（1.黄河勘测规划设计有限公司，河南，郑州，450003）
（2.河南建筑职业技术学院，河南，郑州，450064）
Research Progress on the Improvement Technologies of Constructed Wetlands
CHEN Kai1，LI Yue-juan2，REN Jin-liang1
（1.Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd，Zhengzhou 450003，China）
（2.Henan Technical College of Construction，Zhengzhou 450064，China）
【摘 要】人工湿地作为一种生态化的污水处理技术，以其投资省、运行简单、能耗少等特点被广泛的应用于各种污水处理领域。随着目前污水排放要求的逐渐严格，单一的人工湿地处理工艺无法满足要求。因此，近年来逐渐兴起对人工湿地处理工艺运行控制策略以及与其他污水处理工艺组合的研究，并由此开发出曝气人工湿地系统、人工湿地/微生物燃料电池系统、人工湿地/膜反应器系统等新工艺组合。本文旨在通过综述已有相关文献的基础上，分析各组合工艺研究的研究进展，提出今后应用研究应解决的问题。
【关键词】人工湿地；微生物燃料电池；控制策略
【Abstract】Given the advantages in terms of low–cost, easy-operation and less energy consumption, constructed wetlands (CWs) have been widely utilized in the treatment of various wastewater. With the more stringent discharge standards, CWs systems operating as standalone technologies are unable to meet the requirements of the new guidelines, which drive the improvement in design and operational strategies and the integrating CWs with other treatment technologies, such as artificial aeration CWs, CWs/microbial fuel cell(MFC),and CWs/membrane bio-reactor(MBR). The main objective of this paper is to review and summarize the advance in combinations of CWs with other treatment technologies, and describe the challenges for these integrated technologies in the future.
【Keywords】constructed wetlands；microbial fuel cell；operational strategies
人工湿地是借鉴天然湿地净化污水的原理，通过人工控制措施强化其净化能力的污水处理技术。基于其建设运行成本低、耗能少和运行调度方式简单等特点，人工湿地被广泛的应用在处理城市生活污水、雨水径流和农业面源污染治理、污染河道修复等方面。
在具体的应用中，制约人工湿地技术进一步发展和长期稳定运行的因素主要有：一是人工湿地占地面积较大，大约是传统污水处理工艺的2~3倍；二是人工湿地基质易堵塞，尤其是在高有机物或悬浮固体负荷的情况下；三是总氮（TN）去除率较低，在于湿地内部硝化反应受氧转移速率限制或反硝化缺少足够的碳源；四是人工湿地对于难降解有机物和重金属的去除率较低。
随着《水污染防治行动计划》的出台，国家对于污水处理排放标准也逐渐严格，人工湿地系统作为一项独立的技术难以适应新的技术标准的要求。因此在传统的表流湿地（FWS CWs）、水平潜流湿地（HF CWs）和垂直潜流湿地（VF CWs）的基础上，逐渐发展出不同的组合类型（如FWS-HF CWs、HF-VF CWs等）。本文主要分析了人工湿地改良技术（运行控制策略以及与其他污水处理工艺结合）研究状况。
1．人工湿地控制策略
1.1 潮汐流人工湿地
潮汐流人工湿地是一种间歇式进水的新型湿地系统，其原理是利用类似潮汐式的运行方式造成床体饱和浸润面变化产生的孔隙吸力将大气氧吸入湿地基质或土壤空隙，提高人工湿地的溶解氧，加快有机物和氨氮的去除[1]。潮汐流湿地包含瞬时进水、反应、瞬时排空及闲置4个阶段。王帅[2]等的中试研究表明潮汐流人工湿地对CODCr、氨氮、TN和TP的去除率比垂直潜流人工湿地分别高10.23%、19.89%、12.76%和22.12%。吕涛[3]等研究表明潮汐流人工湿地中微生物活性达到0.3mg/g，是水平潜流人工湿地的近3倍。潮汐流人工湿地在具有较高的氧利用率的同时，却限制了系统内的反硝化过程，使得系统出水中富集大量的NO3-N，直接限制了TN的去除能力。因此，控制潮汐流湿地不同阶段的时间，进而调控湿地内部的复氧量和氧化还原环境是需要继续研究的重要内容。
1.2 曝气人工湿地
曝气能够提高基质内的溶解氧水平，增强生物膜的活性，提高有机物和氨氮的去除能力。方焰星等[4]研究曝气对不同植物组合的复合垂直流人工湿地氮的净化效果，金边石菖蒲和宽叶泽苔曝气人工湿地组合对水体中氨氮的平均去除率最高达到84.88%，灯芯草和梭鱼草人工湿地组合对亚硝态氮的去除率最高达到94.91%。对于TP的去除尚存在一定争议，马建敏[5]研究表明曝气能够提高水平潜流湿地COD去除率30%，对水中TP的去除无显著相关关系（p≥0.05）。
连续曝气将增加人工湿地的能耗，但仍低于活性污泥法这类传统污水处理工艺，然而连续曝气不利于系统内形成缺氧环境，导致氨氮和TN的去除率较低。间歇式曝气能够提供一个交替的好氧和缺氧环境，使硝化和反硝化反应同时发生，提高TN的去除率。郭烨烨[6]研究表明间歇曝气能够实现氨氮、TN和COD的同步去除，去除率分别可达到98.0%、86.7%和96.3%。
1.3 回流式人工湿地
回流式人工湿地是将一部分出水回流至人工湿地入流端，目的在于增加污染物与附着在植物根系与基质表面生物膜的接触，回流混合液中的反硝化细菌可以利用原污水中的有机物作为碳源，实现脱氮。回流技术主要应用于水平潜流湿地和垂直潜流湿地，多数情况下的回流比为0.5~2.5[7]。
张涛[8]等研究表明将潜流人工湿地出水按1/3的回流比回流到进水口，TN的去除率达到60%以上，相比未回流处理提高了20%。包涵[9]等对无回流、回流至进水处、回流至湿地前半部分3种回流方式进行试验研究，并对2种回流比（1:1和10:1）条件下的水平潜流人工湿地污染物去除效果进行比较，当回流比为1:1时，总有机碳和氨氮的去除率不明显，当回流比为10:1时，湿地内部总有机碳和氨氮去除率显著提高，不同的回流方式之间无显著差异。
2．人工湿地组合处理技术
2.1 微生物燃料电池-人工湿地系统
微生物燃料电池（MFC）技术利用污水中的产电菌将有机物分解利用并产生电能，是目前研究较为广泛的一项新兴技术，适用于处理低浓度污水。人工湿地系统内部能够形成明显的氧化还原梯度，从而使MFC技术与之结合具备可能性。
大部分的MFC+CW系统以垂直流湿地为研究对象，以最大程度上的利用垂直方向上的好氧与厌氧环境。与MFC结合可以有效的提高人工湿地系统中污染物净化速率、减少水力停留时间。杨广伟等[10]的研究表明当水力停留时间为12h时，COD的去除率和系统对氨氮的去除率最高可达89.2%和36.0%，其停留时间远低于普通人工湿地最佳水力停留时间。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆MF+CW技术结合的另一优点是能够提高人工湿地对于难降解有机物的去除效率。Fang[11]等利用MFC-CW耦合处理偶氮燃料废水，脱色率和能量密度最大可分别达到95.6%和0.852W/m3。
目前CW-MFC耦合系统的研究刚刚起步，其具有提供绿色能源的潜在价值。然而，该系统的能量输出较低尚不能够被直接利用，需要不断的深入研究。
2.2 电解/电化学氧化-人工湿地系统
电解或电化学氧化（EO）技术是通过外加电场驱动系统内部的非自发反应，进而实现污染物去除的技术，是一项极具潜力的污水处理技术，特别是针对含有难生物降解有机物和高氨氮浓度的污水。有机物的氧化主要依赖于电极表面形成的羟基自由基，阳极产生的氯离子能够有效的提高氨氮的氧化效率。因此将人工湿地与电解反应相结合，形成的微电场与人工湿地组耦合系统，发挥人工湿地和微电解去除污染物功能，通过协同作用达到在同一系统内有效去除污染物的目的。
卢新波等[12]通过小试，研究了不同运行条件下微电场-人工湿地耦合工艺去除重金属的特性，当电压为4V时，系统对Cu、Pb、Zn和Cd的去除率达到最大。Ju[13]等分析了电解反应与潮汐流湿地协同作用下的污染物去除能力，结果表面电流密度在氮转移中起重要作用，由于阳极铁电解反应生成的铁盐和亚铁盐絮凝作用，电解协同作用不仅能够提高磷的去除率（>95%），同时能够控制硫化物的生成以达到控制臭气的目的。Grafias[14]等研究了EO-VF CWs系统处理高浓度（10000mg/L）橄榄油渣沥出液，结果表明EO后处理COD去除率和脱色率超过95%。
2.3 厌氧反应器-人工湿地系统
目前，厌氧处理技术被广泛的应用在污水处理领域，具有污泥产生量少、运行维护简单、回收能量等特点。人工湿地作为厌氧处理的后续工艺能够确保系统污染物的去除效率，同时固体有机物在厌氧反应器中的水解能够降低人工湿地堵塞的几率，并且提高人工湿地进水的可生化性。
李世斌[15]等采用厌氧池-五级垂直流型人工湿工艺处理生活污水，系统COD、TN、氨氮、TP的去除率分别达到87.6%、65.9%、76.9和81.3%，厌氧池作用明显，COD、TN、氨氮、TP的去除率分别达到26.5%、26.8%、25.3%和41.2%。刘芬芳[16]等设计了厌氧池-环形水平潜流湿地-垂直流湿地小型化组合工艺系统，研究不同季节对污水处理效果的影响，结果表明系统春、夏、秋季对氨氮、TP去除率分别为92.8%～97.0%和56.4%～65.9%，冬季去除率相对较差，分别为67.1%和42.5%。系统夏季COD平均去除率达到78.3%，冬、春季去除效果较差，为37.8%～43.5%。
2.4 膜生物反应器-人工湿地系统
膜生物反应器（MBR）是一种新型高效污水生物处理技术，能够去除污水中的悬浮固体，节省后续沉淀工序。MBR反应器占地面积小、处理高效，耦合MBR与人工湿地处理技术能够在出水满足要求的同时降低运行成本和占地面积，并且MBR反应器作为人工湿地的预处理，能够降低人工湿地堵塞的风险、延长人工湿地的使用年限。
袁莉英[17]等采用一体式MBR-复合垂直流人工湿地组合工艺系统处理高浓度混合废水，结果表明最优工况下，系统COD、氨氮、TN和TP的去除率分别为97.5%、99.0%、59.6%和65.2%。郭冀峰[18]等采用动态膜生物反应器（DMBR）和复合垂直流人工湿地耦合工艺处理生活污水，COD、TN和TP的最佳去除率93.68%、93.84%和90.39%。肖恩荣[19]等分析了7中不同的水力负荷组合下的浸入式膜生物反应器（SMBR）与复合垂直流人工湿地组合系统的污染物去除效率，在最优化水力负荷下，出水中CODCr、TP、氨氮等指标可达地表水环境质量标准Ⅲ类，TN<6mg/l。相比于DMBR反应器，SMBR反应器因具有较低的膜污染风险而更具有优势。
3．结束语
本文分析了今年来人工湿地改良技术以及该技术与其他污水处理技术耦合的最新研究情况，各类研究都取得了积极的结果，在一定程度上实现了“双赢”，拓展了人工湿地处理技术的应用领域。需要指出的是，现阶段人工湿地处理技术改良研究多数是在实验室条件下，广泛的小试、中试和实际工程应用还较少，需要逐渐推进相关研究，合理确定经济可行性和技术可行性。
参考文献：
[1]张亚琼,崔丽娟,李伟等.潮汐流人工湿地的除氮效果及影响因素[J].环境科学研究,2015,28(7):1172-1178.
[2]王帅,高红杰,宋永会等.潮汐流人工湿地净化城市河水中试研究[J].环境工程技术学报,2013,3(04):298-304.
[3]吕涛,吴树彪,柳明慧等.潮汐流及水平潜流人工湿地污水处理效果比较研究[J].农业环境科学学报,2013,32(08):1618-1624.
[4]方焰星,何池全,梁霞等.曝气对人工湿地氮去除效果的影响[J].湿地科学,2011,9(03): 270-276.
[5]马剑敏,张永静,马顷等.曝气对两种人工湿地污水净化效果的影响[J].环境工程学报,2011,5(02):315-321.
[6]郭烨烨,杨淑英,黄莹等.间歇曝气潜流人工湿地的污水脱氮效果[J].环境工程学报,2014,8(04):1405-1409.
[7]S. Wu,P. Kuschk,H. Brix, et al.Develo pment of constructed wetlands in performance intensifications for wastewater treatment:A nitrogen and organic matter targeted review[J].Water Reseach,2014,57(5):40-55.
[8]张涛,宋新山,严登华等.不同回流位置对潜流人工湿地氮分布及去除效果的影响[J].环境工程学报,2011,5(10):2204-2208.
[9]包涵,吴树彪,吕涛等.回流对水平潜流人工湿地污染物分布及去除效果的影响[J].中国农业大学学报,2012,17(05):160-167.
[10]杨广伟,姜珺秋,王琨等.生物产电人工湿地系统对处理生活污水的效能[J].浙江大学学报（工学版）,2015,49(6):1186-1192.
[11]Z. Fang,H.-l. Song,N. Cang, et al.Elec tricity production from Azo dye wastewater using a microbial fuel cell coupled constructed wetland operating under different operating conditions[J].Biosensors and Bioelectronics,2015,68(68):135-141.
[12]卢守波,宋新山,张涛.微电场-人工湿地耦合工艺去除重金属研究[J].环境工程,2011,29(增刊):353-356.
[13]X. Ju,S. Wu,X. Huang, et al.How the novel integration of electrolysis in tidal flow constructed wetlands intensifies nutrient removal and odor control[J].Bioresource Technology,2014,169(5):605-613.
[14]P. Grafias,N. P. Xekoukoulotakis,D. Mantzavinos, et al.Pilot treatment of olive pomace leachate by vertical-flow constructed wetland and electrochemical oxidation: An efficient hybrid process[J].Water Research, 2010,44(9):2773-2780.
[15]李世斌,施培俊,郭岭志.厌氧-垂直潜流型人工湿地处理生活污水[J].水处理技术,2008,34(05):59-62.
[16]刘芬芬,王德建,张刚.厌氧池-复合型人工湿地系统污水处理效果的季节变化[J].环境工程学报,2012,6(03):823-828.
[17]袁莉英,梁威,肖恩荣等.膜生物反应器-复合垂直流人工湿地(SMBR-IVCW)系统处理混合废水的应用研究[J].农业环境科学学报,2009,28(02):361-365.
[18]郭冀峰,关卫省,宋优男.MBR/人工湿地组合处理高速公路服务区污水并回用[J].中国给水排水,2013,29(12):93-97.
[19]肖恩荣,梁威,贺锋等.SMBR-IVCW系统处理高浓度综合污水[J].环境科学学报,2008,29(09):1785-1792.
作者简介：
陈凯（1983—），男，汉族，河南省平顶山人，工程师，主要从事河湖水环境保护与规划设计工作。
论文作者:陈凯,李月娟,任金亮
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年7月总第212期
论文发表时间:2016/9/13
标签：湿地论文; 系统论文; 潜流论文; 组合论文; 污水论文; 技术论文; 污水处理论文; 《工程建设标准化》2016年7月总第212期论文;