人工湿地处理三种典型工业废水的差异性分析研究

人工湿地污水处理系统因其植物多样性、填料多样性、微生物多样性、结构工艺多样性等使其对负荷变化适应能力强的优点，在污水处理方面得到了广泛的应用，但也因此往往缺乏系统全面的调查与研究，缺少相应的总结论述。

人工湿地独特而复杂的净化机理，使其在处理含重金属废水、难降解有机质废水等工业废水上卓有成效，是一项兼具经济效益和生态效应的，符合可持续发展理念的水处理技术。

但是现有有关人工湿地的研究与应用大部分集中在生活废水、污水厂处理尾水、景观水等，有关工业废水处理的不多，为此，针对人工湿地处理3种典型工业废水在工艺及运行管理上的差异性进行了总结、归纳，以期为人工湿地在处理工业废水方面的研究与应用提供理论。

1人工湿地的去污机理

人工湿地是一种能有效处理各种污水的具有生态效应的工程新技术，近年来，因其具有成本低、运行管理方便、处理废水能力稳定、耐冲击负荷强、能美化环境等优点，在国内逐步得到了系统[1]。

人工湿地污水处理系统的主要构全面的发展成部分是植物、填料和微生物(如图三者相互协调共同促进了污染物的降解去除，其净化机理主要体现在物理作用、化学作用及生物作用三个方面。如植物对污染物进行吸附和富集，将其作为营养物质来吸收;

同时植物通过根系向水体输送氧气，为好氧微生物的附着提供条件，在填料中形成生物膜，通过微生物的同化、异化作用分解吸收有机质及氮磷污染物;

特别是，利用微生物的变异特性可以培养出能够处理特定重金属及其他有毒污染物的微生物，从而在处理特种工业废水中起到决定性的作用。此外，人工湿地的植物根系还能起到稳固基质层、疏通空间的作用。人工湿地的填料主要有土壤、砂砾、灰渣、碎瓦片、沸石等，但近年来一些诸如火山岩、生物炭等特质材料开始被应用到人工湿地，其在为植物和微生物提供生长环境的同时，可通过过滤、吸附、沉降等物理作用去除污染物。

2三种典型工业废水简介

工业废水成分复杂，不能单一地来进行划分，作为人工湿地技术的处理对象，特根据污染物权重、排放量及处理难度来进行归类。目前，含重金属废水、高耗氧量和高营养盐废水及含油废水是最具典型性的3类工业废水，基本涵盖了大部分工业废水。


2.1含重金属废水

含重金属废水主要来自矿山坑内排水，选矿厂尾矿排水，废石场淋浸水，有色金属冶炼厂除尘排水，有色金属加工厂酸洗水，电镀厂镀件洗涤水，钢铁厂酸洗排水，制革生产中的铬鞣废水，以及电解、农药、医药、油漆、颜料等工业，重金属污染废水危害大，主要成分有铬、镉、镍、铜、锌、金、银等。此外，大部分含重金属废水成分复杂，不易控制，如电镀废水，不但含有大量重金属，而且带有一定酸碱性及相当数量的添加剂、光亮剂等。

2.2高耗氧量、高营养盐废水

高耗氧量废水主要来自食品加工过程中的废水、清洗废水、冷却水等，造纸工业制浆过程排放的黑水，皂素生产过程中的酸水解过滤及中和洗涤的综合废水，制革生产中的脱脂及浸灰脱毛废水，以及养殖废水等。这些废水不但BOD、COD含量，含有大量可降解有机物，水质水量变化幅度大，而且氮磷含量也高，排放入水体极易造成富营养化，因此，这类废水统称为高耗氧量、高营养盐废水。此外，这些废水的产生量大，如养殖废水的畜禽粪便产生量为工业固体废弃物产生量的2.4倍，畜禽粪便化学需氧量(COD)远远超过中国工业废水和生活污水化学需氧量排放量之和。而且，有些废水不易处理，众所周知，造纸废水中含有较多难降解的木质素、纤维素和树脂酸等成分，富含有机氯化物等，极不易生化处理。

2.3含油废水

含油废水是一种量大面广的污染物，主要来源于机械工业、餐饮业、海上运输业以及油田采出水和注水井洗井水等。含油废水排放到河湖海等易造成油层覆盖水面，空气中的氧更难进入水体，水中溶解氧减少，对水生植物以及动物的生长产生不利影响。含油废水同样会使土壤表面被覆盖堵塞，影响农作物的正常生长。而且，含油废水中可能含有致癌烃，对动物以及人类健康有很大威胁。

如采油废水中主要含有对人体危害较大的酚、醛、酮、醇、酯、酸、含氮化合物、烷烃、卤代烃等。此外，含油废水的成分也复杂，难于处理，如采油废水的有机物碳数非常复杂，分子量主要集中在100～140之间，占其总有机组成的70%～90%，同时含有采油过程中投加的难降解有机化学药剂;再如矿山废水，主要污染成分包括有机污染物、油类污染物、氰化物、酸污染、重金属污染、氟化物和可溶性盐类，化学耗氧量大，细菌总数和大肠菌群含量大。

三种工业废水主要在组成成分上区别较大，如表1所示，其中含重金属废水的危害较大，高耗氧量及高营养盐废水易引起富营养化。虽然大体根据组成成分进行类别划分，但每一类型的工业废水其组成亦很复杂，在运用人工湿地进行处理时，要特别注意采取针对性措施。

3人工湿地在处理3种典型工业废水时的差异性分析

3.1湿地结构的差异性

大多数工业污水的人工湿地处理工艺采用水平潜流式(见图2)，这种结构对BOD、COD、重金属等处理效果好，如处理电镀废水、造纸工业废水、淀粉工业废水、矿山废水等，但是对氮磷的处理效果不如垂直流人工湿地好(见图2)，因此，对氮磷含量偏高的废水，如食品加工废水，可以在水平潜流式湿地的基础上辅以垂直流式湿地。同时，应根据基质的不同、水流流态的不同、栽培植物的不同，将湿地划分为不同的结构，而后对不同结构进行组合，如水平潜流与垂直潜流组合、水平潜流与表面流组合、表面流与土壤结合、沉水植物与挺水植物结合等，不同组合带来的效果往往比[2]单一的结构好。

3.2填料类型的差异性

目前，人工湿地常用的填料有沸石、火山岩、钢渣、空心砖、陶粒、砾石等，每种填料都有各自的优缺点，选用的基本原则是合适的孔隙率，渗透系数较大，减少堵塞，同时也可采用多种填料组合的[2]模式来增强湿地的过滤、吸附、拦截等性能。

对于含重金属废水而言，填料所起的作用不大，相关研究也比较少，不同填料以及不同填料组合对不同重金属的处理能力相差不大，因此在针对含重金属废水的人工湿地进行填料选择时，可着重考虑其经济价值。对于高耗氧量、高营养盐废水而言，填料的作用比较明显，其中生物炭对NH3-N的吸附效果较好，且吸附效果比较稳定，还能够为反硝化过程提供碳源，另外还有火山岩、瓷砂陶粒、沸石对NH3-N的吸附效果也比较好;

实际人工湿地施工时，多考虑不同填料的组合，以达到一定要求的去除效果。其中沸石含量高的填料组合对氨氮的去除效果较好，空心砖、钢渣含量高的填料组合对磷的去除效果较好，但沸石、钢渣的组合对氨氮的吸附产生抑制作用;此外，不同填料的处[3]等发现理效果还受其他因素的影响，如秦娟娟陶粒对氨氮和总磷的吸附效率受盐度影响较大，炉渣、沸石对总磷的吸附效率受盐度影响较小，对氨氮的吸附受盐度影响较大，含盐污水中硝氮和COD的去除不能主要依靠填料的吸附作用。

对于含油废水而言，有关填料选择的研究比较少，薛钧尹等建议沸石、蛭石、果壳可作为人工湿地处理含油废水的优选填料，当然，不同的填料对工艺废水去除效果的差别与栽培植物及富集微生物种类有关。

3.3植物配置的差异性

人工湿地植物对废水中重金属的去除取决于植物根系对重金属的富集积累，有关此类研究比较多。能够大量积累Fe的植物就有水葫芦、稗草、蔗草、黄营蒲、芦苇、千屈菜、美人蕉等多种植物，能够有效吸收Mn元素的植物有千屈菜、美人蕉、蔗草、黄营蒲、芦苇等多种植物，因此Fe、Mn元素相对来说是比较容易通过湿地植物来进行去除的，能够大量吸收Zn的植物有稗草、千屈菜、美人蕉、野茭白等，其中芦苇对Cu、Zn的吸收茎叶转移系数比较大。

因此可以认为二级湿地中，蔗草、黄营蒲、千屈菜、美人蕉是值得推荐的修复中低浓度电镀废水的优势种;而能够有效吸收Cr的植物仅有水葫芦、芦苇和香蒲等，即人工湿地对Cr的去除能力有一定的限制，芦苇和香蒲能较好的吸收Cd和Pb，另外水葱、灯芯草、芦竹也可以有效去除Pb，但是植物对这些重金属污染物的吸收富集主要集中在根部，大量重金属还是滞留在人工湿地中，通过收割植物地上部分来去除重金属效率较。

针对高含盐量废水，植物能够正常生长是低有效去除污染物的前提，其中宽叶香蒲、狭叶香蒲、水葱、芦苇和睡莲在高盐废水中能很好生长，其中芦苇去污能力最强，耐盐性也最强。人工湿地在处理高耗氧量、高营养盐废水时，植物所起的作用不大，其中氮主要是通过氨的挥发作用和NH4+的交换作用来去除，以及微生物的硝化和反硝化作用等。

而磷有一部分是通过植物吸收来去除的，另外是以磷酸盐的形式沉降固结在基质上;植物对污染物的去除一方面是直接作用，即吸收和富集，另一方面就是间接作用，即为微生物的生长和繁殖提供依附条件和有氧、无氧的环境，其中COD的去除就是取决于附着在基质和植物根系上的微生物的降解作用;因此可以说明湿地植物的直接吸收在人工湿地系统氮磷的去除中不占重要地位，人工湿地植物的选择和利用应该更注重其间接生态效应的发挥。

总的来说，在针对高耗氧量、高营养盐废水选择人工湿地植物时，应注重植物的经济价值，比如选取成本相对较低且有一定景观效应的植物，并且应注意植物的二次利用价值，比如人工湿地处理造纸工业废水时，宜选用可作为造纸原料的植物等。有关人工湿地处理含油废水的植物选择的研究大部分集中在含油废水中高危成分去除的研究，其中皇冠草对硝基苯的去除率较高，同时，考虑植物的间接作用，投加能够有效降解硝基苯的微生物可提高系统净化能力，比如投加降解菌-鲍曼不动杆菌(cc-2)等。

3.4运行管理的差异性

人工湿地的运行管理主要集中在植物的处理及填料中沉积物的清理。人工湿地中植物的处理，包括收割与不收割两个方面，收割是为了去除枯叶带来的堵塞问题以及营养物质的再次释放，而不收割强调经济问题，且可以通过增强反硝化作用来处理枯叶。

对于规模较大、植物稀疏的人工湿地，且废水中氮磷含量少时，如电镀废水、矿山废水，可采取不收割植物的方式;而对于高耗氧量、高营养盐废水，因需减少营养物质的再次释放，提高微生物的硝化、反硝化作用以及好氧微生物对COD、BOD的去除，可采取收割植物的方式。填料中沉积物的清理，可考虑二次回用:有机污染物、营养盐含量高的废水，如食品加工废水、淀粉工业废水，经人工湿地处理后，沉积物中污染物含量明显降低，而且对基质来说，增加了氮磷、有机质的含量，起到了堆肥的效果。

4人工湿地处理工业废水的最新研究

随着人工湿地更广泛推广应用，近3年来，有关人工湿地处理工业废水的研究还在不断深入。在人工湿地中植物系统对重金属的去除机理与作用上，不断有新的发现，Jan等[6]研究发现重金属在植物芽上的富集普遍较少，但变异性大，在地上生物量的积累多少与进入人工湿地的重金属量没有关系，这是因为重金属在人工湿地的缺氧、厌氧区被沉淀，不能被植物充分吸收，同时也发现重金属Zn、Cd、Cr等在植物芽上的富集分数比较大，但没有合理的解释。

Tereza等研究发现各种重金属遵循不同的季节性模式，选择适当的时间收获可优化对重金属的去除。此外，采取一定的措施可以促进湿地中的反硝化作用从而提高TN的去[8]发现间歇曝气有助于增强人工湿地除率，Lu等中的硝化作用，但是会限制TN的去除，然而，废水再循环可促进反硝化作用，并增强TN的去除率，而且废水处理后进行微量电解可有助于TN的去[9]研究发现PVA固定化小球在处理富除;Wei等含氨氮的废水上有很好的应用前景，同时，固定化硝化细菌对改善人工湿地中较低的硝化作用可以起到良好效果。

人工湿地处理含油废水依然有很[10]的研究进一步证实好的发展空间，Alexandros等了人工湿地可以就地去除受污染地下水中的苯酚，并且酚类化合物的存在不影响MTBE(甲基叔丁基醚)和苯的去除，生物降解是最主要的去除机理。

5结语

针对不同工业废水的人工湿地技术应用总结几点建议:

适宜采取以垂直潜流为主的方式处理氨氮含量高的废水，其他废水宜选水平潜流;多种填料组合下提高沸石含量比重，往往能增强对NH4--N有效去除;芦苇耐盐性很强，应用广泛，此外还有香蒲等(但能够有效处理含Cr、Cd、Pb废水的植物并不多);地上生物对重金属富集较少，要特别注意植物有效收割和沉积物处理;处理高耗氧量废水后土壤肥性提高，沉积物可考虑二次利用;另外，强化重金属在地上生物的富集、选择最佳处理时间、采取间歇曝气、实现废水循环以及采用新型材料等都可加强人工湿地的处理效率。