转发：综述“Constructed wetlands for pollution control”

2023-10-19 09:27

        1、前言

综述指出，全球范围内每年产生约359.4×10⁹m³的废水，其中约48%的水未经处理就排放到环境中。在大多数国家，传统废水处理厂（WWTPs）已成功用于水污染控制，但这些技术可能具有高能耗和化学品消耗、营养物质和新兴污染物去除效率低下及温室气体（GHG）排放高等问题。此外，传统的集中式污水处理系统在农村地区广泛使用往往不切实际，特别是在低收入和中等收入国家，显然很需要环境可持续性、社会接受性和性价比高的解决方案。

人工湿地（CWs）被认为是一种环境友好、性价比高和高效的基于自然的解决方案。废水引入由基质（包括土壤和填料）、植被、动物和微生物组成的生态系统来模拟自然湿地的结构和功能。通过复制自然湿地过程，去除各种污染物并改善水质。该系统与传统的污水处理厂相比，建设成本和运维支出分别约为污水处理厂的一半和五分之一，能耗降低了72-83%。与自然湿地一样，CWs也展现出多种功能，包括储水和节水、改善水质、资源回收，以及洪水和雨水控制，减少流向污水处理厂的水量。此外，它们还具有重要的生态功能，例如缓解气候变化和恢复生物多样性，以及提供社会服务，如科学教育和生态旅游等。

尽管CWs带来诸多益处，其在持续污染控制的成功应用仍存争议。例如，不同研究和地区的污染物去除效率大相径庭。CWs的效率受气候、水力特性、生物学特性和底物物理化学特性影响，有时被视为“黑匣子”。同时，终端用户的目标和需求多种多样。某些CWs（如湿地公园）可能主要旨在恢复退化的水体生态系统，提供较大的生态和社会效益，如生物多样性保护和公共娱乐，尽管其污染物去除效率可能较低。因此，讨论和评估CWs时，必须从工程、生态和社会的全局视角出发。
    2、人工湿地应用及机制

        2.1 全球开发与应用

本文通过建立335个人工湿地工程的水质和温室气体监测数据库，明确了人工湿地工程的全球分布和应用现状。

图1全球人工湿地工程的分布和应用现状

根据2001年至2021年的全球文献综合，目前有335个用于改善水质的实地规模CWs。这些系统分布在50多个国家，其中大多数在欧洲（38.8%）和亚洲（32.8%），其次是北美（14.0%）和非洲（8.1%）。它们旨在接收和净化来自各种受污染水或废水的废水，包括城市废水、农业废水、工业废水、垃圾填埋渗滤液、二次废水、受污染的地下水、受污染的河水和雨水径流。

        2.2 人工湿地类型

CWs可按应用类型进行分类（例如栖息地创建，防洪和废水处理），但从技术角度来看，它们可以分为三种基本类型：表面流湿地（FWSCWs）、潜流湿地（SSFCWs）和浮动湿地（FCWs）。其中49.5%是SSFCWs，26.3%是FWSCWs，4.2%是FCWs。另有20.0%为混合湿地（HCWs）。CWs可以有不同的配置，具有不同的流体流动状态和植物系统。每种设置都有优势，混合系统旨在结合这些优势。

        2.3 污染物去除和温室气体排放

废水中的各种污染物可以通过CWs中植被、微生物、动物和基质之间的协同作用来去除。CWs中的有机物主要由附着在植物根部和过滤介质上的细菌去除。连续反应中的氮转化和脱除过程主要包括微生物循环、氨挥发、吸附、解吸、掩埋和浸出。磷的转化和去除过程主要包括吸附、解吸、沉淀、溶解、植物和微生物吸收、浸出、矿化、沉降和掩埋。水净化伴随着大量的温室气体释放，通过水的扩散或蒸腾或通过植物的主动运输。植物种类、基质选择以及环境和水力条件都会影响性能，污染物去除性能的变化主要与温度、水力停留时间和污染物负荷有关。

图2 人工湿地水质净化关键过程与作用机制

总的来说，COD、NH₄⁺-N、TN和TP的去除效率中位数在不同类型的CWs中显示出显著的差异。总的来说，HCWs展现出最佳的去除性能（特别氮的去除），并且SSFCWs的去除性能优于FWSCWs和FCWs。具体来说，COD的去除效率有所不同，HCWs的效率为75.7%，其次是SSFCWs（67.0%）、FCWs（56.7%）和FWSCWs（49.6%）。NH₄⁺-N和TP的去除效率有相似的顺序，其中HCWs是最高的值（分别为72.1%和71.8%）。HCWs也是TN去除最有效的（63.4%），但FWSCWs（41.2%）平均而言比FCWs（23.4%）更有效。

CWs中污染物去除过程受到内外环境条件、设计和操作参数以及运维过程的显著影响。特别是微生物介导的过程受到水力条件、废水特性、营养物质的质量和可生化性、基材和植物物种等的影响。微生物群落对环境条件也高度敏感，并可能受到温度、溶解氧和酸碱度的影响。因此，常规设计和运行参数必须考虑，如气候条件、植物选择、基质选择、废水类型、水力负荷、水力停留时间、水深和进料模式，以有效去除污染物。

影响水质处理的一个重要因素是植物选择，植物对氮和磷的去除分别占15-80%和24-80%。全球已有150多种湿地植物被用于CWs，但最常用的是新兴植物，例如普通芦苇、香蒲和蒲苇。植物选择必须严格比较评估。

CWs的主要目标通常是最大限度地去除废水中的有机物和氮，但这个过程会导致大量的温室气体释放。二氧化碳（CO₂）排放主要来自植物、动物和微生物呼吸，而甲烷（CH₄）主要由甲烷菌产生，N₂O可在硝化、反硝化和硝酸盐氨化过程中产生。这些温室气体可以是气相或溶解相，通过扩散或蒸发、水柱或通过植物的通气组织主动转运从CWs排放到大气中。

分析表明，N₂O, CH₄ 和 CO₂ 通量的中位数分别是2.79 mg m^-2d^-1, 89 mg m^-2 d^-1 和7.31 g m^-2 d^-1。在其生命周期中，每单位去除COD当量，CWs排放CO₂仅为传统废水处理系统的50%，并且是碳中性的，甚至是净碳汇的。

植物的选择和管理是调节CWs中温室气体排放的重要因素。植物的存在、物候学、多样性和密度通过影响根区的有机物和氧气的可用性，进而改变微生物的多样性和丰富度，从而影响GHG排放。植物增加了连续温室气体的排放，但也固碳。种植湿地可以吸收比它们释放的多2-15倍的碳。湿地无脊椎动物（如蚯蚓）能增强温室气体的产生。总的来说，CWs的使用年限、运行和环境设置决定它是碳源还是碳汇，这突显了设计和管理的重要性。

        2.4 强化处理性能

为了克服传统CWs的局限性（例如溶解氧不足、进水C/N比低和低温环境）并提高其性能，已经开发了各种设计和修改。以下讨论的重点是提高污染物去除性能，同时保持CWs生态特性和经济优势的策略和技术。

通过人工曝气、耐寒植物选择、电子供体补充和堵塞修复等策略，可以提高CWs的污染物去除和长期性能。工程师和科学家必须共同努力设计和管理CWs，理想情况下，在污染控制的同时最大限度地发挥其协同效益。

图3 强化处理性能的策略和技术

图3 强化处理性能的策略和技术（例如间歇曝气、电子供体基质添加和生物增强）可以应用于提高CWs中的可持续性。a、增加氧气供应和转移的替代技术；b、用于增强营养去除的电子供体底物; c、提高低温性能的策略；d、预防和缓解堵塞的策略。

添加压缩空气人工曝气可提供气泡，增加CWs中的氧气转移率并推动高污染物去除率。间歇曝气也是一种曝气策略，它创造了交替的有氧和缺氧环境，以同时促进硝化和反硝化以去除TN，同时还降低了整体能耗成本。潮汐操作是解决氧气转移限制的另一种有效方法。

掺入电子供体底物，天然废物的低成本有机基质（包括珊瑚藻、牡蛎壳、堆肥、有机木覆盖物、麦秸、稻壳、核桃壳和甘蔗渣）越来越多地用于CWs的研究中。这些底物的投加，使异养反硝化有了明显的改善。其他污染物（如营养物质、重金属、新兴污染物）在CWs中掺入生物炭时被有效衰减，因为它具有高吸附容量、电子交换能力和导电性等特性。来自天然矿石和工业或矿山废物（如煤矸石、铁矿石和锰矿石）的其他无机基质也广泛用于提高污染物去除率。添加富含铁、锰、铝、钙和硫的底物可以同时增加磷的沉淀和自养反硝化，包括硫自养反硝化，基于锰的自养反硝化和铁基自养反硝化。铁矿石是廉价的导电基质，也用作与微生物燃料电池耦合的CWs中的阳极填充材料。这些基材存在潜在的问题，例如它们的使用寿命和更换、二次污染和可能的堵塞，在促进其广泛使用之前必须更详细地研究这些问题。

寒冷的气候条件会严重影响水力学和生化过程，并且一直是CWs不可靠性的重要因素。温度效应可以通过更长的水力停留时间或设计更大更深的CWs来部分补偿。其他强化策略，例如选择耐寒植物、接种耐寒微生物、添加绝缘材料、人工曝气和污水再循环等。

预防和缓解堵塞的策略：堵塞是由生物膜在基质和根茎上生长、化学沉淀物沉积以及固体和植物碎片的积累引起的。这些问题可能是由于高水力负荷、连续运行以及缺乏运维管理造成的，并且可能受到基质孔隙率、水力条件、有机负荷、水深、生物膜形成、植物根系和人工曝气等因素的影响。然而，进水对堵塞的影响最大，因为高有机物和悬浮物质负荷会缩短系统的使用寿命。

预处理工艺，例如厌氧或好氧处理和沉淀池，可以帮助减少堵塞。基材的选择很重要，孔隙率较高的基材不易堵塞。孔隙率高的塑料基材可以延缓堵塞并保持较高的有机负荷，但存在塑料浸出的风险。由于基材的金属含量(Ca、Fe和Al)和导电率高，可能会因沉淀和吸附形成含磷的堵塞物质，使用具有高吸附能力的明矾污泥对于减轻化学堵塞是可行的，因为氢氧化铝的胶体沉淀会增加明矾污泥的孔隙率并提供持续的渗透性。生物堵塞是由生物膜分泌胞外聚合物和粘附引起的，基材中的粗颗粒可以帮助缓解堵塞，多基质的“反尺寸”排列（大颗粒在上部，小颗粒在中间或底部）可以将有机物的积累减少约70％。生物活动也可以防止堵塞，蚯蚓通过摄入颗粒有机物，在消化过程中将难降解有机物转化为易生物降解的物质来减少和修复堵塞，从而降低有机物和悬浮物的含量。具有强氧化性能的化学试剂（如过氧化氢和次氯酸钠），对有机物的氧化可提高基材的导水性来缓解堵塞。

        2.5 植被管理和循环经济

植被管理和过度生长预防是CWs运营不可或缺的一部分。大型植物分解会增加堵塞，并通过将有机物和营养物质释放回CWs中而造成二次污染，导致去除性能差。水蒸散和渗流过程是影响浓度和负荷减少的关键因素，不同植被类型不同，需要规划和维护。此外，茂密的植被可促进蚊子的产生，可能会造成公共卫生问题。

水位控制是植被维护的简单而强大的工具，特别是在FWSCWs中，因为植被生长可以通过水文状况控制。为了提高CWs的长期性能，也提出了植物收获的建议。及时收获大型水生植物的地上生物量可以将营养物去除效率提高超过10%。但是，通过收获达到最大的营养物去除需要适度低的进水负荷，并且取决于物种和生长条件。在寒冷季节，收获对污染物去除的贡献可能会受到限制，这表明在寒冷气候中需要季节性的植物收获以最大化营养物。对于温暖气候地区的CWs，每年收获几次可以去除大部分进水营养负荷，并可以减少GHG排放。为了最大化所有环境利益，设置不同植物的最佳收获时间和频率并不容易。

通过为生产可再生能源和资源（如沼气、生物燃料、生物炭和可溶性蛋白质）提供材料，收获植被和其他湿地植物衍生的碳对于CWs的可持续性也很重要。例如，生物炭和活性炭可以储存能量和碳，并在CWs中回收利用以提高处理性能。

        3. 总结和未来展望

CWs是一种高性价比的水污染控制解决方案，具有多种生态功能和社会经济效益。其最佳设计、操作和管理依赖于基于长期监测的经验参数，需要一个全面的全球数据库来支持CWs的应用。需要其他预测模型来优化CWs的设计和运行并管理新出现的污染物。必须全面评估CWs在清除新出现的污染物方面的有效性，并了解其毒理学影响。需要对水再利用的潜在环境和生态风险进行定性和定量评估。CWs可用于水处理以外的用途，例如减少碳排放和建立循环经济。需要为CWs的设计、施工、运营和维护制定实用且适应性强的框架，尤其是在低收入和中等收入国家。需要加强科学家、工程师和管理人员之间的知识转移和数据共享，以支持CWs的实施。应将CWs纳入城市生态系统发展，以实现可持续发展目标。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s43017-023-00395-z

        4. 后记

人工湿地在超过50个国家被用于可持续处理废水。上述综述概述了大量具体数据和实例，重点讨论了影响CWs功能的因素及对污染物的去除性能。介绍了如人工曝气、抗寒植物选择、电子供体补充和堵塞修复等强化处理性能的策略，以增强CWs的污染物去除和长期性能。

上海交通大学设计学院可持续生态设计团队，在人工湿地及海绵城市低影响开发雨水系统等方面做了许多相关研究，取得了一系列重要成果。

可持续生态设计中心（https://ecoplan.sjtu.edu.cn/）成立于2018年，是上海交通大学设计学院交叉性设计研究平台之一，中心以生态文明为指导，以生态科技和生态人文相融合为手段，以人居环境可持续发展和生态系统健康为目标，构建学术创新、人才培养和产业实践的公共平台；在长三角生态系统一体化治理、海岸带生态系统健康、城市绿地生态与人居健康、海绵城市、滨水空间生态服务功能、乡村生态健康与休闲产业发展等方面产生了系列成果，为社会发展作出了贡献，获得省部级奖6项，获得国家发明专利30项，出版专著30本，发表学术论文500余篇，承担国家级和省部级项目40余项，承担重大规划设计类项目30余项。

 

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