人工湿地技术处理高盐工业废水的研究及应用综述
人工湿地技术处理高盐工业废水的研究及应用综述
摘要: 在工业生产过程中，会产生大量的高盐废水。这些高盐废水未经处理直接排放将会严重影响生态系统乃至危害人体健康。因此，世界各国普遍重视高盐工业废水技术的研发。本文在《环境工程技术进展》所学知识的基础上，进一步阅读有关文献，简要地综述了人工湿地技术在高盐工业废水处理中的研究与应用。
关键词: 人工湿地；高盐工业废水；耐盐植物；环境工程；废水治理
A review of research and application of constructed wetland technology to treat high-salt industrial wastewater
Abstract: In the process of industrial production, a large amount of high-salt wastewater will be generated. The direct discharge of these high-salt wastewater without treatment will seriously affect the ecosystem and even endanger human health. Therefore, countries around the world generally attach great importance to the research and development of high-salt industrial wastewater technology. On the basis of the knowledge learned in “Advances in Environmental Engineering Technology”, this paper further reads the relevant literature, and briefly reviews the research and application of constructed wetland technology in the treatment of high-salt industrial wastewater.
Keywords: constructed wetland; high-salt industrial wastewater; salt-tolerant plants;
environmental engineering; wastewater treatment
高盐废水是指总含盐质量分数大于或等于1%的废水。在工业生产领域，其来源十分广泛。在化工、制药、石油、造纸等行业[1]都会产生大量的高盐废水。这些废水如果未经处理直接排放，将会对生态环境造成严重的威胁。因此，世界各国普遍重视高盐工业废水的治理。目前，高盐工业废水主要通过物理化学法、生物法或者物理化学-生物组合法来进行治理[2]。这些技术大多成本较高，需要消耗大量的能源，部分企业可能负担不起高盐工业废水的治理费用。市场对廉价的高盐工业废水处理工艺的需求日益旺盛。
人工湿地作为一项常用的污水处理技术，已经在生活污水、农业废水的处理过程中得到了广泛应用。由于人工湿地在处理污水时集物理、化学、生物过程于一体，运行稳定、操作方便、生态友好，且建设费用和运营费用相对较低[3]，因此，近年来已有不少研究开始探讨人工湿地在高盐工业废水领域的作用。
本文在综述人工湿地处理高盐工业废水的主要原理的基础上，进一步介绍了高盐工业废水对人工湿地系统的负面影响以及现阶段该领域的研究方向，以期为今后的学习以及知识储备打下良好的基础。
1 高盐工业废水的特点及危害
由于高盐工业废水的来源十分广泛，因此，不同行业所产生排放的高盐工业废水的组成和浓度也会有所不同。例如，制革废水作为一种典型的高盐工业废水，其BOD浓度为2982-4886mg/L，总铬为12-133mg/L,硫化物为55-630mg/L，硫酸盐为502-800mg/L，总氮为245-1330mg/L，氨氮为122-127mg/L，盐度为7.1%-15%NaCl，同时根据工艺的不同一些制革废水还含有一些特定的有机物及其他有毒污染物[4]。
根据有关文献归纳[5,6]，高盐废水一般都具有以下特点：1）总固体含量（TDS）大于3.5%；2）有机污染物以苯、苯酚、含氮杂环化合物、多环芳烃等难降解有机污染物为主；3）无机污染物主要为钾离子、钠离子、钙离子、镁离子、氯离子、硫酸根等，其中，氯离子、钠离子、硫酸根离子含量占无机离子总量的90%以上。
高盐工业废水未经处理直接排放产生的危害主要表现在以下4个方面[3,7]：1）引起地表水或土壤盐度分布变化，影响水生生物和动植物的正常生长、繁殖，进而对陆地、水体生态系统造成负面影响；2）高浓度氮、磷等无机盐会引起“赤潮”现象发生；3）污染物质可能随食物链进入动植物体内，会导致代谢紊乱，甚至死亡，同时危害人体健康；4）对住房建筑、工业设备产生负面的影响。
2 人工湿地处理高盐工业废水的主要原理
人工湿地的分类方式多种多样。根据水流的特性，人工湿地主要分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地。虽然，不同类型的人工湿地结构有所不同，但它们大致都是由植物、微生物、基质共同组成。在高盐工业废水的处理过程中，人工湿地在植物、微生物、基质以及其他因素的共同影响下通过一系列的物理、化学、生物协同作用来处理高盐工业废水中的污染物质。
2.1 植物的作用
植物是人工湿地的重要组成部分，在人工湿地处理高盐工业废水时起着不可忽视的作用。首先，在处理高盐工业废水时，植物可以直接吸收废水中的污染物物质，将其作为植物自身生长、繁殖的营养元素。其次，湿地中的植物可以将大气中的氧气通过叶和茎运输到根部，为根系中好氧和兼性好氧微生物提供良好的生存环境。再次，湿地植物还可以为微生物提供附着点，并在根部分泌化学物质作为微生物反应的催化剂，间接影响微生物去除污染物，保证人工湿地结构和功能的完整。最后，植物死后可留下相互连接的孔道和有机物，促使更多地微生物附着，为湿地系统提供优质的营养物质。
2.2 微生物的作用
湿地中的微生物在许多污染物的去除过程中起着最主要的作用，其是对污染物进行吸附和降解的主要生物群体和承担者[2]。微生物在湿地基质中与其他动物和植物共生体的相互关系往往也起着核心作用[3]。微生物的氨化、硝化、反硝化和厌氧氨氧化是废水氮去除的重要途径，有机物的矿化同样也主要是由微生物在厌氧和好氧条件下进行的。
此外，人工湿地中微生物的数量在很大程度上可以影响湿地系统的处理效果。相关文献表明[8]，湿地中细菌的数量与有机物的去除有较好的相关性；亚硝酸菌的数量与TN的去除有较好的相关性。
2.3 基质的作用
大部分的物理、化学和生物反应都是在基质中进行的。湿地中的基质是去除某些污染物的主要因素之一，其对高盐工业废水的净化机制主要包括过滤、吸附、沉淀、络合、离子交换、植物吸收以及基质中微生物的降解等[9]。例如，通过基质吸附可以去除湿地废水中的磷；通过化学沉淀、吸附、络合、植物吸收和微生物氧化还原反应可以去除和固定高盐工业废水中的重金属；通过物理吸附可以将金属阳离子吸附在基质表面[2]。
此外，以土壤、砂、砾石为代表的基质还可以为植物提供物理支持，为各种复杂离子、化学物提供反应界面，为微生物提供附着[10]。
2.4 其他因素的作用
在高盐工业废水的处理过程中，除了植物、微生物、基质之外，还有其他因素，例如废水类型、环境温度、湿度、pH值、人工湿地的结构和操作参数等，同样也会影响人工湿地的性能。
例如，温度和湿度可以共同影响人工湿地的蒸发速率，并在物理上影响人工湿地的性能。在干旱环境中，由于温度和湿度增强了蒸散作用，此时出水盐浓度可能高于进水[11]。又比如，每种微生物都有自己适宜的pH值。通过调节pH值可以影响人工湿地微生物的活性，从而影响人工湿地的生物反应过程，影响其最终去除污染物的能力。
值得注意的是，所有的这些因素都是相互作用和相互联系的。即使一个因素可能对人工湿地产生负效应，也可以通过调节另外几个因素消减该因素对人工湿地的影响。例如，高温增强了蒸散作用，导致盐浓度升高，可以通过降低水力停留时间和改变地下水位深度来消除温度的影响[2]。因此，在人工湿地处理高盐工业废水的过程中，有必要对除植物、微生物、基质之外的这些因素进行综合、全面的考量。
3 高盐工业废水对人工湿地系统的负面影响
相较于处理其他类型的工业废水，人工湿地在处理高盐工业废水时，由于该废水具有过高的盐浓度，因此，其还会受到高盐浓度的影响。高盐工业废水对人工湿地系统的负面影响主要为对植物、微生物、基质的影响。
3.1 对植物的影响
过高的盐浓度将会严重影响植物的抗性和耐受性。其主要机制如下[2]：1）大多数湿地植物的细胞质不能承受高盐胁迫，过高的盐浓度将会破坏植物细胞渗透压的平衡。2）在高盐胁迫下，抗氧化酶如过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶等为了防止受到伤害，会加速细胞的氧化。3）当植物受到胁迫时，枝条和根部的脱落酸增加，从而抑制细胞生长，减轻盐的抑制作用。
3.2 对微生物的影响
微生物对各种污染物的降解作用是人工湿地实现污水净化的最主要途径。过高的盐浓度将会影响微生物对污染物质的去除效率，对微生物起抑制作用。其主要机制如下[2,12]：1）无机离子可以降低非极性或弱极性有机分子的溶解度，微生物食物来源有机物一般都是非极性或弱极性分子。2）溶解的离子会降低气体的溶解度，导致微生物缺氧。3）过高的盐浓度可诱导真核体失水，导致微生物细胞进一步凹陷甚至解体。
3.3 对基质的影响
随着高盐工业废水处理过程的不断运行，湿地中的微生物开始飞速繁殖，再加上植物的腐败分解以及基质对污染物质的吸附吸收使得基质开始逐渐趋于饱和[13]。过高的盐浓度会加速基质的饱和。如果人工湿地维护不当，十分容易造成淤积、堵塞的现象。基质如果发生堵塞不仅会影响湿地系统的水力负荷，同时还会影响湿地系统的寿命以及湿地长期运行的稳定性，甚至会使湿地系统丧失功能[13]。
4 现阶段人工湿地处理高盐工业废水的研究方向
目前，人工湿地处理高盐工业废水的研究主要集中于耐盐植物的筛选、耐盐微生物的使用、基质的优化以及人工湿地与其他技术的组合。
4.1 耐盐植物的筛选
耐盐植物由于具有更适应高盐浓度的特性，因此其处理高盐工业废水时具有很高的应用价值。在处理废水时，有植物的人工湿地处理效果比没有植物的人工湿地好，适应的耐盐植物也更有利于废水中污染物质的净化。
研究表明[14]，当人工湿地进水氯离子浓度在1000~3000mg/L范围内时，芦苇、睡莲、狭叶香蒲、宽叶香蒲和水葱这5种人工湿地植物可以正常生长，且芦苇、睡莲和狭叶香蒲这3种植物对COD和BOD的净化效果相对较好。
4.2 耐盐微生物的使用
虽然在处理高盐工业废水时，盐的存在抑制了许多微生物的功能，但这也为耐盐微生物大放异彩制造了可能。由于耐盐微生物喜盐，能在含盐或高盐环境中繁荣生长。如果耐盐微生物能够处理废水中的污染物质，那么在一定程度上可以缓解高盐浓度对常规微生物的负面影响。如今，许多耐盐微生物已被发现可以用于污水处理。据报道[15]，活性污泥在好氧系统中,经过2个月的驯化,逐步适应了高盐环境，形成了以耐盐细菌为优势菌种的微生物群体后，当盐的质量浓度在8g/L范围内时,该活性污泥处理实际含盐废水COD去除率达到70%以上。
4.3 基质的优化
对于某些污染物质的去除，人工湿地的基质起着至关重要的作用。优化基质可以提高人工湿地对某些污染物质的去除效率。例如，据报道[16]，在处理含磷酸盐和金属的复杂盐水时，往人工湿地中投加工业废物例如炉渣、钢渣等，可以有效提升基质的吸附效率。
此外，无论是含盐废水处理还是非含盐废水处理，人工湿地基质堵塞问题是不可避免的。在缓解基质堵塞问题时，应该注意吸附和堵塞的可逆性，而不是简单地关注污染物质的去除。目前，缓解基质堵塞问题的策略有砂砾清洗、化学处理等[17]。
4.4 人工湿地与其他技术的组合
人工湿地与其他技术组合可以有效结合多种处理工艺的优点，避免人工湿地处理系统现阶段的一些不足，提高人工湿地对高盐工业废水污染物的去除效率。例如，铁碳微电解耦合人工湿地如果用于处理高盐工业废水，那么高盐工业废水中的高浓度的阴阳离子可以加快离子迁移速度，使高盐工业废水具有良好的导电性，降低耦合系统的内阻，有利于产电[18]，因此，根据“产电所主导的污染物强化去除在一定浓度范围内往往与产电呈正比例关系[19]”这一现象，高盐浓度在一定程度上可以提高产电量，进而促进污染物的去除。
5 总结
人工湿地作为一种经济环保的污水处理系统，在植物、微生物、基质以及其他因素的共同影响下通过一系列的物理、化学、生物协同作用可以有效去除高盐工业废水中的污染物质，具有广阔的应用前景。然而，由于人工湿地高盐工业废水处理还处于起步阶段，其相关机理尚未完全探明，高盐浓度带来的负面影响也尚未完全解决，需要进一步探索。
参考文献
1 | [1]李凤娟,徐菲,李小龙,李琦,曹保久.高盐度废水处理技术研究进展[J].环境科学与管理,2014,39(02):72-75. |
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