人工湿地对污染物的去除机理综述论文

人工湿地对污染物的去除机理综述

09环境工程环建系

摘要：人工湿地是一项复合生态系统工程，其去除机理错综复杂。主要从人工湿地的组成及其功能综述了人工湿地废水处理污染物的降解机理及去除

途径。人工湿地处理效果受植物、基质、微生物、气候等因素的影响。关键词：人工湿地；去除机理；影响因素

前沿

随着人口剧增、工业化及城市化进程加速, 水污染问题日趋严重, 保护水环境的任务变得越来越艰巨。在各种污水处理方法中, 生态处理技术由于投资少、操作简单、处理效果好、抗冲击力强, 同时可使污水处理与创建生态景观有机结合起来, 具有良好的环境效益、经济效益及社会效益, 已逐步被越来越多的国家所接受, 并广泛予以应用。湿地是陆地与水生系统之间的过渡地带,有着很高的生产力以及转换、储存有机物和营养盐的能力。湿地处于水陆交错带可对流经其的水流及其携带的营养物质起到过滤净化作用,由于其在水分和化学循环中所表现出来的功能,被誉为“地球之肾”。

人工湿地是通过模拟自然湿地, 人为设计与建造的由基质、植物、微生物和水体组成的复合体,利用生态系统中基质－水生植物－微生物的物理、化学和生物的三种协同作用来实现对污水的净化。人工湿地对有机物、营养物质有较强的去除能力,在实现生态环境效益的同时可美化环境,实现废水资源化 [1]。

1人工湿地系统处理污水的原理

1.1人工湿地的构建

人工湿地一般由以下单元构成:由填料、土壤和植物根系组成的基质层;能在

水饱和厌氧状态基质层中生长的植物,如芦苇、香蒲、水葱等;可在基质层中及基质表面流动的水体;好氧和厌氧微生物(细菌、真菌、藻类和原生生物等);底部防渗层。

1.2人工湿地类型

传统的人工湿地主要有自由表面流人工湿地, 水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地。随着对人工湿地研究的不断深入，一些组合工艺和一些新型人工湿地也不断产生。

1.3人工湿地去污机理与工艺流程

人工湿地对废水的净化处理包括了物理、化学和生物三种作用。湿地系统在运转时,填料表面和植物根系由于大量微生物的生长而形成生物膜[2]。废水流经生物膜会使大量的SS被填料和植物根系阻挡截留;有机污染物也通过生物膜的吸收、同化及异化作用而被去除。湿地床系统中因植物根系对溶解氧的传递释放,使其周围环境中依次呈现出好氧、缺氧和厌氧状态,保证了废水中氮、磷不仅能被植物和微生物作为营养成分而直接吸收,而且还可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用将其从废水中去除。污染物最终通过湿地床填料的定期更换或收割栽种的植物从系统中去除,人工湿地中各种物质的迁移和转化过程(见图1.3)[3]。

1.3湿地中各种物质的迁移和转化过程

1.3.1有机物的去除机理

人工湿地对污水中耗氧有机污染物的处理效果较好，其对有机物的去除是由

于人工湿地植物的吸收利用、基质的吸附及湿地内填料上微生物膜联合作用的结果。污水中的有机物包含不溶性有机颗粒和溶解性有机物两部分[4]。不溶性有机物通过在湿地基质中的过滤作用可以很快地被截留进而被分解或利用，可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及厌氧好氧生物代谢降解过程而被分解去除。因此湿地床对有机物的去除作用是物理的截留沉淀和生物的吸收降解共同作用的结果。废水中大部分有机物最终是被异氧微生物转化为微生物体及CO

2

和

H

2

O，通过对填料床的定期更换及对湿地植物的收割而将新生的有机体从系统中去除。

BOD

5

的去除包括几个生物化学过程：好氧呼吸、厌氧消减和硫酸盐还原。由湿地特有的环境形成了系统中好氧菌、兼性菌及厌氧菌的良好生存状态。尤其是介质表层，微生物活性较高，对有机物的去除能力较强，但当表层介质被淹没时就会阻止好氧循环，进而加强并平衡了好氧-厌氧循环，为微生物充分发挥提供条件。

1.3.2氮的去除机理

污水中的含氮化合物因为可以引起水体富营养化，消耗水中的溶解氧，对水中的无脊椎和脊椎动物种群有很大的毒性，因此是人们关心的指标之一。这些化合物引起大家的兴趣也因为其有积极作用，比如促使植物生长，而这些植物又有

助于野生动物的生长。在湿地中无机氮最重要的存在形式是NH

4＋、NO

２

－、NO

３

－、

N 2O以及溶解的氮元素和N

2

。氮也可以以很多有机形式出现在湿地里，包括尿素、

氨基酸、胺类、嘌呤和嘧啶。

因此，污水中的氮基本以有机氮和无机氮 2 种形式存在。有机氮在微生物作用下被分解为氨氮。废水中无机氮的去除，植物直接吸收只占很少一部分，主要去除途径是微生物的氨化、硝化和反硝化作用。还有部分氨氮会因挥发而被去除。

（1）氨化。氨化(矿化)将有机氮转化为无机氮(尤其是 NH

4

＋—N)。有氧时利于氨化。湿地中氨化速度与温度、pH 值、系统的供氧能力、C/N 比、系统中的营养物以及土壤的质地与结构有关。温度升高 10℃，氨化速度提高 1 倍。氨

化的最佳 pH 值为 6.5～8.5[5]。

（2）硝化。微生物将 NH

4＋转化为 NO

3

－的过程，可用如下方程式表示：

①NH

4＋+1.5O

2

→NO

2

－+4H＋+H

2

O

② NO

2－+0.5O

2

→NO

3

－

③NH

4＋ + 2O

2

→NO

3

－+2H＋+H

2

O

硝化受温度、pH 值、溶解氧浓度、游离氨浓度、亚硝氮浓度、无机碳源、微生物数量、重金属、有毒有机物和碳氮比等的影响。不同环境中最佳硝化温度为 25～35℃(纯培养液) 和 30～40℃(土壤)。亚硝化菌的最佳 pH 值为 7.0～8.6，驯化后此 pH 值范围可拓宽。硝化反应中溶解氧浓度通常应高于 2mg/L[5]。（3）反硝化。硝化反应只改变了氮的形式，只有经过反硝化作用才能实现氮的去除。反硝化指异样微生物将硝酸根还原为分子氮的过程。可用下式表示：

6CH

2O+4NO

3

－→2N

2

+6CO

2

+6H

2

O

此反应不可逆，只在有机物基质处于厌氧或缺氧条件（Eh ＝＋350mV～＋100mV）下发生。影响反硝化的因素包括氧浓度、pH 值、温度、反硝化细菌、氧化还原电位、有机物质、土壤类型和有无存水等。其中最适 pH 为 6．5～7．5。最适温度为 25～65℃[5]。

1.3.3磷的去除机理

人工湿地对磷的去除是通过微生物的累积、植物的吸收和基质的物理化学作用等协同完成的。

磷在人工湿地系统中的去除主要来自3个方面的作用:

①微生物正常的同化或植物的吸收作用;

②聚磷菌的过量摄磷作用;

③基质的物理化学作用；其中最主要的是基质对磷的吸附作用及其纳磷容量,而植物吸

对有机磷的去除效率影响不大,但无机磷以植物的吸收作用为主,这与芦苇等大型植物长期生长对无机磷的需求密切相关[6]。进入到湿地系统中的磷部分被植物吸收,在秋冬季节储存在植物体内的磷随着植物的枯萎死亡共同落在基底上,随后部分磷被微生物缓慢分解重新释放回水体当中,部分会仍然保留在基质中积累起来成为腐殖质,这部分含磷物质在好氧条件下很容易被植物吸收而重新利用,但是,在厌氧条件下却不会被生物酶所分解,可以稳定地蓄积和保存[7],随着基质的清除更换,便可以把磷从系统中彻底去除(图1.3.3)[5]。有研究表明在湿地底层

中累积、腐败的植物残体仍具有吸附结合和促进共沉淀含磷化合物的作用,可以给人工湿地系统带来新的磷吸附能力[8]。

1.3.4藻类和SS去除机理

因藻类过多繁殖引起水体的富营养化问题在我国日益突出，众多水厂也因水源中藻类过多致使管道堵塞及饮用水质量下降。况琪军等[9]对小试和中试规模的人工湿地系统除藻性能进行研究发现，人工湿地生态系统去除水体中藻类的效果显著，即使在冬季温度低，冲击负荷加大或进水中藻类细胞密度增大等情况下，其除藻率仍能维持在约 80%。

SS去除机理：在人工湿地中，湿地中的水流速度较小且水深较浅，加上填料和植物茎秆的阻挡，有利于物理沉降，使得SS有充分的时间和环境条件去除。水流流速相对较低，同时又具有大的接触表面，提高了湿地系统通过吸附作用去除SS的能力。但总的来说，SS的去除主要是依靠在湿地系统中的物理沉降和过滤来完成的。湿地中分布了大量植物根系且其基质处于饱和状态，因此固态悬浮物在随污水进入系统时会被根系以及填料阻挡截留。特别是对于潜流式湿地，这时的湿地系统就像一个水平或垂直的过滤器，通过在基质和根区面的生物膜进行重力沉淀、渗透、吸附作用从而SS被分离[11]。张虎成等[10]在利用氧化塘-人工湿地塘床系统处理造纸废水中发现，人工湿地对 SS 的去除率达 93%。

1.3.3磷的去除过程示意图

1.3.5重金属离子和病菌的去除机理

近年来，人工湿地对重金属的作用越来越被重视。在不超过一定浓度的范围内，某些微量元素是动植物体生长的重要营养元素，超过这一范围则具有毒害作用。20世纪以来的研究表明，人工湿地与重金属相互作用，并与不同方式有效地去除重金属，其过程主要体现在：在基质、微生物和植物三者的协调作用下，利用物理、化学和生物方法，通过过滤、吸附、离子交换、微生物分解和植物吸收来实现对重金属的处理。

污水中重金属离子浓度一般很低，不能与土壤中无机阴离子形成金属沉淀，但与土壤中有机质络合后增强了重金属对土壤的亲和性。土壤中微生物可通过胞外络合作用、胞外沉淀作用固定重金属，还可把重金属转化为低毒状态，但也有

的转化为毒性更强的物质。植物也能积累重金属。重金属以各种形态存在，其中溶解性的可被植物吸收，积累在植物茎以上的部分可随植物的收割最终从湿地中去除，不溶性的则被介质过滤截留。阳承胜等[12]过对宽叶香蒲、芦苇、茳芏和狗牙根的研究发现，这4种植物都有较强富集重金属的能力，且主要富集在植物的地下部分，其中茳芏富集重金属能力最强，宽叶香蒲最弱。

病原菌是由TSS水中的悬浮物带入湿地中的。它的去除与TSS的去除和水利停留时间等因素有关。由TSS带入的病原菌的去除机理与去除TSS一样，通过沉淀、拦截等过程去除。

研究表明，相同水利停留时间下，生长植物的湿地去除细菌的能力要比氧化塘好，水位地上、地下交替存在的湿地可有效的去除指示细菌。因为在所有湿地中存在残留的指示细菌，所以细菌的去除率是进水细菌数的一个函数。去除率随进水细菌数增高而升高，但是当进水细菌数比原位细菌繁殖率少时，将会出现负的去除率。

人工湿地对细菌及寄生虫的去除效果也较明显。当污水通过基质层时，寄生虫卵被沉降、截留。细菌和病原体在湿地中的去除主要通过紫外线照射等实现，另外植物根系和某些细菌的分泌物对病毒也有灭活作用，但也有研究表明：当病菌在水体中和悬浮固体颗粒结合在一起，由液相转向固相时，其在水中的存活期更长些，使病毒和细菌的灭活率不高。因此在污水处理过程中不能忽视这个问题[13]。

2影响人工湿地净化的主要因素

以上已综述了人工湿地对污染物的去除机理，进一步介绍影响去污机理的因素，包括：基质、微生物、植物、温度等。

（1）基质的影响：填料对磷的吸附量随时间的延长而增大，但磷的静态吸附实验证明，填料对磷的吸附非常有限。在美国，多数除磷填料在湿地运行初期除磷率达 90%以上，但 4～5a 后，由于磷在系统内的积累使磷去除率急剧下降，甚至出现磷解吸。

(2)植物的影响：植物根系的输氧能力是限制有机物和氮去除的关键因素之一，因此在选择湿地植物时，考虑易取得、耐受性强的基础上，应尽量选择输氧能力强、生物量大、根系发达的植物。

（3）微生物的影响：水体氮循环需要氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌和

反硝化细菌共同完成。硝化菌数量与硝化作用强度，反硝化菌数量与反硝化作用强度均呈显著的直线相关关系。因此，研发硝化细菌的快速富集培养技术，提高硝化细菌的产率，对氨氮污染水体处理具有重要作用 [12]。

＋—N去除率有较大影响，（4）温度及pH的影响：季节变化对COD和和NH

4

因二者的去除均主要基于微生物的作用，温度降低导致微生物增殖率下降、活性降低，特别是硝化菌、亚硝化菌受温度影响最为明显[14]。pH对人工湿地微生物去除N、P等营养物质有较大的影响。资料报道，在酸性和中性条件下，湿地植物根区附近可溶性正磷酸盐的化学沉淀作用就占主导作用。同时pH也影响到土壤对N、P的去除。在碱性条件下，可溶性的无机磷化合物易与土壤中的 Ca2＋发生作用，而与土壤中的 Al3+、Fe针主要是在中性或酸性环境条件下发生反应的。

（5）人工湿地要达到好的去除效果,在设计人工湿地时还需考虑预处理、进水水质要求、最佳水力负荷、湿干比、水力停留时间等因素,这些因素与湿地结构、水生植物的选用、基质的组成等组成一个综合系统,可以充分发挥系统各部分的去污效能,达到良好的整体去污效果。

3结语

人工湿地污水处理技术是一项不断深化、研究、应用的新技术,具有传统技术所不能比拟的综合效益。在处理污水的同时,美化景观,有利于促进良性生态环境的建设, 有明显的社会、环境和经济效益。它在废水中的成功应用表明，它是一种低投资、低成本、低能耗的废水处理新工艺。目前已引起全世界环境科学家的高度重视，正逐渐被广泛应用。美中不足的是人工湿地的净化作用往往是许多净化机制的综合作用，其确切的净化机制还有待进一步的研究。

文献

[1] 钟成华,李杰,邓春光.人工湿地废水处理中的氮、磷去除机理研究[J].重庆

建筑大学学报,2008,30(4):141.

[2] 沈耀良,王宝贞.废水生物处理新技术[M].北京:中国环境科学技术出版社,

1999，265-291.

[3] 赵艳锋，朱琨，李伟玲.人工湿地净化处理废水的机理探讨与效果研究[J].

环境科学与管理，2007,32（4）：87-91.

[4] 崔理华，卢少勇.污水处理的人工湿地构建技术[M].北京：化学工业出版社，

2009，189.

[5] 王锦.人工湿地在污水处理方面的机理研究[J].海洋地质前沿，2011,27

（2）.

[6] Fisher M M,Reddy K R. Phosphor flux from wetlandsoils affected by long-term

nutrient loading[J].J.Environ.Qual.,2001,30(1):61-271.

[7] Reddy K R,D’angelo E M.Biogeochemical indicators to e-valuate pollutant

removal efficiency in constructed wet-lands[J].Wat.Sci.Tech.,1997,35(5):1-10.

[8] Tanner C C.Substratum phoshorus accumulation duringmaturation of gravel-bed

constructed wetlands[J].Wat.Sci.Tech.,1999,40(3):147-154.

[9] 况琪军,吴振斌,夏宜诤.人工湿地生态系统的除藻研究.水生生物学

报,2000,24(6).

[10] 张虎成,田卫,等.人工湿地生态系统污水净化研究进展.环境污染治理技

术与设备,2004,5(2).

[11] 崔理华，卢少勇.污水处理的人工湿地构建技术[M].北京：化学工业出版

社，2009，192.

[12] 阳承胜,束文圣,等.重金属在宽叶香蒲人工湿地系统中的分布与积累．水

处理技术,2002,28(2).

[13] 刘光东，侯立柱，王文玉，王一男，张矿明.人工湿地废水处理的机理探

讨[J].能源与环境，2009,12.

[14] 王世和，王薇，俞燕．潜流式人工湿地的运行特性研究.中国给水排水，

2003，l9(4).