（环境工程专业论文）两种湿地类型条件下芦苇和芦竹的生理特性与氮磷净化效果比较.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 2 0 世纪7 0 年代以来，人工湿地作为一种新型生态污水处理技术，由于 具有良好的污水净化功效以及低投入、低能耗等特点而被广泛使用。植物 作为湿地系统的组成部分，在污水净化过程中发挥着重要的作用。近年来 的主要研究方向在于植物对湿地的污水处理效率和同一湿地类型中不同植 物生理生态特性的比较，对不同湿地类型中相同植物的生理生态和去污特 性进行系统比较研究较少，因而有必要研究不同类型人工湿地对植物生理 生态特性和去污能力的影响。 为了评估植物在不同湿地类型中生长状况以及生理生态特性，本研究 选取表面流人工湿地( s f w ) 和潜流人工湿地( s s f w ) 条件下生长的芦苇 ( p h r a g m i t e sc o m m u n i s ) 和芦竹( a r u n d od o n a x ) 作为研究对象。通过测 定植物地上高度、干重、湿重、根系生长状况并计算植株相对生长速率、 相对含水率等参数来判定植物的生长状况；通过测定叶片净光合作用速率 ( ) 、蒸腾作用速率( 乃) 、气孔导度( 函) ，叶片水势，叶绿素含量来比 较不同湿地类型对植物生长的生理性影响；在此基础上通过对植物体内各 部分的氮磷含量的测定，了解湿地类型对不同植物的去污能力的影响。 实验结果表明不同类型湿地生长的两种植物叶片水势基本一致。对于植 株相对生长率，叶片叶绿素含量、光合作用速率、蒸腾速率、气孔导度等 指标，芦苇在不同类型湿地间的各种指标差异不显著，芦竹在潜流湿地中 的生长特性明显优于表面流湿地，两者间差异非常显著。从根系的生长状 况与叶片水势情况可以认为水分供需并不是影响植物生理差异的因素；叶 片叶绿素含量与光合作用速率的正相关表现说明叶绿素是影响两种湿地类 型上植物生理特性差异的主要因素；而对植物氮磷去除能力的分析发现， 两种湿地条件下单位质量芦苇对氮磷的吸收量大于芦竹，单位质量t n 和t p 的含量分别为芦竹的2 倍和1 5 倍。但由于湿地类型的差异引起植物生长 状况的不同，潜流湿地的芦竹生物量远远大于芦苇，从而使芦竹植株整体 氮磷含量大于芦苇，分别为芦苇的3 5 倍和3 8 倍。而在表面流湿地条件 下芦竹的生长状况不好，平均单株吸收的氮磷含量跟芦苇相近。植物地上 部分氮、磷含量分别约占植株的8 0 和6 0 ，表明通过收割地上部分对湿地 山东大学硕士学位论文 脱氮除磷具有一定效果。 综合以上结果说明芦苇的能适合两种湿地生境，而芦竹更适合种植在 潜流人工湿地环境条件。从而可以更好的了解湿地、植物、污水三者之间 的联系，可以更好的选择合适的湿地植物，为更好的构建与管理人工湿地 生态系统提供依据，使人工湿地技术更好的应用于污水治理。 关键词：潜流湿地，表面流湿地，光合速率，叶绿素，叶片水势 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t o v e rt h el a s tt w od e c a d e s ，c o n s t r u c t e dw e tl a n ds y s t e m sh a v eb e e n s t u d i e da n du s e dw i d e l yb e c a u s et h e yp e r f o r mg o o df u n c t i o ni n t r e a t m e n to fw a s t e w a t e r p l a n t sw e r et h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t si n c o n s t r u c t e dw e ti a n d sa n dp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nc o n s t r u c t e d w e tl a n d sf o rt h et r e a t m e n t so fw a s t e w a t e r t h e r ew e r em a n ys t u d i e s o nt h ep r i n c i p l eo fp l a n t st ot r e a tw a s t e w a t e r ，a n dm a n yr e s e a r c h e s c o m p a r e dd i f f e r e n tp l a n t sp h y s i o 。e c o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c su n d e r s a m ew e t l a n d sc o n d i t i o n b u tt h e r ea r ef e wp a p e r sr e f e r r i n gt ot h e e f f e c t so fp l a n t sp h y s i o e c o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c su n d e rd i f f e r e n t t y p e so fc o n s t r u c t e dw e t l a n d s i t i sn e c e s s a r yt os t u d yt h e i n f l u e n c eo np l a n ti n d u c e db yd i f f e r e n tt y p e so fc o n s t r u c t e dw e t l a n d s i no r d e rt os e l e c ta p p r o p t i a t ep l a n ts p e c i e s i no r d e rt oa s s e s st h eg r o w t hs i t u a t i o no fp l a n t si nt h ed i f f e r e n t t y p e so fc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，t h ed i f f e r e n c e so fp h y s i o e c o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t ic so ft w os p e c i e so fp l a n t su n d e rc o n s t r u c t e ds u r f a c e f l o ww e t l a n d ( s f w ) a n dc o n s t r u c t e ds u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ( s s f w ) w e r es t u d i e d t w os p e c i e so fp l a n t s ( p h r a g m i t e sc o m m u n i sa n da r u n d o d o n a x ) w e r ep l a n t e di nt w ot y p e so fc o n s t r u c t e dw e t l a n d s t h en e t p h o t o s y n t h e t i cr a t e ( 只) ，s t o m a t a lc o n d u c t a n c e ( 9 ，) ，t r a n s p i r a t i o n r a t e ( l ) u n d e ras e r i e so fp h o t o s y n t h e t i c a l l ya c t i v er a d i a t i o n ( p a r ) a n dc 0 2c o n c e n t r a t i o nw e r em e a s u r e d t h ec h l o r o p h y l lc o n t e n ta n d w a t e rp o t e n t i a lo fl e a fw e r em e a s u r e d ，t o o a tt h es a m et i m e ，t h e p l a n tg r o w t hi n d i c e s ( f r e s hw e i g h t ，d r yw e i g h t ，s t e mh e i g h t ，r o o t l e n g t h ) w e r em e a s u r e dt oe s t i m a t et h ep l a n tg r o w t hs i t u a t i o nu n d e r t w ot y p e so fc o n s t r u c t e dw e tl a n d s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c e sw e r ef o u n do n l e a fw a t e rp o t e n t i a lf o rt w os p e c i e so fp l a n t su n d e rt h et w ot y p e s o fw e t l a n d s h o w e v e r ，t h e r ew e r es i g n i f i c a n td i f f e r e n c e so ft h e ， 山东大学硕士学位论文 c h a r a c t e r i s t i c si n d i c e s( i n c l u d i n gr e l a t i v eg r o w t hr a t e 。 c h l o r o p h y l1c o n c e n t r a t i o n ， n e tp h o t o s y n t h e s i sr a t e ， t r a n s p i r a t i o n r a t ea n dt h es t o m a t a lc o n d u c t a n c e ) o fg i a n t r e e du n d e rs f wa n ds s f w t h er o o tg r o w t ha n dl e a fw a t e rp o t e n t i a li n d i c a t e dt h a tw a t e rw a s n o tt h e1 i m i t i n gf a c t o rt h a ta f f e c t sp l a n tp h y s i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s t h ep o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nc h l o r o p h y l l c o n c e n t r a t i o na n dp h o t o s y n t h e s i ss h o w e dt h a tc h l o r o p h y l lw a st h e m o s ti m p o r t a n tf a c t o r f r o mt h ee x p e ri m e n to fnit r o g e n p h o s p h o r u s r e m o v a l ， itw a sf o u n dt h a tt h en it r o g e n p h o s p h o r u sr e m o v a l e f f i c i e n c yo fr e e dw e r e2a n d3t i m e sh i g h e rt h a ng i a n t r e e d r e s p e c t i v e l y d u et ot h ed i f f e r e n c eo fb i o m a s s a r o u s e db yd i f f e r e n t w e t l a n dt y p e s ，t h ea c c u m u l a t i o no fn i t r o g e n p h o s p h o r u sb yg i a n t r e e d w e r e3 5ti m e sa n d3 8ti m e so fr e e di nt h es s f w ，w h e r e a sg i a n t r e e d o w n i n gt ot h ep o o rg r o w t hh a dt h es a m ea c c u m u l a t i o no f n i t r o g e n p h o s p h o r u sa sr e e di nt h es f w t h er e s u l tr e v e a l e dt h a t 8 0 8 5 o ft na n d5 0 7 0 9 6o ft pi np l a n tw e r eu n t a k e nb ya b o v e g r o u n d b i o m a s s ，a n dw h i c hi m p ll e dt h a tp l a n tu p t a k ew a sa ni m p o r t a n t p a t h w a yf o rn u t r i e n tr e m o v a li nt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n df o rt r e a t i n g e u t r o p h i cw a t e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e e dw a sa d a p t a b l et oc u l t i v a t ei n b o t hk i n d so fw e t l a n d sw h i l et h eg i a n t r e e dw a sm o r es u i t a b l et og r o w i ns f w k e y w o r d s ：s f w ，s s f w ，p h o t o s y n t h e t i cr a t e ，c h l o r o p h y l l ，w a t e r p o t e n t i a l 4 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：赵建趑 e l 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：蒸盔熟导师签名： 日期： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 我国是一个水资源相对缺乏的国家，目前我国人均占有水资源量约为 2 5 x1 0 1 1 1 ，为世界人均水平的i 4 ，居世界1 0 9 位。且8 1 水资源集中分 布在长江流域及以南地区，长江以北地区人口占全国的4 5 3 ，耕地占全国 的6 4 1 ，而水资源量却占全国的1 9 幢1 。 水资源是量与质的高度统一，2 1 世纪我国面临着水资源数量危机的同 时，水质危机更加严重，甚至因水质问题所导致的水资源危机大于水量危 机b 1 。近年来，随着我国工农业的迅速发展和城市化进程，湖泊流域开发活 动加剧，同时人们将湖泊作为工业废水、生活污水和农业灌溉排水的场所， 不合理的人为开发活动如围湖造田、森林砍伐、湖滨破坏等给诸多湖泊环 境造成了不良影响。根据环保总局2 0 0 5 年水质报告显示：我国2 1 处重点 湖库水体己处于不同程度的富营养化状态。湖泊富营养化不仅导致水体水 质下降，蓝藻水华频繁暴发，而且对水体的生态结构和功能产生不利影响。 全国性的湖泊富营养化及湖泊生态破坏等环境问题不断出现和发生，给流 域的社会经济发展造成了不可估量的损失。由此可见，如何使水资源得到 保护，污水得到及时有效的处理并作为一种资源再一次有效利用，己经成 为我国面临的重要课题之一。 针对我国目前正面l 临的水资源匮乏和水环境恶化的严峻挑战，采用生 态重建与恢复技术是达到水质改善和恢复水体功能的一个非常重要的手 段。人工湿地处理技术是正在不断得到研究应用和发展的污水处理使用新 技术，具有投资低，出水水质好，抗冲击能力强，增加绿地面积，改善和 美化生态环境，操作简单、维护和运行费用低廉等优点。人工湿地构建的 生态系统，具有独特的污染物净化机制，在湖泊点源和面源污染控制方面 具有良好的应用前景。目前我国城市污水厂仍有大量氮、磷随出水排入环 境水体，人工湿地技术同城市污水处理工艺相结合，在削减氮、磷含量的 同时，可以进一步提高出水水质，同时人工湿地的投资低，运行费用低和 适应性强的特点使之在点源控制中具有良好的应用前景。 这项技术适合我国国情，尤其适合于面源污染分散，污水量大面广， 山东大学硕士学位论文 水质水量变化大n3 的特点的广大农村地区，具有极其广阔的应用前景。我国 富营养化湖泊的治理中农业面源污染严重，而在美国、德国等国家，人工 湿地技术已成功应用农业面源的污染控制中。因此，国内对这项技术的应 用研究也不断的开展深化并逐渐投入到生产实践中。 1 1 人工湿地概述 1 1 1 湿地的概念与特征 湿地( w e t l a n d s ) 是介于陆地和水生环境之问的过渡带，具有多功能和 使用价值的生态系统。1 9 7 1 年拉姆萨尔国际湿地保护公约将湿地定义为： “湿地系指不论其为天然或人工、常久或暂时的沼泽地、泥炭地或水域地 带，带有或静止或流动，或淡水、半咸水或咸水水体者，包括低潮时水深 不超过6 m 的水域。，【5 】在抵御洪水、调节径流，改善气候、控制污染，美 化环境和维护区域生态平衡等方面有其它系统所不能替代的作用。被誉为 “地球之肾”、“生命的摇篮”、“文明的发源地”和“物种的基因库”。因而 在世界自然保护大纲中，湿地与森林、海洋一起并列为全球三大生态系统。 湿地科学定义可归纳为以下几类：从生态学角度，湿地是介于陆地与水 生生态系统之间的过渡地带，并兼有两类系统的某些特征哺1 ：其地表为浅水 覆盖或者其水位在地表附近变化；从资源学的角度，凡是具有生态价值的水 域( 只要其上覆水体水深不超过6 m ) 都可视为湿地，不管它是天然的或是人 工的，永久的还是暂时的：从动力地貌学的角度，湿地是区别于其它地貌系 统( 如河流地貌系统、海湾、湖泊等水体) 的具有不断起伏水位的、水流缓 慢的潜水地貌系统：从系统论的观点，湿地是一个半开放半封闭的系统。一 方面，湿地是一个较独立的生态系统，它有其自身的形成发展和演化规律。 另一方面，湿地又不完全独立，它在许多方面依赖于相邻的地面景观，与 它们发生物质和能量交换，也影响邻近系统的活动哺3 。湿地广泛分布于世界 各自然地带。据初步统计，全球湿地总面积为8 5 6 万k m 2 ，约占世界陆地面 积的6 4 。2 0 0 3 年8 月起，中国采用3 s 技术进行全国首次湿地资源调查， 2 山东大学硕士学位论文 当年完成，并确定以后每5 年重新调查一次。经调查，我国湿地面积达6 5 9 4 万l ( i i l 2 ，居亚洲第一、世界第四位，几乎囊括了国际湿地公约的所有湿地类 型，并拥有世界上独特的青藏高原湿地。由于湿地兼有水陆两类生态系统 的某些特征，因而具有多种生态功能和经济与社会价值，湿地已成为人类 赖以生存和发展的自然资源宝库与生存环境。为此，湿地科学研究受到越 来越多的关注，己成为当今世界所关注的重点学科与研究领域。 1 1 2 人工湿地的定义 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e tl a n d ) 是人工建造和监督控制的，其设计和 建造是通过对湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合来 进行的，也正是利用这三种作用的协同关系来进行废水处理的。用人工湿 地来处理城市污水是发达国家近几十年来才兴起的生态处理法，它是为处 理污水而人为地在有一定长宽比和底面坡度的洼地上用土壤和填料( 如砾 石等) 混合组成填料床，使污水在床体的填料缝隙中流动或在床体表面流 动，并选择适应饱和水状态及高污染物浓度的植物物种，充分发挥湿地生 态系统的废水处理功能，提高污水净化效果而构筑的人工生态系统。其污 水净化功能是天然湿地所不可比拟的人工湿地的污染物降解是在湿地基 质，土壤中微生物和植物的共同作用下，发生物理化学和生物学过程，包 括沉淀吸附、过滤、固定、离子交换、硝化反硝化、植物和微生物的吸收 和同化等综合作用。 1 1 3 人工湿地的分类 根据湿地植物的生态型，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。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 用川。而人工湿地应用最广泛的是挺水植物系统。从工程设计的角度出发， 按照系统布水方式，国内外学者对人工湿地系统的分类多种多样j ，不同 类型的人工湿地对特征污染物的去除效果不同，各具优缺点。 ( 1 ) 表面流人工湿地 山东大学硕士学位论文 又称为水面型人工湿地( s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，简称s f w 或f w s ) ，其 中表面流人工湿地根据植物种类的不同又可分为挺水型、浮叶型、漂浮型、 沉水型植物人工湿地。污水从湿地表面流过，具有投资省、操作简便、运 行费用低等优点，但占地面积大，水力负荷小，去污能力有限。氧主要来 源于水体表面扩散、植物根系的传输，但传输能力十分有限。湿地系统运 行受气候影响较大，夏季有草生蚊蝇的现象，产生不良气味，冬季容易结 冰等缺点。 ( 2 ) 潜流型人工湿地 潜流湿地( s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，简称s s f w 或s f s ) 是目前研究和 使用较多的一种人工湿地系统。s s f w 人工湿地的污水在湿地床的表面下流 动，处理效果好，受气温的影响相对较小，卫生条件也较好，但该系统比 s f w 人工湿地系统的造价高。潜流型人工湿地根据进水方式的不同分为： 1 水平流人工湿地( h o r i z o n t a l f l o ws y s t e m ，简称为h f ) 。水平潜流 人工湿地因污水从一端水平流过基质床而得名。床体设有防渗层，防止污 染地下水。与自由表面流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的水力负荷大， 对b o d 、c o d 、s s 、重金属等污染物的去除效果好，而且很少有恶臭和孳 生蚊蝇现象。但其脱氮除磷效果不如垂直潜流人工湿地。 2 垂直流人工湿地( v e r t i c a lf l o ww e t l a n d ，简称为v f w ) 。与水平流 人工湿地相比，v f w 供氧效果较好，系统硝化能力较强，对n h 。和t n 的去 除效果较好，但构造比较复杂，且对s s 的去除率不高，所以往往在v f w 后 连接s f s 的效果较好。 ( 3 ) 潮汐潜流人工湿 潮汐潜流人工湿地是近年来由伯明翰大学提出的。芦苇床交替地被充 满水和排干，床体充水过程中空气被挤出，排水过程中新鲜的空气被带入 床内。伯明翰大学最新研究成果表明，当水被排出芦苇床，有机污染物留 在基质内时是氧消耗量最大的时刻。因此排水过程中进入的新鲜空气可看 作是去除污染物的氧源。通过这种交替的进水和空气运动，氧的传输速率 和消耗量大大提高，极大地提高了芦苇床的处理效果。但潮汐流湿地运行 一段时间后，床体可能会被大星的生物所堵塞限制了水和空气在床体内 4 山东大学硕士学位论文 的流动，降低了处理效果。因此，设计中考虑有备用床交替运行，以便利 用闲置期进行生物降解 1 2 人工湿地的发展及应用 人工湿地处理系统的提出始于2 0 世纪7 0 年代，但此概念已很老，古 代中国和埃及使用此法己有多年。第一个完整的人工湿地实验始于1 9 7 4 年 西德的o t h f r e n s e n 湿地，当时用于处理2 7 0 0 人的生活污水。1 9 7 7 年德国 学者k i c k u t h 提出了根区理论( r o o t z o n et h e o r y ) ，奠定了人工湿地废水 处理的理论基础，从而推动了该技术的应用。人工湿地污水处理系统到2 0 世纪8 0 年代得出迅速发展。2 0 世纪8 0 年代末和9 0 年代初，在美国和英国 相继召开人工湿地研讨会，提出了人工湿地的有关机理和一些可供参考的 设计规范和数据，标志着人工湿地系统作为一种独具特色的污水处理技术 进入了环境科学技术领域。到现在为止，人工湿地污水处理技术的发展已 经历了三个主要阶段阳1 ：( 1 ) 2 0 世纪7 0 年代前的人工湿地处理系统在都利 用原有的天然湿地进行一些改造，而且常将湿地系统与氧化塘处理结合起 来，以提高氧化塘系统的处理效果。美国、澳大利亚、新西兰、荷兰、丹 麦、英国和日本等都曾进行过这方面和尝试。这种污水聚集区应该算作第 一代人工湿地。( 2 ) 2 0 世纪8 0 年代，人工湿地发展到由人工建造的以不同 粒径的砾石为填料基质，种植湿地植物的处理系统，这是第二代人工湿地。 从此，人工湿地开始赶往了规模性的应用阶段，世界上许多国家建立了净 化各种类型污水的人工湿地，我国的白泥坑、昌平芦苇湿地处理系统也属 于这一类。( 3 ) 到2 0 世纪9 0 年代后期，在欧盟顶项目( 1 9 9 6 1 9 9 9 ) 资助 下，中国与欧洲同行合作，在世界各地人工湿地研究的基础上，研制成功 的新型人工湿地：复合垂直流、间歇供水、地面无积水、处理能力更强的 人工湿地。至此第三代人工湿地诞生。这种新型人工湿地在净化污水的同 时还可与园林绿化结合，产生生态和经济效益，符合物质循环使用、能量 节约的原则，比国际上运行的一般人工湿地具有更好的净化效果，更高的 水力负荷，处理同样水量占地面积吏少，对中国人多地少的国情更适合。 近十年来，英国、德国、法国、澳大利亚、巴西、荷兰等国人工湿地 山东大学硕士学位论文 发展迅速，美国约有1 2 0 个湿地系统，英国约有2 5 5 个，丹麦有大约1 0 0 个，这些人工湿地的规模可大可小，不仅成为中小城镇的重要污水处理措 施，而且也成为雨水处理、工业废水处理的重要技术。 我国在“七五”期间开始人工湿地的研究。首例采用人工湿地处理污 水的研究工作始于1 9 8 8 - 1 9 9 0 年在北京昌平进行的自由水面流人工湿地。 1 9 9 0 年，国家环保局华南环境科研所与深圳东深供水局在深圳白泥坑建立 实验基地，占地8 4 0 0 m ：处理3 1 0 0 t d 的城镇综合污水n 训。1 9 9 7 年5 月到1 1 月，深圳市环境科学研究所在深圳市洪湖公园建成了人工湿地研究试验点， 修建了小试和中试试验工程，从1 9 9 7 年到2 0 0 0 年开展了一系列的研究工 作，不仅作了大量的理论研究，同时在技术上和系统的运行管理上积累了 很多宝贵的经验。 2 0 0 3 年动工建成的由云南省澄江县与中科院南京地理与湖泊研究所合 作，采取人工湿地技术，在抚仙湖北岸的县城主要排污沟窑泥沟沟口 处建设经营性人工湿地净化技术试验工程，取得了明显成效。 2 0 0 2 年国务院批准开工建设的为解决我国北方地区水资源严重短缺问 题的特大基础设施项目南水北调工程，其整体思路是贯彻“先节水后 调水，先治污后通水，先环保后用水”的方针。全面落实国务院的重要指 示与各地具体情况合，于是提出了在湖泊周围尤其是在河流入湖口建造大 面积人工湿地，使农田里流出的雨水、河流里的受污染水流经湿地，经过 湿地的净化作用再流入湖区。 目前，全国各地都建立了不同的人工湿地处理系统，并进行了相应的 研究工作，在净化机理、系统控制、设计及运行参数等方面都取得可喜进 展。国家为促进人工湿地的应用研究还专门设立了多个自然科学基金项目。 1 3 人工湿地研究热点 面： 近年来国内外对人工湿地污水处理系统的研究主要集中在以下四个方 6 山东大学硕士学位论文 1 3 1 处理效果的研究 自从各国兴起对人工湿地的研究热潮以来，人工湿地技术发展迅速， 尤其是对其处理效果的研究已相对成熟。人工湿地不仅被用于城市和各种 工业废水的二级处理，还被用于高级处理中的精处理和对农田径流的处理。 t a n n e r n l 3 考察了潜流人工湿地处理农场废水的效果，其出水水质可达到w h o 灌溉用水标准。v r h o v s e k n 2 1 将人工湿地技术应用于食品加工废水的处理。 一些发达国家还进行了人工湿地处理特殊工业废水的研究，这也是人工湿 地发展的一个特点和趋向n 引。 1 3 2 净化机理的研究 污水进入湿地系统后污染物的迁移规律和转化机理是湿地应用必须探 讨的问题，是对人工湿地净化作用认识的深入。大量研究结果表明，在人 工湿地污水净化过程中，基质、植物和微生物三者相互联系，互为因果， 形成了一个共生系统n 卜1 掣，利用基质生物植物三者之间物理、化学和生 物的三重协调作用，通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生 物降解来实现对废水的净化。同时国内外许多专家对植物生理现象与人工 湿地的去污效率相关性作了相应的研究。有资料显示，植物光合作用、蒸 腾作用与湿地脱氮有相关性m 3 ，而叶绿素含量也跟污染物富集有联系n 9 1 。 1 3 3 湿地建模 国内外对建立人工湿地污染物去除数学模型的研究相当活跃。b r e e n 啪。 研究发现整个湿地系统可用稳态的一级反应动力学方程来描述。澳大利亚、 欧洲、美国广泛应用一级动力学模型于湿地的设计和对湿地污染物去除效 果的预测。虽然有许多局限性，但其参数的求解及计算过程都很简单，因 此目前仍把它作为描述湿地中污染物去除的最合适的方程，应用于b o d 、营 养物、s s 和细菌以及金属离子的去除计算。 而史云鹏心等认为m o n o d 动力学模型与一级动力学模型相比更符合微 生物处理的实际情况，更适用于那些微生物起主导作用的污染物降解过程。 山东大学硕士学位论文 同时新的模型应考虑到湿地植被的空间分布，应根据实际的停留时间分布 来模拟污染物在湿地中的去除，而不是仅考虑单一的停留时间。另外，人 工湿地是一个复杂的生态系统，其对污染物的去除是人工湿地各组成部分 共同作用的结果，新的模型应充分考虑到各种因素的影响，因此应对人工 湿地污染物的去除机理及其影响因素作深入全面的研究。 1 3 4 应用强化措施 国内外专家提出了一系列强化人工湿地污水处理效果的措施。降低负 荷、曝气、采用间歇式进水、增加植物密度、提高植物的充氧作用等都有 助于改变系统内的氧状态口甜。多点进水可改善处理效果，使植物生长均匀， 促进根系深入，采用较大长宽比可防止前端堵塞和短流现象乜3 1 。潜流型人 工湿地周期性排水可将堵塞在空隙中的s s 冲刷出去，从而延长湿地的运行 寿命口引。 这些强化措施的提出大大提高了人工湿地对污水的净化效果，使人工 湿地污水处理技术日益完善起来。 1 4 植物在人工湿地中的作用及选择原则 1 4 1 植物在人工湿地中的作用 植物作为人工湿地的重要组成部分，不仅给人工湿地输送氧气，维持 整个湿地系统的运行；而且还能同化吸收相关营养物和污染物。可见植物 在该系统中的重要地位与作用。 1 4 1 1 去除污染物 一般来说，几乎所有水生维管束植物( 水生植物) 都能净化污水。水 生植物对污染物的净化包括附着、吸收、积累和降解几个环节。植物可通 过根系吸收，也可直接通过茎、叶等器官的体表吸收。吴振斌等2 5 】通过建 山东大学硕士学位论文 立小试系统，对有植物湿地系统和无植物湿地系统进行了比较研究，结果 表明有植物湿地系统春夏季平均磷的去除率在6 倍以上，即使在冬季也能 达到4 倍以上，出水总磷浓度达到或低于国家地面水三级标准，处理效果 接近二级生化处理厂，而且出水水质稳定，冬季仍能正常运行，而无植物 湿地系统磷的去除率仅为2 8 。c o p p e r 的研究【2 6 】也发现，种植水烛和灯 心草的人工湿地中氮、磷的含量分别比无植物的对照基质中的含量低1 8 - 2 8 和2 0 - - 3 1 ，可见水烛和灯心草吸收利用了污水中部分的氮和 磷。另一方面是植物根系释放到土壤中的酶等物质也可直接降解污染物， 且降解速度非常快幢7 侧。所以，酶活性将作为挑选合适湿地植物的重要指标 一c 】，o o ( 1 ) 有机物的去除。不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以 很快地被截留而被微生物利用，可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸 附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。一般人工湿地对b o d 的去除 率在8 5 9 5 之间，对c o d 。，的去除率可达8 0 9 6 以上1 。 ( 2 ) 氮的去除。n 在污水中主要以有机氮和氨氮的形态存在，氨氮的去 除主要取决于植物的供氧能力，植物输送氧至根区，在根茎部产生好氧环 境消耗污染物，在这种环境下，氨氮被氧化n o ：一和n o 。，其机理是通过硝化 反应，先将按氮氧化成硝酸盐，再通过反硝化反应将硝酸盐还原成气态氮 而从水中逸出。有研究表明口湿地植物吸收固氮不是氮去除的主要机理， 若加上植物根系固氮量在内，脱氮率也不会超过3 0 。因此，湿地系统脱 氮的主要途径应是植物根系的泌氧功能，使之形成了湿地床内好氧、缺氧 和厌氧区组成的根际微区处理单元的脱氧功能，其原理类似废水厌氧一缺 氧一好氧处理工艺的脱氧机理。 ( 3 ) 磷的去除。p 在人工湿地系统中的去除主要有3 个方面的作用： 1 ) 微生物正常的同化或植物的吸收作用：2 ) 聚磷菌的过量摄p 作用；，3 ) 基质的物理化学作用。其中最主要的是基质对p 的吸附作用及其纳磷容量 曲刳。 z h u m 3 等侧研究了m g 、c a 、f e 、a 1 与p 的吸附关系，指出c a 与p 的 吸附相关性最强。 山东大学硕士学位论文 1 4 1 2 维持人工湿地环境 人工湿地系统中的植物除了能直接去除污染物外，在维持湿地环境方 面也发挥着重要作用。( 1 ) 提供良好过滤条件、防止湿地被淤泥淤塞。试验 发现，经过3 - 5 个月的污水处理后，不种植物的对照土壤介质板结，发生 淤积：而种有水烛和灯心草的人工湿地渗虑性能好，污水能很快地渗入介 质，处理效果十分明显 s 4 3 0 ( 2 ) 为微生物提供良好根区环境。输氧作用是湿 地植物维持湿地环境的重要方面。湿地植物将光合作用产生的氧气通过气 道输送至根区，在植物根区的还原态介质中形成氧化态微环境f 3 5 1 ，并且向 土壤环境释放大量糖类、醇类和酸类等分泌物，细根的腐解也向土壤中补 充了有机碳，不仅加强了微生物矿化有机污染的速度，而且这种根区有氧 区域和缺氧区域的共同存在为根区的好氧、兼性和厌氧微生物提供了各自 适宜的小生境，使不同的微生物各得其所，发挥相辅相成的作用1 3 6 】。植物 根的生长发育及根系分泌的有机和无机化合物是刺激根际微生物繁殖的重 要能源和养分源f 3 刀。根系分泌物不仅为根际微生物提供所需的能源，而且 不同根系分泌物直接影响着根际微生物的数量和种群结构。分泌物越多， 微生物生长越旺盛；而根系分泌物的种类则决定了根际微生物的种类，这 就是不同植物根际发育着不同种微生物的原因。当然根系分泌物除了对根 际微生物数量和种类产生影响外，还对微生物的代谢及生长发育有一定的 影响其影响有时起促进作用，有时起抑制作用。目前，关于人工湿地微 生物己经有了一些研究报道f 3 8 4 2 1 ，主要是通过分析人工湿地中植物，微生 物，污水之间的关系来探讨了微生物与净化效果的相关性。 1 4 1 3 生态美学价值 目前生态美学价值也成为人工湿地污水处理技术追求的目标之一，充 分体现在湿地的清洁性、独特性、愉悦性和可观赏性等方面，而这些价值 主要是通过水生植物来体现【4 3 】。岳春雷等【9 1 在杭州风景区内通过种植吉祥 草( r e i n e c k e ac a r n e s ) 和黑麦草( l o v i u w n pe r e n n el ) 构建的人工湿地 不但成功处理了水污染，而且也美化了周围环境。成都活水公园人工湿地 塘床系统中的大型水生植物群落在人工湿地生态系统中起着主体作用，同 1 0 山东大学硕士学位论文 时还发挥着美化、绿化环境的作用【4 4 1 。 1 4 1 4 经济价值 入工湿地生态系统中植物的经济价值，也是近年才得到重视的。在人 工湿地系统的实际运行期间，湿地植被的管理往往成为一个难点，主要的 问题是管理费用较高。如果在人工湿地建造初期植物物种的选择方面，考 虑所选植物的经济价值，这个问题就会变得较为简单。如：选择绿化用的 苗木、花卉等作为人工湿地植物可谓一举两得。胡焕斌【4 5 】报道用木本植物 作为人工湿地的主要植被且试验证明效果和芦苇接近。黄时达【4 6 l 等在利用 人工湿地系统处理四川黔江地区白岩煤矿坑酸性污水和生活污水的研究中 指出灯心草是适宜的湿地植物，不但具有较高的污染净化能力，而且也是 四川农民经常栽种的经济作物，可以用于编织草席出售，具有一定的经济 价值。 1 4 2 人工湿地植物的选择原则 1 4 2 1 耐污能力强 耐污能力是选择人工湿地植物首要考虑因素。大多数植物对污染的特 殊逆境有一定的适应性，并且会产生一定的抗性，一定程度上这种抗性具 有遗传性【卅。但不同植物耐污能力相差较大，所以构建人工湿地选择物种 时要选择耐污能力强的植物，可以保证植物的正常生长，也有利于提高人 工湿地的污染物净化能力。 1 4 2 2 净化能力强 为了提高人工湿地的去污能力，不但要选择耐污能力强的植物，同时 也要求植物的净化能力要高。主要从两方面考虑，一方面是植物的生物量 较大，另一方面是植物体内污染物的浓度较高。黄时达【蜘等比较了芦苇、 灯心草和香蒲三种植物的污染物净化能力，结果发现灯心草去污能力最强， c o d 。，的去除率达到4 2 4 6 。高吉喜h 8 j 等选择了7 种湿地植物，研究发 山东大学硕士学位论文 现，慈菇和茭自的综合净化率最高。这些研究都为选择合适的人工湿地植 物提供了理论和现实基础。另外，在去除重金属污染方面应用较多的超累 积植物也可以应用到人工湿地中根据所要处理污水中的主要污染物，来 选择相应种类的超累积植物，尤其在处理污水中的重金属元素方面，具有 非常好的应用前景【4 9 】。 1 4 2 3 根系发达、茎叶茂密 植物的吸收、吸附和富集作用与植株的生长状况和根系发达程度密切 相关，因而不同植物构成的人工湿地净化污水效果存在着差异。 a d c o c k 等f 5 0 】研究了水麦冬( 乃而咖幽伽p a l u s t r e ) 和芦苇( p h r a g m i t e sc o m m u n i s ) 两 种人工湿地植物的地上、地下和总的生物量、生长状况和组织中营养成份 的含量，结果表明水麦冬具有明显发达的根系和较高的地下生物量，对氮、 磷的去除效果是芦苇的5 倍。植物具有发达的庞大根系可以分泌较多的根 分泌物，为微生物的生存创造良好的条件，促进根际的生物降解1 5 ，提高 人工湿地净化能力。植物的根系还在固定床体表面、笼络土壤和保持植物 与微生物旺盛生命力等方面发挥着重要作用，对保持湿地生态系统的稳定 性具有重要意义。 1 4 2 4 因地制宜原则 构建的人工湿地适应不同的水文地貌，植物也一定要适合具体湿地设 计的要求，必须做到因地制宜，最起码要使所选植物能够正常生长，适合 当地的条件。同时，由于设计的人工湿地系统是周围景观的一部分，因而 必须将融入其中，而不是独立于景观之外，这在植物选择中也应考虑。所 以构建人工湿地选择物种的适地适种原则包括适应当地的气候条件、地形 条件和人文景观条件也是重要原则之一。灯心草的净化效果表现出不同气 候区域的差异。在深圳白泥坑水源保护的人工湿地中，灯心草因生长不好 而遭淘汰阅：在武汉，人工湿地中的灯心草一直生长旺盛，对凯氏氮的去 除率维持在9 5 以上【5 2 】。 1 2 山东大学硕士学位论文 1 4 2 5 经济和观赏价值高 以往人工湿地植物的选择多局限于凤眼莲、喜早莲子草和宽叶香蒲等， 但因其经济价值不高、景观效果欠佳等原因，难以在城市中广泛应用。同 时，近年来有关学者开始对湖泊等受污染水体进行无土栽培陆生经济植物 净化与利用研究【5 3 】，发达国家的人工湿地污水处理系统在治污的同时还引 入园林设计的理念，将治污与营造生态公园融为一体，使保护环境与美化 人们的生活相映生辉，产生了非常好的效果。由文辉圆等试验结果表明， 经检测分析水雍菜和水芹菜茎叶部的c u 、c d 、p b 和z n 含量均处于可食用 范围内，上述两种经济植物轮作，每平方米水面每年可自水中移除t n 2 0 4 8 9 ，t p2 4 6 2 9 ，并可收获蔬菜5 0 k g m 2 ，具有显著的环境效益和经济 效益。把食用经济植物作为人工湿地植物可能存在食品安全问题，但如果 条件适合，这也是一种较好的选择。那么应用具有绿化、原材料和观赏等 用途的植物作为人工湿地植物，这一问题就随之解决了。 1 5 本文研究的目的和内容 人工湿地系统处理污水是上世纪7 0 年代发展起来的一种污水处理技 术。与传统的污水三级生化处理工艺相比，它具有净化效果好，去除氮磷 能力强、工艺设备简单、运转维护管理方便、能耗低、系统配置可塑性强、 对负荷变化适应性强、工程基建和运行费用低、出水具有一定的生物安全 性、生态环境效益显著、可实现废水的资源化等特点，特别适合我国中小 城镇污水处理。植物作为生态系统中的必不可少的成员之一，不仅是能量