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人工濕地的構(gòu)建與應(yīng)用
第9卷第4期2011年12月
濕地科學(xué)
WETLANDSCIENCE
Vol.9No.4Dec.2011
人工濕地的構(gòu)建與應(yīng)用
張清
(國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)，北京100085)
摘要:論述了人工濕地污水處理技術(shù)的機(jī)制和優(yōu)勢(shì)，闡述了人工濕地的構(gòu)建和污水處理研究進(jìn)展，表明人工濕地的污水處理效率與污染物的種類和污染程度、人工濕地的類型、濕地植物種類、基質(zhì)類型、水力停留時(shí)間和水力負(fù)荷等密切相關(guān)。在中國(guó)，典型人工濕地有3種類型，分別為垂直流人工濕地、潛流式人工濕地和表面流人工濕地，主要用于處理來(lái)自化糞池、養(yǎng)殖場(chǎng)、造紙廠、油田、煤礦、富營(yíng)養(yǎng)湖泊以及城市生活等的污水。構(gòu)建人工濕地常用的植物有蘆葦(Phragmitesaustralis)、香蒲(Typhaorientalis)、美人蕉(Cannaindica)、眼子菜(Potamogetonsp.)和金魚(yú)藻(Ceratophyllumdemersum)等，常見(jiàn)的基質(zhì)成分為礫石、沸石、沙子、土壤或爐煤渣等。通過(guò)系統(tǒng)總結(jié)中國(guó)人工濕地在污水處理過(guò)程中的研究進(jìn)展和應(yīng)用實(shí)例，認(rèn)為建立人工濕地去除污染物具有良好的應(yīng)用前景，今后應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)人工濕地的基礎(chǔ)理論研究，進(jìn)一步推廣人工濕地的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：人工濕地；濕地構(gòu)建；污水處理；研究展望中圖分類號(hào)：X171
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1672-5948(2011)04-373-07
濕地是由水陸相互作用而形成的具有特殊功能的自然綜合體，是重要的國(guó)土資源和自然資源，是生物重要的生存環(huán)境，與人類的生存和發(fā)展息息相關(guān)，也是自然界最富有生物多樣性的生態(tài)景觀[1]。目前，基于學(xué)術(shù)和管理兩個(gè)層面，約有濕地定義60余種[2,3]�；趯W(xué)術(shù)層面，主要從水文學(xué)、植物學(xué)、泥炭地質(zhì)學(xué)和景觀學(xué)等幾個(gè)角度給出了濕地定義[4]；由于研究者從不同學(xué)科出發(fā)，研究的區(qū)域及對(duì)象不同，給出的定義也有差異。基于管理層面，被廣泛認(rèn)可的當(dāng)屬《濕地公約》中的濕地定義：“濕地系指不論其為天然或人工、長(zhǎng)久或暫時(shí)之沼澤地、泥炭地或水域地帶，帶有或靜止或流動(dòng)、或?yàn)榈胂趟蛳趟w者，包括低潮時(shí)
[5]
水深不超過(guò)6m的水域。”。濕地是富有生物多
減少[8,9]，為了保護(hù)濕地，各地除建立濕地自然保護(hù)區(qū)對(duì)自然濕地進(jìn)行保護(hù)外，還積極模擬天然濕地，構(gòu)建和發(fā)展人工濕地，以利用其造福人類。
1人工濕地的發(fā)展
人工濕地(constructedwetland)是人工設(shè)計(jì)與建造的由飽和基質(zhì)、挺水與沉水植被、動(dòng)物和水體組成的復(fù)合體[10]。在20世紀(jì)70年代，人工濕地處理系統(tǒng)大多利用原有的天然濕地，將天然濕地系統(tǒng)與人工建造的氧化塘處理系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，既保持了天然濕地的原有結(jié)構(gòu)，又提高了氧化塘系統(tǒng)的處理效果；80年代以后，人工濕地發(fā)展為由人工建造的、以不同粒徑的礫石等為填料基質(zhì)，并種植有一定去污能力植物的處理系統(tǒng)，這樣的構(gòu)建模式使得人工濕地進(jìn)入了規(guī)模性的應(yīng)用階段[11]。國(guó)外對(duì)人工濕地污水處理技術(shù)研究開(kāi)展較早，最早可以追溯到1903年建在英國(guó)約克郡Earby的濕地系統(tǒng)，它持續(xù)運(yùn)行到1992年；1953年，德國(guó)Seidel在研究中發(fā)現(xiàn)，蘆葦(Phragmitesaustralis)通過(guò)其根區(qū)產(chǎn)生微生物活性的區(qū)域作為生化反應(yīng)器來(lái)轉(zhuǎn)化、降解有機(jī)物，可以去除污染物[12]。1990年7月，
樣性和生態(tài)功能的生態(tài)系統(tǒng)，被譽(yù)為“生物超市”、
[6]“自然之腎”、“物種基因庫(kù)”和“文明的發(fā)源地”。
中國(guó)是世界上濕地資源最豐富的國(guó)家之一，其面積僅次于加拿大、俄羅斯和美國(guó)[7]。近幾十年來(lái)，由于盲目開(kāi)墾濕地、過(guò)度耗用水資源、任意排放污染物以及氣候暖干化、河流天然水量減少、泥沙淤積嚴(yán)重等因素使得中國(guó)濕地不斷退化、面積急劇
收稿日期：2011-06-19；修訂日期：2011-08-11
作者簡(jiǎn)介：張清(1972-)，男，內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布人，工學(xué)博士，副研究員，主要從事環(huán)境工程方面的研究。E-mail:Zhangqing02@mail.tsinghua.org.cn
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在中國(guó)深圳成功建立了第一個(gè)人工濕地污水處理工程——白泥坑人工濕地污水處理系統(tǒng)[13]。
2人工濕地的構(gòu)建與結(jié)構(gòu)優(yōu)化
人工濕地的一般工藝流程包括預(yù)處理、水生植物池和集水排水3大部分[14]，如：原污水→格柵→污水集水池→植物池A→植物池B→集水池→回用或排放水體[15]，其中起主要凈化作用的是水生植物池，因此幾乎所有的研究都是在水生植物池中進(jìn)行。人工濕地構(gòu)建者為了使?jié)竦鼐哂懈玫娜ノ坌剩３８鶕?jù)污染物組分的不同和主要污染物的含量，來(lái)構(gòu)建不同類型的人工濕地，選擇適宜的填充基質(zhì)、水生植物、水力停留時(shí)間(hy-draulicretentiontime，HRT)和水力負(fù)荷度(loadofhydraulicpower，LHP)等，來(lái)提高不同人工濕地凈化受污染水的效果。2.1人工濕地的類型
根據(jù)污水在濕地床中流動(dòng)的方式，可將人工濕地分為3種類型[16]：垂直流人工濕地(verticalflowconstructedwetland，VFCW)、潛流式人工濕地(subsurfaceflowconstructedwetland，SSFCW)和表面流人工濕地(surfaceflowconstructedwetland，SFCW)。
垂直流人工濕地主要用于處理氨氮含量高的污水，污水從濕地表面縱向流向填料床的底部；其對(duì)磷的去除效率差異很大[17~19]，且體積負(fù)荷較小，對(duì)介質(zhì)要求較高，水流容易堵塞[20,21]，不利于推廣使用，但與表面流、潛流式人工濕地相比，垂直流人工濕地具有較強(qiáng)的去除有機(jī)物和氮的能力[22,23]，且有很高的穩(wěn)定性及抗沖擊負(fù)荷能力[24]。龔琴紅等研究認(rèn)為，垂直流人工濕地填料在磷的去除中起主要作用[25]；SunG等利用垂直流人工濕地的回流技術(shù)處理農(nóng)業(yè)污水，發(fā)現(xiàn)其對(duì)化學(xué)需氧量(CODCr)、五日生化需氧量(BOD5)、固體懸浮物(SS)和氮的去除率明顯提高[26]。復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)處理效果相當(dāng)穩(wěn)定，但對(duì)總氮去除效果較差[27]。
潛流式人工濕地由一個(gè)或多個(gè)填料床組成，污水從一端水平流過(guò)填料床到另一端。與表面流濕地相比，其對(duì)BOD5、CODCr、SS和重金屬的去除效果較好，同時(shí)，處理過(guò)程中減少了臭氣的散發(fā)和臭味的產(chǎn)生，而且床體可以對(duì)污水保溫，這種工藝在國(guó)際上有較多的研究和應(yīng)用，用于處理生活污水[28]、工業(yè)廢水[29]、醫(yī)療廢水[30]、暴雨徑流[31]、礦山
廢水[32,33]、石油開(kāi)采廢水[29,34~36]、垃圾場(chǎng)滲濾液[37]等
污水，但潛流式人工濕地容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象[38,39]。
表面流人工濕地的水力路徑以地表推流為主，在污水處理過(guò)程中，主要是通過(guò)植物莖葉的攔截、土壤的吸附過(guò)濾和污染物的自然沉降來(lái)達(dá)到去除污染物的目的。表面流人工濕地的去污能力高于天然濕地處理系統(tǒng)，但與垂直流、潛流式人工濕地相比，其去污效果相對(duì)較差。
聶志丹等研究發(fā)現(xiàn)，垂直流人工濕地對(duì)氨氮、總氮和總磷的去除效果最好，潛流人工濕地對(duì)高錳酸鹽指數(shù)和葉綠素a的去除效果最好[40]。有研究表明，表面流濕地對(duì)總氮的去除效果較好[41]，但在運(yùn)行過(guò)程中容易產(chǎn)生異味，孳養(yǎng)蚊蠅，造成局部環(huán)境惡劣，也不適合在寒冷地區(qū)應(yīng)用[42]。而表面流人工濕地與潛流人工濕地組合，則具有污水處理效果穩(wěn)定、水力負(fù)荷大等特點(diǎn)[43]。除此之外，還有很多以上述人工濕地為基礎(chǔ)進(jìn)行改良設(shè)計(jì)的人工濕地污水處理系統(tǒng)，如波式潛流人工濕地[44]、潛流型厭氧處理濕地[45]、推流床濕地、下行流濕地、上行流濕地、好氧塘和兼性塘的不同組合工藝[46]等，去污效果各有利弊。2.2人工濕地的基質(zhì)
目前，用于人工濕地的基質(zhì)主要有石塊、礫石、砂粒、細(xì)砂、砂土和土壤[47~49]，還有礦渣、煤渣和活性炭等[50]。這些基質(zhì)可以為微生物的生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的依附表面，除此之外，基質(zhì)還可以為水生植物提供支持載體和生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，當(dāng)這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)污水流經(jīng)人工濕地時(shí)，基質(zhì)通過(guò)一些物理、化學(xué)途徑(如吸附、吸收、過(guò)濾、絡(luò)合反應(yīng)和離子交換等)凈化污水中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及其他污染物[51]，基質(zhì)對(duì)有機(jī)污染物的去除主要體現(xiàn)在對(duì)磷的吸附上[52]。魏成等研究發(fā)現(xiàn)，沙土混合基質(zhì)對(duì)污染物總氮、總磷、CODCr和BOD5的去除率最高，小粒徑基質(zhì)比大粒徑基質(zhì)效果更好，并能夠保持更穩(wěn)定的凈化效率[53]。有學(xué)者分別研究了鋼鐵廠廢渣、沸石、砂子、蛭石、黃褐土、下蜀黃土、粉煤灰、礦渣、鋼渣、頁(yè)巖、礫石和棕色土壤等人工濕地填料對(duì)磷的吸附特性[54~57]，都發(fā)現(xiàn)人工土配方的混合基質(zhì)的吸附能力和凈化水質(zhì)能力均高于原料基質(zhì)。
人工濕地土壤類型的不同對(duì)污水處理效果也有很大的影響[58,59]。楊昌鳳等認(rèn)為，這與土壤里的微生物、土壤的離子交換能力有關(guān)[60]。本文作者
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張清等：人工濕地的構(gòu)建與應(yīng)用
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認(rèn)為，在實(shí)際處理污水時(shí)，除了考慮土壤的靜態(tài)處理效果外，還要考慮土壤的透水性，兼顧兩方面因素，所建的人工濕地才能有較好的污水處理效果。2.3人工濕地的植物
濕地植物種類很多，其生長(zhǎng)易受到介質(zhì)、氣候條件等的影響，植物吸收污染物的能力也隨生長(zhǎng)與生理活動(dòng)的狀態(tài)而變化，因而其污水凈化效果也不一樣。人工濕地選擇的植物必須適應(yīng)當(dāng)?shù)氐耐寥篮蜌夂驐l件。因各種濕地植物對(duì)不同污染物的去除效果各有差異，所以多種植物組合使用時(shí)，將有利于植物之間取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而提高濕地系統(tǒng)的污水凈化效率[61]。目前人工濕地植物研究的重點(diǎn)已從鳳眼蓮(水葫蘆)(Eichhorniacrassipes)轉(zhuǎn)移到蘆葦和香蒲(Typhaorientalis)上[62]，蘆葦和香蒲在人工濕地中被廣泛使用，它們既是中國(guó)北方與南方的常見(jiàn)物種，也是國(guó)際公認(rèn)的最佳濕地植物[63]。
濕地植物能有效促進(jìn)濕地的氮元素轉(zhuǎn)化過(guò)程，顯著縮短無(wú)機(jī)氮在濕地中的寄宿時(shí)間[64]，但濕地植物對(duì)重金屬(如Cu[65]、Zn[66]等)的吸收積累能力主要取決于植物體的生物量。濕地植物能有效提高水體透明度和水體觀感，但并不能明顯提高人工濕地對(duì)CODCr和DO的凈化效果[67]。王德科等在杭州發(fā)現(xiàn)，金魚(yú)藻(Ceratophyllumdemersum)、狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)、微齒眼子菜(Pota?mogetonmackianus)、馬來(lái)眼子菜(Potamogetonmalaianus)、鳳眼蓮和苦草(Vallisneriaspiralis)6種水生植物對(duì)水中總氮、總磷和硝態(tài)氮都有較好的去除效果，尤其以狐尾藻和微齒眼子菜兩種植物的效果最好[66]。王慶海等在北京以各種水生植物的越冬成活率、功能期、總生物量、植株平均氮、磷含量和氮、磷累積量為指標(biāo)進(jìn)行聚類分析表明，供試的8種植物按照凈化能力可明顯分為3類：水生鳶尾(Irispseudacorus)的生物量大，氮、磷含量和氮、磷累積量高，對(duì)水中氮、磷污染物的去除能力強(qiáng)；菖蒲(Acoruscalamus)、香蒲、荻(Triarrhercasac?chariflora)和蘆竹(Arundodonax)的生物量較大，氮、磷含量和氮、磷累積量較高，對(duì)水中氮、磷污染物的去除能力也較強(qiáng)；扁稈藨草(Scirpusplanicul?mis)、千屈菜(Lythrumsalicaria)和蘆葦?shù)纳锪枯^低，對(duì)氮、磷的綜合去除能力較弱[68]。
陳永華等在長(zhǎng)沙根據(jù)濕地植物實(shí)際各項(xiàng)單一指標(biāo)的比較情況，建立了凈化潛力的綜合評(píng)價(jià)體
系[69]，把17種植物按照凈化能力分為3大類，第1大類為具有較強(qiáng)凈化能力的植物：蘆葦、千屈菜、美人蕉(Cannaindica)、風(fēng)車草(Cyperusahemifo?lius)、水蔥(Scirpusvalidus)、再力花(Thaliadealbata)和花葉美人蕉(Variegatedcanna)；第2大類為具有中等凈化能力的植物：菖蒲、蘆竹、香蒲和梭魚(yú)草(Pontederiacordata)；第3大類為具有較弱凈化能力的植物：鳶尾、野芋(Colocasiaantiquorum)、燈心草(Juncuseffusus)、蔥蘭(Zephyranthescandida)、澤瀉(Alismaplantago)和花菖蒲(Irisensata)。從以上幾個(gè)典型例證可以看出，在不同的地域用相同的濕地植物對(duì)同一種污染物的凈化效果是不同的。因此，應(yīng)該因地制宜，尋找適合本地自然環(huán)境的濕地植物，在人工濕地中加以應(yīng)用。
3人工濕地的應(yīng)用
作為20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種新型污水處理生態(tài)系統(tǒng)，人工濕地以其建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本低、去污能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、工藝簡(jiǎn)單、組合多樣化等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用[70~73]，其應(yīng)用范圍主要集中在褐煤熱解[74]、油砂廢水[75]、礦山廢水[76]、奶品加工[77]、食品工業(yè)[78]、造紙廢水[79]、烴類廢水[80]和垃圾場(chǎng)滲濾液[81]凈化處理等方面，但應(yīng)用人工濕地對(duì)農(nóng)田污水灌溉前的凈化處理的報(bào)道卻少見(jiàn)。中國(guó)在這些方面的研究起步較晚，人工濕地規(guī)模較小，在處理技術(shù)和管理上還相對(duì)比較落后。以上人工濕地污水凈化處理的典型應(yīng)用實(shí)例見(jiàn)表1。
4建議
人工濕地系統(tǒng)是一個(gè)半開(kāi)放、半封閉的生態(tài)系統(tǒng)，它形成了良好的內(nèi)部循環(huán)，投資低、處理污水效果明顯，操作簡(jiǎn)單、維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用低廉，在處理污水的同時(shí)還可以種草、養(yǎng)魚(yú)，增加收益，節(jié)約資源，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，在大、中、小城市和鄉(xiāng)村缺少專業(yè)管理和技術(shù)人員的條件下均能使用，具有極其廣闊的應(yīng)用前景。但中國(guó)南北氣候差異較大，要在全國(guó)范圍內(nèi)統(tǒng)一推廣人工濕地污水處理系統(tǒng)困難較大，為此提出以下建議。
第一，加強(qiáng)人工濕地基礎(chǔ)理論研究。目前關(guān)于人工濕地的研究大多集中在對(duì)濕地類型、填充
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表1國(guó)內(nèi)應(yīng)用人工濕地處理污水的典型實(shí)例
Table1TypicalcasesofwastewatertreatmentusingtheconstructedwetlandsinChina
人工濕地類型
污水類型飲用水凈化[82]
水生植物蘆葦?shù)?/p>
人工濕地基質(zhì)礫石
水力負(fù)荷[m3/(m2·d)]
1.20.275～0.32
礫石,人工土沸石,礫石,高爐煤渣碎石
21,14,70.375,0.5,0.75
1.01.3*14.0*0.24～2.4
污染物種類磷酸鹽,CODCr,BOD5,氨氮CODCr,BOD5,總磷,總氮,溶解氧CODCr,BOD5,總磷,氨氮CODCr,BOD5,總磷,總氮氨氮,葉綠素a,藍(lán)藻CODCr,BOD5,pH,固體懸浮物CODCr,總磷,總氮,氨氮CODCr,總磷,總氮,氨氮,硝態(tài)氮CODCr,BOD5,總
生活污水[44]
蘆葦,美人蕉
土壤,礫石
0.375*
磷,總氮,固體懸浮物,氨氮
油田污水[89]
蘆葦
礫石,爐渣
0.5,HRT=2d
CODCr,總磷,總氮,石油類化合物SO4-2,Mn,Fe,大腸菌群等
河道污水[83]香蒲等
垂直流人工濕地化糞池污水[84]美人蕉
養(yǎng)殖場(chǎng)污水[85]蘆葦,香蒲
富營(yíng)養(yǎng)湖水[86]
造紙廠廢水[87]蘆葦沙粒,礫石沸石,粉煤灰,礫石沸石,碎石
景觀水體[88]草皮
暴雨徑流[31]
潛流式人工濕地
蘆葦,茭草
煤礦污水
[90]
蘆葦FeSO40.6
*
注：表中水力負(fù)荷一列中標(biāo)*號(hào)者為作者根據(jù)參考文獻(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出。
基質(zhì)和水生植物的選擇與評(píng)價(jià)方面，而有關(guān)構(gòu)建人工濕地時(shí)濕地面積、水流深度、濕地植物的種植密度、尤其是最佳水力負(fù)荷的設(shè)定等方面的研究報(bào)道很少，研究工作缺乏系統(tǒng)性和針對(duì)性。建議進(jìn)一步探究人工濕地的去污機(jī)制，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，為人工濕地的構(gòu)建提供可靠的理論依據(jù)。
第二，加大人工濕地的推廣與應(yīng)用力度。目前，有關(guān)利用人工濕地進(jìn)行污水處理的研究大多數(shù)都處于實(shí)驗(yàn)性階段，污水制備和人工濕地構(gòu)建也多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)室模擬階段，不同地區(qū)、不同類型的人工濕地在現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中運(yùn)行時(shí)，往往難以達(dá)到預(yù)期的理想效果，還需進(jìn)一步結(jié)合不同地域的環(huán)境條件和不同的應(yīng)用目的開(kāi)展研究和進(jìn)行技術(shù)推廣。
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4期
張清等：人工濕地的構(gòu)建與應(yīng)用
379
ConstructionandApplicationofConstructedWetlands
ZHANGQing
(NationalNaturalScienceFoundationofChina,Beijing100085,P.R.China)
Abstract:Thispaperpresentsthemechanismsandadvantagesoftheconstructedwetlandsandindicatesthere-searchsituationofthewetlandconstructionanddispositionofsewagebytheconstructedwetlands.Itshowsthatmanyfactorssuchasthecomponentsandlevelsofpollutants,thetypesofconstructedwetlands,thecate-goriesofitsplantsandfillers,thehydraulicretentiontimeaswellastheloadofhydropowercaninfluencetheefficiencyoftheconstructedwetland.InChina,therearethreemajortypesofconstructedwetlands:verticalflowconstructedwetland,subsurfaceflowconstructedwetlandandsurfaceflowconstructedwetland.Theseconstructedwetlandsaremainlyusedfortreatingthesewagefromcesspit,nursery,papermill,oilandcoalmine,eutrophiclakeandcitylife.Duringtheconstructioncourseofwetlands,reed,cattail,herbofdistinctpondweedandladderbrakearechosenasthedominatingplants,andthephosphate,zeolite,sand,soilandcoalcinderarechosenasthemainfillers.Accordingtoresearchproceedingandapplicationexamplesofthecon-structedwetlandsusedondispositionofsewage,thepresentpaperhasdiscussedtheforegroundofthecon-structedwetlandsforwastewatertreatmentandinvestigationsinthefuture.Theauthorsuggeststhatfurtherre-searchworkonthebasictheoryandthepopularizationandapplicationofconstructedwetlandsshouldbeen-hanced.
Keywords:constructedwetland;wetlandconstruction;sewagedisposal;researchprospect
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