（环境工程专业论文）人工湿地处理宝钢围厂河水及其植物研究.pdf

摘要 摘要 本课题以宝钢围厂河水为研究对象，研究内容包括：( 1 ) 人工湿地处理宝 钢围厂河水的试验研究；( 2 ) 人工湿地处理宝钢围厂河水的植物研究；( 3 ) 人 工湿地技术处理宝钢围厂河水的中试试验研究。主要结论如下： ( 1 ) 人工湿地处理钢铁废水时对温度、电导率、p h 的改变较小，锰砂小试 试验对f e 、m n 、浊度、c o d 、n h 3 - n 、n 0 3 - - n 、t p 都有很好的去除效果，平 均去除率分别为9 6 、9 5 、9 3 、5 5 、7 8 、9 3 o 和9 4 ；在水力停留时间 缩短至2 d 的条件下，出水的f e 、m n 、浊度均达到了城市污水再生利用工业 用水水质( g b 厂r1 9 9 2 3 - 2 0 0 5 ) 标准。 ( 2 ) 在h r t = 5 d 至h r t - - 2 d 时，水力停留时间对各种污染物的去除效果并 无较大影响；植物存在、季节和温度变化对n 0 3 - n 的去除效果影响较大，对其 他污染物的去除影响较小；流态对污染物的去除影响较小；锰砂作为人工湿地 填料对f e 、m n 、浊度、c o d 、n h 3 - n 、t p 的去除都有很好的效果。 ( 3 ) 植物吸收f e 、m n 对人工湿地总去除f e 、m n 的量分别为6 1 2 8 1 和1 5 5 6 5 ，但对n 、p 的吸收都不到总人工湿地去除量的0 1 ；砾石湿地 比锰砂湿地更有利于植物的生长。砾石湿地的植物吸收去除f e 、m n 的能力好于 锰砂湿地。 ( 4 ) 中试试验对各种污染物的去除及水力停留时间、不同温度和季节的影 响等规律与小试试验基本相同，对f e 、m n 、浊度、n h 3 - n 、n 0 3 - n 、c o d 和 t p 的平均去除率分别为9 5 、9 0 、9 l 、7 6 、3 7 、4 6 和6 8 。在水力停 留时间缩短至1 5 d 的条件下，出水的f e 、m n 、浊度均达到了城市污水再生利 用工业用水水质( g b t1 9 9 2 3 - 2 0 0 5 ) 标准。 ( 5 ) 不同植物的株高、单株湿重、含水率、生物量、元素含量等指标有较 大差异，而同种植物在廊道不同部位的差异较小。植物的生长区域和面积在两 年间有一定变化，其中香蒲、风车草有所增加，镳草则大幅降低；单位面积上 香蒲对f e 的吸收能力最好，镳草最差；而再力花和香蒲对m n 的吸收能力最好， 镳草最差。通过收割植物将植物积累的f e 、m n 去除的量占整个人工湿地去除 f e 、m n 含量的1 - 3 和3 7 左右。 关键词：宝钢围厂河水，人工湿地，植物 a b s t r a c t a b s t r a c t 1 1 1 ew a t e ro fe n c l o s i n gf i v e ri nb a o s t e e lw a ss t u d i e da n dt h er e s e a r c hm a i n l y i n c l u d e dt h r e ea s p e c t sa sf o l l o w s ：( 1 ) l a b o r a t o r ye x p e r i m e n to ft h ew a t e ru s i n gt h e c o n s t r u c t e dw e t l a n d ( 2 ) p l a n tc o m p o s i t i o ni nt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d ( 3 ) p i l o t e x p e r i m e n to ft h ew a t e ru s i n gt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r e l i s t e da sb e l o w ： f i r s t l y , t h et e m p e r a t u r e ，c o n d u c t i v i t ya n dp ho ft h er i v e rw a t e rw e r es l i g h t l y v a r i e dw h e nt r e a t e db yt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d , w h i l ei tw a sm u c he f f e c t i v ei n e l i m i n a t i n gt h ec h e m i c a l s ，s u c ha sf e ，m n , c o d ，n h 3 - n ，1 en 0 3 - - n ， w i t ht h e a v e r a g er e m o v a lr a t eb e i n g9 6 ，9 5 9 3 5 5 7 8 , 9 3 a n d9 4 ，r e s p e c t i v e l y w h e nt h eh r tw a ss h o g e n e dt o2d a y s ，t h ei n d e x e so ff e a i _ na n dt u r b i d i t yo ft h e e f f l u e n tc o u l dm e e tt o 1 t l er e u s eo f u r b a nr e c y c l i n gw a t e r - w a t e rq u a l i t ys t a n d a r df o r i n d n s t r i a lu s e s ( g b 厂r1 9 9 2 3 - 2 0 0 5 ) s e c o n d l y , h r th a dl i t t l ee f f e c to ne l i m i n a t i n gv a r i o u sp o l l u t a n t sw h e nr a n g i n g f r o m5d a y st o2d a y s b e i n gp l a n t e do rn o ta n dc h a n g e so fs e a s o na n dt e m p e r a t u r e w e r eo b v i o u s l ya f f e c tt h er e m o v a le f f e c to fn o j - n ，b u ti th a dl i n l ee f f e c to no t h e r p o l l u t i o n s t h er e m o v a le f f e c tw a s a l s ol i t t l ea f f e c t e db yf l o wp a t t e r n t h e c o n s t r u c t e dw e t l a n df i l l e dw i t hm a n g a n e s es a n dw a se f f e c t i v ei ne l i m i n a t i n gf e ，m n , t u r b i dm e t e r , c o d , n i - 1 3 - na n dt p t h i r d l y , t h eq u a n t i t i e so ff ea n dm na d s o r b e db yt h ep l a n t sw e r er e l a t e i v e l y l a r g ew i t hp r o p o r t i o n sa b o u t6 1 t o2 8 1 a n d1 5 t o5 6 5 r e s p e c t i v e l y , w h i l e t h ea b s o r p t i o nq u a n t i f i e so fna n dpb yt h ep l a n t st o o kt h ep r o p o r t i o no n l yl e s so f o 1 i nt h ew h o l ea b s o r p t i o nq u a n t i t i e sb yc o n s t r u c t e dw e t l a n d t h ep l a n t sg r e w b e t t e ri nt h ew e t l a n df i l l e dw i t hg r a v e lt h a nt h eo n ef i l l e dw i t hm a n g a n e s es a n d ，a n d t h ep l a n t si nt h ef o r m e rw e t l a n da d s o r b e dm o r ef ea n dm nt h a nt h el a t t e r f o u r t h l y , t h ep i l o te x p e r i m e n ts h o w e dt h es a m er u l e s a st h el a b o r a t o r y e x p e r i m e n tf o rt h er e m o v a lo fp o l l u t i o n sa n dt h ee f f e c to fh r t , t e m p e r a t u r ea n d s e a s o n i t sa v e r a g er e m o v a lr a t eo f f e ，m n , t u r b i d i t y , n 0 3 。- n ，c o da n dt pw e r e9 5 、 9 0 ，9 1 ，7 6 ，3 7 ，4 6 a n d6 8 , r e s p e c t i v e l y 刀圯i n d e x e so ff e m na n d t u r b i d i t y o ft h ee f f l u e n t c o u l da l s om e e tt o t h er e u s eo fu r b a nr e c y c l i n g w a t e r - w a t e rq u a i l t ys t a n d a r df o ri n d u s t r i a lu s e s ( g b t1 9 9 2 3 - 2 0 0 5 ) u n d e rt h e c o n d i t i o no f h r t = 1 5 d f i f t h l y , t h e r ew g l er e m a r k a b l yd i f f e r e n c e sf o rd i f f e r e mp l a n t si nt h eb i o l o g i c a l i n d e x e ss u c ha sp l a n th e i g h t ，w e tw e i g h t , w a t e rr a t i o ，e l e m e n tc o n t e n ta n db i o m a s s ， w h i l et h e r ew e r el i t t l ed i f f e r e n c e sf o rt h es a r l l ep l a n ti nd i f f e r e n tc o r r i d o r s t h c g r o w i n gr e g i o n sa n da r e a so fp l a n t sv a r i e di nt w oy e a r sw i t ht y p h a c a ea n dc y p e r a s s l t e m i f o l i u si n c r e a s i n gm i l d l ya n ds c i r p u sl d e c r e a s i n gr e m a r k a b l y t y p h a e a ew a s t h eb e s tp l a n tf o r a b s o r b i n gf e w h i l es c i r p u sl w a st h ew o r s t t h a l i ad e a l b a t aa n d t y p h a c a ew e r et h eb e s tt oe l i m i n a t em n w h i l es c i r p a sl 。w a st h ew o r s t t h er e m o v a l q u a n t i t i e so ff ea n dm nb yr e a p i n gt h ep l a n t sa c c o u n t e df o ra b o u t1 t o3 a n d 3 t o7 o f t h ew h o l eq u a n t i t i e so f w e t l a n d , r e s p e e t i v e l y k e y w o r d s ：w a t e ro f e n c l o s i n gr i v e ri nb a o s t c e l ，c o n s t r u c t e dw e t h m d ，p l a n t i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：夕鹭砭 1 形年歹月羽日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 年月日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 中国钢铁行业水资源利用现状 1 1 1 中国钢铁行业概况 钢铁产业是国家工业化的支柱，是国家经济实力的基石，是关乎国计民生 的重要产业，为国家的机械制造、金属加工、燃料动力、石油化工、建筑建材、 家用电器、宇航军工、交通运输和农牧业等各个部门提供大量的重要原材料。 当今世界，不论是发达国家，还是发展中国家，都非常重视钢铁产业，无论过 去、现在和将来，在一个相当长的历史时期，钢铁产业的发展程度，都是衡量 一个国家工业化和现代化水平高低的重要标志之一。 我国是一个经济总量较大的发展中国家，城市升级与改造等基础设施投资 均成为钢铁消费大户，内需的强劲增长促使我国钢铁产量与质量逐步提升。2 0 0 6 年我国钢铁产量为4 1 8 7 8 万吨，居世界第一，相当于日美俄韩印德六国的总合， 全国同比增长1 8 4 8 ，同比增加粗钢产量6 5 3 3 万吨。其中重点企业粗钢产量为 3 3 5 1 7 万吨，同比增幅为1 5 1 5 。民营小钢铁企业的产量增速明显快于重点大 中型钢铁企业，超过1 0 0 0 万吨的企业共9 家，占全国总产量的3 2 4 8 ，超过 5 0 0 万吨的企业共2 1 家，占全国总产量的5 1 ，3 3 。这说明我国钢铁产业集中度 并未发生根本的改变，反而呈下降趋势【l l 。 钢铁产业的高速发展给中国经济腾飞带来契机的同时也给环境带来了较大 的影响。2 0 0 7 年1 0 月国际钢铁协会在柏林召开的年会上发表声明，世界产钢企 业的所有碳排放中，5 1 左右是我国产生的，我国已成为污染最严重的产钢国。 我国钢铁业的能耗占全国工业总能耗的1 5 ，废水和废气占全国工业排放的 1 4 ，固体废物占1 6 。钢铁业已成为继化工业、水泥行业后的第三大污染行业。 我国的钢铁生产工艺和环保工艺较国外有明显差距，有较大的提升空间，是节 能减排的重点对象。 1 1 2 中国钢铁行业水回用现状 近年来，依靠技术进步和科学管理，通过采用节水新工艺、新技术，完善 循环水系统、串接利用水资源、回收利用外排水、扩大非常规水利用等措施， 不断降低产品新水消耗，减少污水排放，节水工作取得显著进展。随着钢产量 第1 章引言 的逐年增加，钢铁行业的取水量却逐年减少，并呈现负增长的可喜局面。我国 2 0 0 6 年吨钢耗新水6 5 6 m 3 ，较2 0 0 5 年同比降低1 8 3 。目前，莱钢、宝钢、济 钢等企业吨钢耗新水指标已达到世界先进水平，其中莱钢吨钢耗新水连续三年 保持在3 5 3 m 3 左右。吨钢耗新水量指标的下降主要依靠各钢铁企业工业水重复 利用率不断提高，节水技术逐渐完善，水回用率不断提高。 钢铁行业水回用主要有3 种方式：串联用水、再次利用水、废水再利用。 串联用水是指上一级冷却设备用后水直接供给下一级冷却设备的用水，多出现 在以制冷水为水源的用户之间，该种供水方式应考虑到系统压力平衡、回水余 压的合理利用和动力消耗等的优化问题；再次和用水是指多次重复用水，如二 次用水、三次用水等。再次利用水主要是供给一些对给水水质有要求，而对给 水水温不一定有要求的用户。该类给水的水源一般为直流间接冷却水用户的排 水，该水通常只是水温有所升高，而水质没有受到污染；废水再利用主要指水 质要求较高的用水系统的排污水作为水质要求较低的系统的补充水。比如用清 循环水系统的排污水作浊循环水系统的补充水、湿式除尘用水、污水处理稀释 水、熄焦补充水、煤气水封水及焦炉煤气上升管水封盖用水等；处理后焦化废 水作熄焦补充水等；浊循环系统排污水作污水处理稀释水。其中，钢铁企业最 赢接、最有效的节水途径是将企业综合外排废水经处理后回用。目前首钢、太 钢、鞍钢和本钢相继建成了综合废水处理设施，并取得了很好的效果，其他钢 铁企业也在酝酿兴建综合废水处理项目。废水再利用，不仅可以减少新水的用 量，而且可以减少废水排放量，具有明显的社会价值和显著的经济价值，正逐 渐成为水回用技术研究的热点之一。 1 1 3 钢铁行业废水再利用技术概况 如表1 1 所示，钢铁企业排放废水的主要部门有矿山和选矿厂、烧结厂、焦 化厂、炼铁厂、炼钢厂、轧钢厂。 表1 1 钢铁企业主要部门排放废水种类 部门车间废水种类 矿山和选矿厂 矿坑水、废石场淋虑水、碱性废水 烧结厂 冲洗水、除尘水、设备用水 焦化厂 熄焦废水、含酚废水、冲洗水 炼铁厂 高炉煤气洗涤水、冲渣水 炼钢厂烟气洗涤废水、冲渣废水 轧钢厂含酸废水、含碱废水、含油废水 2 第1 章引言 各部门的废水种类繁多，主要污染物及污染程度也各不相同，其中冲洗水、 除尘水、设备用水、洗涤水等经过简单的投加药剂、浓缩、沉淀、过滤、磁力 分离等方法，已经得到了较好的处理，可以作为循环水进入各部门的循环用水 系统，或者作为熄焦水或混合水中的添加水进行回用，但也有几个部门的废水 由于污染严重、处理难度大、考虑到经济和技术上的原因，如果将其进行深度 处理后进行回用，成本过高，故多将其处理达标后排放，也是目前钢铁企业废 水再利用的难点。这部分废水包括有机物、氨氮和悬浮物污染严重的焦化废水， 悬浮物污染严重的炼铁、炼钢冲渣废水，冷轧废水中的含酸、含碱、含油废水 和各工序的烟气洗涤废水等。经过多年的实践，这部分废水的回用研究也有了 较大的进展。 ( 1 ) 焦化废水 高浓度含酚废水中酚的回收常用熔剂萃取法和气提法，对蒸氨后废水进行 冷却，作为洗氨补充水循环使用。对于最终硝化生化系统产生的外排水，可将 其稀释用于焦炉熄焦补充水。 ( 2 ) 高炉煤气洗涤水 高炉煤气洗涤水是炼铁厂的主要污水，需进行悬浮物去除、水质稳定、冷 却处理以达到水的循环使用。目前大型炼钢厂在污水中投加混凝剂，沉淀池采 用轴流式，沉淀污泥经浓缩和过滤脱水为滤饼，可作为烧结原料，处理后废水 可循环使用。 ( 3 ) 转炉烟气废水 转炉烟气废水主要含有大量悬浮物，主要采用自然沉降、絮凝沉淀和磁力 分离。处理后废水可以进入循环水系统。 ( 4 ) 轧钢废水 热轧废水主要污染物为氧化铁皮、悬浮物和油类。热轧废水主要采用药剂 混凝沉淀以去除悬浮物和油类，经冷却后循环使用；冷轧废水主要污染物为悬 浮油、乳化油等，悬浮油需用刮油机除去，含乳化油废水必须破乳，然后浮选 除去油；钢材酸洗废水主要含酸和铁盐，含量较高时，需回收处理，含量低时， 中和处理即可。如用清循环水系统的排污水作浊循环水系统的补充水、湿式除 尘用水、废水处理稀释水、熄焦补充水、煤气水封水及焦炉煤气上升管水封盖 用水等。 目前对这部分的废水处理主要以传统的物理、化学、生化法为主，国内外 3 第1 章引言 尚无应用人工湿地技术对钢铁废水进行深度处理的相关研究。 1 2 人工湿地技术概况 1 2 1 人工湿地净化废水的机理 人工湿地净化废水的机理复杂，迄今还不完全清楚。一般认为，人工湿地 生态系统是通过基质、植物、微生物的共同作用，实现对污染物的降解和去除 2 1 。 ( 1 ) 基质作用 人工湿地中的基质又称填料或滤料，一般由土壤、细沙、粗砂、砾石、碎 瓦片或灰渣等构成。基质在为植物和微生物提供生长介质的同时，通过沉淀、 过滤和吸附等作用直接去除污染物。自由表面流湿地多以自然土壤为基质，水 平潜流和垂直潜流湿地基质的选择因特征污染物的不同而不同，同时也会考虑 便于取材、经济适用等因素。一般来说，采用潜流人工湿地处理以s s 、c o d 和 b o d 为特征污染物的污水时，根据水力停留时间、占地面积和出水水质等限制 因素，可以选用土壤、细沙、粗砂、砾石、碎瓦片或灰渣中的一种或几种为基 质。以除磷为目的的人工湿地最好选择飞灰或页岩为基质，其次是铝矾土、石 灰石和膨润土，泡沸石和油页岩对磷的吸附能力较差【3 1 。 ( 2 ) 植物作用 湿地植物可以利用太阳能从空气中吸收无机物合成有机物，为异养生物提 供能量。如果湿地有充足的光源、水和营养供给，湿地生态系统中大型植物将 占主导地位。湿地植物使湿地床表面更加稳固，并提供了良好的物理过滤条件， 它使垂直流通系统不受阻碍，防止冬季湿地表面冻结并为微生物生长提供了巨 大的表面支撑。植物通过光合作用和根系的渗透作用将氧传输到根圈介质，增 强了有机物的好氧分解和氨态氮的硝化作用。 ( 3 ) 微生物作用 微生物是人工湿地净化废水的主要“执行者”，它们把有机质作为丰富的能 源，将其转化为营养物质和能量。人工湿地在处理废水之前，各类微生物的数 量与自然湿地基本相同。但随着废水不断进入人工湿地系统，某些微生物的数 量将逐渐增加，并在一定时间内达到最大值而趋于稳定。人工芦苇湿地床内存 在较明显的好氧、兼氧和厌氧斟4 】。人工湿地中的优势菌属主要有假单胞杆菌属、 产碱杆菌属和黄杆菌属。这些优势菌属均为快速生长的微生物，其体内大多含 4 第1 牵引言 有降解质粒，是分解有机污染物的主体微生物种群。人工湿地的微生物主要去 除废水中的可降解有机物和氮，而难降解有机物则需要运用微生物的诱发变异 特性翻。 1 2 2 人工湿地处理工业废水的国内外进展 采用人工湿地净化废水几乎不需要耗能，相比传统废水净化方法而言，优 势明显，因此已经成为国内外研究热点。目前，国内外除了已经成功应用人工 湿地技术去除生活污水中的n 、p 、有机物，也已开展对去除以金属离子为主要 污染物的工业废水，取得很好的效果，如表1 2 。目前国内外关于人工湿地对钢 铁企业废水的深度处理的实例报道较少，且主要集中在对酸性矿山废水的处理。 表1 2 国内外人工湿地处理工业废水实例 7 - 1 8 1 地点 种植植物污水种类主要污染物及处理效果 阿根廷s a n t ot o m 6香蒲冶金废水c r , 8 6 ；n i 6 7 广东韶关凡口铅锌矿香蒲矿山金属废水z n ，9 7 ；c a ，9 4 ；p b ，9 9 比利时f l a n d e r s狐尾藻 五金加工废水c l l ，7 6 ；n i ，6 0 ；c o ，5 9 ；z n ，7 8 比利时f l a n d e r s 芦苇 家庭废水、雨水n i ，4 9 ；a i ，9 3 巴基斯坦a r l 污水厂水竹炼油废水 f e ，4 8 ；c u ，5 6 ；z n ，6 1 美国s t e a m b o a tc r e e k香蒲、灯0 草、浮萍矿山废水 h g , 3 0 一6 0 斯洛文尼亚芦苇、香蒲垃圾渗滤液 f e 8 4 美国印第安纳香蒲、再力花、煤气发电厂废水 s e ，6 4 ；a s ，4 7 德国科隆大学 风车草、肾蕨人工配水 z n ，1 0 0 ；c d , 1 0 0 ；a l ，1 0 0 ； 植物研究所p b ，1 0 0 ；c u ，1 0 0 ；m n , 4 2 英国缅因州 芦苇、香蒲 矿山废水p b ，9 6 ；c u ，8 7 美国s t c h a r l e sp a r i s h 水葱 冶金废水c u ，3 3 ；z n ，7 9 ；p b ，8 5 英国b r e n t w o o d 和 香蒲雨水及城市污水 z n ，2 9 - 8 2 ；p b ，2 7 9 4 ；c r , 4 0 ；c u ， d a g e n h a m8 7 5 ；p b ，8 3 3 ；6 6 7 ，z n ；n i ，2 5 水葱、香蒲、芦苇、 c a ，9 7 8 ；f e ，9 9 ；m n ，5 6 ； 马鞍山 酸性矿山废水 菖蒲、凤眼莲z n ，8 7 4 ；m g ，6 3 2 1 3 人工湿地植物研究进展 1 3 1 植物在人工湿地中的作用 1 3 1 1 植物的直接净化作用 ( 1 ) n 、p 的去除 植物能通过吸收、吸附和富集等作用去除废水中的氮、磷。植物从废水中 吸收氮、磷元素后，将氮元素合成植物蛋白质等有机氮，将无机磷转化成植物 5 第1 章引言 的期限、d n a 、r n a 等有机成分，最后通过对植物的收割将它们从湿地系统中 去除。徐德福等【1 9 】用营养液培养法研究了美人蕉、菩提子、风眼莲和芦苇等1 1 种植物对氮、磷的吸收，发现对于总氮为1 8 2 s m g l ，总磷为4 1 2 m g l 的营养 液，植物对氮、磷的去除率分别为1 0 9 1 5 9 3 2 和5 0 1 3 8 7 2 6 。 ( 2 ) 重金属的去除 植物可以通过根部直接吸收水溶性重金属，还能通过改变根际环境来改变 污染物的化学形态，达到降低或消除重金属污染物化学毒性和生物毒性的作用。 垂直流人工湿地处理低浓度重金属污水的试验表明，风车草能吸收富集水体中 3 0 的铜和锰，对锌、镉、铅的富集也在5 1 5 0 a 1 。g r o u d e v a i 刎的研究发现种 植在湿地中的宽叶香蒲等植物能够吸附和富集铜、镉、铅和铁，吸附后的重金 属主要分布在根部。 ( 3 ) 有机物的去除 植物对有机污染物的吸收是通过植物和微生物共同作用完成的，其降解机 制分为三方面：转化、结合、分离。茭白、慈菇对城市污水b o d 的去除率可达 8 0 以上。水葱可使食品厂废水中c o d 降低7 0 8 0 ，使b o d 降低6 0 - 9 0 1 2 2 1 。 骆世明1 2 2 l 在用潜流人工湿地处理养猪场废水的研究中发现，在夏季进水c o d 高 达1 0 0 0 - 1 4 0 0 m g l 的情况下，风车草和香根草人工湿地对c o d 的去除率依然接 近9 0 ，且植物生长良好。 1 3 1 2 植物的间接净化作用 湿地植物除了能直接去除污水中污染物外，也对人工湿地去除污染物的过 程提供了良好环境，起了间接的净化作用。 ( 1 ) 供氧作用 植物体内具有特殊的通气组织，能将植物光合作用产生的氧气，经过植物 体内通气组织从地上部分输送至根部并释放到湿地环境中，从而在根系周围依 次出现好氧区、缺氧区和厌氧区，为根区的好氧、缺氧和厌氧微生物提供了各 自适宜的小环境，使不同微生物各得其所，发挥相辅相成的作用1 2 3 。d u n b a b i n z 4 等测试了小型湿地根区的氧浓度、p h 值及氧化能力，发现三者在有植物系统中 皆高于无植物系统，即使在人工湿地中补充碳源加大耗氧量，无植物系统中氧 浓度大量下降的情况下，有植物系统根区继续保持氧化状态。 ( 2 ) 加强水力传导和维持通气状况 6 第1 章引言 人工湿地的水力传导性下降，会影响水流路径( 例如促进表面流动1 ，从而影 响到湿地的处理效果。湿地植物根和根系对基质的穿透作用以及根和根系的腐 烂，在基质中形成了许多微小的气室或间隙，减少了基质的封闭性，增强了基 质的疏松度，从而使得湿地的水力传导性和通气状况得到加强和维持。水平流 人工湿地处理废水的试验中发现，经过3 5 个月的处理后，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滤性能好，废水能很 快地渗入介质【2 6 1 。据报道，即使板结的土壤，在2 5 年之内，经过植物根系的穿 透作用，其水力传输能力可与砂砾、碎石相当【2 回。植物的生长能加快天然土壤 的水力传输程度，且当植物成熟时，根区系统的水容量增大田】。即使当植物的 根和根系腐烂时，剩下许多的空隙和通道，也有利于土壤的水力传输1 2 5 1 。 ( 3 ) 为微生物提供场所 人工湿地中微生物的种类和数量是极其丰富的，因为人工湿地水生植物的 根系常形成一个网状结构，并在植物根系附近形成好氧、兼性和厌氧的不同环 境，为各种不同微生物的吸附和代谢提供了良好的生存环境，也为人工湿地污 水处理系统提供了足够的分解者。研究表明，有植物的湿地系统，细菌数量显 著高于无植物系统，且植物根部的细菌比介质处高1 2 个数量级，植物的根系分 泌物还可以促进某些嗜磷、氮细菌的生长，促进氮、磷释放、转化，从而间接 提高净化率。 ( 4 ) 维持人工湿地的运行环境 。 植物在人工湿地系统中起固定床体表面、提供良好过滤条件、防止湿地被 淤泥淤塞以及冬季支撑冰面等作用。植物的生长能加快天然土壤的水力传输程 度，当植物成熟时，根区系统的水容量增大。在植物的根和根系腐烂时，剩下 许多的空隙和通道，也有利于土壤的水力传输。植物还能减少风对水的影响， 继而减小风对湿地中的沉积物的影响，降低因为大风导致的湿地沉积物和再悬 浮。 ( 5 ) 其他功能 植物通过根还可释放很多有机复合物，这种释放的数量目前还不清楚。但 报道的值一般占光合作用固定碳的1 0 4 0 。在某些人工湿地类型中，由根分 泌的这种有机碳可作为反硝化者的碳源从而增加了硝酸盐的去除斛凋。 植物的生长能调节湿地周围的小气候，美化生态环境，为鸟和爬行类动物 等提供栖息地。m a r kn e l s o n 等人i 四】在研究中指出，种有百合、风信子的人工湿 7 第1 章引言 地使人们联想到的是水上花园而非污水处理设施，同时也为壁虎、蜥蜴等环境 有益动物提供栖息场所；植物收割后可资源化利用而产生经济价值，例如将收 割后的植物残体用于堆肥以产生环境友好的生物肥，回收的植物还可以用作造 纸原料、编织材料、牲畜的饲料或燃料等例。 1 3 2 人工湿地植物的选择与配置 不同植物在人工湿地中会造成处理效果的差异。目前，许多地区构建人工 湿地时，直接就栽种芦苇、香蒲等少数几种湿地植物，结果往往净化效果不是 很理想，限制了人工湿地废水处理技术的应用范围，因为一种、一类或几类物 种都不一定适应各种湿地情况与废水类型。因此，根据各地不同情况寻找合适 的植物种类，有重要的意义。 1 3 2 1 植物选择的原则 ( 1 ) 根据植物本身的特性 人工湿地应选择具有抗逆性的植物，即耐污能力，耐盐能力，抗冻、抗热 能力，抗病虫害能力强的物种，选用的水生植物对当地的气候条件、土壤条件 和周围的动植物环境都要有很好的适应能力，最好选用当地或本地区天然湿地 中存在的植物。 ( 2 ) 根据人工湿地的处理用途 植物在处理系统中所起的功能在很大程度上决定了种类的选用，如果主要 去除对象是b o d 和n ( 反硝化) 时，所选植物就需要具备能为微生物提供附着界 面庞大的根系以及较强的传氧能力；而当靠植物的吸收去除n 、p 、重金属和某 些有机物时，就需要选择具有较好的富集吸收能力并且生长速度快的种类；如 果需要去除的污染物较多时，就需要寻找能够有效地发挥多种生态功能的种类， 或者不同生态功能类型的种类搭配使用。一般高浓度污水主要集中在湿地工艺 的前端部分。因此，在人工湿地建设时，前端工艺部分如强氧化塘、潜流湿地 等工艺一般选择耐污染能力强的植物品种。末端工艺如稳定塘、景观塘等处理 段中，由于污水浓度降低，因此可以更多考虑植物的景观效果闭。 ( 3 ) 根据人工湿地的类型 原生于实土环境的一些植物如美人蕉、芦苇、灯心草、旱伞竹、皇竹草、 芦竹、薏米等，其根系生长有一定的向土性，配置于表面流湿地系统中。生长 会更旺盛。但由于它们的根系大都垂直向下生长，因此，净化处理的效果不及 8 第1 章引言 应用于潜流式湿地中；对于一些原生于沼泽、腐殖层、草炭湿地、湖泊水面的 植物如水葱、野茭、山姜、蔗草、香蒲、菖蒲等，由于其生长已经适应了无土 环境，因此更适宜配置于潜流人工湿地；而对于一些块根块茎类的水生植物如 荷花、睡莲、慈姑、芋头等则只能配置于表面流湿地中f 刈。由于潜流人工湿地 系统填料之间的空隙大，植物根系与水体养分接触的面积广，因此对于营养生 长旺盛、植株生长迅速、植株生物量大、一年有数个萌发高峰的植物如香蒲、 水葱等植物适宜栽种于潜流湿地；而对于营养生长与生殖生长并存，生长相对 缓慢，一年只有一个萌发高峰期的一些植物如芦苇、茭草等则配置于表面流湿 地系统。 ( 4 ) 根据植物间的相互作用 多物种的生态系统比单一物种的系统要稳定，但也要考虑到不同种类的植 物生长在一起，不仅污染物净化能力和景观效果差异较大，而且存在着相互之 间的作用。主要包括两个方面：其一是对光、水和营养等资源的竞争 其二是 植物之间通过释放化感物质，影响周围植物的生长。如香蒲、芦苇等就存在这 样的相互作用。另外，一些植物的枯枝落叶经雨水淋溶或微生物的作用也会释 放出化感物质，抑制植株的生长，如宽叶香蒲枯枝烂叶腐烂后会阻碍其本身新 芽的萌发和新苗的生长瞄j 。 ( 5 ) 根据景观美学价值。 目前，发达国家的人工湿地污水处理系统在治污的同时引入园林设计的理 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辅相成， 产生非常好的效果。日本的箱根湿生花园是湿地园林建设中比较成功的例子， 它是日本政府专为保护湿地，重视对游人普及湿地科普教育知识而修建的。园 内植有2 0 0 多种湿生植物及其他植物共1 7 0 0 多种，一年四季花开烂漫，犹如仙 境，深受人们的喜爱。 1 3 , 2 2 国内外人工湿地植物选择与配置的研究进展 近年来，国内外在植物选择与配置方面开展了一系列的研究工作，主要集 中在以下几个方面： ( 1 ) 植物的耐污与去污能力 g e r b e r g 等【3 1 i 做了用栽种不同水生植物的人工湿地净化城镇综合污水的研 究，发现进水中氨氮的浓度为2 4 7 m g l 时，经过蔗草、芦苇和宽叶香蒲三种单 9 第1 章引言 一植物的人工湿地处理后，出水氨氮浓度分别为1 4 m g l 、5 3 m g l 和7 7 m g l ， 蔗草、芦苇对污水中氨氮的去除能力明显高于香蒲；从三块湿地对污水中b 0 现 的去除效果来看，镳草( 去除率9 6 ) 1 9 于芦苇( 8 1 ) 和宽叶香蒲( 7 4 ) 在自洋淀 水陆交错带湿地进行的试验结果表明，芦苇具有庞大的地下根状茎【3 2 】；陈飞星【3 3 】 等人利用9 种水生植物开展了北京动物园水环境改善研究，其结论表明，从单 一种类来看，水葫芦净水效果最好，睡莲与野生荷花次之，人工养殖的荷花效 果相对较差。 ( 2 ) 植物对元素的积累 e n n a b i l i 等【3 4 j 对芦苇、香蒲等9 种植物的生物量和n 、p 、k 积累量进行了 比较，为人工湿地选择出高性能的植物种类。研究结果表明，芦苇、香蒲具有 较高的氮磷吸收能力。t 锄n c l l 3 5 l 比较了8 种挺水植物在人工湿地的生长和营养吸 收能力，认为芦苇、菰( z i z a n i a l a t i f o l i a ) 、g l y c e r i a m a x i m a 适合于处理低浓度废 水的人工湿地采用。g r e c n w a y 例对当地4 9 种和外来1 1 种植物的氮磷含量进行 了比较研究，为湿地植物种类的筛选提供了有益的参考。张甲耀等【3 7 】比较了芦 苇、茭自、穿心莲人工湿地的净化效果；戴全裕等【3 8 】研究了水芹等水生高等植 物对废水中黄金和银的净化和富集特性；宋祥甫等f 3 8 l 开展了在富营养化水体表 面种植水稻、美人蕉等陆生高等植物的研究。蒋跃平等1 3 9 l 对2 1 种植物进行了研 究，发现其中有8 种植物( 美人蕉、菖蒲、紫露草、吉祥草、芦竹、花叶芦竹、 黑麦草和鸭跖草) 的氮浓度较高，有8 种植物( 菖蒲、紫露草、吉祥草、芦竹、菩 提子、黑麦草、鸢尾和鸭跖草) 磷浓度较高，分别属于对氮和磷具有高吸收功能 的物种。 ( 3 ) 植物的生理活动 发达的植物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，提高人工湿地净化能力i 删。a n d e r n 1 4 1 】等人的研究 表明，植物根际的分泌物可以促进微生物转化，加速污染物的生物降解，吴振 斌【4 2 喀的研究发现，湿地土壤中脲酶的活性与土壤的微生物含量、有机物质含 量、全氮和速效氮含量成正相关，研究中还发现脲酶的活性与人工湿地污水中 总氮的去除率具有较明显的正相关性，指出了将酶活性作为挑选合适植物的一 个指标的可能性。 ( 4 ) 填料对植物的影响 张静等【7 j 建立以页岩和沸石为填料处理酸性淀粉废水的人工湿地，通过对填 第1 章引言 料的理化性质及所种植的芦苇和菖蒲的生理指标的研究发现，页岩比沸石更适 合植物生长。 一 1 3 3 常见人工湿地植物的特点及应用 ( 1 ) 芦苇( p h r a g m i t e s c o m m u n i s ) 芦苇适应性强，地下茎具有强劲的营养繁殖能力，常常形成单优群落，对 土壤要求不严，耐盐，可以在潮湿无水和水深l m 左右正常生长，生长季节长， 生长快，产量高，具有较大的经济价值。同时其对污染物抗性强，具有一定的 净化分解能力，芦苇去除氮磷能力较强，对有机物、硫化物、氰化物、酚、石 油类、重金属等也有一定的去除作用。芦苇根部造成的湿生环境，对污染物吸 收和吸附作用很大，同样有较好净化效果【4 3 删。在波兰，植物以芦苇为主的表 面流型人工湿地可以用来处理工厂废水中的z n 和p b 。 ( 2 ) 香蒲植物( 1 p h a c a e ) 香蒲植物可有效地净化城市生活污水及工业废水中的氮、磷、c o d 、b o d 、 总悬浮物等污染物质，国外在这方面有成功的利用。澳大利亚墨尔本市附近建 造的1 5 0 m 2 人工湿地，用宽叶香蒲处理城市生活污水取得了良好的效果。日本 用宽叶香蒲处理污水中的磷2 4 d ，去除率为1 0 0 。陈桂珠等人从宽叶香蒲等7 种高等水生植物处理酸性制浆废水，结果亦表明宽叶香蒲对污水很好的去除效 果【4 删。 ( 3 ) 风车草( c y p e r u ss l t e r n f ，d l i u s ) 风车草，属莎草科，原产非洲，我国南北方均有栽培，一般用作观赏植物， 可生于沼泽地或长期积水处，景观效果较好。靖元孝等人【4 9 】的研究表明，在华 南地区风车草能全年保持生长，即使在冬天仍能维持一定的生长速率，而菖蒲 等其他几种湿地植物在冬季基本停止生长，表明风车草在华南地区是一种较为 理想的人工湿地植物。 ( 4 ) 其他植物 此外，常用的人工湿地植物还有菖蒲、灯心草、茭白、水葱、再力花、香 根草、美人蕉、镳草等。每种植物的性能各有优缺点，应根据废水的具体水质 和植物属性进行选择，以充分发挥植物的作用以达到最佳的处理效果。人工湿 地中其它常用植物的生长特点及其污染物去除潜力见表1 3 。 1 1 第1 章引言 表1 3 人工湿地常用植物的生长特点及其污染物去除潜力嗍 植物种类生长特点污染物去除功能 根系发达、生长速度快，分泌富集镉、铬、铅、汞、砷、硒、铜、镍等； 风眼莲 克藻物质吸收降解酚、氰；抑制藻类生长 大漂根系发达富集汞、铜 浮萍生长速度快、分泌克藻物质富集镉、铬、铜、硒：抑制藻类生长 紫萍、槐叶萍生长速度快、分泌克藻物质富集铬、镍硒；抑制藻类生长 满江红生长速度快、分泌克藻物质富集铅、汞、铜 石菖蒲根系发达、分泌克藻物质抑制藻类生长 狐尾藻 生长速度快吸收耵盯、d n t 等结构相近化合物 1 3 4 植物对重金属抗性研究进展 瑞典遗传生态学家t u r c s n 【卯】就提出了“生态型”这一术语，并将生态型定义 为种内适应于不同生态条件或地理区域的遗传类群，是同一种生物对不同环境 条件趋异适应的结果。由于重金属胁迫的强选择压力和植物耐金属胁迫的显性 性状的缘故，导致种群之间耐金属胁迫的分化非常快速，生长在不同矿山或重 金属污染土壤上的种群，甚至生长在同一矿山或重金属污染土壤上的不同个体 之间耐重金属胁迫或积累金属的能力也不相同，从而分化出不同的生