精選生物火山巖濾料廠家潛流人工濕地中基質在污水凈化中的作用機制與選擇原理

　　精選生物火山巖濾料生產廠家潛流人工濕地中基質在污水凈化中的作用機制與選擇原理。研究背景：人工濕地是人工構建的模擬自然生態系統，研究表明，人工濕地的建設與維護費用低、環境友好且具有生態景觀利用價值，可用于多類型污水水質的凈化，在國內外均具有廣泛應用。人工濕地可對污水廠處理出水進行深度凈化，增加工程凈化水的自然生態屬性，有效減緩了對受納水體的沖擊，同時，緩解了水環境萎縮問題。人工濕地主要分為表流濕地和潛流濕地兩種。報道稱，基質是潛流人工濕地的重要組成部分，在水質凈化中發揮著至關重要的直接與間接作用。現有文章對比了不同基質填充下人工濕地的凈水效果，然而在大規模潛流人工濕地工程構建中，針對不同污水水質特征的基質優選與級配確定原則、其與濕地運行效果的關系等問題均有待梳理。為此，本文將重點從基質的功能、級配、凈水效果與機制方面展開系統論述，為針對不同污水凈化功效的潛流人工濕地構筑與基質選擇提供理論基礎與支持。

　　摘 要

　　潛流人工濕地依靠基質、微生物以及植物的共同作用實現對污水中各類污染物的去除。其中，基質是潛流人工濕地的重要組成部分，在水質凈化中發揮著至關重要的作用。基質可對污染物進行直接吸附去除。不同基質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、水力條件等參數影響。此外，基質為微生物提供附著表面，基質材質、內部孔道結構、比表面積等均影響生物膜的形成與發展，進而間接影響人工濕地的污水凈化功能。改變基質所處淹沒/暴露狀態、增加緩釋碳源基質、增加鐵碳電解對基質等方式可分別從增加補氧、強化反硝化和電化學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。

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　　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、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重要的作用，其對氮素、碳素的去除貢獻一般在50%以上;基質在污水中磷、重金屬等的物化去除中占據重要位置;植物根系從污水中吸收氮、磷，用于污染物的去除與生物質資源轉化。

　　圖1 潛流人工濕地污染物凈化機制

　　除了微生物、基質與植物對污染物的直接作用外，三者在污水凈化中存在復雜的相互作用。基質粒徑越小，單位體積基質可提供給微生物的表面越大。然而，基質選擇不能單從比表面積這一點考慮，粒徑過小會加劇基質間的污堵，影響人工濕地運行年限。此外，系統內污水的流態受到進水流速、基質粒徑級配及基質表面性質的共同調控，而流態的差異則影響了空氣中的氧氣與污染物向生物膜內的傳質效率，同時也影響著生物膜生長的厚度與致密性。不同基質材質與粒徑形成的基質空隙間微環境理化性質差異對細菌等微生物形成的生物膜群落結構影響重大，進而對生物膜的污水凈化功能產生影響。近年來，新興功能材料被越來越多的用做濕地基質，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。

　　基質為濕地植物提供了立地基礎，植物根系交錯存在于基質空隙當中，基質粒徑過小阻礙植物根系向周圍環境的延伸，進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理化性質亦存在影響，最直觀的表現是導致基質孔隙率下降，滲透系數改變，進而影響污水流速與流態。報道表明，生物膜的生長顯著降低了系統對水的滲透系數，但對基質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基質孔隙的3%-5%，對基質孔隙率的影響不大。研究的量化成果對于技術的應用與研究者認知均具有重要的指導意義。上述研究成果與研究者主觀認為的“生物膜與植物根系可造成嚴重基質堵塞”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。基于基質與微生物、植物功能發揮間的復雜相互作用，掌握基質理化性質對人工濕地污水深度凈化的影響規律具有重大意義與應用價值。

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　　人工濕地基質性質與凈水功能的關系

　　基質的化學組成結構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;基質孔徑與表面粗糙度等物理性質決定了生物膜的附著能力;污水、基質與生物間的交互作用影響基質表面微環境，間接影響了污染物的生化作用效果。

　　圖2 人工濕地基質理化性質對污水凈化的影響

　　1.基質材質對人工濕地水質凈化效果的影響

　　表1總結了不同基質的理化性質及其對氨氮與總磷的吸附與解吸情況。不同基質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，應根據濕地擬凈化的污水特征選擇基質類型。從機理上講，常用基質如礫石、陶粒等，自身可通過靜電吸附、離子交換、化學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、陶結等對氨氮的解吸率均在60%以上。基質對污染物的解吸速率與其吸附原理、基質表面粗糙程度、基質內部孔隙結構以及pH等水質情況均有關系。物理吸附、微環境水力擾動強及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據得出，不同研究者的數據間也存在巨大差異，可見，不同環境因素與反應條件對基質吸附的影響不可忽視。相對物理吸附而言，化學吸附作用相對持久，通過化學吸附固定的污染物解吸相對困難。基質物質組成決定了其對污染物的吸附能力，比表面積則關系到基質與污染物的接觸概率。研究表明，基質中鋁、鐵等成分越高，對三價正磷酸鹽類含磷污染物的化學吸附作用越強。

　　表1 不同基質的理化性質及對污染物吸附-解吸效果

　　因此，在人工濕地基質選擇中，如果想以基質吸附作為污染物去除的主要途徑，則不能僅關注基質對各類污染物的吸附容量，也應對其不同水質條件下的解吸率進行考察。基質具有一定的吸附容量，隨著運行過程中吸附量的增加，基質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，基質通過影響微生物、植物、環境理化性質等間接影響人工濕地水質凈化。不同基質材質的比表面積、密度、化學結構等理化性質存在差異，進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生影響。基質與水中離子的物質交換對生物膜微環境內的pH、氧化還原電位均產生影響，進而對微生物的代謝與污染物的凈化產生干擾。可見，基質性質對人工濕地水質凈化過程有著直接或間接的影響(如圖2所示)，相互作用關系與機理十分復雜。在人工濕地設計基質選擇過程中，不能單獨從某一方面確定選用基質類型，而應該從基質對污染物的直接吸附性能、對生物膜生長影響以及基質緩釋物質等多角度綜合分析。

　　2.人工濕地基質所處狀態對水質凈化影響

　　在上端進水下端出水式的潛流人工濕地工程應用中，一般均會設置出水堰以避免進出水水位差引起的水頭與重力勢能損失。可見，在人工濕地運行時，其內部基質一直處于水淹沒狀態，空氣中的氧氣僅能通過慢速的氣-液相傳質對進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鍵因素，因此，研究者提出了“不飽和基質”型人工濕地的構想，即，降低出水堰高度，使得一部分基質處于氣相暴露狀態以實現高效的固相生物膜-液相污水-氣相氧氣間的氧氣傳質與污染物凈化。

　　表2總結了不飽和狀態基質對氨氮氧化去除的影響。大多數不飽和狀態基質強化型人工濕地對氨氮的凈化率可達50%，甚至高達76.88%;對水體增氧效果可高達5 mg/L。基質類型、基質粒徑、不飽和區高度及進水水質對氨氮的氧化效果均有影響。不同類型基質表面親疏水性質不同，進水在重力作用下從基質空隙間向下流動，基質越親水，基質生物膜-污水液膜-空氣/氧氣三者間的接觸時間越長，三相傳質越充分，氨氮氧化效果越好。基質粒徑越小，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效果。不飽和區高度提高，三相接觸歷時越長，然而這種方式會增加系統的水頭損失和能耗。進水氨氮濃度在一定范圍內提升，對應的氨氮去除量也會提升，但氨氮去除率會有所下降。

　　表2 不飽和狀態基質對氨氮氧化的促進效果

　　3.潛流人工濕地基質級配與功能

　　在潛流人工濕地實驗室小試中，多數研究者選擇粒徑均一的某種基質，而在中試或市場化應用中，則存在不同區域粒徑的分級情況。人工濕地中應用的基質粒徑一般分布在3-15 mm，部分研究者使用60 mm以上粒徑基質(圖3a)。基質材質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，基質粒徑越大，系統孔隙率越大。根據表1孔隙率數據繪制的圖3b可知，隨著基質粒徑的提高，系統孔隙率有升高的趨勢。然而，不同研究者采用相同粒徑區間(如2-4 mm)的不同材質基質時，其孔隙率波動范圍仍然很大(33%-60%)，這與天然基質材料不規則形狀及填充疏密有直接關系。隨著顆粒物在系統內逐步積累、基質表面生物膜加厚，系統局部可形成堵塞，影響濕地的運行。因此，在濕地設計時，需了解濕地內部不同位置的堵塞風險源與堵塞程度。在最易堵塞區域，適當提高其初始空隙率，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粒徑與孔隙率分布

　　在大型濕地應用工程中，垂直流潛流濕地基質可分為布水層、凈化層和排水層(圖4)。布水層一般位于進水口處，起到均勻布水的作用。對于“上進下出”式垂直流潛流濕地，布水層還承擔著支撐上層植物的作用。因此，布水層多采用土壤、細沙等小粒徑的基質，該層深度一般在5-20 cm。中間層，即凈化層，是濕地的核心層。該區域內不同種屬的微生物附著在基質表面形成生物膜，起到對不同類型污染物的凈化作用。該層多采用細礫石、陶粒等基質，粒徑在5-30 mm，深度在30-60 cm不等。不同研究者會在該層設置兩種不同粒徑的基質，實現從進水口到出水口基質粒徑的逐級遞增和均勻過渡。由于大氣復氧及從進水口到出口的微生物作用，不同基質所處微環境存在梯度變化，如從好氧環境到缺氧環境的改變，pH、有機碳源含量與組成的變化等。濕地系統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境條件需求，如微生物脫氮的好氧-缺氧環境。對于常見“上進下出”式垂直流潛流濕地而言，排水層靠近出水口，也位于濕地系統的最底層，主要起到支撐作用。該層基質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，依次為進水區、凈水功能區和排水區。凈水功能區的垂直方向可根據種植植物、好氧環境變化等功能需求布設不同粒徑與材質的基質。

　　圖4 潛流人工濕地基質級配

        各功能區基質均存在堵塞風險，布水層靠近進水口，進水中的顆粒物容易在該層沉積;凈化層是微生物活躍區域，由于該層接近進水，“營養”豐富，生物膜的快速增長是該區域堵塞的主要原因;排水層在濕地系統最底部，是大氣復氧最難作用的區域，對于非曝氣補氧型潛流濕地而言，該區域存在厭氧污泥堵塞風險。有研究表明，進水區域在濕地運行過程中孔隙率下降最快。因此，需要兼顧進水區域均勻布水、植物支撐與減緩堵塞的綜合角色，合理選擇基質粒徑。同時可參考模塊化生物濾池設計，填充輕質填料，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，但其污水滲透系數發生了明顯下降，這可能與厭氧區域生物膜的形成有關。可見，監測人工濕地孔隙率變化不足以支撐濕地堵塞與否的判定。隨著污水滲透系數的下降，濕地發生溢流風險的概率逐步提升。

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　　特殊材質基質的污水凈化強化機制與效果

　　1.生物炭基質的水質凈化強化機制與效果

　　生物炭作為功能基質強化人工濕地污水凈化的相關研究較多。植物秸稈可被燒制成生物炭材料應用于濕地內部，實現廢物資源利用。生物炭基質在濕地中有多種水質凈化強化機制。首先，高比表面積與豐富的內部孔隙為微生物附著提供了更多的表面與差異性內部水力與環境條件，如在宏觀好氧功能區內，生物炭微孔可為厭氧細菌提供豐富的缺氧與厭氧微環境;或在宏觀湍流水力條件中提供微孔內的微觀平流環境，弱化生物膜的水力沖刷作用，進而允許生物膜生長較厚，產生自外向內的好氧-缺氧-厭氧過渡環境，使得具有不同環境需求的生物可共同存在于同一生物膜當中。有研究報道，生物炭添加增加了人工濕地內微生物群落的多樣性。這種生物膜縱向差異性也是實現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構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更好的污染物去除效果(表3)。

　　表3 特殊功能材質基質對污水污染物的凈化效果

　　2.鐵碳(Fe-C)基質的水質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，上一節提供了投加緩釋碳源這一思路。從本質上來說，有機碳源是硝酸根轉化的電子供體。此外，有研究者提出了零價鐵、鐵刨花、黃鐵礦等新型基質投加思路，是為硝酸根轉化提供電子的另一個思路。其強化水質凈化的原理為：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沉淀，進而實現同步氮磷脫除。在此基礎上，有研究者向人工濕地內共同投加了鐵、碳兩種基質，兩基質可形成電解對，通過電化學方式強化人工濕地的氮脫除過程。表3總結了鐵碳投加下人工濕地的污水凈化效果。與傳統濕地相比，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優勢。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，是還原性鐵基質的投加改變了濕地內部的氧化還原電位，使得這個濕地系統形成偏還原性環境，抑制了氨氮的氧化作用。為此，在鐵碳基質改良濕地內，應設置分段功能區，第一區設置為良好的氧化環境，強化氨氮向硝氮的轉化，第二區為鐵碳還原區，進行硝氮的還原。上述兩個區域聯合使用實現總氮的高效去除。

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　　潛流人工濕地基質的優選原則

　　潛流人工濕地中基質的選擇需要從其直接凈化作用及其與微生物、植物的相互作用關系等間接凈化作用入手，綜合確定基質材質、粒徑與級配的這三點關鍵要素。如本文綜述，礫石、陶粒等為常見人工濕地基質，其粒徑一般在3-15 mm。根據濕地系統不同空間的功能，分為布水區、凈化區和排水區三部分。在上述基質選擇的通用原則上，應根據進水特征對所需基質進行改良，具體改良路線如圖5所示。如進水有機碳污染物濃度過高，可適當增加不飽和區基質以強化微生物的異養代謝;改善基質內部孔隙結構，提高基質比表面積，進而強化微生物凈化作用;適當增加表層基質粒徑，提高孔隙率，以防生物與顆粒污染等。針對高氨氮進水，首先應強化補氧，如增加進水區不飽和基質面積，強化氧氣傳質，實現氨氮氧化;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，可通過改善基質組分與提升基質比表面積的方式強化濕地對磷的理化吸附過程。綜上，可實現從基質優化角度對人工濕地不同類型污水的強化凈化功能。

　　圖5 基質改良方式與原理

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　　總結

　　基質可對污染物進行直接吸附去除，同時，基質為植物根系物質吸收、微生物代謝提供微觀環境。濕地基質的選擇應依據進水水質、基質直接與間接功能，最終確定基質材質、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的選型提供了良好的思路和科學依據。

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

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