研究背景

人工濕地是人工構(gòu)建的模擬自然生態(tài)系統(tǒng)，研究表明，人工濕地的建設(shè)與維護(hù)費用低、環(huán)境友好且具有生態(tài)景觀利用價值，可用于多類型污水水質(zhì)的凈化，在國內(nèi)外均具有廣泛應(yīng)用。人工濕地可對污水廠處理出水進(jìn)行深度凈化，增加工程凈化水的自然生態(tài)屬性，有效減緩了對受納水體的沖擊，同時，緩解了水環(huán)境萎縮問題。人工濕地主要分為表流濕地和潛流濕地兩種。報道稱，基質(zhì)是潛流人工濕地的重要組成部分，在水質(zhì)凈化中發(fā)揮著至關(guān)重要的直接與間接作用。現(xiàn)有文章對比了不同基質(zhì)填充下人工濕地的凈水效果，然而在大規(guī)模潛流人工濕地工程構(gòu)建中，針對不同污水水質(zhì)特征的基質(zhì)優(yōu)選與級配確定原則、其與濕地運行效果的關(guān)系等問題均有待梳理。為此，本文將重點從基質(zhì)的功能、級配、凈水效果與機制方面展開系統(tǒng)論述，為針對不同污水凈化功效的潛流人工濕地構(gòu)筑與基質(zhì)選擇提供理論基礎(chǔ)與支持。

摘 要

潛流人工濕地依靠基質(zhì)、微生物以及植物的共同作用實現(xiàn)對污水中各類污染物的去除。其中，基質(zhì)是潛流人工濕地的重要組成部分，在水質(zhì)凈化中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用?；|(zhì)可對污染物進(jìn)行直接吸附去除。不同基質(zhì)類型對氨氮與總磷具有不同的吸附能力，同時，吸附效率受到水質(zhì)、水力條件等參數(shù)影響。此外，基質(zhì)為微生物提供附著表面，基質(zhì)材質(zhì)、內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)、比表面積等均影響生物膜的形成與發(fā)展，進(jìn)而間接影響人工濕地的污水凈化功能。改變基質(zhì)所處淹沒/暴露狀態(tài)、增加緩釋碳源基質(zhì)、增加鐵碳電解對基質(zhì)等方式可分別從增加補氧、強化反硝化和電化學(xué)強化的角度改善人工濕地對氨氮、總氮與總磷類污染物的去除效果。

01

潛流人工濕地對污水中污染物的凈化機理

潛流人工濕地對污水污染物的去除依靠基質(zhì)、微生物及植物的共同作用（圖1）。微生物在污水凈化中起到至關(guān)重要的作用，其對氮素、碳素的去除貢獻(xiàn)一般在50%以上；基質(zhì)在污水中磷、重金屬等的物化去除中占據(jù)重要位置；植物根系從污水中吸收氮、磷，用于污染物的去除與生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化。

圖1潛流人工濕地污染物凈化機制

除了微生物、基質(zhì)與植物對污染物的直接作用外，三者在污水凈化中存在復(fù)雜的相互作用。基質(zhì)粒徑越小，單位體積基質(zhì)可提供給微生物的表面越大。然而，基質(zhì)選擇不能單從比表面積這一點考慮，粒徑過小會加劇基質(zhì)間的污堵，影響人工濕地運行年限。此外，系統(tǒng)內(nèi)污水的流態(tài)受到進(jìn)水流速、基質(zhì)粒徑級配及基質(zhì)表面性質(zhì)的共同調(diào)控，而流態(tài)的差異則影響了空氣中的氧氣與污染物向生物膜內(nèi)的傳質(zhì)效率，同時也影響著生物膜生長的厚度與致密性。不同基質(zhì)材質(zhì)與粒徑形成的基質(zhì)空隙間微環(huán)境理化性質(zhì)差異對細(xì)菌等微生物形成的生物膜群落結(jié)構(gòu)影響重大，進(jìn)而對生物膜的污水凈化功能產(chǎn)生影響。近年來，新興功能材料被越來越多的用做濕地基質(zhì)，如生物炭材料、鐵礦渣等。功能材料除附著載體功能外，還可為部分微生物對污染物的代謝提供緩釋有機碳、電子供體等，強化對氮素污染物的去除。

基質(zhì)為濕地植物提供了立地基礎(chǔ)，植物根系交錯存在于基質(zhì)空隙當(dāng)中，基質(zhì)粒徑過小阻礙植物根系向周圍環(huán)境的延伸，進(jìn)而影響根系對污染物的吸附吸收效率。微生物膜與植物根系的生長對基質(zhì)理化性質(zhì)亦存在影響，最直觀的表現(xiàn)是導(dǎo)致基質(zhì)孔隙率下降，滲透系數(shù)改變，進(jìn)而影響污水流速與流態(tài)。報道表明，生物膜的生長顯著降低了系統(tǒng)對水的滲透系數(shù)，但對基質(zhì)孔隙率的影響可以忽略。另有研究表明，香根草等植物根系僅占據(jù)基質(zhì)孔隙的3%-5%，對基質(zhì)孔隙率的影響不大。研究的量化成果對于技術(shù)的應(yīng)用與研究者認(rèn)知均具有重要的指導(dǎo)意義。上述研究成果與研究者主觀認(rèn)為的“生物膜與植物根系可造成嚴(yán)重基質(zhì)堵塞”這一觀點相違背。然而，上述研究成果是否廣泛適用于潛流人工濕地有待考證?；诨|(zhì)與微生物、植物功能發(fā)揮間的復(fù)雜相互作用，掌握基質(zhì)理化性質(zhì)對人工濕地污水深度凈化的影響規(guī)律具有重大意義與應(yīng)用價值。

02

人工濕地基質(zhì)性質(zhì)與凈水功能的關(guān)系

基質(zhì)的化學(xué)組成結(jié)構(gòu)決定了其對水中污染物的離子交換能力/吸附能力等，直接影響了污染物的物化去除效率，如圖2所示；基質(zhì)孔徑與表面粗糙度等物理性質(zhì)決定了生物膜的附著能力；污水、基質(zhì)與生物間的交互作用影響基質(zhì)表面微環(huán)境，間接影響了污染物的生化作用效果。

圖2 人工濕地基質(zhì)理化性質(zhì)對污水凈化的影響

1.基質(zhì)材質(zhì)對人工濕地水質(zhì)凈化效果的影響

表1總結(jié)了不同基質(zhì)的理化性質(zhì)及其對氨氮與總磷的吸附與解吸情況。不同基質(zhì)對各類污染物的吸附能力差異懸殊，對氨氮的吸附容量在2~1700 mg/kg；對磷酸鹽的吸附容量在11 ~1050 mg/kg，應(yīng)根據(jù)濕地擬凈化的污水特征選擇基質(zhì)類型。從機理上講，常用基質(zhì)如礫石、陶粒等，自身可通過靜電吸附、離子交換、化學(xué)沉淀等作用去除污水污染物。靜電吸附等物理去除作用是可逆的，部分基質(zhì)雖然具有很高的污染物吸附容量，但是解吸率很高，如表1中的黏土陶粒、陶結(jié)等對氨氮的解吸率均在60%以上?；|(zhì)對污染物的解吸速率與其吸附原理、基質(zhì)表面粗糙程度、基質(zhì)內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)以及pH等水質(zhì)情況均有關(guān)系。物理吸附、微環(huán)境水力擾動強及pH適宜條件下的強離子交換作用利于污染物的解吸。從表1沸石對氨氮的吸附容量數(shù)據(jù)得出，不同研究者的數(shù)據(jù)間也存在巨大差異，可見，不同環(huán)境因素與反應(yīng)條件對基質(zhì)吸附的影響不可忽視。相對物理吸附而言，化學(xué)吸附作用相對持久，通過化學(xué)吸附固定的污染物解吸相對困難?；|(zhì)物質(zhì)組成決定了其對污染物的吸附能力，比表面積則關(guān)系到基質(zhì)與污染物的接觸概率。研究表明，基質(zhì)中鋁、鐵等成分越高，對三價正磷酸鹽類含磷污染物的化學(xué)吸附作用越強。

表1不同基質(zhì)的理化性質(zhì)及對污染物吸附-解吸效果

因此，在人工濕地基質(zhì)選擇中，如果想以基質(zhì)吸附作為污染物去除的主要途徑，則不能僅關(guān)注基質(zhì)對各類污染物的吸附容量，也應(yīng)對其不同水質(zhì)條件下的解吸率進(jìn)行考察?；|(zhì)具有一定的吸附容量，隨著運行過程中吸附量的增加，基質(zhì)吸附作用會越來越弱，直至一定年限后失去效果。

除了上述直接作用，基質(zhì)通過影響微生物、植物、環(huán)境理化性質(zhì)等間接影響人工濕地水質(zhì)凈化。不同基質(zhì)材質(zhì)的比表面積、密度、化學(xué)結(jié)構(gòu)等理化性質(zhì)存在差異，進(jìn)而對污水的滲透性能、生物膜的粘附性能以及對污染物的吸附性能均產(chǎn)生影響?；|(zhì)與水中離子的物質(zhì)交換對生物膜微環(huán)境內(nèi)的pH、氧化還原電位均產(chǎn)生影響，進(jìn)而對微生物的代謝與污染物的凈化產(chǎn)生干擾?？梢?，基質(zhì)性質(zhì)對人工濕地水質(zhì)凈化過程有著直接或間接的影響（如圖2所示），相互作用關(guān)系與機理十分復(fù)雜。在人工濕地設(shè)計基質(zhì)選擇過程中，不能單獨從某一方面確定選用基質(zhì)類型，而應(yīng)該從基質(zhì)對污染物的直接吸附性能、對生物膜生長影響以及基質(zhì)緩釋物質(zhì)等多角度綜合分析。

2.人工濕地基質(zhì)所處狀態(tài)對水質(zhì)凈化影響

在上端進(jìn)水下端出水式的潛流人工濕地工程應(yīng)用中，一般均會設(shè)置出水堰以避免進(jìn)出水水位差引起的水頭與重力勢能損失?？梢?，在人工濕地運行時，其內(nèi)部基質(zhì)一直處于水淹沒狀態(tài)，空氣中的氧氣僅能通過慢速的氣-液相傳質(zhì)對進(jìn)水口表層的污水富氧。低效率補氧是抑制污水中氨氮類污染物去除的關(guān)鍵因素，因此，研究者提出了“不飽和基質(zhì)”型人工濕地的構(gòu)想，即，降低出水堰高度，使得一部分基質(zhì)處于氣相暴露狀態(tài)以實現(xiàn)高效的固相生物膜-液相污水-氣相氧氣間的氧氣傳質(zhì)與污染物凈化。

表2總結(jié)了不飽和狀態(tài)基質(zhì)對氨氮氧化去除的影響。大多數(shù)不飽和狀態(tài)基質(zhì)強化型人工濕地對氨氮的凈化率可達(dá)50%，甚至高達(dá)76.88%；對水體增氧效果可高達(dá)5 mg/L?；|(zhì)類型、基質(zhì)粒徑、不飽和區(qū)高度及進(jìn)水水質(zhì)對氨氮的氧化效果均有影響。不同類型基質(zhì)表面親疏水性質(zhì)不同，進(jìn)水在重力作用下從基質(zhì)空隙間向下流動，基質(zhì)越親水，基質(zhì)生物膜-污水液膜-空氣/氧氣三者間的接觸時間越長，三相傳質(zhì)越充分，氨氮氧化效果越好?；|(zhì)粒徑越小，比表面積越大，可從增加三相間的接觸概率角度提升氧氣的傳質(zhì)效果。不飽和區(qū)高度提高，三相接觸歷時越長，然而這種方式會增加系統(tǒng)的水頭損失和能耗。進(jìn)水氨氮濃度在一定范圍內(nèi)提升，對應(yīng)的氨氮去除量也會提升，但氨氮去除率會有所下降。

表2不飽和狀態(tài)基質(zhì)對氨氮氧化的促進(jìn)效果

3.潛流人工濕地基質(zhì)級配與功能

在潛流人工濕地實驗室小試中，多數(shù)研究者選擇粒徑均一的某種基質(zhì)，而在中試或市場化應(yīng)用中，則存在不同區(qū)域粒徑的分級情況。人工濕地中應(yīng)用的基質(zhì)粒徑一般分布在3-15 mm，部分研究者使用60 mm以上粒徑基質(zhì)（圖3a）?；|(zhì)材質(zhì)與粒徑大小對人工濕地污水凈化效果有顯著影響。理論分析可知，基質(zhì)粒徑越大，系統(tǒng)孔隙率越大。根據(jù)表1孔隙率數(shù)據(jù)繪制的圖3b可知，隨著基質(zhì)粒徑的提高，系統(tǒng)孔隙率有升高的趨勢。然而，不同研究者采用相同粒徑區(qū)間（如2-4 mm）的不同材質(zhì)基質(zhì)時，其孔隙率波動范圍仍然很大（33%-60%），這與天然基質(zhì)材料不規(guī)則形狀及填充疏密有直接關(guān)系。隨著顆粒物在系統(tǒng)內(nèi)逐步積累、基質(zhì)表面生物膜加厚，系統(tǒng)局部可形成堵塞，影響濕地的運行。因此，在濕地設(shè)計時，需了解濕地內(nèi)部不同位置的堵塞風(fēng)險源與堵塞程度。在最易堵塞區(qū)域，適當(dāng)提高其初始空隙率，并從根源上減緩堵塞源的輸入和形成。

圖3常見潛流人工濕地基質(zhì)粒徑與孔隙率分布

在大型濕地應(yīng)用工程中，垂直流潛流濕地基質(zhì)可分為布水層、凈化層和排水層（圖4）。布水層一般位于進(jìn)水口處，起到均勻布水的作用。對于“上進(jìn)下出”式垂直流潛流濕地，布水層還承擔(dān)著支撐上層植物的作用。因此，布水層多采用土壤、細(xì)沙等小粒徑的基質(zhì)，該層深度一般在5-20 cm。中間層，即凈化層，是濕地的核心層。該區(qū)域內(nèi)不同種屬的微生物附著在基質(zhì)表面形成生物膜，起到對不同類型污染物的凈化作用。該層多采用細(xì)礫石、陶粒等基質(zhì)，粒徑在5-30 mm，深度在30-60 cm不等。不同研究者會在該層設(shè)置兩種不同粒徑的基質(zhì)，實現(xiàn)從進(jìn)水口到出水口基質(zhì)粒徑的逐級遞增和均勻過渡。由于大氣復(fù)氧及從進(jìn)水口到出口的微生物作用，不同基質(zhì)所處微環(huán)境存在梯度變化，如從好氧環(huán)境到缺氧環(huán)境的改變，pH、有機碳源含量與組成的變化等。濕地系統(tǒng)宏觀空間的差異性造就了不同功能微生物對多類型污染物凈化的多環(huán)境條件需求，如微生物脫氮的好氧-缺氧環(huán)境。對于常見“上進(jìn)下出”式垂直流潛流濕地而言，排水層靠近出水口，也位于濕地系統(tǒng)的最底層，主要起到支撐作用。該層基質(zhì)多采用大粒徑粗礫石，深度在5-50 cm不等。對于水平潛流人工濕地而言，隨水流流動的水平方向，依次為進(jìn)水區(qū)、凈水功能區(qū)和排水區(qū)。凈水功能區(qū)的垂直方向可根據(jù)種植植物、好氧環(huán)境變化等功能需求布設(shè)不同粒徑與材質(zhì)的基質(zhì)。

圖4 潛流人工濕地基質(zhì)級配

各功能區(qū)基質(zhì)均存在堵塞風(fēng)險，布水層靠近進(jìn)水口，進(jìn)水中的顆粒物容易在該層沉積；凈化層是微生物活躍區(qū)域，由于該層接近進(jìn)水，“營養(yǎng)”豐富，生物膜的快速增長是該區(qū)域堵塞的主要原因；排水層在濕地系統(tǒng)最底部，是大氣復(fù)氧最難作用的區(qū)域，對于非曝氣補氧型潛流濕地而言，該區(qū)域存在厭氧污泥堵塞風(fēng)險。有研究表明，進(jìn)水區(qū)域在濕地運行過程中孔隙率下降最快。因此，需要兼顧進(jìn)水區(qū)域均勻布水、植物支撐與減緩堵塞的綜合角色，合理選擇基質(zhì)粒徑。同時可參考模塊化生物濾池設(shè)計，填充輕質(zhì)填料，周期性更換以緩解上層的堵塞情況。值得注意的是，雖然出水層在運行中孔隙率變化不明顯，但其污水滲透系數(shù)發(fā)生了明顯下降，這可能與厭氧區(qū)域生物膜的形成有關(guān)。可見，監(jiān)測人工濕地孔隙率變化不足以支撐濕地堵塞與否的判定。隨著污水滲透系數(shù)的下降，濕地發(fā)生溢流風(fēng)險的概率逐步提升。

03

特殊材質(zhì)基質(zhì)的污水凈化強化機制與效果

1.生物炭基質(zhì)的水質(zhì)凈化強化機制與效果

生物炭作為功能基質(zhì)強化人工濕地污水凈化的相關(guān)研究較多。植物秸稈可被燒制成生物炭材料應(yīng)用于濕地內(nèi)部，實現(xiàn)廢物資源利用。生物炭基質(zhì)在濕地中有多種水質(zhì)凈化強化機制。首先，高比表面積與豐富的內(nèi)部孔隙為微生物附著提供了更多的表面與差異性內(nèi)部水力與環(huán)境條件，如在宏觀好氧功能區(qū)內(nèi)，生物炭微孔可為厭氧細(xì)菌提供豐富的缺氧與厭氧微環(huán)境；或在宏觀湍流水力條件中提供微孔內(nèi)的微觀平流環(huán)境，弱化生物膜的水力沖刷作用，進(jìn)而允許生物膜生長較厚，產(chǎn)生自外向內(nèi)的好氧-缺氧-厭氧過渡環(huán)境，使得具有不同環(huán)境需求的生物可共同存在于同一生物膜當(dāng)中。有研究報道，生物炭添加增加了人工濕地內(nèi)微生物群落的多樣性。這種生物膜縱向差異性也是實現(xiàn)人工濕地同步硝化反硝化、厭氧氨氧化的前提條件。其次，生物炭本身的多孔結(jié)構(gòu)強化其污染物吸附作用。研究表明，生物炭對銨根離子的吸附容量高達(dá)1353 mg/kg，且解吸率低于2%；對磷酸根離子的吸附容量為714.6 mg/kg，解吸率13.3%。最后，生物炭材料可緩釋有機物。這一特性恰好能夠解決濕地反硝化過程有機碳源不足的問題。此外，更多的有機碳緩釋材料在人工濕地中的應(yīng)用均存在報道，如poly butylenes succinate （PBS）、玉米棒、木屑等。綜合生物附著、污染物吸附與有機碳源釋放三種強化作用，添加了生物炭的人工濕地可實現(xiàn)更好的污染物去除效果（表3）。

表3特殊功能材質(zhì)基質(zhì)對污水污染物的凈化效果

2.鐵碳（Fe-C）基質(zhì)的水質(zhì)凈化強化機制與效果

針對反硝化過程有機碳源不足的問題，上一節(jié)提供了投加緩釋碳源這一思路。從本質(zhì)上來說，有機碳源是硝酸根轉(zhuǎn)化的電子供體。此外，有研究者提出了零價鐵、鐵刨花、黃鐵礦等新型基質(zhì)投加思路，是為硝酸根轉(zhuǎn)化提供電子的另一個思路。其強化水質(zhì)凈化的原理為：鐵的氧化過程中為硝酸根的還原提供了電子，氧化后的鐵離子可與磷酸根離子形成化學(xué)沉淀，進(jìn)而實現(xiàn)同步氮磷脫除。在此基礎(chǔ)上，有研究者向人工濕地內(nèi)共同投加了鐵、碳兩種基質(zhì)，兩基質(zhì)可形成電解對，通過電化學(xué)方式強化人工濕地的氮脫除過程。表3總結(jié)了鐵碳投加下人工濕地的污水凈化效果。與傳統(tǒng)濕地相比，鐵碳電解對或者鐵鋼電解對的添加對總氮與總磷的去除有顯著提升。對比生物炭投加組，鐵碳投加在氮磷同步高效凈化上占據(jù)優(yōu)勢。然而，投加鐵碳后，氨氮的去除效果與對照相比無顯著改善，甚至顯示出抑制。追究原因，是還原性鐵基質(zhì)的投加改變了濕地內(nèi)部的氧化還原電位，使得這個濕地系統(tǒng)形成偏還原性環(huán)境，抑制了氨氮的氧化作用。為此，在鐵碳基質(zhì)改良濕地內(nèi)，應(yīng)設(shè)置分段功能區(qū)，第一區(qū)設(shè)置為良好的氧化環(huán)境，強化氨氮向硝氮的轉(zhuǎn)化，第二區(qū)為鐵碳還原區(qū)，進(jìn)行硝氮的還原。上述兩個區(qū)域聯(lián)合使用實現(xiàn)總氮的高效去除。

04

潛流人工濕地基質(zhì)的優(yōu)選原則

潛流人工濕地中基質(zhì)的選擇需要從其直接凈化作用及其與微生物、植物的相互作用關(guān)系等間接凈化作用入手，綜合確定基質(zhì)材質(zhì)、粒徑與級配的這三點關(guān)鍵要素。如本文綜述，礫石、陶粒等為常見人工濕地基質(zhì)，其粒徑一般在3-15 mm。根據(jù)濕地系統(tǒng)不同空間的功能，分為布水區(qū)、凈化區(qū)和排水區(qū)三部分。在上述基質(zhì)選擇的通用原則上，應(yīng)根據(jù)進(jìn)水特征對所需基質(zhì)進(jìn)行改良，具體改良路線如圖5所示。如進(jìn)水有機碳污染物濃度過高，可適當(dāng)增加不飽和區(qū)基質(zhì)以強化微生物的異養(yǎng)代謝；改善基質(zhì)內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，提高基質(zhì)比表面積，進(jìn)而強化微生物凈化作用；適當(dāng)增加表層基質(zhì)粒徑，提高孔隙率，以防生物與顆粒污染等。針對高氨氮進(jìn)水，首先應(yīng)強化補氧，如增加進(jìn)水區(qū)不飽和基質(zhì)面積，強化氧氣傳質(zhì)，實現(xiàn)氨氮氧化；之后針對反硝化過程面臨的低碳氮比問題，通過選擇緩釋碳源或鐵等電子供體基質(zhì)的方式強化反硝化脫氮過程。針對高磷污水，可通過改善基質(zhì)組分與提升基質(zhì)比表面積的方式強化濕地對磷的理化吸附過程。綜上，可實現(xiàn)從基質(zhì)優(yōu)化角度對人工濕地不同類型污水的強化凈化功能。

圖5基質(zhì)改良方式與原理

05

總結(jié)

基質(zhì)可對污染物進(jìn)行直接吸附去除，同時，基質(zhì)為植物根系物質(zhì)吸收、微生物代謝提供微觀環(huán)境。濕地基質(zhì)的選擇應(yīng)依據(jù)進(jìn)水水質(zhì)、基質(zhì)直接與間接功能，最終確定基質(zhì)材質(zhì)、粒徑與級配，改善人工濕地對氨氮、總氮與總磷類污染物的去除效果。該綜述研究為潛流濕地工程中基質(zhì)的選型提供了良好的思路和科學(xué)依據(jù)。

此外，針對特殊污染物高效吸附、強親水、微生物高效附著、輕質(zhì)便攜、電子供體緩釋等功能性基質(zhì)的開發(fā)是未來關(guān)于潛流人工濕地基質(zhì)相關(guān)研究的重要方向。

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