湿地巧治污，生态“焕新颜”

20世纪50年代,一位德国学者在莱茵河流域的突破性发现揭示了芦苇等挺水植物对病原微生物的截留作用及重金属吸附潜能,为现代人工湿地技术奠定理论基础。随着20世纪80年代美英等国的深化研究,这项技术在全球范围内形成完整理论体系。

人工湿地是一种高效的生态水质净化方法,利用生态系统中基质、植物和微生物的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化,具有较强的氮、磷处理能力。

人工湿地系统运行过程中可形成良好的内部循环,并具有较好的经济效益和生态效益,是一种目前正被研究、应用和发展的新型污水生态处理技术,在实际应用中有着无可替代的地位。

当前,我国在“双碳”战略驱动下,人工湿地不仅成为碳汇载体,更通过经济作物种植与生态旅游开发,实现环境效益与经济效益的协同增值,生态治理工程必将成为美丽中国建设的重要支撑。未来,我国科学家必将为全球水环境治理提供“中国方案”,同时也将为实现人与自然和谐共生做出重大贡献。

图1 硫自养反硝化系统内部脱氮及硫代谢路径预测

我国湿地治污技术起步较晚

我国对人工湿地污水处理技术的研究起步相对较晚,直到“七五”规划期间才开始展开较大规模的研究。我国的第一个人工湿地系统是天津市环保所在1987年建成的芦苇湿地工程。除了一些大型的人工湿地建设外,近年来一些小型的人工湿地在农村开始推广应用,并取得初步成效。

我国内陆人工湿地总面积已经超过67000平方公里(不包括台湾、香港和澳门)。其中大型工程逐步向多功能复合体演变,在净化水质基础上融合生态景观营造,小型系统则在农村地区形成模块化应用模式,为解决分散式污染治理提供了创新路径。

破解低碳氮比废水脱氮难题

在污水处理领域,传统异养反硝化技术因依赖高碳氮比和低温效能衰减等瓶颈,难以满足低碳排放与高效脱氮的双重需求。基于此,我们的研究团队围绕硫自养反硝化人工湿地系统开展深入研究,构建了以硫代硫酸钠、硫磺为硫源,陶粒、菱铁矿、石灰石等为填料的反应体系,不仅破解了低碳氮比废水脱氮难题,更揭示了微生物与填料的协同净化密码。

通过优化运行参数,我们实现了对污水处理厂尾水中硝酸盐去除率99%、总氮去除率95%以上,出水硫酸根离子浓度≤250毫克/升,亚硝酸盐浓度≤0.03毫克/升。研究发现,菱铁矿不仅作为填料,还能通过释放亚铁离子作为电子供体,直接驱动反硝化反应进程,明确了硫-铁协同脱氮的机制,并发现湿地内部微生物群落以Proteobacteria门、Betaproteobacteria纲及Thiobacillus和Ferritrophicum属为主。宏基因组分析阐明了硫自养反硝化系统中脱氮及硫代谢功能基因的分布特征,包括一些关键功能单元。通过对比硫-菱铁矿与硫-石灰石系统,发现硫-菱铁矿在低温(15–25°C)下脱氮效率更稳定,亚铁离子可减少中间产物积累,而硫-石灰石系统亚硝酸盐短暂积累后降至0.02毫克/升。此外,硫化亚铁填料系统在四环素胁迫下仍保持高效脱氮性能,去除率达90%,而黄铁矿系统因微生物代谢抑制脱氮率降至54.9%。为低碳氮比废水处理提供了理论依据和技术支撑,为水环境治理的“提质增效”与“减污降碳”目标提供关键技术支撑。

图2 陶粒/给水污泥基垂直流人工湿地(C-BVFCW/D-BVFCW)的脱氮除磷效果差异

填料对湿地功能有调控作用

除了深度脱氮,人工湿地对氮磷污染物的协同净化能力同样出色。通过对比污水处理厂尾水复合型人工湿地和潜流人工湿地的长期运行数据发现,复合型人工湿地对污水处理厂尾水中氨氮、总氮和总磷的平均去除率分别为45.47%、55.53%和62.55%,显著优于潜流人工湿地(总氮去除率38.13%)。这一优势源于复合型人工湿地内部微生物群落的特殊结构——硝化细菌、反硝化细菌与厌氧氨氧化细菌的丰度协同提升,形成了“硝化-反硝化-厌氧氨氧化”三位一体的高效脱氮机制。进一步研究发现,填料特性对湿地功能具有定向调控作用。以自养脱氮填料为基质的垂直流人工湿地对总氮去除率达60.8%,而以给水污泥为基质的系统则对总磷展现出76.7%的高效去除率,证明两种填料分别对氮、磷具有较好的去除效果。上述发现为丰富污水处理厂尾水人工湿地微生物群落的脱氮机理和湿地脱氮性能的强化提供了方向,为工程实践中“按需定制”脱氮除磷性能提供了精准调控策略。

技术创新是人工湿地升级的核心驱动力,我们的研究团队在人工湿地填料与工艺研发领域取得系列突破性成果。在填料研发层面进行多功能复合填料体系的构建,研发了聚氯化铝残渣复合填料、给水污泥复合填料、海藻酸钠包埋铁碳-麦饭石填料、硅酸盐复合填料、硫基快速反硝化填料、黄铁矿反硝化填料、复合生物填料、复合生物菌球填料、陶瓷膜微生物缓释填料等高效脱氮除磷材料,为破解低碳氮比比废水深度处理和磷吸附饱和难题提供了技术支持,在人工湿地工程应用方面具有良好的潜力和前景。

工艺革新为技术升级奠定基础

在工艺革新领域进行人工湿地工艺革新与工程应用,开发了多种新型人工湿地处理工艺,包括湿地公园式生态水净化系统、低温季节运行的复合生态水处理系统、提升河道自净能力的生态系统、表潜一体化的人工湿地系统、地下式一体化人工湿地污水净化系统、用于削减入河面源污染的河滩台地人工湿地系统、实用型排泥及防堵塞的水平推流人工湿地系统、用于城镇污水处理厂三级深度净化的人工湿地系统、污水生态处理系统、海绵城市的生态净化系统、垂直流人工湿地的布水及集水系统、用于农村生活污水处理的生态净化系统、用于治理黑臭水体的生物修复系统、新型生态水处理系统。

上述填料与工艺已形成“材料-技术-工程”全链条创新体系,为人工湿地技术升级与多场景适配奠定核心基础。并且相关研究成果发表在《水科技》等学术期刊上,授权发明专利6件,实用新型专利10件,推动人工湿地从“自然仿生”迈向“精准调控”。

图3 课题组的研发的人工湿地脱氮除磷复合填料

湿地植物为治污提供新思路

人工湿地的净化能力不仅依赖微生物与填料,湿地植物更是不可或缺的“生态系统构建者”。以粉绿狐尾藻为例,其可在100毫克/升的氨氮水环境中生存,通过蔗糖代谢调控相关碳水化合物在体内的转化,有效调节渗透势,从而延缓氨氮毒性,提高抗逆性。

进一步研究表明,该植物对镉的富集能力达1.2毫克/克(干重),其根系、茎、叶均具有镉吸收能力,在低浓度镉条件下可通过增强抗氧化能力和增加色素合成来抵抗重金属的毒害,细胞壁和液泡是粉绿狐尾藻细胞中镉分布和解毒的重要场所。值得注意的是,根际促生菌的加入显著提高了粉绿狐尾藻的株高、根长及生物量,且进一步提升了粉绿狐尾藻对镉污染水体的净化效率。此外,西伯利亚鸢尾在低温下对镉去除率超95%,为人工湿地修复重金属污染提供支撑。这些发现揭示了植物-微生物-填料的协同净化机制,为人工湿地应对复合污染提供了新思路。

未来,随着材料科学、基因工程与生态调控的深度融合,人工湿地将在污水处理、生态修复及资源循环领域展现更大潜力,人工湿地技术的持续创新与生态治理理念的深度融合,全球水环境治理必将迈向更可持续的未来,生态治理必将朝着高效化、智能化方向发展。

高镜清:郑州大学生态与环境学院教授/博导,中原科技创新领军人才、郑州大学科学技术研究院副院长、郑州市水环境新污染物识别与控制重点实验室主任、河南省微生物菌剂工程技术研究中心主任。

王晴:郑州大学生态与环境学院硕士生,研究方向为水环境污染控制。

杨姣:郑州大学生态与环境学院助理研究员,研究方向为面源污染控制、水生态修复等。

http://www.kepu.gov.cn/news/2025-04/26/content_331493.html

编辑：张念茹 审编：益申合