人工湿地污水处理技术

第1章 人工湿地污水处理技术研究进展 人工湿地包括三大要素：植物、基质（填料）、微生物。植物效应在人工湿地系统中发挥重要的作用，植物可以吸收湿地有机物来实现水体净化，同时可为湿地微生物提供附着场所。基质是植物净化、微生物吸附降解等过程的媒介，通过过滤、吸附和沉淀等作用可去除污染物。微生物是人工湿地高效、持续运行的核心，所有污染物*终都是通过微生物来降解的。本章详细地综述了三大要素——植物、基质、微生物研究进展，人工湿地污水处理技术的发展历史与应用现状，人工湿地污水处理技术研究存在的主要问题与展望。 1.1 人工湿地植物研究进展 植物是人工湿地系统三大要素之一。水生植物的类型很多，根据其生长环境内水的深浅不同，湿地植物可分为挺水植物、浮水（浮叶）植物和沉水植物。由于湿地植物永久性或周期性处于淹水状态，根区长期处于缺氧/厌氧条件，其对洪水和水涝在形态及生理上具有较好的适应性。许多湿地植物中存在通气组织（储存空气），该组织有助于植物在厌氧或缺氧土壤中生长。 在人工湿地中，植物不仅具有较好的美学特性，还可以通过吸收湿地有机物（Konnerup et al.，2009）来实现水体净化，同时可为湿地微生物提供附着场所（Peng et al.，2014），在人工湿地污水处理过程中发挥着重要作用。植物根系一方面通过分泌氧气调控湿地体系氧环境（Cui et al.，2010），另一方面通过光合作用固定碳源以提高反硝化速率（Caselles-Osorio et al.，2011）。Armstrong（1978）发现，有植物种植的湿地系统溶氧量（DO）高于无植物种植湿地系统，从此展开了植物根系泌氧的研究。然而，不同湿地植物对污染物的利用率和选择性不同，并且不同湿地植物根系发达程度不一，因此泌氧能力也具有一定的差异性。在相同工况下，不同植物对营养盐的去除效率也有明显差异（Ying et al.，2011），湿地植物种类和植物丰度的选择在一定程度上影响着人工湿地对污染物的去除性能。Lee和Kwon（2004）研究发现，对水中总氮（TN）的去除效果由高到低依次是水葱（Schoenoplectus tabernaemontani）、黄菖蒲（Iris pseudacorus）、芦苇（Phragmites australis）、水烛（Typha angustifolia），对水中总磷（TP）的去除能力排序为水烛＞水葱＞芦苇＞黄菖蒲。相关研究表明，水生植物不仅根系发达，而且存活率高，不同植物对不同水体具有不同的净化效果，同时根系发达的、存活率高的浮床植物的净化能力更强（葛滢等，2000）。此外，水生植物根系分泌物可以增加微生物群落结构的丰富性和多样性（Liu et al.，2016；Wu et al.，2017）。 植物对胁迫影响因子的适应能力是人工湿地植物筛选的重要原则之一，包括耐污性能、耐寒性能、耐盐性能、抗有毒物质能力等。 水生植物对污染物具有一定的耐受性能，当超出范围后其生长状况会受到一定影响甚至死亡，如水体较浑浊、污染物含量较高时，植物根部会出现呼吸困难，甚至腐烂。氮、磷、钾、钙、镁等元素都是植物在生长过程中不可或缺的，其浓度的高低直接影响到植物的生长状况。Silva等（2008）报道凤眼莲（Eichhornia crassipes）和百合科（Liliaceae）在含高浓度氮、磷的污染水体中生长发育状况远优于低浓度条件下的生长发育状况，而槐叶萍（Salvinia natans）则无明显差异。Suwasa等（2008）的研究表明，高负荷条件下植物对系统去除污染物的影响主要是通过植物根系改变湿地系统的水力传导性能并减少系统堵塞，而植物直接吸收来去除污染物的贡献较小。 人工湿地植物的耐寒性能是应对气候变化和季节更替的现实要求。植物生长受温度影响，在合适的温度下，植物生长速率加快，微生物活性提高，进而加强了对含氮、磷等污染物的净化速率。常见的耐寒植物有德国鸢尾（Iris germanica）、黄菖蒲、香菇草（Hydrocotyle vulgaris）、狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）、虎耳草（Saxifraga stolonifera）、木槿（Hibiscus syriacus）等。胡绵好等（2011）的研究结果表明，种植水芹（Oenanthe javanica）和豆瓣菜（Nasturtium officinale）的浮床，在10℃条件下对TN、NO3－-N的去除率比在22℃和35℃时的去除率都低。殷晓乐（2006）在季节性植物搭配强化净水效果研究中提出使用耐寒菹草和芦苇组合种植，交替发挥生长优势，既保证了对污染物的稳定去除，又实现了对污水一年四季的净化。 对于处理含盐量较高的污水及高盐分土壤地区的人工湿地，耐盐性能是筛选湿地植物的重要考虑因素。郭焕晓等（2006）在北方沿海高盐度地区人工湿地的研究表明，香蒲（Typha orientalis）、睡莲（Nymphaea tetragona）、水葱、美人蕉（Canna indica）和黄花鸢尾（Iris wilsonii）对氮和磷都有较好的去除效果。黄花鸢尾不仅具有较好的耐盐性能和较好的脱氮除磷效果，还具有较好的景观效益，适宜在中国北方土壤盐碱化地区推广。李玫等（2012）通过对秋茄（Kandelia candel）等5种华南沿海常见湿地植物的生理响应研究，发现植物抗性大小关系依次为秋茄＞拉关木（Laguncularia racemosa）＞桐花树（Aegiceras corniculatum）＞芦苇＞短叶茳芏（Cyperus malaccensis），秋茄和拉关木可用于华南沿海湿地修复。李芊芊等（2017）基于对中国南方沿海及海岛的野外调查和文献调研，从23种南方滨海耐盐植物中筛选出扁秆藨草（Bolboschoenus planiculmis）、海雀稗（Paspalum vaginatum）、川蔓藻（Ruppia maritima）、海马齿（Sesuvium portulacastrum）和盐地碱蓬（Suaeda salsa）为耐盐性能*强的植物品种。褚润等（2018）研究不同盐度下一些植物的外部形态、生理特性指标变化及其对污水中总氮和总磷的净化效果，筛选出适宜高盐人工湿地的植物为芦苇、香蒲和鸢尾（Iris tectorum）。 水体有毒物质会抑制植物生长，影响根际微生物活性，进而导致植物死亡。植物对这类物质的修复作用主要体现在直接吸收、吸附、光降解、微生物降解等方面。Huan等（2016）研究发现，从表皮到维管束的金属运输和根组织中的金属分布受金属和植物种类影响。Cu 和Zn 作为植物生长必需的营养物质可被根吸收，共享运输路径和类似的机制。Fe和Mn除了作为植物的主要营养成分外，还可以形成Fe 斑块和Fe-Mn氧化物，在植物中通过清除表皮中的其他金属来控制其他金属运输。除金属元素之外，水体纳米粒子对植物生长也存在一定影响。李润青（2016）研究表明，在纳米银粒子（AgNPs）胁迫下湿地土壤脲酶和脱氢酶活性降低，进而影响湿地脱氮性能。 因此，在筛选植物时，应尽量选择根系发达、输氧能力强、耐性强的湿地植物。一般湿地植物的选择遵循以下原则（Vymazal，2011）：①耐污性能和耐寒性能强，又宜于本地生长；②具有丰富的根茎组织，为微生物生长提供载体；③抗病虫害能力强；④有一定的经济和景观价值。目前，国内人工湿地中应用较普遍的湿地植物及其适应的人工湿地类型见表1.1。 表1.1 国内人工湿地中应用较普遍的湿地植物及其适应的人工湿地类型 1.2 人工湿地基质研究进展 基质是人工湿地的三大要素之一，无论是植物的净化，还是微生物的吸附降解都需要将基质作为媒介，基质在协调湿地各组分之间的关系中发挥着重要的作用。基质通过过滤、吸附和沉淀等作用去除污染物，基质类型决定着人工湿地的净化能力和运行的稳定性。 污水携污染物进入湿地后，基质层首先担负起拦截和吸附污染物的作用，因此基质的物理特性首先是作为除污的主要动力，其中粒度的影响*为直接，其尺寸大小显著影响基质层孔隙结构及水力特征。通常基质粒径越小，以悬浮物（SS）和化学需氧量（COD）指标为代表的污染物从污水中分离得就越快，湿地除污效率就越高。然而过小的粒径会导致截留SS过快，容易造成湿地系统堵塞。 基质材料的化学性能影响污水中污染物的去除，通常这部分的作用方式源自化学反应（Yang et al.，2018）。材料的化学结构中存在可交换的离子时，即可发生离子交换作用实现对特定污染物的去除。例如，沸石是具有规则孔道的天然分子筛选材料，晶格结构中Na＋和K＋可等量交换污水中的NH4＋-N，在阳离子交换点位上不同的占位原子交换NH4＋-N的能力存在差异，研究证实交换优先级由强到弱的排序为Na＋＞ K＋＞Ca2＋＞Mg2＋（Zhu et al.，2011）。除NH4＋-N外，水中的毒性重金属（如Cu、Pb 及Zn 等）也可以通过基质的离子交换方式去除（朱加宾等，2018）。目前人工湿地除磷基质大致可分为三大类，即天然材料、工业副产品、人造产品，常见的基质种类见表1.2。 表1.2 目前人工湿地常见的基质种类 天然材料直接取于自然界，具有低成本、高储量等优点，为当前湿地基质应用中使用*广泛的基质类型。在天然材料中，常被应用于人工湿地的有砾石、石灰石、沸石、粗砂、火山岩、红壤等（Du et al.，2017；游成赟，2020；罗晓等，2021）。但部分天然材料存在容易堵塞、除磷效果不够理想或是不利于植物生长等问题，为此如何合理配置各种天然材料或是将天然材料与其他材料进行组合强化，已成为当前提升湿地基质床除磷性能的研究热点。 将工业制造或采矿选矿时伴随产生的经济价值不高的副产品，合理应用为湿地除磷基质，可有效实现“以废治废”、降低建设成本等目标。但工业副产品除磷基质易受生产工艺、原材料等因素影响，建议应用前先进行可行性分析或相关分析，以免造成二次污染（吴潇，2019）。因此，工业副产品除磷基质能否安全应用于工程中仍需进行大量研究。 人造产品除磷基质是一类基于原材料，利用物理或化学等手段将其改性或修饰，以达到高效吸附除磷目的的基质类型（曹蕾等，2020；罗元等，2020）。尽管这类基质展示了理想的除磷效果，但其应用成本较高。 针对传统基质存在固定化、低效率、易耗损等缺点，学者尝试将新型高效改性、适应性强且价廉的基质材料应用于人工湿地水处理领域。常用的改性方式有酸碱改性、高温改性。酸碱改性主要是对基质表面的官能团进行改性，高温改性可调整孔隙结构、密集程度，另外负载一些金属氧化物用于修饰基质表面的生化活性。另外，也可以采取电化学、光催化、微波和纳米技术改性，在实际应用过程中，针对大量的基质尽量选取操作简单、成本较低的改性方法，进一步增强基质的性能。 不同基质理化性质不同，导致上面附着的微生物膜的种类、生物活性、生物数量和挂膜速度也不尽相同。因此，基质在净化效果和水力传导性、使用周期上也不同。而且单一基质在湿地运行过程中很容易因为提供水力条件单一和基质吸附过程中有机物沉积而形成湿地死水区，导致湿地使用周期短，因此除了对基质进行改性之外，国内外学者也通过基质级配（不同类型和粒径的基质搭配）的方式，降低污染负荷，进而延长人工湿地服务年限。在实际应用中，根据不同基质粒径、渗透系数、水力传导率等理化性质上的差异，合理搭配组合不同基质可以延长湿地的使用周期及提高净水能力。而基质搭配组合除了需针对去除目标筛选合适基质种类之外，还需要考虑各种基质用量比等。 基质级配对湿地内部氧气流通和水流循环有很大的影响，适当的基质级配可以有效去除污染物质。武俊梅等（2010）以生物陶粒、无烟煤、沸石、钢渣和蛭石为基质，按不同的级配方式填充成基质柱，进行垂直潜流人工湿地