术语也在此时开始相继问世 , 如“ man 2 made wetland ”、“ engineered wetland ”、“ created wetland ”、“ artificial wet1and ” , 或“ constructed wetland ”等 . 当首届国际人工湿地处理污水大会于1988 年在美国召开后 , “ constructed wetland ”才开始逐渐取代上述其他术语而成为“人工湿地”的通用名词 , 而1996 年 9 月在奥地利维也纳召开的第 4 届国际研讨会 , 标志着人工湿地系统作为一种独特新型废水处理技术正式进入水污染控制领域 [3] .
目前 , 在美国有 600 多处人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水 ; 欧洲已有数以百计的人工湿地在运行之中 ; 在丹麦、德国、英国每个国家都至少有 200 个系统在运行 [4] . 地下潜流系统在欧洲应用较多 , 它不仅成为中小城镇的重要污水处理措施 , 而且也成为雨水处理、工业废水处理的重要技术 [5] .
我国于“七五”期间开始人工湿地研究 . 首例采用人工湿地处理污水的研究工作始于 1987 年 , 由天津市环境保护研究所建成的占地 6 hm2的处理规模为 1 400 m3 · d - 1 的芦苇湿地工程. 此后建成了北京昌平自由水面人工湿地工程和深圳白泥坑人工湿地示范工程 , 20 世纪末建成的成都活水公园更展示了人工湿地污水处理新工艺用“绿叶鲜花装饰大地 , 把清水活鱼送还自然”的魅力 [6] .目前 , 虽然人工湿地的研究和应用正方兴未艾 , 但其也有不足之处 , 今后人工湿地污水处理系统的发展趋势将体现在以下几个方面 [7] : ①开发数据库和设计指南 ; ②垂直流湿地的发展 ; ③改良人工湿地 ; ④对系统的长期运行能力和管理问题进行研究 , 优化工程设计参数 ; ⑤不断扩大应用范围 , 其处理的浓度极限范围不断被突破 , 现在甚至能处理 COD 高达数千的工业废水 [8] , 而且其应用不再局限于气候较暖和的地区 , 在严寒地区也能取得很好的运行效果 [9] .
2 人工湿地污水处理系统的性能
人工湿地污水处理系统主要由植物、微生物、基质、水体及动物组成 , 各组成成分分别起着不同的作用 , 并且相互协同 , 使得整个湿地生态系统平衡运转 , 发挥良好的净化功能 .
2. 1 植物
人 工湿地净化污水过程中 , 植物作用可以归纳为 3 个重要的方面 : ①回收利用污水中可利用态的营养物质 , 吸附、富集重金属和一些有毒有害物质 ; ②为根区好氧微生物输送氧气 ; ③增强和维持介质的水力传输 [10] .一般来说 , 选择湿地植物要注意几个原则 [10] : ①耐污能力和抗寒能力强 , 对不同的污染物采用相应的植物种类 ; ②选择在本地适应性好的植物 , 最好是本地植物 ; ③根系发达、生物量大 ; ④抗病虫害能力强 ; ⑤最好有广泛用途或经济价值 . 另外还有一些研究涉及到用乔木作为人工湿地的主要植被 [11] .研究表明 , 不同的植物类型对不同的污染物质具有一定的针对性 . 对氮磷去除效果较好的湿地植物 ,如 [12～ 14] 茭白、芦苇、水烛Typha angustif olia 、灯心草 J uncus ef f uses 和芦苇 Phragm ites australis . 吴振斌[15, 16]等报道芦苇2水葱 S choenop lectus lacustris 、茭白 Z izania latif olia 2菖蒲 A corus calam us 、草 S cirpussp.2苔草Carex sp. 等植物组合的垂直流人工湿地系统除磷效率以及稳定性均高于无植物对照 , 去除率为 40% ～ 65% ,且对藻毒素有一定的去除作用 . 对重金属有较好的去除作用的植物有 : 宽叶香蒲 , 其对 Pb 、 Zn 、 Cd 等重金属有较好的去除作用 [17] , 宽叶香蒲 Typha latif olia 和黑三棱 Sparganiumsp.是摄取同化、吸附富集高速公路径流油类、有机物、铅和锌的较适宜植物种类 [18] ; 风车草 Cyperus alternif olius , 其能吸收富集水体中 30% 的铜和锰 , 对锌、镉、铅的富集也在 5% ～ 15%[19] ;白骨壤 A vicennia m arina , 陈挂珠 [20] 等选择白骨壤模拟人工湿地处理污水时发现对重金属有良好的净化效果 ; 多花黑麦草 L olium m ultilorum , 戴全裕 [24] 等用多花黑麦草处理黄金废水 ,指出其具有净化与回收双重功效 .
不同的湿地植物的去污效果也有所不同 . Reddy [22] 等研究了凤眼莲等 8 种水生植物净化污水的能力 , 结果发现 : 夏季水生植物去除氮的效果优劣次序为 : 风眼莲 E ichhornia crassipes 、水浮莲 P istiastratiotesL.、水鳖H yd rocoty le um bellataL.、浮萍 L emm a m inorL.、槐叶萍 S alvuinia rotund if oliaL.、紫萍 Sp irodela poly rhizaL.、水筛 Egeria densa Planch; 而在冬季则依次为水鳖、凤眼莲、浮萍、水浮莲、紫萍、槐叶萍、水筛 . 国家“七五”攻关“综合生物塘技术及黄州城区污水综合生物塘处理研究”中也发现 , 在凤眼莲与藻菌系统、人工水草系统以及水花生 A lter nanthera Philoxeroides Griseb. 等几种不同的生态系统中 , 水生植物去污效果依次为凤眼莲 >藻菌 > 人工水草好氧系统 > 人工水草厌氧系统 [23] .研究发现 , 植物体不同的部位其吸收能力不相同 . 缪绅裕等 [24] 研究发现 , 人工湿地经过一段时间运行以后 , 植物体各器官含磷量各不相同 , 它们依次为叶 > 根 > 茎 > 胚轴 , 且都随污水浓度升度而升高 . 此外 , 在植物体的不同生长期 , 其磷含量也不相同 [27] .
人工湿地中植物能将光合作用产生的氧气通过气道输送至根区 , 在植物根区的还原态介质中形成氧化态的微环境 . 这种根区有氧区域和缺氧区域的共同存在为根区的好氧、兼性和厌氧微生物提供了各自适宜的小生境 , 使不同的微生物各得其所 , 发挥相辅相成的作用 . Dunbabin[25] 等测试了小型湿地根区的氧浓度、pH 值及氧化能力 , 发现三者在有植物系统中皆高于无植物系统 , 即使在人工湿地中补充碳源加大耗氧量 , 且无植物系统中氧浓度大量下降的情况下 , 有植物系统根区继续保持氧化状态 .由于植物根和根系对介质的穿透作用 , 在介质中形成了许多微小的气室或间隙 , 减小了介质的封闭性 , 增强了介质的疏松度 , 从而使得介质的水力传输得到加强和维持 . 成水平 [26] 进行的人工湿地处理污水的试验中发现 , 经过 3 ～ 5 个月的污水处理后 , 不种植物的对照土壤介质板结 , 发生淤积 , 而种有水烛和灯心草的人工湿地渗虑性能好 ,影响植物处理效果的因素有季节性和衰退 , 如直接损伤、擦伤、水质和基质的不同组成、水位的高低以及富营养状态都能引起水生植物的衰退 . 因此 , 目前对人工湿地中水生植物的研究应集中于人工湿地生境条件下水生植物的生理生态研究 , 并结合不同地区、不同污水的特征筛选出抗性强、净化效果好的工程植物 , 为进一步发挥植物在人工湿地中的作用和完善人工湿地污水处理技术提供依据和手段 .
2. 2 微生物
人工湿地中微生物的活动是湿地净化污水的最主要因素 . 现有研究已经发现在 BOD 5 、 COD 以及氮等降解的过程中微生物都发挥了重要作用 . 人工湿地中的优势菌种有假单胞杆菌属 Pseudom onas 、产碱杆菌属A lcaligens 和黄杆菌属 F lavobacterium , 均为生长快速的微生物 , 其体内含有降解质粒 , 是分解有机物的主体微生物种群 . 此外 , 对于有些难降解的有机物和有毒物须运用微生物诱导变异特性 , 培育驯化适宜吸收和消化这些物质的优势种 , 进行降解 .
人工湿地中含氮有机物的去除包含硝化作用和反硝化作用 . 研究发现 [27] 植物根区好氧微生物的活动有利于硝化作用 , 并加强了湿地对重金属的吸附和富集作用 . 废水中大部分的有机物质在这一区域被好氧微生物分解 成为 CO 2 和水 , 氨则被这一区域的硝化细菌硝化 ; 离根表面较远的区域属于兼性厌氧区 , 但主要是靠反硝化细菌将有机物降解 , 并使氮素物质以氮气的形式释放到大气中 . 在根区的还原状态区域 , 则是经过厌氧细菌的发酵作用将有机物分解成二氧化碳和甲烷释放到大气中 .至于废水中的磷化合物 , 有机磷以及溶解性较差的无机磷酸盐都不能直接被湿地植物吸收利用 , 必须经过磷细菌的代谢活动将有机磷化合物转变成磷酸盐 , 将溶解性差的磷化合物溶解 , 才能被湿地植物或基质吸附利用 , 从而通过湿地植物的收割以及基质的吸附而将磷从废水中带走 . 尽管磷的去除与湿地微生物的数量之间不存在显著相关性 , 但微生物在基质磷循环过程中还是发挥了重要的作用 , 主要包括 : ①改变无机磷化合物的溶解性 ; ②矿质化有机磷化合物并释放无机磷酸盐 ; ③将可利用的无机磷酸阴离子转化为细胞组分 ; ④引起无机磷化合物的氧化或还原 .
同时 , 研究发现湿地中的微生物数目和种类与污水净化效果也有一定的关系 [28] . 其数量越多则去除率越高 . 其中污水中 BOD 5 的去除率与湿地细菌总数显著相关 , 氨氮的去除率与硝化细菌和反硝化细菌的数量密切相关 , 污水中总大肠杆菌的去除率与湿地原生动物和放线菌数量也存在显著相关性 . 这也从一个方面说明湿地微生物在污染物降解中起到了重要作用 .另外有研究提到了湿地酶 [29] , 它是指湿地系统内湿地植物、湿地微生物和基质等各个组成成分酶的总称 ,包括胞内酶以及游离于细胞外的各种酶 . 湿地酶学方面的研究刚刚兴起 , 国内外尚未见系统报道 [30] .
2. 3 基质
基质 , 又称填料 , 是人为设计的由不同大小的砾、沙、土颗粒等按一定厚度铺成的供植物生长、微生物附着的床体 . 该体系具有过滤、沉淀、吸附和絮凝等作用 , 能将水体中的 SS 、 N 、 P 等营养物质有效去除 . 同时 , 其为植物、微生物生长以及 O 2 传输提供了必备条件 .自由表面流系统多以土壤为基质 , 潜流与垂直流系统则根据不同的特征污染物选择不同的基质 , 并须考虑便宜、易于取材等因素 . 以 SS 、 BOD 和 COD 为特征的污水 , 须根据水力停留时间、水容量以及出水水质等因素选择土壤、细沙、砾石、瓦片或灰渣中的一种或多种为填料 . 以 P 为特征的污水 , 最好选择飞灰和页岩为填料 , 其次是铝矾土、石灰石和膨润土等 ; 泡沸石与油页岩对 P 的吸附能力较差 , 不宜选用 [17] .缪绅裕等研究人工污水中磷的过程中 , 在模拟秋茄湿地系统中的分配与循环中发现 , 加入系统中的磷主要存留在土壤中 , 留存于植物体和凋落叶中的很少 . K R Reddy 的研究中也发现 , 在人工湿地中 7% ～ 87% 的磷可能通过沉淀或吸附反应而降解 , 其中 pH 值将起到十分重要的作用 .可溶性的无机磷化物很容易与土壤中的A l3+ 、 Fe 3+ 、Ca2+等发生吸附和沉淀反应 , 其中土壤与 Ca 2+ 易于在碱性条件下发生作用 , 而与 A l 3+ 、 Fe 3+ 主要是在中性或酸性环境条件下发生反应 . 一般认为 , 磷酸根离子主要通过配位体交换而被吸附到 Fe 3+ 和 A l 3+ 离子的表面 . 与此同时 , 大量的研究还发现废水中的磷只是被吸附停留在土壤的表面 , 而且这种吸附沉淀反应也不是永久地沉积在土壤中 , 至少部分是可逆的 . 如果污水中磷的浓度较低 , 土壤里就会有部分磷被重新释放到水中 .土壤的作用在某种程度上是在作为一个“磷缓冲器”来调节水中磷的浓度 , 那些吸附磷最少的土壤最容易释放磷 .
人工湿地系统中除氮的关键在于选择填料 , 因此新型价廉高效的吸附材料的开发应用是目前人工湿地污水处理的研究重点 . 聂发辉等研究了蛭石在实验条件下去除污水中氨氮的能力以及水中 pH 值、湿度、浓度、蛭石粗细对去除氨氮的影响 , 为蛭石作为一种新型填料的应用提供了基数据和理论依据 [31] . 陈博谦 [32] 等用室内模拟的方法研究了湿地土壤在处理生活污水的作用 , 结果表明 : 在排除了植物因子的前提下 , 人工湿地土壤2微生物系统对污水中的污染成分仍具有良好的去除作用 .
2. 4 水力学特点
目前 , 只有少数工作对湿地运行中和建造设计时的水力学问题有所注意 , 且未得到规律性结论 . 由于水力学特点涉及到湿地生态系统中污水流动特征以及由此引起的污染物质转移 , 直接影响着污水净化效果 , 对这一方面研究上的欠缺使得净化效果的提高和该技术的推广应用受到极大限制 . 吴振斌 [33] 等研究发现 , 水力学各特点与污水净化效果之间存在着密切关系 : 出水快、出水量大的系统具有较好的净化效果 ; 除无植物系统外 , 停留时间较长的系统有较好的净化效果 , 容水体积大的系统净化效果也较好 , 水力负荷则主要通过影响其他各水力学特点而影响净化效果 . 对水力学特点的优化将极大地促进污水净化效果的提高 . 水力负荷、水力停留时间、水深是影响人工湿地运行的 3 大要素 , 在实际运行中均存在一个最佳值 , 大于或小于此值均使去除率有所下降 , 相对而言 , 其对 SS 及 COD 的影响远不如对 NH4+- N 、 TP 去除效果的影响大 , 主要基于各自的净化机理不同 [34] .
2. 5 动物
动物是作为人工湿地生态系统中必不可少的一部分 , 其在食物链与营养级的生态平衡中起到重要作用 , 进而对人工湿地污水处理系统的稳定性作出了重要贡献 . 目前 , 关于人工湿地中动物参与污染物净化方面的研究甚少 , 有研究 [35] 提到了蚯蚓 ( D rilonema ) 能起到清洁垃圾的作用 , 从而减少了排泥次数 . 蚯蚓和沙蚕 ( N ereisdiversicolor ) 对重金属有富集作用 , 可以推测这些动物对污水中的重金属去除也能起一些作用 .
3 小 结
人工湿地构建研究是国际湿地研究的一个热点问题 [36] , 人工湿地污水处理技术在许多领域内成为了传统污水处理工艺的廉价替代方案 . 总体来看 , 我国目前对该领域还缺乏足够的认知和研究 , 导致了应用方面的迟缓 . 但由于该技术符合我国国情 , 所以必将具有广阔的发展前景 . 因此 , 结合国情 , 提高认知 , 有针对性地开展研究工作 , 并选择好应用领域有规模地实施 , 是当前利国利民、势在必行的一项工程 。
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