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首都烽范大学硕士研究生毕业论文 北京地区人工湿地优势植物筛选及净化效果研究 中文摘要 水资源短缺和水污染直接影响到工业生产和人民生活，甚至威胁到人体健康。传统的 生化二级处理厂因投资和运行费用昂贵，难以在中小城市和经济不发达地区推广。人工湿 地是一种污水生物处理技术，具有低投入、低能耗、低成本和能脱氮除磷的优点，在欧美 等国得到广泛的应用。其中，湿地植物在这个过程中扮演了重要的角色。湿地植物通过吸 收、利用和吸附污染物，传输氧气，影响微生物和酶的分布，积累有机物等途径而起作用， 从而降低污水中的氮、磷以及重金属等物质的含量，达到污水净化的目的。 本文在对现有人工湿地系统进行理论分析和实际调查的基础上，自行模拟设计了人工 湿地小试系统。主要针对系统的植物筛选、净化效果及影响因素等方面进行了研究和探讨， 目的在于使这一项技术得到进一步完善，在北京得到更好的应用。具体内容包括： ( 1 ) 选择北京市天然湿地常见的8 种植物，分别为芦苇、香蒲、水葱、菖蒲、茭白、 黄花鸢尾、泽泻、慈姑。对它们的生长状况以及在不同的进水浓度、停留时间、水力负荷 下的净化效果进行了研究。结果表明，芦苇、香蒲、慈姑、泽泻效果较好。 ( 2 ) 阐述了垂直流人工湿地小试系统的设计方法及植物配置，并对其净化效果进行 了初步的测试，结果表明垂直流人工湿地能较好地改善水质。由于不同植物的生理特性不 同，其作用大小也不同，组合作用效果也存在差异。为了筛选出最佳湿地植物及其组合， 论文选取人工湿地常见的5 种植物，研究了不同植物组合的净化效果。结果显示，芦苇和 美人蕉组合对总氮的去除率在停留1 天和3 天时均达到9 0 0 以上，而水葱菖蒲组合变幅 较大，从停留1 天的5 1 9 0 增加到停留3 天的9 0 9 0 0 6 ；植物对t p 的去除率除了芦苇组合 偏低以外，其它植物差别不明显；芦苇美人蕉组合和香蒲一菖蒲组合对c o d 去除较好； 菖蒲组合对n h 4 + - n 去除效果最好 ( 3 ) 选择了四种浮水植物，研究了它们净化不同浓度污水的特性，同时对不同的停 留时间、p h 、温度三个影响因素进行了研究。以槐叶萍为研究对象，对这些因素进行了正 交实验分析，探讨了它们对污水中总氮、总磷、有机物去除的影响，目的在于找出这些因 素对浮水植物净化污水作用的影响大小以及主次关系。综合分析结果表明，三个因素影响 大小分别为：停留时间 温度 p h 最适组合为停留时问3 6 h ，p h 7 5 ，温度2 0 以期为 人工湿地植物的筛选及组合搭配提供依据。 关键词：人工湿地；湿地植物；氮；磷；有机物；去除率；正交实验 2 首都师范大学硕士研究生毕业论文 s t u d yo ns c r e e n l n go fd o n a n tw e t l a n dp l a n ts p e c i e s a n dp u r i f i c j 蜘【 i o nb yc o n s t r u c t e d 帅t l a n di nb e i j i n g a b s t r a c t 1 1 地s h o r t a g ea n dp o l l u t i o no fw a t e rr e s o u r c e sh a v eb e e nd i r e c t l ya f f e c t i n gi n d u s t r i a l p r o d u c t i o n , h u m a nl i v e s ，a n d e = v e l lh u m a nh e a l t h i ti sd i f f i c u l tt op o p u l a r i z et r a d i t i o n a l m a n u f a c t m i n gd i s p o s a li ns m a l lc i t i e sa n du n d e r d e v e l o p e da r 戗i sb e c a u s eo fi t sh i g hc o s t c o n s t r u c t e dw e t l a n di st h eb i o l o g i c a lt e c h n o l o g yo f w a s t e w a t e rt r e a t m e n tw i t l ll o wc o s ta n dl e s s e n e r g ye n n f f u m p t i o nf o rn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s 口咖o v a ls oi th a sb e e na p p l i e dw i d e l yi n e u r o p e a nc o u n t r i e s w e t l a n dp l a n t sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei n c o n s t r u c t e dw e t l a n d b y a s s i m i l a t i n g , u t i l i z i n ga n da d s o r b i n gp o l l u t a n t s ，t r a n s m i t t i n go x y g e n , i n f l u e n c i n gt h ed i s t r i b u t i o n o fm i c r o o r g a n i s m sa n de n z y m e s , a c c u m u l a t i n go r g a n i cs u b s t a n c e s ，w e t l a n dp l a n t sr e m o v e n i t r o g e n , p h o s p h o r u se n dh e a v ym e t a l si nw a s t e w a t e ra n ds oo n , w h i c ha c h i e v et h eg o a lo f p u r i f i c a t i o no f w a s t e w a t e r b yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dp r a c t i c a li n v e s t i g a t i o n , c o n s t r u c t e dw e t l a n ds y s t e mi nas m a l l s c a l ew a se s t a b l i s h e d t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e dp l a n ts e l e c t i o n , p u r i f i c a t i o nr e s u l t sa n d i n f l u e n c ef a c t o r si nt h ew e t l a n ds y s t e m , i no r d e rt os t r e n g t h e na n dp o p u l a r i z et h et e c h n o l o g yi n b 刨i n g d e t a i l sw e r e ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h es p e c i e so fp l a n t si nn a t u r a lw e t l a n d si nb e i j i n g , t h i sp a p e rs e l e c t e d e i g h t p l a n t s ，s u c h a s p h r a g m i t e s c o m m u n i s ，砌妇o r i e n t a l i s ，s c r i p u a v a l i d u s ，a c o r u a c a l a m u s ， z i z a n i a ，i r i ap s e u d a e o r u s ，a 矗s m ao r i e n t a l e ，s a g i t t a r i as a g i t t i f o l i a ，a n dr e s e a r c h e do i lt h e i r g r o w i n gs t a t u sa n dt h e i ra b i l i t i e so fp u r i f y i n gw a s t e w a t c ri nd i f f e r e n tw a t e rq u a l i t yo fi n f l u e n t , h r t , h y d r a u l i cl o a d i n g t h er e s u l t ss h o w e dt h a tp h r a g m i t e ac o m m u n i s ，批o r i e n t a l 豇， s a g i t t a r i as a g i t t i f o l i a ，a l i s m ao r i e m a l ih a d b e t t e re f f e 圮- t ( 2 ) t h et e c h n i c a ld e s i g no fs m a l l - s c a l ep l o t so fc o n s t r u c t e dw e t l a n da n dp l a n t sw e i o d e s c r i b e da l o n gw i t hd e t a i l so f $ o l n q ga s s o c i a t e dw a s t e w a t e rp u r i f i c a t i o ne f f e c t s ，t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h ev e r t i c a lc o n s t r u c t e dw e t l a n dp e r f o r m e db e t t e ri nr e m o v i n gc o n t a m i n a n t sa n d m i c r o o r g a n i s m sf r o md o m e s t i cs e w a g e f o rp l a n t sw e r ed i 伍舶m ti np h y s i o l o g y , t h e yh a d d i f f e r e n tf u n c t i o n sa n da s s e m b l e de f f e c t s i no r d e rt os e l e c tt h eo p t i m a lp l a n t sa n dt h eo p t i m u m c o m b i n a t i o n s , f i v ep l a n t sw e l os t u d i e do i lp u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yi nt h i sp a p e r t h em a i nr e s u l t s 3 首都师范大学硕士研究生毕业论文 s h o w e dt h a tt h ea v e r a g er e m o v a l e f f i c i e n c yo nt o t a ln i t r o g e nw i t l ip l a n t e dp h r a g m i t e s c o m m u n i sa n dc a n n ai n d i c aw e r eh i g h e rt h a n9 0 0 , 4f o r1d a ya n d3d a y s ，b u tt h er e m o v a l e f f i c i e n c yw i t hp l a n t e ds c i r t n 心v a l i d u sa n da c o r u sc a l a m u sc h a n g e df r o m5 1 9 0 f o r1d a yt o 9 0 。9 0 f o r3d a y s ；t h er e m o v a le f f i c i e n c yw a sn o ts i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n tf r o me a c ho t h e r0 n t o t a lp h o s p h o r u se x c e p tf o rp h r a g m i t e ac o m m u n i s ；t h ec o m b i n a t i o no fp h r a g m i t e sc o m m u n 妇 a n dc a n n ai n d i c a ，i j , p h ao r i e n t a l i sa n da c o r u sc a l a m u aw e r eg o o da tr e m o v i n gc o d ：t h e r e m o v a le f f i c i e n c yo nn h 4 + - nw a st h eh i g h e s tw i t hp l a n t e da c o r u sc a l a m u s ( 3 ) t h i sp a p e rs t u d i e dt h ea b i l i t yo f f o u rf l o a t i n gp l a n t si np u n f y i n gd i f f e r e n ts e w a g e , a n dt h e f a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e dt h a tp r o c e s s , s u c ha sh r t 、p h 、t e m p e r a t u r e i no r d e rt of i n dw h i c h f a c t o rw a sp r m d p a la n dw h i c hw a ss u b o r d i n a t e , t h i sp a p e rs e l e c t e ds a l v i n i am 缸凇( l ) a a n d s t u d i e dt h e i ri n f l u e n c e so nt o t a l n i t r o g e n 、t o t a lp h o s p h o r u s 、o r g a n i cm a r e rb yt h ea r r a n g e m e n t o ft h eo r t h o g o n a l t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep o w e ro ft l l o f a c t o r sw a sh r t t e m p e r a t u r e p ht h eb e s tc o n d i t i o nw a sh r t3 6 h 、p h7 5 、t e m p e r a t u r e2 0 c ；t h er e s t d t sw t ! el o o k e d f o r w a r dt oo f f e r i n gf o u n d a t i o nf o rp l a n t s f i l t r a t i o na n dc o m b i n a t i o n k e yw o r d s ：c o n s t r u c t e dw e t l a n d ；w e t l a n dp l a n t s ；n i t r o g e n ；p h o s p h o r u s ；o r g a n i cm a t t e r ； r e m o v 砒e f f i c i e n c y ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t 4 首都师范大学硕士研究生毕业论文 插图和附表清单 图1 1 人工湿地工艺流程9 一 图1 2 氮在湿地中的迁移转化1 1 图1 3 磷在湿地中的迁移转化1 2 一 图1 4t n 标准曲线图一2 1 - 图1 5t p 标准曲线图2 l - 表2 1 供试植物- 2 2 表2 2 植物生长状况2 5 表2 3 植物高度与重量变化2 6 图2 1 植物高度变化2 7 图2 2 植物重量变化2 7 图2 3 植物生物量变化2 8 图2 4 低浓度条件下的去除率2 9 图2 5 高浓度条件下的去除率2 9 图2 6 不同停留时间下t n 的去除率3 1 图2 7 不同停留时间下t p 的去除率- 3 l - 图2 8 不同停留时间下c o d 的去除率3 2 图2 9 不同负荷下t n 的去除率3 3 图2 1 0 不同负荷下t p 的去除率3 3 图2 1 l 不同负荷下c o d 的去除率3 4 图3 1 人工湿地结构3 8 - 图3 2 下行一上行水流方式3 9 图3 3 垂直流人工湿地结构示意图3 9 图3 4 人工湿地系统水流方式3 9 表3 1 人工湿地进水水质4 0 图3 5t n 去除效果变化一4 1 图3 6t p 去除效果变化4 2 图3 7c o d 去除效果变化4 3 图3 8n i - b , + - n 去除效果变化4 4 图3 9 停留1 天氨氮含量变化4 4 8 首都师范大学硕士研究生毕业论文 图3 1 0 停留3 天氨氮含量变化4 5 图3 1 l 停留1 天硝态氮含量变化4 5 图3 1 2 停留3 天硝态氮含量变化4 6 图3 1 3 停留1 天d o 含量变化4 7 图3 1 4 停留3 天d o 含量变化4 8 表4 1 污水中污染物浓度4 9 表4 2 盐类种类及用量5 0 表4 3 实验因素与水平表5 1 表4 4 正交实验方案表5 1 图4 1 t n 去除率变化5 2 图4 2 口去除率变化5 3 图4 3c o d 去除率变化5 3 表4 ，5 各条件下污染物的去除率i t o5 5 表4 6 正交实验的直观分析5 5 首都师范大学硕士研究生毕业论文 首都师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所递交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：弓2 矽砩 日期：2 0 0 7 年4 月1 0 日 首都师范大学学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非盈利 目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查询。有权将学文论文的内容编入有关数据 库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规 定。 学论论文作者签名：客爿卟 日期：2 0 0 7 年4 月1 0 日 首都师范大学硕士研究生毕业论文 第一章绪论 1 水资源状况 水被5 0 个国家的科学家列为本世纪最棘手的两大问题之一。目前，全世界有超过8 0 个国家、占世界总人口4 0 的人严重缺水。我国的水资源状况极不乐观，可以概括为。水 资源稀缺、人均水资源占有量少、利用率低、污染严重”。我国水资源的总储备量平均每 年达2 8 0 0 0 亿m 3 ，人均水资源拥有量仅为2 3 4 0 m 3 ，为世界平均值的l ，4 ，居世界第8 8 位【1 1 。 近几年来，我国废水、污水排放量以每年1 8 亿m 3 的速度增加，全国工业废水和生活污水 每天的排放量近1 “亿m 3 ，其中8 0 未经处理直接排入水域。全国仍有近半城市没有污 水处理厂，绝大多数小城镇未建污水处理设旌 2 1 ，这迸一步加重了我国的水资源危机。 北京市属温带半干旱半湿润干燥季风气候区。年平均气温1 0 c 1 2 c ，全年无霜期 1 8 0 2 0 0 天，多年平均降雨量5 9 5 m m ，年降水总量9 9 9 6 1 0 8 m 3 ，可形成地表径流 2 1 9 8 1 0 8 m 3 ，地下水资源为2 7 0 9 1 0 8 m 3 。降水量在时间和年度上是极不均衡的，在年度 内，8 5 的降水量集中在6 9 月份，特别容易形成洪涝灾害，也不利于水资源的合理利用。 在年度间，丰水年和枯水年频繁交替。据统计北京市平水年、枯水年和特枯水年的当地可 供水资源量分别为4 4 2 x 1 0 8 m 3 、3 7 2 4 x 1 0 s m 3 和3 1 2 x 1 0 8 m 3 。另外，北京市地处海河流域， 共有蓟运河、潮白河、北运河、永定河及大清河五大水系横贯其间。其中，北运河发源于 本市，其余四水系发源于河北、山西、内蒙古等省区。五大水系多年平均年径流总量2 1 6 亿m 3 ，多年平均年入境水量1 6 5 亿m ，其中永定河8 5 亿m 3 ，潮白河7 i 亿l n 3 ，两河入 境水量占入境水总量的9 4 5 。自5 0 年代以来，由于上游工农业生产的发展，用水量剧增， 导致永定河和潮白河的入境水量由5 0 年代的近4 0 亿n 1 3 ，锐减至9 0 年代的约8 亿l n 3 ，呈 现强烈的衰减趋势。到现在为止，基本已经失去了原来供水的作用。 北京市水环境的污染是比较严重的。污染源主要来自工业生产废水和城市生活污水， 其次来自自然界及农林业生产中的面源污染。在1 9 9 8 年北京市废污水排放总量已经达到 1 3 3 2 亿t ，其中，生活污水为6 9 7 亿t ，工业废水为6 - 3 5 亿t 。由于工业废水和生活污水 的排放、化肥和农药的施用以及工业废渣和生活垃圾的堆放，不仅造成地表水的严重污染， 而且还污染了土壤和地下水。1 9 9 8 年在监测断面控制的河长2 1 3 1 4 k i n 中，、类、 v 类和v 类以上水质的河长比重分别为4 2 3 、3 0 7 和2 7 o 个别水系如北运河的干流 2 5 4 2 k m 河长的8 3 1 为超v 类的水质。官厅水库上游的洋河宣化以下非汛期基本为超v 类水，导致官厅水库近年来总氮、总磷含量一直较高。1 9 9 7 年后，水库已不能作为生活饮 用水水源，仅用于工业、农业灌溉和城市河湖补水。密云水库上游来水水质也呈明显下降 首都师范大学硕士研究生毕业论文 趋势，1 9 9 5 年后潮河戴营断面铁离子浓度常年为超v 类标准，密云水库水体也有富营养化 的趋势p l ，并且现在这种趋势更加明显。可见，北京市水环境的污染程度是极其严重的。 地下水环境的状况主要是过度开采和水质超标。北京市地下水年可开采量为6 亿m 3 ， 近年来年开采量在7 亿9 亿m 3 ，过度开采造成超采地区的地面沉降。北京市东郊地区累 积最大沉降量为8 5 0 r a m 。1 9 9 9 年据北京市水文总站对全市1 4 个区( 县) 4 0 眼井的监测资料 表明，符合h 、m 类水质的占4 7 5 ，符合类水质的占3 7 5 ，符合v 类水质的占1 5 0 0 , 4 ， 其主要污染物为氨氮等化学物质。 水环境状况使北京缺水形势已经十分严峻。根据联合国的划分标准：人均水资源丰水 线为3 0 0 0 m 3 人、警戒线为1 7 0 0 m 3 ) l ，占有量小于1 0 0 0 m 3 的为缺水地区，小于5 0 0 m 3 的 为水危机地区。北京人均水资源占有量不足3 0 0 m 3 ( 含城市流动人口) ，为全国人均的l 7 ， 全世界人均的1 1 2 5 ，属于严重的水危机地区。北京市水资源量的承载能力为；最佳人口规 模1 3 3 3 3 万人，最大人口规模2 3 5 2 9 万人。而2 0 0 1 年北京市人口总量已达1 3 6 7 7 8 万人， 为水资源最大承载人口的5 8 1 倍，已经大大超过了北京市水资源的承载力，使得北京成为 世界上严重缺水的大城市之一。根据水资源公报，1 9 9 4 2 0 0 2 年北京市的平均来水量为 3 0 2 1 x 1 0 8 m 3 ，平均利用量为4 0 8 9 x l o s m 3 ，水资源开发利用率达到了惊人的1 3 5 ，是公认 的4 0 0 的水资源合理开发利用率的3 4 倍。北京市的缺水表现为资源性缺水与水质性缺水 并存。据北京市“十五”时期国民经济和社会发展耳标及城市总体规划来预测，2 0 1 0 每平 水年将缺水1 6 1 5 亿m 3 ，如遇枯水年份可供水资源缺口更大，水资源短缺已严重制约了首 都经济和社会发展【4 】。这就迫切需要在做好节水的同时更要做好污水的回用工作。而随着 人工湿地的污水净化功能的逐步揭示，使其作为一种叛型的污承处理方式在国内外得到了 越来越广阔的应用。 2 湿地 2 1 湿地的定义及国内外研究现状 2 1 1 湿地的定义 湿地( w e t l a n d ) 是陆地与水体之间的过渡地带，是地球上生物多样性最丰富、生产力 最高的生态系统之一。它不仅具有高生产力。为动植物提供生境，起到基因库的作用，还 具有贮蓄水源，调节气候，降解污染物、维持区域生态平衡的功能，被誉为。地球之肾”。 最早的关于湿地的定义是2 0 世纪5 0 年代，美国鱼类和野生动物保护组织发起的第 一次湿地详查中。将湿地定义为：被浅水或间歇性积水覆盖的低地；生长挺水植物的湖与 池塘，但河流、水库和深水湖泊等不稳定水体不包括在内。这个定义强调了湿地的内涵， 对湿地的外延描述不够。 2 首都师范大学硕士研究生毕业论文 1 9 7 1 年，i u c n 的湿地定义：湿地是被淹没或被水饱和的土地；自然的或人工的、永 久的或暂时的，具有静止的或流动的、淡的、稍咸的或咸的水体，包括海水水域：海水水 域的水深在低潮时不超过6 米。这是广义的湿地定义。 1 9 7 1 年，s a m s a r 湿地公约对湿地的定义：湿地系指不问其为天然或人工、长久或 者暂时性之沼泽地、泥炭地或水域地带；带有静止或流动的淡水，半咸水或为咸水水体， 包括低潮时水深不超过6 m 的水域；同时，还包括邻近湿地的河源沿岸、沿海区域以及位 于湿地范围内的岛屿或低潮时不超过6 米的海水水体。 h a m m e r 和b a s t i a n ( 19 8 9 认为湿地应至少满足下列一个条件：( 1 ) 以水生植物为主体， 至少为间歇性的；( 2 ) 土壤保持厌氧状态；( 3 ) 处于水饱和状态下的基质或在植物生长期 有一段时间保持一层浅水水域。简单的说，湿地就是地球表层上由水、土和水生或湿生植 物( 可伴生其它水生生物) 相互作用构成，其内部过程长期为水所控制，具有较高的生产 力和较大活性的自然综合体【5 】。 中国是世界上湿地生物多样性最丰富的国家之一( 殷康前等，1 9 9 8 ；余国营，2 0 0 1 ) ， 几乎包括了湿地公约所定义的所有湿地类型。按照湿地公约对湿地的分类，中国分布 有3 l 类天然湿地，总面积约为6 5 9 4 x 1 0 4 h m 2 ( 不包括长江、池塘等) ，约占世界湿地面积 的1 0 ，居亚洲第一位，世界第四位。其中，沼泽约为1 1 9 7 x 1 0 4 h m 2 ，湖泊约为9 1 0 x 1 0 4 h m 2 ， 潮闻带滩涂约2 1 0 x 1 0 4 h m 2 ，浅水水域约2 7 0 x 1 0 4 h m 2 ，水库水面2 0 0 x 1 0 4 h m 2 ，稻田 3 8 0 0 x 1 0 4 h m 2 。目前，在中国已经建立湿地自然保护区2 8 9 处 6 1 王飞等把我国湿地分为四种类型，即沼泽、浅水湖和湖滩，浅水河和河滩、滩涂等。 陆健健在中国湿地中按照拉姆萨尔公约确定的湿地定义，将中国湿地分为如下类型：( 1 ) 浅海湾及海峡( 低潮时水深不超过6 m ) ；( 2 ) 河口、三角洲；( 3 ) 小型岛屿；( 4 ) 岩石海滩；( 5 ) 沙质海滩；( 6 ) 潮滩、泥滩；仍红树林沼泽海滨；( 8 ) 海滨微咸及咸水湖泊和沼泽；( 9 ) 盐场； ( 1 0 ) 鱼塘、虾池；( 1 d 河、溪( 流速慢的) ；( 1 2 ) 河、溪( 流速快的) ；( 1 3 ) 河滩沼泽地；( 1 4 ) 淡水湖泊及相邻的沼泽地；( 1 5 ) 沼泽地及小型淡水池塘( s h a 以内) ；( 1 6 ) 内陆水系盐水湖及 相邻的咸水沼泽；( 1 7 ) 水库( 人工湖) ；( 1 8 ) 季节性淹水草甸、草地；( 1 9 ) 稻田；( 2 0 ) 水浇田、 灌溉农田；( 2 1 ) 沼泽树林，暂时性淹承林；( 2 2 ) 泥炭沼泽地。 2 1 2 国内外研究现状 目前，湿地的研究主要集中在； ( 1 ) 湿地科学分类研究。到目前为止，学术界还没有一个公认的湿地分类标准体系。 针对分类原则、依据、成因和湿地水文动力学特征等方面进行了大量工作，目的在于形成 首都师范大学项士研究生毕业论文 一个合理而又系统的分类体系，这是当前研究的一个重点。 ( 2 ) 湿地生态系统的生态过程、动态演替。湿地是开放的生态系统，在大多数湿地 类型中，物种交流、物质循环、能量流动等过程都非常活跃，同时也受各种自然和人为干 扰的影响。由于湿地内部的物理、化学与生物过程较复杂，湿地的动态及其机理是普遍关 注的问题。物理过程主要侧重于应用热力学和控制论研究湿地生态系统内部的能量流动问 题；化学过程主要侧重予物质的迁移、转化和循环；生物过程则侧重于湿地内部的植物、 微生物以及湿地的生产，有机物分解等动态过程。 ( 3 ) 湿地生态系统与全球变化。湿地生态系统是全球气体循环中关键的一个环节， 吕宪国等研究指出沼泽湿地在开垦后将增加c t h 向大气中的排放量，目前研究的重点主要 集中在湿地在全球气温变化中的影响，主要是有关温室气体的流通模型。 ( 4 ) 湿地评价与管理。湿地具有多项服务功能，与人类的生活息息相关。因此。以 有效的保护和合理开发利用湿地生态系统为目标的湿地研究就显得尤为重要。为了让人类 更清晰地认识到湿地的价值以及对湿地进行保护、管理的重要性，湿地的评价和管理成了 一个热点。主要是从湿地的生态结构、过程和服务功能等角度入手，对湿地的管理进行多 层次的研究，量化生态系统管理的目标。 ( 5 ) 湿地的保护与合理利用模式研究。湿地的利用途径是多种多样的，研究湿地资 源合理利用和深如工技术，按照湿地类型和不同开发利用方向，选择有代表性的湿地建立 示范区，进行湿地生态工程建设以及保护与合理利用模式的试验示范，为湿地资源的持续 利用提供行之有效的实用技术和管理技术，这些方面的工作将取得重要成果和显著效益。 ( 6 ) 退化湿地生态系统的恢复与重建。退化的湿地不仅损害到湿地自身的健康。其 功能的丧失对于生物和环境也有着重大的影响。特别是对生物多样性、物种基因库以及污 染物净化方面的影响。湿地水体状况，是维系整个湿地生态系统正常结构和功能的必备条 件。湿地的水质状况、生物结构和营养结构决定了漫地生态系统的稳定性和湿地资源的可 利用性。外源污染物的不断输入，影响到湿地的水质状况，进而威胁到湿地的健康。同时， 湿地的水文情势调节着湿地中的动植物物种组成、丰富度、初级生产量，影响着湿地生物 地球化学循环，控制和维护着湿地生态系统的结构和功经口1 1 。退化规律、机制和退化湿地 的生态恢复过程仍然是湿地研究中的重点和难点。 2 2 湿地的功能 湿地的功能( f a n i o n ) 是指湿地所具有的保护人类生产生活的作用或为社会、经济、环 境所提供的服务。具体有以下方面： 首都师范大擘硕士研究生毕业论文 2 2 1 提供水源和补充地下水 湿地可以看作地面水流的接收系统，或者说地面水流可起源于湿地而流入下游。有些 湿地仅在它们的水位超过一定水平时才产生地面出流，因此，湿地被称为“天然蓄水库”。 常常作为居民用水、工业用水和农业用水的水源，溪流、河流、池塘、湖泊中都有可能提 供直接利用的水，同时也可以为地下蓄水层补充水源。从湿地到蓄水层的水可以成为地下 水系统的一部分，可以为周围地区提供水源。 2 2 2 调节流量，控制洪水 湿地是一个巨大的蓄水库，可以在暴雨和河流涨水期间储存过量的降水，这些被储存 的水分可以在短刚数天，长达数月的时间内缓缓排出，从而将水分在时问和空间上进行再 分配，减弱危害下游的洪水，并在流动的过程中蒸发或下渗为地下水。 2 2 3 调节气候 湿地可以影响小气候。主要表现在两方面：一是湿地的热容量大，可以减小湿地地区 的气温变幅，改善局部小气候；另一方面，湿地水域藏积较大，潜水位较高，有利于地下 水输送到地表，保证了湿地源源不断地向大气提供充沛的水分，调节降水i s 。同时，湿地 的厌氧环境影响到内部的物理化学反应，减缓了贮藏在湿地中的动植物残体的氧化分解过 程和向大气中排放c 0 2 ，因此，在全球气候变化中起着“稳定器”的关键作用。 2 2 4 净化水质 湿地具有独特的吸附、降解和排除污染物、悬浮物和营养物的功能，在物质循环、净 化污水、降解环境污染物等方面，具有其它生态系统不可替代的重要性9 ，埘。外源物质进 入湿地后，由于湿地特有的自然属性而使水流减缓，有利于固体悬浮物的吸附和沉降，其 它污染物也随之从水中沉降下来。部分污染物被植物吸收变为初级生产量，通过收获而 移除，一部分沉积于土壤中面迁移转化。 2 2 5 生物多样性及基因库功能 由于湿地处于水陆交界处，具有过渡地带的特殊性。一方面具有水体生态系统的特质， 另一方面，又提供给陆生生物的生存条件。多样化的生境使得湿地具有高的生物多样性 可以为人类提供大量的粮食、药材、能源以及工农业原料，保存了许多天然的动、植物， 是人类潜在的基因库。 另外，湿地还具有气体调节、养分循环、休闲娱乐、文化教育等价值。在不同尺度上 影响着人类的生存环境，特别是对气候和水质的影响。 然而，随着污水中有害物质的浓度增加，有些物质已经超出了湿地的净化能力范围。 首都师范大学硕士研究生毕业论文 如c l a r k e 等【1 1 1 研究表明，自然湿地中的氨的浓度都应低于2 m g l ，然而城市废水中氨的浓 度远远高于自然湿地系统，在1 2 5 0 m g l 之问变化，这些废水排入湿地后会造成湿地的退 化和水生植物功能的丧失。伴随着近些年自然湿地面积的锐减和功能的衰退，利用人工湿 地处理污水技术逐渐发展起来并走向成熟。 3 人工湿地处理系统的发展及机理 3 1 人工湿地及其研究进展 3 1 1 人工湿地的定义 美国著名的湿地研究、设计与管理学家h a m m e r 等人将人工湿地( c o n s t r u c t e d w e t l a n d , c w ) 定义为：一个为了人类的利用和利益，通过模拟自然湿地，人为设计与建造 的饱和基质、挺水与沉水植被、动物和水体组成的复合体【1 2 1 。1 9 8 9 年，d a h a m m e r 在其 著作人工湿地处理生活、工业和农业废水一书中写到人工湿地是人工设计的、模拟自 然湿地结构与功能的复合体，由水、处于水饱和状态的基质、挺水植物、沉水植物和动物 等组成，并通过其中一系列生物、物理、化学过程实现污水净化。换句话说，人工湿地就 是为污废水处理构造的湿地工程，采用适宜的形状和尺寸以及进、出水和布水系统以保证 良好的水力流态和较大的利用率，通常筑有围斟1 3 】。目前所说的人工湿地，是在天然湿地 的净化功能基础上，参入人为因素的一种由人工将砾石、砂、土壤、煤渣等介质按一定比 例构成的底部封闭并有选择性的植入水生植物的污水处理系统【1 4 1 。人工湿地和天然湿地一 样，具有为大量动植物、微生物提供栖息场所和净化污水的功能，同时，因其场地选择灵 活、具有比天然湿地更高的污水处理效率而受到社会的重视。一般来说，人工湿地主要由 五部分组成： ( 1 ) 具有透水性的基质。如沙砾、沙土、土壤、石块等，这些基质为微生物提供稳定 的依附表面，同时为水生植物提供载体和营养物质。当水流经过湿地时，基质通过一些物 理的和化学的途径( 如吸收、吸附、过滤、截留、离子交换等) 来去除污水中的氮、磷、 重金属等。 ( 2 ) 好氧和厌氧微生物。植物根区微生物是湿地降解污染物的主要力量，特别是有机 污染物，也是湿地净化污水的主要机锅。硝化、反硝化菌在氮的去除中起着重要的作用。 ( 3 ) 适应在经常处于水饱和状态的基质中生长的水生植物。水生植物在污水净化中的 作用已经得到普遍的认可。自身的吸收作用以及为微生物提供生境，使之成为湿地必不可 少的一部分， ( 4 ) 无脊椎或脊椎动物。如大量的土壤动物、鱼类、鸟类等。 首都师范大学硕士研究生毕业论文 ( 5 ) 水体。水是湿地得以存在的前提和保障，也是水生植物和动物生存的必需条件。水 文周期和水中营养物质的含量变化均会对湿地产生重大影响。 3 1 2 人工湿地研究进展 最早用于处理污水的人工湿地可追溯到1 9 0 3 年建在英国约克郡e a r b y 的人工湿地， 这个湿地连续运行到1 9 9 2 年( h i l e y , 1 9 9 4 ) 。到了1 9 5 3 年，德国的m a xp l a n c k 研究所的 s c i d d 博士在研究中发现芦苇能大量去除污水中的有机物和无机物【”l 。人工湿地研究真正 受到关注始于2 0 世纪7 0 年代，1 9 7 4 ，建于西德的o t h f r e a s e n 湿地是世界上第一个完整的 人工湿地【阍。到了1 9 7 7 年，s c i d c l 与k i c k u t h 合作并由k i c h u t h 提出根区法理论【1 7 1 ( t h e r o o t - z o n em e t h o d ) ，使人工湿地作为一种独特的污水处理技术进入水污染防治领域。从此 该工艺在欧洲得到推广应用，在美国和加拿大等国也得以迅速发展。据统计，捷克共和国 到1 9 9 5 年己建起了3 9 个人工湿地，美国在1 9 8 8 年至1 9 9 3 年问就建立起了几百个人工湿 地。在澳大利亚和南非也已经利用人工湿地处理各类废水【瑚。目前欧洲已有数以百计的人 工湿地投入废水处理运行，其中英国就有2 0 0 到3 0 0 处湿地系统在运行。人工湿地的规模 最小的只有4 0 m 2 ，用于一家一户的处理，大的达5 0 0 0 m 2 ，可以处理1 0 0 0 人以上村镇的生 活污水。 人工湿地之除污效能，近十年问，无论是发达国家( 如：美国、英国、挪威、澳大利亚) 或发展中国家( 如：南非、印度、中国) 均陆续被研究。目的大多是将人工湿地当作二级 或高级处理程序。如：用人工湿逢来处理生活污水f 1 9 1 、养猪场废水渊和渔业废水【2 l 】等。我 国从2 0 世纪7 0 年代起，开始用人工湿地处理污水，到8 0 年代取得迅猛发展，1 9 8 7 年天 津市环保所在我国建成了第一个芦苇湿地工程，处理规模为1 4 0 0 m 3 d ，取得良好的效益 1 9 9 0 年，华南环境保护研究所建成深圳白泥坑人工湿地示范工程，现在处理污水量 4 5 0 0 m 3 d ，处理场占地1 2 6 亩，实际使用面积7 4 6 亩，设计b o d 5 进入最高浓度1 0 0 m y l , s s 进水最高浓度为1 5 0 m g l ，两者的出水浓度均为3 0 m g r l ，达到城市污水二级排放标准 2 2 1 成都市活水公园和沈阳市新近建成通水的马官桥污水生态处理厂，都是人工湿地污水处理 的典型范例。建造人工湿地治理污水的益处颇多，其优点主要集中在以下几个方面： 一是污水处理成本大幅度降低。一般为每吨污水o 1 - 0 ，2 元，此价格是传统二级处理 的1 1 0 1 5 。此外，基建投资也少得多，通常为每吨污水1 5 0 - 8 0 0 元，是传统二级污水处 理厂的1 5 - 1 2 。如江苏省盐城市双灯纸业有限公司利用沿湖滩涂种植了3