（环境科学专业论文）人工湿地生态修复技术与效益评价.pdf

a b s t r a c t w e t l a n d sa rea ni m p o r t a n tp a r to ft h ee a r t h se c o l o g i c a ls y s t e ma st h e yp r o v i d ea s a f ee n v i r o n m e n tf o rm a n yd i f f e r e n tl i v i n go r g a n i s m s t h e ya r ev a l u a b l et op e o p l eb u t n o ww e t l a n d sa r er e c o n s t r u c t e dt ob eu t i l i z e db yh u m a n sw h i c hh a v ea l r e a d yi n d u c e r e c e s s i o no fw e t l a n d s f u n c t i o n s w h i l em o s tw e t l a n d so c c u rn a t u r a l l y , s o m ew e t l a n d s a l em a n m a d ew h i c ha r ed e l i b e r a t e l yc o n s t r u c t e ds i n c et h e19 5 0 s ，s u c ha si nw a t e r r e c l a m a t i o n c o m p a r e dw i mt r a d i t i o n a ls e w a g et r e a t m e n tt e c h n i q u e ，s o m ew e t l a n d s a r ec o n s t r u c t e df o rr e m o v i n gb i o c h e m i c a lo x y g e n ，s u s p e n d e ds o l i d sa n di n o r g a n i c n u t r i e n t s ，w h i c hi sak i n do fe n v i r o n m e n t a lf r i e n d l ys e w a g et r e a t m e n tt e c h n i q u ew i t h m a n yf e a t u r e s ，s u c ha sl o wi n p u t ，l o wr u n n i n gc o s t ，l o we n e r g yc o s t w i t ht h es p e e d u po fu r b a n i z a t i o na n dw a t e rb e i n gs e v e r e l yp o l l u t e d ，w h i c hh a si n t e n s i f i e d t h e s h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e s ，i nt h i sc o n d i t i o n ，c o n s t r u c t e dw e t l a n di s t h em o s t e f f e c t i v em o d ef o ru s i n gw a t e rr e s o u r c e si nt h ec o n s t r u c t i o no fe c o l o g i c a lc i t y t h i sa r t i c l eg i v e sa ni n t r o d u c t i o nt ot h ec o n c e p t ，s t r u c t u r e ，d i v i s i o n ，a n df u n c t i o n o fw e t l a n da n dc o n s t r u c t e dw e t l a n d b a s e do nt h i s ，t h ea r t i c l ed i s c u s s e dt h et i a n ji n t e d ar e u s ew a t e rp r o j e c ta n dp r e s e n t e da s s e s s m e n tm e t h o df o rc o n s t r u c t e dw e t l a n d t h e nb a s e do nc u r r e n tc o n d i t i o n s ，e s t a b l i s ha ne v a l u a t i o ns y s t e m t h es y s t e m i n c l u d e ss e l e c t i n ge v a l u a t i o nf a c t o r s ，m e a s u r i n gf a c t o rv a l u e s ，a n du s i n gm o d e l b a s e d v a r i a t i o nc o e f f i c i e n tt od e t e r m i n ew e i g h to fi n d i v i d u a lf a c t o r f i n a l l yu s i n gw e i g h t e d m o d e lt oc a l c u l a t ec e iv a l u ef o rt h ea s s e s s m e n to fc o n s t r u c t e dw e t l a n d ，a n d d e t e r m i n et h eo v e r a l lq u a l i t yo fe c o l o g i c a le n v i r o n m e n t t h ee f f e c to fc o n s t r u c t e d w e t l a n de c o l o g i c a lr e c o v e r yt ol o c a le n v i r o n m e n tc a nt h e nb ed e t e r m i n e db a s e do n a s s e s s m e n to u t c o m e k e yw o r d s ：w e t l a n d ；c o n s t r u c t e dw e t l a n d ；s e w a g et r e a t m e n t ；e c o l o g y ；a s s e s s m e n t ； t e d a 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得墨盗竖整盘堂或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 学位论文版权使用授权书 本人完全了解天津师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部i 、j 或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期： 第一章湿地概述 1 1 湿地的概念 湿地是指天然的或人工的，长久的或暂时的沼泽地、泥炭地或水域地带，带 有或静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水水体者，包括低潮时水深不超过6 m 的水域【。此外，湿地可以包括邻接湿地的河湖沿岸、沿海区域以及湿地范围的 岛屿或低潮时水深超过6 m 的水域。所有季节性或常年积水地段，包括沼泽、泥 炭地、湿革甸、湖泊、河流及泛洪平原、河口三角洲、滩涂、珊瑚礁、红树林、 水库、池塘、水稻f f l 以及低潮时水深浅于6 m 的海岸带等，均属湿地范畴【。 湿地如同森林、耕地、海洋一样具有多种功能，是由喜水生物和过湿环境构 成的特殊自然综合体，它位于大气圈、岩石圈及生物圈的交汇处，是各种能量和 物质交换和作用的场所。湿地与人类的生存、繁衍、发展息息相关，是自然界最 富生物多样性的生念景观和人类最重要的生存环境之一，它不仅为人类的生产、 生活提供多利- 资源，而且具有巨大的环境功能和效益，在抵御洪水、调节径流、 蓄洪防旱、控制污染、调节气候、控制土壤侵蚀、促淤造陆、美化环境等方面有 其他系统不可替代的作用，被誉为“地球之肾”，受到全世界范围的广泛关注【。 在世界自然资源保护联盟( i u c n ) 、联合国环境规划署( u n e p ) 和世界自然基 金会( w w f ) 世界自然保护大纲中，湿地与森林、海洋一起并称为全球三大生 态系统【。 1 2 我国湿地的主要类型分布及现状 1 2 1 湿地的分类 目自订国际湿地学术界还没有一个公认的湿地分类标准、体系和方案。比较有 代表性的分类有：湿地公约1 9 9 0 年制定的湿地分类系统、美国分类系统( 包 括c o w a r d i n 等在1 9 7 9 年提出的分类体系$ 1 1 b r i s o n 在1 9 9 3 年提出的水文地貌分类 法) 、加拿大全国湿地分类系统等，其中以湿地成因分类和湿地水文动力地貌学 特征分类在国际湿地学术界影响较大【1 1 。 ( 1 ) 沼泽湿地 我国的沼泽约11 9 7 力公顷，主要分布于东北的三江平原、大小兴安岭、若尔 盖高原及海滨、湖滨、河流沿岸等，山区多木本沼泽，平原为草本沼泽。 ( 2 ) 湖泊湿地 我国的湖泊具有多种多样的类型并显示出不同的区域特点。掘统计，全国有 大于l k m 2 的天然湖泊2 7 1 1 个，总面积约9 0 8 6 4 k m 2 【2 1 。根据自然条件差异和资源利 用、生态治理的区域特点，我国湖泊划分为五个自然区域：东部平原地区湖泊。 蒙新高原地区湖泊。云贵高原地区湖泊。青藏高原地区湖泊。东北平原 地区与山区湖泊。 ( 3 ) 河流湿地 我国流域面积在l o o k m 2 以上的河流有5 0 0 0 0 多条，流域面积在1 0 0 0 k m 2 以上 的河流约1 5 0 0 条【2 1 。因受地形、气候影响，河流在地域上的分前i 很不均匀。绝大 多数河流分布在东部气候湿润多雨的季风区，函北内陆气候干旱少雨，河流较少， 并有大面积的无流区。 ( 4 ) 浅海、滩涂湿地 我国滨海湿地主要分柿于沿海的1 1 个省区和港澳台地区。海域沿岸约有1 5 0 0 多条大中河流入海，形成浅海滩涂生态系统、河口湾生态系统、海岸湿地生态系 统、红树林生态系统、珊瑚礁生态系统、海岛生念系统六大类、3 0 多个类型【2 1 。 1 2 - 2 我国湿地现状 我国幅员辽阔，地理环境复杂，气候多样，造就了包括关于特别是作为水 禽栖息地的国际重要湿地公约( 简称湿地公约) 列出的全部湿地类型，提供 了巨大的经济效益、生念效益和社会效益。保护好我国的湿地具有特殊重要的 意义。然而，随着人口的急剧增加，为解决农业用地的扩张和发展经济，对湿地 的不合理丌发利用导致我国天然湿地同益减少，功能和效益下降；捕捞、狩猎、 砍伐、采挖等过量获取湿地生物资源，造成了湿地生物多样性逐渐丧失；湿地水 资源过度丌采利用，导致湿地水质碱化，湖泊萎缩；长期承泄工农业废水、生活 污水，导致湿地水污染，严重危及湿地生物的生存环境：森林资源的过度砍伐， 植被破坏，导致水土流失加剧，江河湖泊泥沙淤积等，使我国湿地资源已经遭受 了严重破坏，其生态功能也严重受损2 1 。据统计，近4 0 年来，全国湖泊围垦面 积已超过五大淡水湖面积之和，失去调蓄容积3 2 5 亿立方米，每年损失淡水资源 约3 5 0 亿立方米；沿海湿地罔垦近1 2 ；我国最大的沼泽集中分布区三江平 原，已有3 0 0 万公顷湿地变为农田，目前仅有沼泽1 0 4 力公顷，如果不加以控 2 制，这些沼泽湿地将丧失殆尽【2 1 。因水资源利用不合理，我国西部玛纳斯湖、罗 布泊、居延海已变成盐碱荒漠；水污染更加重了湿地的破坏，全国1 3 以上的河 段受到污染，在全国有监测的1 2 0 0 多条河流中已有8 5 0 条受到污染，鱼虾绝迹 的河道长达5 3 2 2 k m ，9 0 以上城市水域污染严重，5 0 重点城镇水源地不符合 饮用水标准，我国富营养化湖泊己占5 0 ，不仅加重水资源紧张，而且对渔业、 农业及人民的生活健康带来危害【2 1 。 保护湿地是全人类的共同责任，世界各国为加强湿地保护，自1 9 7 1 年湿地 公约诞生，截至2 0 0 0 年1 月已有1 1 7 个国家加人了这个公约，有1 0 11 处湿地被列 人国际重要湿地名录，总面积近8 0 0 0 ，0 公顷【l 】。我国政府1 9 9 2 年7 月3 1 同j f 式 加人湿地公约，将黑龙江扎龙、吉林向海、湖南东洞庭湖、江西部阳湖、青 海鸟岛、海南东寨岗和香港十埔自然保护区列人国际重要湿地名录，并将我 国湿地保护与合理利用列人中国2 l 世纪议程和中国生物多样性保护行动汁 划优先发展领域，在一定程度上推动了我困的湿地保护和管理工作，特别是1 9 9 8 年夏季，我国长江、松花江、嫩江等地发生的特大洪水，强化了政府和公众的湿 地保护意识，为全面、科学和深人地丌展湿地保护和合理利用事业打下了基础l l 】。 因此，保护和合理利用湿地，制定一个既符合我国社会经济发展实际，又符合国 际规范的中国湿地保护行动计划既是当务之急，更是我国政府认真履行湿 地公约势在必行的重大举措。 1 3 湿地的功能 湿地具有神奇的特征，使之成为地球上具有独自特性的主要生念系统：充足 的水分对生物的产物多样化起到了重要作用，湿地植物在适应了水分富足的优势 同时，又在克服必要化学元素同其相对短缺的不足，因此，湿地是地球上生物产 量最丰富的系统【l 】。也f 因为这个原因，类似于热带丛林一样的植物生长在这罩， 井有大量哺乳动物、鸟类、爬行动物、两栖动物和鱼类生存在此地【。 除此之外，因为湿地较其他生态系统具有较高的生物活动率，因此可以将传 统水中常见的污染物转换成元素的副产品或转换成更多生物产物的营养物。这 些转换是由湿地陆地区域及其固有的如太阳、风、土壤、生物和动物等自然环境 能源完成，因此湿地是运行和维护费用最低的方案之一【2 1 。 在历史上，湿地一直是城市、工业发展、耕地、采矿等传统陆地使用的最后 3 丌发地，因为湿地便于排水。而有效的排水和成功的防洪是相当昂贵的。在过去 2 0 年罩，随着人类坏境意谚 的发展和扩大，湿地和其他生态系统在文化和环境 方面的价值被人们所发现，所剩不多的湿地已经成为恢复和保护的重中之重川。 坏保人士呼吁要保护湿地的美学价值和野生价值，除此之外，社会已经认识 到对湿地的适度使用可以扩大其价值和使其进一步得到保护，因此一些天然湿地 已经被小城镇和大城市用于廉价的天然水处理和农业区水污染的治理【i 】。这些认 识有助于利用湿地在不同气候和地理环境下进行污水处理，也有利于在一些地区 形成更多的湿地资源。 农业、城市和工业的发展产生大量废物，影响传统水体运动和净化污染物的 功能。在废物排放之前，社会已丌发了很多技术来处理这些废物，许多传统污水 处理技术需要大量投入混凝土、钢、能源和化学药品；相对而言，利用大自然的 植物演替特性等对人工湿地进行处理，是保护环境的天然处理技术。 湿地保护是明智地、可持续地利用湿地的个或多个功能而不产生副作用， 并在实际上加强了湿地的其他功能( 如生物生长率、地下水排泄或洪水控制) 。 通过科学设计，将湿地用于水质改善的同时也对湿地的保护具有熏要意义。 4 第二章人工湿地的概念和国内外研究现状 2 1 人工湿地概念 人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有 控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，利 用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、 污泥进行处理的一种技术。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、 微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物 的作用。近年来，由于天然湿地在不断萎缩，除了以传统污水处理为主要目标的 人工湿地外，以提供生物栖息地为主要目的地人工湿地也不断涌现。 人工湿地生念系统是一种相对较新的技术。尽管在历史上人类也偶然利用和 改造湿地，但有目的地建设湿地用以生物的栖息地或进行水质净化始于2 0 世纪7 0 年代的环境保护运动【2 】。湿地工程化或人工建造主要目的有四个：弥补或减小 因农业和城市发展造成的天然湿地的影响；构建水生系统，生产食物和纤维； 防洪；进行污水处理，改善水剧3 1 。 2 2 国外人工湿地技术的研究和应用 自从有污水收集系统以来，天然湿地就成为最方便的污水排放场所，在一些 地方至少存在1 0 0 年【9 j 。例如，在美国勒星顿靠近康珂河的g r e a tm e a d o w s 湿地， 从1 9 1 2 年丌始接受污水【9 1 。 运用人工湿地处理污水可追溯到1 9 0 3 年，建在英国约克郡的e a r b y 被认作 世界上第一处用于处理污水的人工湿地一直连续运行到1 9 9 2 年7 1 。1 9 5 3 年，德 国的s e i d e l 和k i c h u t h 在其研究工作中发现芦苇能去除大量有机和无机物，进一 步试验发现，一些污水中细菌在通过种植的芦苇时消失( 大肠菌、肠球菌、沙门 菌) 【9 】。试验表明，芦苇及其他高大植物能从水中去除重金属和碳水化合物。2 0 世纪6 0 - - 一7 0 年代，这些实验室观察丌始推广至许多大规模试验用以处理工业废 水、江河水、地面径流和生活污水【9 】。而人工湿地污水处理系统在世界各地逐渐 受到重视并被运用，还是在k i c h u t h 提出根区法( r o o t z o n e m e t h o d ) 理论之后 开始的【9 1 。根区法理论强调高等植物在湿地污水处理系统中的作用，首先是它们 能够为其根周围的异养微生物供应氧气，从而在还原性基质中创造了一种富氧的 5 微环境，微生物在水生植物的根系上生长，它们就与较高级的植物建立了共生合 作关系，增加污水中污染物的降解速度【9 】。另一方面，水生植物的根的生长有利 于提高床基质层的水力传导性能。此根区法由一种有芦苇的矩形池子组成；土壤 经选择含有钙、铁、铝添加剂，以改善土壤结构和对磷的沉淀性能；水以地下潜 流水平流过芦苇根；污水流过芦苇床时，有机物降解，氮被石肖化反硝化，磷与钙、 铁、铝共沉积于土壤中；水面保持在地面水平，在池子进口、出口进行有水和收 集【9 1 。 荷兰于1 9 6 7 年丌发了一种现称为l e l y s t a d 工艺的大舰模处理系统，该系统 是一个占地l h a 的星形自由水面流湿地，水深0 4 m t l 4 】。由于运行问题，该系统 后有一4 0 0 m 长的浅沟，随后大量这种湿地在荷兰建成【1 4 】。 在北美，由于观察到天然湿地的同化能力，而在2 0 世纪7 0 年代丌始对不同 设计的人工湿地进行试验【i4 1 。早在1 9 6 7 、一1 9 7 2 年之f b j ，北卡罗来州大学丌始了 一项长达5 年的研究，利用沿海湿地进行城市污水处理，调查了这些自然性湿地 生态系统处理市政污水的详细情况，研究也包括了天然盐碱湿地生态系统二级处 理污水的情况【1 4 l 。 1 9 7 3 年，北美第一个中试规模的人工湿地系统建在b r o o k h a v e n 国家试验中 心【l4 1 。这个中试系统由湿地，池塘和草地构成，称为草地湿地池塘处 理系统【14 1 。1 9 7 5 年，a m o c o 石油公司将工业废水排放带湿地系统中【1 4 】。1 9 7 8 年， h o u g h t o nl a k e 市开始将处理过的城市污水排向天然沼泽地，其出水排向对营养 物敏感的h o u g h t o n 湖【】。目前为止较大的人工湿地处理工程是匈牙利 k i s b a l a t o n 的1 8 0 0 h a 的工程，这个工程始于1 9 8 5 年【8 】。 自德国1 9 7 4 年建成第一座人工湿地以来，人工湿地得到了迅速的发展【9 j 。最 初人工湿地主要用于生活污水和矿山酸性废水的处理，现在也用于城市污水和各 种工业废水的二线处理等【9 1 。目前，在美国有6 0 0 多处人工湿地工程用于处理市 政、工业和农业废水( 4 0 0 多处人工湿地被用于处理煤矿废水，5 0 多处人工湿地 用于处理生物污泥，近4 0 处人工湿地应用处理暴雨径流，超过3 0 处人工湿地系统 用于处理奶产品加工废水) ，在月麦、德国、英国各国至少有2 0 0 处人工湿地( 主 要为地下潜流湿地) 系统在运行，新西兰也有8 0 多处人工湿地系统被投入使用【h 】。 北美三分之二的湿地是自由表面流湿地，其中一半是自然湿地( 1 1 0 k m 2 ) ， 6 其余为人工自由表面流湿地( 通常比较小，6 0 小于0 1 k m 2 ) 【9 1 。自然湿地水力 负荷小于人工湿地，系统水深范围一般为3 0 - , 4 0 c m 9 1 。 在欧洲应用较多的则是地下潜流系统，特别是在一些东欧国家应用较广泛。 在系统中种植有芦苇、菖蒲、香蒲等湿地植物，为了保证潜流，绝大多数系统还 采用砾石作为填料【9 1 。此类系统趋向于对近1 0 0 0 人口当量的乡村级社区进行二级 处理，北美则趋向对人口较多的地区进行高级处理，在澳大利和南非则用于处 理各类废水【9 1 。 2 3 人工湿地技术在我国的发展及应用现状 在湿地处理污水的应用方面，我国在“七五”期问才丌始起步。首例采用人工 湿地处理污水的工程是1 9 8 7 年由天津市坏保研究所建成的占地6h m 2 、处理规模 1 4 0 0 m 3 d 的芦苇人工湿地，丌始对人工湿地处理污水的规律进行比较系统的研究 【m 1 。1 9 8 9 年建成了北京昌平处理规模为5 0 0m 3 d 的自由水面人工湿地，处理生活 污水和工业废水，效果良好，优于传统的二级处理工艺【i o 】。2 0 世纪9 0 年代在深 圳建成了白泥坑人工湿地示范工程，经过近两年的运转，出水效果较好，除氨氮 指标处理效果不明显外，其余指标均能达到国家规定的二级处理排放标准，并且 通过对该工程的分析，得到一些人工湿地污水处理系统的设计参数，表明系统越 是复杂运行就越稳定，在规模效应不大的情况下是解决中、小城镇污水处理的切 实可行的途径【1 0 】。可见，早期的人工湿地主要处理生活污水，其投资和同常费 用仅为常规二级污水处理的1 1 0 - - - - 1 2 和1 5 , - - , 1 3 ，但出水水质却可达到或超过二 级污水处理水平，由于适用面广，这一技术很快被推广到各种污水的处理【l o 】。 经过多年的摸索，近年来人工湿地作为改善水环境的一种有效方法，应用于 水库、湖泊周边面源污染的拦截和地面微污染水体的净化等f 9 】。2 0 0 3 年7 月建成 的石岩人工湿地工程采用“高效复合垂直流人工湿地水质净化工艺”保护石岩水 库饮用水源，处理规模为1 5 万m 3 ，整个系统分为前处理和湿地处理系统两部分【9 1 。 前处理系统( 粗格栅、细格栅和强化型酸化水解池) 增强了湿地生态系统的稳定性， 增加了湿地处理寿命，同时提高了整个系统的处理效率，对出水水质的监测结果 显示，系统出水水质好，c o d c ，、b o d 5 的去除率分别达至l j 8 1 5 - - - - - , 9 1 3 和8 8 7 - - - - 9 8 8 ，对总磷的去除率高达9 7 左右【9 1 。北京市官厅水库黑土洼人工湿地充分 利用水库滩地和库区水湾，建设形成有稳定塘、人工湿地、退水塘等构成的复合 7 湿地系统，在北方低温地区人工湿地设计、植物选育、运行管理及冬季运行等方 面取得了重大突破 9 1 。运行三年来，湿地的净化效果显著，削减入库污染物总量 达3 3 - - 3 5 ，为水库饮用水水源的恢复、保障首都供水安全做出了积极贡献【9 】。 此外，人工湿地技术处理特种工业废水方面，国内已有将人工湿地应用于煤 炭业矿井水、含藻毒素的富营养化水体、石油工业超稠油废水及造纸废水等方面 的报道。 第三章人工湿地的分类和及其基本组成 3 1 人工湿地分类 人工湿地是主要用于水质改善功能的工程化湿地，是为了人类的利用和利益， 通过模拟自然湿地，人为设计与建造的山基质、植物、微生物和水体组成的复合 体。 根据植物的存在状态，人工湿地主要分为三种类型：浮水植物系统：沉水植 物系统；挺水植物系统【3 1 。为了获得更好的水质，不同类型人工湿地可以结合使 用，也可以和传统污水处理方法( 如氧化塘、砂滤等) 联合使用。 3 1 1 浮水植物系统 此系统中水生植物漂浮于水面；根系呈淹没状态；水萍、叶子较小，根系较 少或无根系。 浮水植物系统的自净功能是通过三种主要途径实现的：通过寄居在悬浮在 水体中植物根系上的和地底泥沙中的混合厌氧微生物的新陈代谢；对污水中固 体和内部产生大量生物的沉积截留；现存植物对营养的吸收及后期的收割【”。 浮游水生植物系统对于减少b o d 和悬浮固体总量尤其有效，通过反硝化作用能 有效地去除硝酸盐中的氮，如果这些植物能定期收割，总氮和总磷就连续去除f 3 1 。 浮水植物系统有一些潜在的缺点，这些缺点制约了它的广泛应用。由于这些 系统的植物为一种或少数几种，易受到如在一个短时期内部分或全部植物死亡这 样灾害性事件的损害3 1 。例如，风信子易因低温或大量害虫的袭击而死亡；浮萍 虽对低温和害虫不敏感，但在冬季也容易死亡【3 1 。如果浮水植物系统中水面上的 植物消失了，那么在新植物长成f j 的前几周以至几个月内它的自净功能都将受到 严重的损害。浮水植物系统的第二个潜在问题来自因去除营养物和维持植物最佳 生长率而进行的收割。这些植物含水量超过9 5 ，收割后需要干化，干化后的 植物仍需处理【3 1 。 3 1 2 沉水植物系统 此系统水生植物完全淹没于水中，系统中水的浊度不能太高，否则会影响植 物的光合作用【3 1 。因此，该系统适于处理二级出水【3 1 。 3 1 3 挺水植物系统 9 根据水的流动状态，陔系统分为如下类型：自由水面系统，又称表面流湿地； 潜流系统，又称潜流湿地【4 1 。 ( 1 ) 自由水面人工湿地的水面位于湿地基质层以上，优点是投资及运行费 用低，建造、运行和维护简单。缺点是在达到同等处理效果的条件下，其占地面 积大于潜流型湿地，在寒冷季节便会结冰，在夏季繁殖蚊子，还有臭味，污水直 接曝露于空气中有传播病菌的可能【4 】。目前多和潜流型人工湿地配合使用，以治 理受污染的河道湖泊，来提供一定的观赏功能。 ( 2 ) 潜流型人工湿地的水面位于基质层以下。潜流式湿地的优点在于其充 分利用了湿地的空间，发挥了系统( 植物、微生物和基质) 问的协同作用，因此 在相同面积情况下其处理能力比自由水面型人工湿地有大幅度提高【4 】。污水基本 上在地面下流动，保温效果好，卫生条件较好，这也是近几年被大量应用的原因。 其缺点是和自由水面型湿地相比建造费用耐4 1 。常用于处理污染较为严霞的水体、 生活污水和各类工业污水。 潜流型人工湿地按水流流态可分为平流式、竖向流式、复合式等【4 】。在实际 应用中针对要处理的水质，主要采用竖向流式和复合式两种流态的湿地系统【4 】。 平流式湿地系统中污水在基质的表面下流动，植物传输给系统氧气，此工艺 的水力负荷大，对b o d 、c o d 、s s 、重会属等污染指标的去除效果好，保温性 能好，卫生条件也好；缺点是投资较多，控制相对复杂【4 】。 竖向流湿地系统硝化能力高于平流式湿地系统，可用于处理氨氮较高的污水， 其缺点是对有机物的处理能力不如平流式湿地系统，系统的落干淹水时间较长， 控制也相对复杂，夏季有孳生蚊蝇的现象【4 1 。沙f 日人工湿地采用的主要是这种形 式的系统。 复合式湿地一般以水平流竖向流湿地为主，该湿地相对竖向流湿地具有 更为显著的除氮效果，停留时间相对竖向流式地系统较长，多用于治理受污染的 河水，如扰仙湖人工湿地【2 1 。 3 2 人工湿地的基本组成 人工湿地是由填料、植物、微生物及水体等部分构成的，其对污水的净化是 湿地填料、植物和微生物相互关联，物理、化学、生物学过程协同作用的结果。 l o 3 2 1 基质 基质既可为微生物的生长提供稳定的依附表面，也可为水生植物提供支持载 体和生长所需的营养物质，当这些营养物质通过污水流经人工湿地时，基质通过 一些物理、化学途径( 如吸附、吸收、过滤、络合反应和离子交换等) 来净化 污水中的n 、p 等营养物质。目前我国主要使用的湿地基质及其粒径范围如表3 一l 所示【4 1 。 表3 - 1我网主要使j j 的湿地基质【4 】 上层籼砂、细砂、土壤 填充位置中层砾石( 粒径范围：6 m m 2 0 m m ) 下层砾石( 粒径范i 翻：2 0 m m 6 0 m m ) 为了更有效的处理水中的氮磷，人们尝试了使用石灰石、沸石、各种炉渣、 石英砂等材料用于处理废水，也取得了一些显著的效果。表3 2 介绍了一些处于 试验阶段的填料的性质。 除了以上所列举的几种湿地基质，人们还考察了各种土壤、陶粒、蛭石和页 岩等作为湿地填料，对污染物的净化效果f 4 1 。 表3 - 2处十研究中的基质性剧4 l 处于砂：究阶段基质性质 炉灰渣高效经济的基质，但容易出现堵塞问题 炉渣 高矿渣对磷有较高的去除效果，但不好控制其中的重会属 石英砂 导水能力好，水力负荷较高，不易造成堵塞 沸石对氨氮有较高的去除率 石灰石对磷有较高的去除效果 3 - 2 2 湿地植物的研究和使用 在人工湿地净化污水过程中，植物的直接作用可以归纳为3 个重要的方面： ( 1 ) 直接吸收污水中可利用的营养物质，吸附和富集重金属和一些有毒有害物 质； ( 2 ) 为根区好氧微生物输送氧气； ( 3 ) 增强和维持介质的水力传输。除此之外，植物根系能分泌多种有机复合物， 为微生物提供碳源。 此外，湿地植物还具有3 个f h j 接的重要的作用： ( 1 ) 显著增加微生物的附着( 植物的根茎叶) ； ( 2 ) 湿地中植物可将大气氧传输至根部，使根在厌氧环境中生长； ( 3 ) 增加或稳定土壤的透水性。 表3 - 3湿地植物的使心和特点【4 】 漂浮植物、浮叶植物挺水植物 p5 0 15 0 k g h m - 2 a - 11 0 0 tghma-1 吸收潜能 n10 0 0 2 5 0 0k g h m - 2 a n 5 ：i 时，反硝化速度最大【7 1 。 4 2 3 磷的去除机制 大量研究表明，人工湿地对磷的去除是通过植物的吸收、微生物的积累同化 和基质的吸附沉淀等共同作用完成的。首先污水中的无机磷在植物的吸收和同化 作用下，被合成a t p 、d n a 和r n a 等有机成分，最后通过对植物的收割而将磷 从系统中去除；其次磷为微生物证常代谢所需要，有机磷和溶解性较差的磷被磷 细菌转化为溶解性无机磷，有利于植物的吸收；再次被介质( 土壤或填料) 通过吸 附或离子交换作用而去除，土壤中所含铁、铝、钙化合物的含量影响介质的吸附 容量，最后聚磷菌的过量聚磷对磷的去除也有一定的作用f 5 1 。由于人工湿地特殊 的好氧、厌氧状态，聚磷菌可在好氧状念下吸附过量的磷；在厌氧状态下，又把 过量的磷释放出来，一部分会随水流输移扩散，另一部分被介质吸附，由于磷的 释放，在局部磷的浓度较高有利于介质对磷的吸附【5 】。 人工湿地系统对磷的去除途径最主要是基质对磷的吸附沉淀作用，植物吸收 对有机磷的去除效率影响不大，但无机磷以植物的吸收作用为主，这与芦苇等大 型植物长期生长对无机磷的需求密切相关。李向心等认为：磷浓度较低时植物吸 收是主要的，在浓度较高时植物的吸收作用显得微不足道，但介质的吸附是有限 度的，达到饱和以后效果就会减弱【5 l 。 1 5 4 2 4 重金属的去除机制 人工湿地系统对重会属的去除效果主要是通过化学沉淀、离子交换和植物吸 收等途径。有专家通过研究认为，在停留时间为2 2 - 3 4 h 的表面流湿地罩，锌的 去除率可以达到9 0 9 6 ，对铁、铬和镁的去除率也很耐4 1 。广东韶关市铅锌 矿废水治理在人工湿地中种植香蒲的研究表明，利用香蒲净化含铅、锌工业废水 的效果非常好，c o d 、固体悬浮物、p b 、z n 、c u 和c d 的去除率分别为9 2 1 9 、 9 9 6 2 、9 3 9 8 、9 7 0 2 、9 6 8 7 和9 6 3 9 ，水质得到明显改善，主要污染物 t s s 、p b 、z n 、c u 和c d 等均达到工业标准【4 1 。通过对广东韶关宽叶香蒲人工湿地 系统中重会属的研究结果表明，重金属更大比例地积累和富集于地下部分，因此 用收割法去除重会属的策略在实践中的效果有限f 4 】。 有研究者认为湿地对重会属的去除是通过植物对重余属的吸收而起作用的。 植物的吸收只占进入系统中重会属含量的1 2 3 1 。植物对污水中重会属的去除 还表现在植物的好氧作用，使根区含氧量增加，增加了污水中重会属的氧化和沉 降【3 1 。 4 2 5 微生物的去除 微生物污染是通过物理、化学和生物因素的综合作用下被有效去除。物理因 素包括过滤、沉淀、富集和紫外辐射作用：化学因素有氧化、吸附及暴露在其它 微生物和植物释放的毒素中；生物机制则包括抗生素、溶胞细菌和噬荫体攻击、7 自然死亡以及线虫或原生动物的摄食等【4 1 。 4 2 6 其他物质的去除 其它物质的去除一般也是通过物理、化学和生物因素的综合作用下被有效去 除的。如藻类的去除主要是通过机械过滤作用；而藻毒素是在微生物降解、基质 吸附、植物根区生物膜絮凝等作用下共同作用的结果3 1 。 4 3 人工湿地的设计与构建 我们需要保持湿地系统的完整性，对原有环境进行调查，充分利用原有的自 然生态，考虑原有的水体、植物、地形地势等景观因素，这样可增强生念系统的 调节能力。设计并考虑附近居民及市民的需求，使人与自然融洽共存，这力是真 j 下意义上的保持湿地网络系统的完整性，而不是仅仅沦为“美学”意义上的存在。 1 6 人工湿地的水净化系统，主要是利用“基质微生物植物”复合生念系统的 物理、化学和生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸 收和微生物分解束实现对废水的高效净化。同时，通过营养物质和水分的生物地 球化学循环，促进绿色植物生长并使其增产，实现废水的资源化和无害化。人工 湿地设计主要包括人工湿地基质的构建、植物群落的构建和人工湿地构造与工程 参数三个方耐4 1 。 4 3 1 人工湿地基质的构建 基质是植物，e 长的载体，是湿地内所有生物和非生物的储存库，它将发生在 湿地内部的各种处理过程连接成一个整体。在污水净化过程中起过滤、沉淀和吸 附污染物的作用。在人工湿地的设计中，基质的构建需要从基质的种类、粒径和 厚度三方面加以考虑【4 1 。 不同基质的人工湿地其净化效果不同，有专家曾分别以石英砂、煤灰渣和高 炉渣为基质构建人工湿地，研究其对城市污水的净化效果。结果表明，煤灰渣基 质的人工湿地对有机污染物的处理效果最好，c o d 年h b o d 。的去除率分别达到 7 1 8 8 和8 0 8 9 ；高炉渣人j ：湿地的除磷效果最好，总磷去除率高达 8 3 9 0 ；而石英砂人工湿地处理效果较差，c o d 、b o d 5 矛t l t p 的去除率分别为 3 6 c r - - 4 9 、6 5 7 5 和4 5 5 5 t 4 1 。富含f e 3 + 、a l ”、c a 2 + 等离子的基质容易通 过配位体交换与污水中磷酸根离子发生吸附和沉淀反应，因此，以p 为特征的污 水，最好选择飞狄和页岩为基质，其次是铝矾土、石灰石和膨涧土等，泡沸石与 油页岩对p 的吸附能力较差，不宜选用；而以有机污染物和悬浮物为特征的污水， 常选用土壤、细沙、砾石中的一种或多种作基质，即可达剑良好的处理效果【4 1 。 基质粒径的大小是影响湿地系统水力传导性的主要因素，直接关系到污染物 在湿地中的停留时间和系统的空隙度。粒径大的基质，空隙度大，所能容纳的污 水量也大，污水能在湿地内部受到较长时问的吸附与吸收，有利于污水净化。各 种基质的粒径及其水力传导性如下表4 1 所示，目自订运行的人工湿地，基质粒径 范围在0 3 0 m m 之间，最常选用的粒径范围是4 - - - 1 6 m m ；实践表明，粒径为8 1 6 m m 的基质，水力传导性好，适宜植物生长，处理效果好；但对于人工湿地进水配水 区和出水集水区的基质，一般采用粒径在6 0 1 0 0 m m 之间的砾石【4 1 。 1 7 表4 1各种基质的粒行及水力传导性【4 】 基质类型粒径( m m ) 渗透率1 1 水力传导率k 。( m 3 m 2 s ) 粗砂2o 3 21 2 x 1 0 2 碎石砂8o 3 55 8 1 0 2 细碎砂 1 60 3 88 7 x1 0 2 料l 碎砂3 20 4 01 i 6 1 0 2 粗岩石 1 2 80 4 511 5 7 x l o - 2 基质的厚度足决定人工湿地过水断面面积和污水处理效果的重要参数，一般 须根据所栽种植物的种类及根系的生长深度确定，以保证湿地床中必要的好氧条 件。目自订运行的人工湿地，其基质厚度在o 5 1 o m 之问，大多数人工湿地基质厚 度在0 6 0 8 m 之f 1 t 4 1 。通常垂直流湿地的基质层较厚，在0 7 0 8 m 之问，潜流湿 地的基质厚度约0 6 m 左右，表而流湿地对基质厚度的要求不太严格【4 1 。 4 3 2 人工湿地植物的构建 植物在人工湿地中的作用i 叮归纳为三个方面： ( 1 ) 直接吸收利用污水中的营养物质，过滤、吸附和富集重会属和一些有毒有 害物质； ( 2 )为根区好氧微生物输送氧气，为各种生物化学反应的发生提供适宜的氧化 还原环境； ( 3 ) 增强和维持介质的水力传输5 1 。 人工湿地中常选用挺水植物，这是因为挺水植物根系发达、生物量大、生长 率高，在人工湿地中能起到固定床体表面、提供良好过滤条件、防止淤泥堵塞等 作用【5 1 。人工湿地植物的构建包括植物的选择、栽培和收割管理三个方面。 常用于人工湿地的植物种类主要有：芦苇、香蒲、菖蒲、灯芯草、蔗草、和 苔草等，其中芦苇和香蒲应用最多5 1 。不同植物对污水的净化效果不同。长苞香 蒲和水烛等大型植物具有粗壮的根系和许多发达的不定根，是较佳的净水植物， 而小香蒲根系发达程度无法与6 订者相比，其净水效果也差一些【5 1 。对含氨氮浓度 较高的污水( 氨氮浓度为2 4 7 m g l ) ，蔗草、芦苇的去除能力明显高于香蒲，对以 有机污染物为主的污水，藤草的去除能力优于芦苇和宽叶香蒲【5 1 。因此，人工湿 地植物的选择应考虑以下方面： ( 1 ) 生态的可接受性，所选用的植物不是有害杂草，对周边自然环境生态遗传 的整体性不构成危害； ( 2 ) 能适应当地的气候条件，具有一定的抗病虫害能力； ( 3 ) 能忍耐污染物和水生的环境条件； ( 4 ) 容易繁殖和生长速度快； ( 5 ) 净化能力强。 总之，人工湿地植物的选择同益倾向于具有地区特色、耐污力强、净化率高 的品种。 人工湿地植物的栽培多发生在春、秋两季，春季栽培更有利于植物的成活和 生长。植物的栽培方式主要有自然界移栽、直接种植和育苗移栽三种。从自然界 移栽容易引入杂草，且受气候条件的限制，一般多发生在春季。直接种植湿地植 物成活率高，但生长速度慢。育苗移栽是目自 f 国外普遍采用的方式，采用这种方 式，植物的成活率高，生长速度快，可以在短期内布满整个人工湿地【5 1 。增大植 物的栽培密度可以加强其输氧能力，有利予提高系统的氧含量，进而提高其处理 效率。加强人工湿地管理，控制杂草生长，定期进行植物收割也有利于维持系统 的处理效果。 4 3 3 人工湿地构造与工程参数 人工湿地的构造与工程参数是人工湿地工艺设计的核心，包括湿地床构型和 系统水力学特性两方面。其中，湿地床构型设计包括系统的长宽比和底面坡度两 个参数。系统水力学特性包括水力负荷、有机污染负荷、污水停留时问、系统内 水流方式等。 湿地床长度通常为2 0 5 0 m ，长度过长容易造成湿地床中的死区，且使水位 难于调节，不利于植物生长【5 1 。湿地的长宽比不宜过大，建议控制在3 ：1 以下，目 前，大多数欧洲国家人工湿地的长宽比在l ：1 2 ：1 之间，以土壤为主的系统，长宽 比应小于l 【5 1 。 人工湿地底面坡度的大小须根据基质性质及湿地尺寸加以确定，目前人工湿 地设计中，底坡一般取l o o - , 7 ，大多数在1 左右，对砾石床人工湿地可取2 ， 表面流人工湿地采用0 5 或更小，潜流人工湿地不大于1 【5 1 。 1 9 目自订，人工湿地水力学特征设计是人工湿地工艺设计的薄弱环节，国内外尚 无统一的技术标准和设计规范，大多数设计是通过简单模型的计算再结合实践经 验获得的1 5 】。一般地，进行水力学设计负荷时，应考虑气候、土壤状况、渗透系 数和植被类型等场地条件，污染物降解动力学特征及出水水质要求，尤其注意由 于蒸发、蒸腾作用对夏季处理的影响及在干旱地区设计湿地的可行性。通常，潜 流型人工湿地的水力负荷可达l5 0 5 0 0 m 3 ( h a d ) ，最佳水力负荷位于 1 8 7 3 7 4 m 3 ( h m 2 d ) z f s ，降低水力负荷有利于提高系统的出水效果【5 1 。 人工湿地的有机污染负荷随废水性质和条件而变化，其大致