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赵 倩1 庄林岚1 盛 芹2 张 建1 （1.山东大学 环境科学与工程学院；2.济宁市微山生态环境监控中心） 研究背景 人工湿地是人工构建的模拟自然生态系统，研究表明，人工湿地的建设与维护费用低、环境友好且具有生态景观利用价值，可用于多类型污水水质的净化，在国内外均具有广泛应用。人工湿地可对污水厂处理出水进行深度净化，增加工程净化水的自然生态属性，有效减缓了对受纳水体的冲击，同时，缓解了水环境萎缩问题。人工湿地主要分为表流湿地和潜流湿地两种。报道称，基质是潜流人工湿地的重要组成部分，在水质净化中发挥着至关重要的直接与间接作用。现有文章对比了不同基质填充下人工湿地的净水效果，然而在大规模潜流人工湿地工程构建中，针对不同污水水质特征的基质优选与级配确定原则、其与湿地运行效果的关系等问题均有待梳理。为此，本文将重点从基质的功能、级配、净水效果与机制方面展开系统论述，为针对不同污水净化功效的潜流人工湿地构筑与基质选择提供理论基础与支持。 摘 要 潜流人工湿地依靠基质、微生物以及植物的共同作用实现对污水中各类污染物的去除。其中，基质是潜流人工湿地的重要组成部分，在水质净化中发挥着至关重要的作用。基质可对污染物进行直接吸附去除。不同基质类型对氨氮与总磷具有不同的吸附能力，同时，吸附效率受到水质、水力条件等参数影响。此外，基质为微生物提供附着表面，基质材质、内部孔道结构、比表面积等均影响生物膜的形成与发展，进而间接影响人工湿地的污水净化功能。改变基质所处淹没/暴露状态、增加缓释碳源基质、增加铁碳电解对基质等方式可分别从增加补氧、强化反硝化和电化学强化的角度改善人工湿地对氨氮、总氮与总磷类污染物的去除效果。 01 潜流人工湿地对污水污染物的去除依靠基质、微生物及植物的共同作用（图1）。微生物在污水净化中起到至关重要的作用，其对氮素、碳素的去除贡献一般在50%以上；基质在污水中磷、重金属等的物化去除中占据重要位置；植物根系从污水中吸收氮、磷，用于污染物的去除与生物质资源转化。
除了微生物、基质与植物对污染物的直接作用外，三者在污水净化中存在复杂的相互作用。基质粒径越小，单位体积基质可提供给微生物的表面越大。然而，基质选择不能单从比表面积这一点考虑，粒径过小会加剧基质间的污堵，影响人工湿地运行年限。此外，系统内污水的流态受到进水流速、基质粒径级配及基质表面性质的共同调控，而流态的差异则影响了空气中的氧气与污染物向生物膜内的传质效率，同时也影响着生物膜生长的厚度与致密性。不同基质材质与粒径形成的基质空隙间微环境理化性质差异对细菌等微生物形成的生物膜群落结构影响重大，进而对生物膜的污水净化功能产生影响。近年来，新兴功能材料被越来越多的用做湿地基质，如生物炭材料、铁矿渣等。功能材料除附着载体功能外，还可为部分微生物对污染物的代谢提供缓释有机碳、电子供体等，强化对氮素污染物的去除。 02 基质的化学组成结构决定了其对水中污染物的离子交换能力/吸附能力等，直接影响了污染物的物化去除效率，如图2所示；基质孔径与表面粗糙度等物理性质决定了生物膜的附着能力；污水、基质与生物间的交互作用影响基质表面微环境，间接影响了污染物的生化作用效果。
图2 人工湿地基质理化性质对污水净化的影响 1.基质材质对人工湿地水质净化效果的影响 表1 不同基质的理化性质及对污染物吸附-解吸效果
除了上述直接作用，基质通过影响微生物、植物、环境理化性质等间接影响人工湿地水质净化。不同基质材质的比表面积、密度、化学结构等理化性质存在差异，进而对污水的渗透性能、生物膜的粘附性能以及对污染物的吸附性能均产生影响。基质与水中离子的物质交换对生物膜微环境内的pH、氧化还原电位均产生影响，进而对微生物的代谢与污染物的净化产生干扰。可见，基质性质对人工湿地水质净化过程有着直接或间接的影响（如图2所示），相互作用关系与机理十分复杂。在人工湿地设计基质选择过程中，不能单独从某一方面确定选用基质类型，而应该从基质对污染物的直接吸附性能、对生物膜生长影响以及基质缓释物质等多角度综合分析。 2.人工湿地基质所处状态对水质净化影响 表2总结了不饱和状态基质对氨氮氧化去除的影响。大多数不饱和状态基质强化型人工湿地对氨氮的净化率可达50%，甚至高达76.88%；对水体增氧效果可高达5 mg/L。基质类型、基质粒径、不饱和区高度及进水水质对氨氮的氧化效果均有影响。不同类型基质表面亲疏水性质不同，进水在重力作用下从基质空隙间向下流动，基质越亲水，基质生物膜-污水液膜-空气/氧气三者间的接触时间越长，三相传质越充分，氨氮氧化效果越好。基质粒径越小，比表面积越大，可从增加三相间的接触概率角度提升氧气的传质效果。不饱和区高度提高，三相接触历时越长，然而这种方式会增加系统的水头损失和能耗。进水氨氮浓度在一定范围内提升，对应的氨氮去除量也会提升，但氨氮去除率会有所下降。 表2 不饱和状态基质对氨氮氧化的促进效果
3.潜流人工湿地基质级配与功能 在潜流人工湿地实验室小试中，多数研究者选择粒径均一的某种基质，而在中试或市场化应用中，则存在不同区域粒径的分级情况。人工湿地中应用的基质粒径一般分布在3-15 mm，部分研究者使用60 mm以上粒径基质（图3a）。基质材质与粒径大小对人工湿地污水净化效果有显著影响。理论分析可知，基质粒径越大，系统孔隙率越大。根据表1孔隙率数据绘制的图3b可知，随着基质粒径的提高，系统孔隙率有升高的趋势。然而，不同研究者采用相同粒径区间（如2-4 mm）的不同材质基质时，其孔隙率波动范围仍然很大（33%-60%），这与天然基质材料不规则形状及填充疏密有直接关系。随着颗粒物在系统内逐步积累、基质表面生物膜加厚，系统局部可形成堵塞，影响湿地的运行。因此，在湿地设计时，需了解湿地内部不同位置的堵塞风险源与堵塞程度。在最易堵塞区域，适当提高其初始空隙率，并从根源上减缓堵塞源的输入和形成。
在大型湿地应用工程中，垂直流潜流湿地基质可分为布水层、净化层和排水层（图4）。布水层一般位于进水口处，起到均匀布水的作用。对于“上进下出”式垂直流潜流湿地，布水层还承担着支撑上层植物的作用。因此，布水层多采用土壤、细沙等小粒径的基质，该层深度一般在5-20 cm。中间层，即净化层，是湿地的核心层。该区域内不同种属的微生物附着在基质表面形成生物膜，起到对不同类型污染物的净化作用。该层多采用细砾石、陶粒等基质，粒径在5-30 mm，深度在30-60 cm不等。不同研究者会在该层设置两种不同粒径的基质，实现从进水口到出水口基质粒径的逐级递增和均匀过渡。由于大气复氧及从进水口到出口的微生物作用，不同基质所处微环境存在梯度变化，如从好氧环境到缺氧环境的改变，pH、有机碳源含量与组成的变化等。湿地系统宏观空间的差异性造就了不同功能微生物对多类型污染物净化的多环境条件需求，如微生物脱氮的好氧-缺氧环境。对于常见“上进下出”式垂直流潜流湿地而言，排水层靠近出水口，也位于湿地系统的最底层，主要起到支撑作用。该层基质多采用大粒径粗砾石，深度在5-50 cm不等。对于水平潜流人工湿地而言，随水流流动的水平方向，依次为进水区、净水功能区和排水区。净水功能区的垂直方向可根据种植植物、好氧环境变化等功能需求布设不同粒径与材质的基质。
03 1.生物炭基质的水质净化强化机制与效果 表3 特殊功能材质基质对污水污染物的净化效果
2.铁碳（Fe-C）基质的水质净化强化机制与效果 |
