潛流人工濕地處理受污染河水研究綜述
隨著經濟建設的飛速發展，隨著化肥、洗滌劑、農藥和其它化學物質的普遍使用，城市污水中氮、磷的含量越來越多。目前，對城市污水主要采取二級處理，而活性污泥法以其工藝相對成熟、運行穩定、處理效果好而成為污水二級處理的主流工藝。傳統的活性污泥法基建投資大、運行費用高，而且它主要以去除碳源污染物為目的，對氮、磷等營養物質的去除則微乎其微，經該法處理后的出水排入水體仍將造成富營養化問題。對出水進行三級處理雖然可以解決此為難題，但其投資和運行費用更高。我國作為一個發展中國家，要應用三級處理來解決污水中氮、磷等營養物質的問題，還不太現實。20世紀70年代末興起的人工濕地污水處理法為處理水中的氮、磷提供了一種新的選擇。我國在“七五” 期間開展人工濕地的研究，分別在北京昌平、深圳白泥坑、天津等地建成不同處理規模的人工濕地處理工程。這些處理系統大多為自由表面流人工濕地，對于潛流型人工濕地的研究相對較少。
1.潛流型人工濕地處理系統的類型及其特點
1.1自由表面流人工濕地和潛流型人工濕地
根據污水在人工濕地中的流動方式可以把人工濕地劃分為自由表面流人工濕地和潛流型人工濕地。自由表面流人工濕地和自然濕地相類似，廢水從濕地表面流過。這種類型的人工濕地具有投資少、操作簡單、運行費用低等優點、缺點是占地面積大，水力負荷低，去污能力有限，受氣候影響較大，夏季會孳生蚊蠅、散發臭味。潛流型濕地系統中，污水在濕地床的表面下流動，利用填料表面生長的生物膜、植物根系及表層土和填料的截留作用凈化污水。國外所建成的人工濕地中，潛流型人工濕地占相當大的比例。如在新西蘭使用的大約 80個人工濕地系統中，表面流濕地占45%，潛流型人工濕地占33%，混合型人工濕地占14%。 在美國、歐洲、澳大利亞和南非等地已建成的和正在建設的人工濕地處理系統中大部分是潛流型濕地。
1.2水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地
根據污水在濕地中流動的方向不同可將潛流型濕地系統分為水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地2種類型。不同類型的濕地對污染物的去除效果不同，具有各自的優缺點。
水平潛流濕地系統。水平潛流人工濕地因污水從一端水平流過填料床而得名。它由一個或幾個填料床組成，床體充填基質。與自由表面流人工濕地相比，水平潛流人工濕地的水力負荷和污染負荷大，對BOD5，COD，SS，重金屬等污染指標的去除效果好，且很少有惡臭和孳生蚊蠅現象，是目前國際上較多研究和應用的一種濕地處理系統。它的缺點是控制相對復雜，脫氮、除磷的效果不如垂直流人工濕地。
垂直潛流濕地系統。在垂直潛流人工濕地中污水從濕地表面縱向流向填料床的底部，床體處于不飽和狀態，氧可通過大氣擴散和植物傳輸進入人工濕地系統。該系統的硝化能力高于水平潛流濕地，可用于處理氨氮含量較高的污水。其缺點是對有機物的去除能力不如水平潛流人工濕地系統， 落干、淹水時間較長，控制相對復雜。
2.潛流型人工濕地的構成
潛流型人工濕地主要由3部分組成：基質、植物和布水系統。目前人工濕地系統可用的基質主要有土壤、碎石、礫石、煤塊、細沙、粗砂、煤渣、多孔介質、硅灰石和工業廢棄物中的一種或幾種組合的混合物。基質一方面為植物和微生物生長提供介質，另一方面通過沉積、過濾和吸附等作用直接去除污染物。潛流型人工濕地中使用的植物主要有香蒲、蘆葦、燈心草等。這些植物可增加濕地基質的透水性。此外還能與周圍環境的原生動物、微生物等形成各種小環境，將氧氣傳輸至根區，形成特殊的根際微生態環境。這一微生態環境具有很強的凈化廢水的能力。在美國，大約40%的潛流型濕地只種植香蒲一種植物。歐洲國家則多數種植蘆葦，也有一些系統種植了多種組合植物。布水系統主要是將進水按一定方式均勻地分布在處理系統中，并且保證不發生短流和堵塞，在潛流型人工濕地處理系統中多采用穿孔管布水系統。
3.潛流人工濕地的工藝流程
人工濕地的工藝流程有多種，目前采用的主要有：推流式、階梯進水式、回流式和綜合式4種。
階梯進水可避免處理床前部堵塞，使植物長勢均勻有利于后部的硝化脫氮作用；回流式可對進水進行一定的稀釋，增加水中的溶解氧并減少出水中可能出現的臭味。出水回流還可促進填料床中的硝化和反硝化作用，采用低揚程水泵，通過水力噴射或跌水等方式進行充氧。綜合式則一方面設置出水回流，另一方面還將進水分布至填料床的中部以減輕填料床前端的負荷。
人工濕地的運行可根據處理規模的大小進行多種方式的組合，一般有單一式、并聯式、串聯式和綜合式等，如下圖所示。在日常使用中，人工濕地還常與氧化塘等進行串聯組合 。
4.潛流型人工濕地的凈化基本原理
4.1反應凈化機理
針對人工濕地在去除污染物過程中所發生的反應，其凈化機理，主要是通過物理作用、化學作用和生物作用來去除水中的污染物質。物理作用，主要包括重力對可沉固體、BOD5、氮、磷、難溶有機物等的沉淀作用、填料和植物根苗對污染物的過濾和吸附作用等。化學作用則主要是指人工濕地系統中由于植物、填料、微生物及酶的多樣性而發生的各種化學反應過程，包括化學沉淀、吸附、離子交換、氧化還原等。生物作用則是依*微生物的代謝（包括同化、異化作用）、細菌的硝化與反硝化、植物的代謝與吸收等作用，達到對污染物的去除。它也是人工濕地系統凈化污水最重要的一種作用。
4.2構成凈化機理概述
從人工濕地的構成來看，其凈化機理如下：基質、水生植物和微生物是人工濕地的重要組成部分，基質為微生物的生長提供穩定的依附表面，為水生植物提供載體和營養物質，并通過一些物理和化學途徑（如吸附、過濾等）凈化污水；水生植物除直接吸收利用污水中的營養物質及吸附、富集一些有毒有害物質外，還有輸送氧氣到根區和維持水力傳輸的作用；微生物的代謝作用是污水中有機污染物降解的主要機制。
同時基質、植物和微生物還相互聯系，互為因果，形成一個系統。廢水可以在人工基質縫隙中流動或在床體的表面流動，并在床的表面種植具有污水處理機能好、成活率高、抗水性能強、生長周期長、美觀及具有經濟價值的水生植物。當廢水流經時，固體物被人工基質及植物根系阻攔截留，有機質通過生物膜的吸附，同化及異化作用而得以去除。因濕地植物根系對氧的傳遞釋放以及根系上附著的微生物對氧的消耗，植物根系周圍的微環境中依次呈現出好氧、缺氧和厭氧狀態，有利于硝化、反硝化作用及微生物對磷的過量積累作用，達到除氮磷的效果，最后通過濕地基質的定期更換或植物收割使污染物質最終從系統中去除。一般地污水中不溶性有機物通過濕地的沉淀、過濾作用，可以很快地被截留而被微生物利用。污水中可溶性有機物則可通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解過程被分解去除。
5.潛流人工濕地對各種污染物的凈化
5.1人工濕地對SS的去除
污水中可沉降的SS主要依*濕地系統中的物理沉降作用去除。由于濕地中水的流動其極緩慢，水淺，加上植物莖稈的阻擋作用，SS在進水口幾米內能有效地去除。實驗表明，幾乎所有的固體物在系統最初的20%面積處得到去除[29]。膠體狀的SS主要依*微生物的作用、填料滲濾作用去除。
5.2對有機物的去除
潛流型人工濕地的顯著特點之一就是其對有機污染物有較強的降解能力。污水中的不溶有機物通過濕地的沉積、過濾作用，可以很快地被截留而被微生物利用。污水中的可溶性有機物則可通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝過程而被分解去除。資料表明，潛流型人工濕地系統的出水水質優于傳統的二級生物處理。
5.3對氮的去除
潛流型人工濕地對氮的去除作用包括吸附、過濾和沉積、氨揮發、植物吸收和微生物硝化和反硝化作用。微生物的硝化和反硝化作用在氮的去除過程中起著重要作用。在潛流型濕地系統中，氧的主要來源是植物根系，但這種能力是非常有限的，這就妨礙了任何流經該水域水流中氨的硝化作用。為提高潛流型濕地的供氧量，可以采用周期性地改變水深促使根系向縱深生長，增加暴露水面或地表漫流區以促進表面復氧作用，或采用間歇布水的方式，以及采用頻繁注入和循環的多個平行床系統使大氣中的氧進入到介質中等方法。Green研究了系統中氧的分布隨時間和空間的變化，并通過給濕地系統增設輸氣管，利用慢灌快排使系統充分進氣，以增加內部溶解氧的含量來提高系統的硝化反應能力，結果大大提高了氨氮的去除率。
5.4對磷的去除
潛流型人工濕地對磷的去除作用包括吸收化學沉積、植物和藻類吸收、 微生物作用等。其中基質吸附起主要作用。基質的理化性質對磷的去除率有很大影響。Zhu等研究了鎂、鈣、鐵、鋁和磷的吸附關系，發現鈣與磷的吸附相關性最強。Celler也認為鈣與鐵、鋁相比對磷具有更強的結合能力。潛流型濕地系統對磷的去除能力決定于這些礦質元素在基質中的含量。A.Drizo等比較分析了7種基質對磷的去除能力，發現飛灰和頁巖具有最大的磷吸收，然后是鋁土礦、石灰石，綜合比較各種性能。A.Drizo認為頁巖最適合作為潛流型濕地系統的基質。H.Brix等分析了17種丹麥不同地區沙的理化性質和除磷能力，這些沙對磷的去除能力差別極大，決定磷的去除能力是沙中鈣的含量。研究認為將這些人工基質中的一種或幾種和沙混合使用可以顯著提高潛流型濕地系統的除磷能力。
6.潛流人工濕地的發展與現狀
德國最早開展了潛流型人工濕地的研究。早期的潛流型濕地處理系統主要用于處理城市生活污水或二級污水處理廠出水。經過近15年研究與發展，該技術已經在英國、美國、新西蘭、法國、澳大利亞、巴西、荷蘭等許多國家得到應用推廣。一些發展中國家也開始使用該技術解決國內的污水處理問題，與此同時應用范圍也不斷擴大。除了用于處理城市污水外， 還應用于工業廢水、農業面源污染、垃圾滲出液暴雨徑流等多種廢水的處理，表現出良好的凈化效果。
我國在“七五”期間開展人工濕地的研究，分別在北京昌平、深圳白泥坑、天津等地建成不同處理規模的人工濕地處理工程。這些處理系統大多為自由表面流人工濕地，對于潛流型人工濕地的研究相對較少。
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