高效垂直流人工湿地系统水质净化技术

高效垂直流人工湿地系统水质净化技术
摘要：垂直流人工湿地技术作为绿色环保的污水处理新技术，已成为环境科学研究的重要领域之一。

本文系统地介绍了垂直流人工湿地处理系统中植物、基质和微生物等组成部分对污水的去除作用，讨论了能对净化功能造成影响的主要因素如基质选择和堵塞问题，并提出垂直流人工湿地在我国污水处理领域的应用局限及发展趋势。

关键词：垂直流人工湿地；污水；净化功能；影响因素
人工湿地是一种低投资、低能耗、低处理成本和具有氮磷去除功能的废水生态处理技术，已逐渐被世界各国所接受。

在欧洲和北美，数以千计的天然湿地和人工湿地被广泛应用于处理多种废水，其中包括城市污水、工业废水、农业径流、城市暴雨、填埋场沥滤液和矿山酸性排水[1-3]。

它的原理主要是利用湿地中基质、水生植物和微生物之间的相互作用，通过一系列的物理的、化学的以及生物的途径净化污水。

人工湿地根据水面的位置可分为两种类型: 表流人工湿地和潜流人工湿地。

相比表流人工湿地，潜流湿地保温效果好，处理效果受气候、季节的影响较小，并且运行过程中若管理得当还可以有效防止蚊蝇滋生和产生臭味，目前国内外多采用潜流人工湿地处理污水[4]。

潜流人工湿地根据主导水流可分为水平流和垂直流，垂直流人工湿地占地面积更小、供氧条件好、水力操作简单，系统运行初期便有良好的净化效果[5]。

复合垂直流人工湿地通常用于市政水的处理，尤其适用于对氨氮排放量有严格要求的领域，在实现水体和生态修复方面有较广泛的应用范围。

1.垂直流人工湿地的特点
垂直流人工湿地系统净化功能强。

不仅能有效去除污水中悬浮物、有机污染物、氮、磷，而且对重金属、细菌、藻毒素、外源生物活性物质和环境激素类物质等也有比较理想的去除效果；适用范围广。

不仅可对污水进行集中处理，而且可因地制宜进行分散处理；不仅可用于生活污水、城市综合污水处理，还可用于湖泊水体修复以及部分行业废水的处理，如农业、养殖、矿山等。

常年运行比较稳定，即使在冬季也有较好的净化效果。

建设、运转费用低，尤其是运转费低。

与景观建设相结合，具有净化美化环境的效果。

贴近自然，没有环境扰动。

目前，复合垂直流人工湿地系统已在我国许多退化和受损湖泊中成功推广应用，对生活污水、城镇综合污水和医疗废水也有较好的处理效果[6, 7]。

2.垂直流人工湿地的净化功能
垂直流人工湿地对污染物的处理综合了物理、化学、生物和植物的作用。

填料表面和植物根系中生长了大量的微生物形成的生物膜，废水流经时，固体颗粒被填料及根系阻挡截留，有机质通过生物膜的吸附及同化、异化作用而得以去除。

床层中因植物根系对氧的传递释放，使其周围的微环境中依次呈现出好氧、缺氧和厌氧状态，保证了废水中的氮、磷不仅能被植物及微生物作为营养成分直接吸收，还可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用从废水中去除，最后通过湿地基质的定期更换或收割使污染物最终从系统中去除[8]。

垂直流人工湿地主要作用机理见表1。

表格1垂直人工湿地系统去除污染物的机理反应
机理
对污染物的去除与影响
物理沉降
可沉降固体在湿地及预处理的酸化（水解）池中沉降去除；可絮凝固
体通过絮凝沉降去除，在此沉降过程中BOD、N、P、重金属、难降
解有机物、细菌和病毒等得到部分去除
过滤
通过颗粒间相互引力作用及植物根系的阻截作用使可沉降及可絮凝固
体被阻截而去除
化学沉淀
磷及重金属通过化学反应形成难溶解化合物或与难溶解化合物一起沉
淀去除
吸附
磷及重金属被吸附在基质和植物表面，某些难降解有机物也能通过吸
附作用去除
分解
通过紫外辐射、氧化还原等反应过程，使难降解有机物分解或变成稳
定性较差的化合物
生物微生物代谢分解；通过生物硝化-反硝化作用去除N；微生物将部分重金属氧化并经阴截或结合而去除
植物植物代谢
通过植物对有机物的吸收而去除，植物根系分泌物对大肠杆菌和病原
体有灭活作用
植物吸收相当数量的N、P、重金属及难降解有机物被植物吸收而去除
自然死亡细菌和病毒处于不适宜环境中会自然腐败、死亡
从表1可知，湿地系统通过物理、化学、生物和植物的综合反应过程将水中可沉降固体、胶体物质，BOD、N、P、重金属、难降解有机物、细菌和病毒等去除，显示了强大的多功能净化能力。

2.1湿地植物
常见的湿地植物有：芦苇、香蒲、灯心草、风车草、水葱、香根草、浮萍等，其中应用最广的是芦苇。

植物的选择最好是取当地的或本地区天然湿地中存在的植物，以保证对当地气候环境的适应性，并尽可能地增加湿地系统的生物多样性以提高湿地系统的综合处理能力。

人工湿地系统要求水生植物对各种高浓度的污染物有一定的承受能力。

所选的植物品种要能更有效地利用多余的营养物，或更能忍受污染物，植物的改变对污染物的去除是有利的。

不同的生长环境，适宜的湿地植物是不同的。

Cheng[9]等利用风车草能吸收富集水体中30%的铜和锰，对锌、镉、铅的富集也达5%-15%。

骆世明[10]在用潜流人工湿地处理养猪场废水的研究中发现，风车草和香根草人工湿地对有机物有较强的缓冲能力，冬季两湿地的BOD去除率可以达到70%-90%。

2.2基质
基质又称基质滤料，主要包括土壤、砂土、砾石等。

基质是湿地植物和微生物赖以生存的基础，这些基质一方面为微生物的生长提供稳定的依附表面，同时也为水生植物提供了载体和营养物质，并为湿地中大部分的物理、化学和生物反应提供反应界面。

基质对污水的净化主要通过物理和化学途径来实现，如吸收、吸附、离子交换、络合反应等。

贺峰[11]等运用复合垂直流人工湿地对基质中氮的积累规律探究表明，系统基质对氮的积累主要发生在表层。

基质对磷的吸附是湿地去除磷的首要因素，主要机理在于基质中的Al3+、Fe3+、Ca2+等能与可溶性无机磷化物形成不溶性磷酸盐而使磷固定下来，但这种吸附沉淀不是永久性的，当基质吸附磷达到饱和状态时，就会产生磷的释放。

基质表面及植物根系有利于生物膜的附着，基质对污水的净化依赖于生物膜中大量的微生物群体。

李今[12]等从基质生物膜量、生
物膜厚度和脱氢酶活性等方面研究了以复合垂直流人工湿地中基质颗粒作为附着生长载体的生物膜的特性。

结果表明，复合垂直流人工湿地中，基质生物膜的形成时间为40-60 d。

进水水质不同，基质生物膜的形成时间有差异，进水中相对高的营养水平有利于基质生物膜的积累，60 d内形成的稳定生物膜量相差1.59倍；生物膜活性也较大，平均相差1.5倍。

不同发育程度的生物膜表现出的活性不同，最佳活性厚度为150 μm。

人工湿地中不同层次基质生物膜厚度差异显著，最表层0-5 cm层次基质生物膜厚度2-3倍于10 cm以下层次，为最佳活性厚度的3-4倍，其生物膜的过量积累不仅不利于处理效率的提高，且易造成人工湿地的堵塞。

2.3微生物
在人工湿地系统净化污水过程中，基质中的微生物起到十分重要的作用，一方面它们既是生态系统中的重要组成部分，另一方面又是有机污染物去除的积极分解者，它们的组成以及功能的发挥将直接影响人工湿地的净化效果。

垂直流人工湿地对氮的去除主要通过硝化和反硝化作用实现，硝化细菌是好氧型菌，分布在湿地基质层的表层，基质底层的厌氧状态则有利于反硝化细菌的生存。

邓欢欢[13]等深入研究人工湿地净化机理，利用biolog微平板，研究了垂直流人工湿地基质微生物群落结构及代谢特性。

平均色度变化（AWCD）表明基质上层微生物群落碳源代谢能力要小于下层碳源代谢能力，对不同碳源利用特性分析表明垂直流人工湿地基质微生物对糖类利用较好，对胺类、氨基酸、羧酸和聚合物其次，对酚类利用能力较差。

主成分分析(PCA)结果表明人工湿地不同栽种植物和不同深度类型的基质微生物群落具有各自不同的群落结构和代谢特征。

功能多样性指数研究显示，不同样点间丰度差别较小，而多样性和均匀性指数都是下层要高于上层，风车草湿地高于香蒲湿地。

研究表明垂直流人工湿地基质微生物群落的结构和代谢特性受到不同环境和栽种植物影响,具有不同的代谢特点。

3.影响垂直流人工湿地净化功能的主要因素
垂直流人工湿地的净化效果受多种因素影响，这些因素主要包括水力因素、基质选择和堵塞问题。

3.1水力因素
由于植物吸收营养物质及微生物分解污染物都需要一定的时间才能完成，所以水在湿地停留的时间越长（最好接近于理论停留时间），就越能有效地吸收污水中的营养物质和沉降污水中的颗粒污染物。

张翔凌等[14]以沸石、无烟煤、页岩、蛭石、砾石、陶瓷滤料、高炉钢渣、生物陶粒等8种基质为材料，在1 000-2 500 mm/d的高水力负荷条件下，研究了不同基质在垂直流人工湿地模拟柱中运行1年的水力学特性和系统堵塞动态。

结果表明：基质系统的水力停留时间和水头损失可间接反映湿地堵塞状况;基质自身结构与其水力学特征密切相关。

生物陶粒、高炉钢渣和沸石3种基质分别填充的系统内部水头损失较小、水力停留时间短、堵塞不明显；砾石、蛭石堵塞较为严重。

通过对不同基质的含水率和孔隙率的分析发现，基质的高含水率（如蛭石）有利于垂直流人工湿地对污染物的去除，但却不利于湿地的运行管理；基质的高孔隙变化率（如页岩和砾石）是湿地系统发生堵塞的重要驱动因素。

因此,如何根据不同结构特性和水力学特征选择基质对垂直流人工湿地的设计和运行管理非常关键。

水力负荷即单位湿地面积、单位时间所处理的污水体积，它反映了湿地的处理能力，水力负荷的大小直接影响到系统对污水的净化效果。

我国在运用垂直流人工湿地技术时，是将其作为二级处理的替代技术，必须提高人工湿地的水力负荷。

因此，选择理想的负荷以达到最佳的净化效率是垂直流人工湿地在实际运行中应予以考虑的关键因素。

3.2基质的选择
不同的基质类型对污染物的去除机理不同，去除效果也不同。

近年来, 随着人工湿地处理技术的发展，目前研究和应用较多的基质包括碎石、沸石、钢渣等。

沸石内部的铝硅酸盐骨架、孔道和孔穴具有可交换的阳离子，应用中表现出良好的离子交换性能，同时空穴和孔道有很大的比表面积，允许一定大小的分子自由移动，决定了沸石对气体、液体均具有良好的吸附性能。

垂直流人工湿地因其水力停留时间短，故具有占地面积较小的优点，但较短的水力停留时间又会影响处理出水水质，因此需要强化基质的处理能力。

张翔凌[15]选取砾石、沸石、无烟煤、页岩、蛭石、陶瓷滤料、高炉钢渣、圆陶粒8种填料，在较高水力负荷（1 000-2 500 mm·d-1）的条件下，进行垂直流人工湿地模拟柱净化污水实验。

结果表明，无烟煤、圆陶粒、砾石具有较好去除有机物的能力，对COD的去除率达到50%以上；钢渣和无烟煤对BOD 的去除率达到70%以上。

沸石和陶瓷滤料对总氮和氨氮的去除率达到70%以上，其他几种填料对总氮和氨氮的去除率仅为20%左右。

高炉钢渣和无烟煤具有较好去除磷的能力，高炉钢渣对总磷和总溶解性磷的去除率达到90%以上，无烟煤对总磷和总溶解性磷的去除率达到60%-70%。

孔隙率的变化对垂直流人工湿地的净化能力有显著影响。

3.3堵塞问题
堵塞是在所有高负荷污水过滤系统中常见的自然效应。

湿地中堵塞层的形成是有机和无机固体物在基质内部颗粒间隙的沉积、基质间隙间生物量生长和分解以及基质本身所含物质的化学沉淀反应等产生的。

由于垂直流人工湿地独特的水流方式和去污特点，它更容易发生堵塞现象。

而且发生堵塞后, 湿地的净化能力会受到严重影响。

同时，由于堵塞导致基质表面积水，使得蚊蝇更容易滋生，湿地的环境友好度降低。

詹德昊[16]等针对复合垂直流人工湿地淤堵前后的水力特征进行研究，发现淤堵后人工湿地水力特征发生变化，出水流量减少，停留时间变长，下行池表面积水。

詹德昊[17]等还利用灼烧失重法研究了复合垂直流人工湿地中有机质的积累规律及其与湿地填料淤堵的关系，发现有机质积累是导致人工湿地淤堵的一个重要原因，且有机质含量与填料渗透系数呈明显负相关性。

由于污水中连续的营养供应，系统内产生的生物量不断增加也是造成堵塞的一个因素；厌氧条件也加速了系统的堵塞，因而间歇的进水方式和适当的干湿交替是非常必要的；另外过多地种植植物和维护不及时也是造成堵塞的原因。

影响垂直流人工湿地在运行效果的因素还有很多，如植物的生长依赖于人工湿地所在区域的气候，气温的降低会影响人工湿地的正常运行，使污染物的去除率降低，在少雪的冬季，冰雪覆盖不能有效防止冰冻和凌汛，因此应对湿地进行适当的覆盖隔离。

基质除磷和微生物脱氮必须保证合适的pH值、温度和溶解氧量。

此外，湿地的设计运行还要考虑到经济与社会条件，有关维护、修复和管理的问题还需进一步加强研究。

4.结论与展望
1.垂直流人工湿地独特的水流方式和间歇进水的运行方式使系统充氧更充分，在去除氨氮
和总氮方面有显著的优势，不仅适合处理城市污水和生活污水，也适用于湖泊富营养化水体修复、垃圾渗滤液处理、面源污染治理等，是一种高效的污水处理技术。

另外，复合垂直流人工湿地采用好氧、厌氧的复合水处理结构，加强了硝化、反硝化作用，避免了传统污水处理工程的不足，且与景观建设相结合，具有净化美化环境的效果，非常适合用于湖泊水体修复。

2.目前，垂直流人工湿地的应用范围主要分布于我国较温暖地区，在北方寒冷地区的应用
刚刚开始，如何加强垂直流人工湿地的保温措施，克服低温对净化效果的影响，还需通
过实际工程的研究进行探索。

3.与其他类型湿地系统相比，垂直流人工湿地更容易发生堵塞现象，虽然国内外研究人员
对堵塞的机理进行了有益的探索，但目前尚未提出避免堵塞发生的解决办法，这也是今后需要研究的方向。

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