爱尔斯微课堂|人工湿地污水生态处理工艺强化应用进展（二）

紧接上篇，介绍剩余两种人工湿地污水强化处理的措施——创新湿地构型和调整运行策略。

人工湿地的构造方式会直接影响污水与湿地填料的接触时间及DO在湿地内部的分布，从而影响人工污染物去除性能，尤其是对COD、TN、TP的去除效果。在对人工湿地研究过程中，人们发现通过改变湿地构型从而优化湿地内部水循环，不仅能改善运行中存在的“短流”、“死区”等现象，还能有效增加填料床层内的DO含量。在相关思路的启发下，研究者开发了一系列新型人工湿地。

循环流人工湿地。Peng等人充分借鉴用于处理养猪废水的循环流操作模式，将几个隔间在湿地的环形廊道相连，最终隔间中的溢流堰可控制部分尾水回流到进水区。将该循环流动人工湿地用于处理高浓度废水，不仅有效提高了TN的去除率，还能稀释进水浓度，从而降低高浓度废水对湿地植物和微生物的毒害作用。

折流板人工湿地。Tee等人通过沿着湿地自然流向插入一系列垂直折流板，实现废水的上下流动，而非水平流动，这种结构的改变能够在单一的湿地中依次进行多种溶解氧条件下 ( 好氧、缺氧、厌氧)的污水处理。结果表明，当水流停留时间(HRT)为2、3和5d时，湿地可以去除74%、84%和99%的NH₄⁺-N，而常规单元仅有55%、70%、96%。折流板人工湿地的出色性能可以通过增长处理路径来解释，因为折流条件的依次出现，使得污水通过微需氧区的路径显著增长，与根际及微生物的接触时间更久。

塔式人工湿地。Ye等人为增强人工湿地对氮的去除，设计出了一种具有三级结构的塔式混合人工湿地。湿地中第一级和第三级为矩形水平潜流人工湿地，第二级为一个3层圆柱体表面流人工湿地，水流从上层流入下层过程中，溶解氧浓度得到提升，强化了硝化作用。此外，通过将进水直接引流到第二级，可以提供额外的有机物，从而增强反硝化作用。塔式人工湿地的TSS、COD、NH₄⁺-N、TN和TP的平均去除率分别为89%、85%、83%、83%、64%。

人工湿地污染物去除性能主要由湿地参数、环境参数和运行参数决定，而湿地参数在湿地建设完成后就已基本确定，因此，人工湿地强化策略多数从环境参数和运行参数的优化上考虑。常见的调整措施包括: 人工曝气、潮汐作业、跌水式进水、外加碳源、投加生物菌剂等。

人工曝气。在人工湿地中，脱氮主要依靠微生物硝化和反硝化作用实现，而硝化反应作为湿地中生物脱氮的主要限速步骤需要湿地维持相对较高的溶解氧含量，以保证反应顺利进行。Headley等人研究发现，通过使用人工曝气可以显著改善湿地对有机物、氨氮以及大肠杆菌的去除。此外，Tang等人应用每天8h的曝气循环后(DO高于2mg·L^－1，ORP为300mV) ，发现垂直流人工湿地中的磷去除率提高至50%。

潮汐作业。该操作方式充分模仿了天然潮汐过程，每天进行多次周期性的浸没和排水循环，从而解决传统进水方式的氧气转移限制。随着污水的充填和排泄，空气被吸入土壤孔隙并迅速对生物膜进行充氧。Austin等人研究发现，硝化作用强化主要发生在湿地排水阶段，在该阶段吸附在溶解态生物膜和土壤颗粒上的铵离子被氧化为硝酸根离子，硝酸根离子在随后的浸没阶段大量解吸到水中，并通过以有机碳为电子供体的反硝化微生物还原为氮气，交替的需氧和厌氧环境极大提高了氮的去除率，且该技术仅需要曝气湿地的一半功率。

潮汐混合流人工湿地系统

跌水式进水。针对常规人工湿地的低污染物去除效率和有限氧气转移能力，Zou等人开发了一种新型的多层跌水式进水方式，相关试验在2个0.75m²的中试规模垂直流湿地中进行。结果表明，双层跌水式进水能够为进水提供2-6mg·L^－1的溶解氧。而在安装了6层跌水式进水装置后，湿地的5d生化需氧量(BOD₅)去除负荷从8.1增加到14.2g·m^－2d^－1。但是，该运行方式具有一定的适用温度范围，低温寒冷天气容易冻结，气温上升后跌水装置内污水易于滋生蚊蝇。

外加碳源。作为去除污水中硝酸盐的主要机制，反硝化是厌氧的异化途径，通常需要有机碳作为电子供体。人工湿地中的碳源通常来自污水、湿地土壤和植物的根系沉积物，但是有时这部分碳源并不能满足反硝化需求。为了强化湿地脱氮作用，往往需要向人工湿地外加碳源。Saeed等人将甘蔗渣作为有机碳源加入垂直流人工湿地，发现湿地的TN去除率比对照组高70%。此外，除了上述生物质碳源外，诸如丁二酸丁二醇酯、聚乳酸等有机合成碳源同样受到了研究者广泛关注，这类聚合物不仅更加稳定可控，还具有更好的脱氮效果。

投加生物菌剂。通过向人工湿地中投加某些具有特定代谢功能的微生物以加速污染物的生物降解是强化人工湿地性能的重要措施。人工湿地在施工建成后，通常需要一段适应期来发展微生物对污染物的处理能力，而投加生物菌剂将加速湿地微生物群落的发展，从而大大缩短适应期。一些经过筛选的生物菌剂能够有效增强对某些特定污染物的降解，例如农药、有机化学品以及重金属等。Runes等人调查了投加特定生物菌剂对人工湿地中阿特拉津溢出部位土壤的影响，发现投加菌剂后人工湿地对阿特拉津的矿化率达到了25%-30%，而未进行菌剂投加的湿地中阿特拉津矿化率仅为2%-3%。Zaytsev等人在研究水平潜流人工湿地时发现，往湿地中添加低浓度菌悬液能显著加强湿地反硝化能力。