（植物营养学专业论文）人工湿地候选植物对污水的净化作用及其机理研究.pdf

谢忱 本研究受 国家高新技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目 a c k n o w l e d g e m e n t s 资助 t h e p r e s e n ts t u d y w a sf i n a n c e db yh i - t e c hr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a m o f c h i n a ( n o 2 0 0 3 a a 6 0 1 0 2 0 ) 中文摘要 水资源短缺，水资源污染直接影响到工农生产和人民生活，甚至威胁到人体健康。 各种水处理技术主要以去除碳源污染物为目的，经处理后的出水排入水体后仍将引起 “富营养化”等环境问题，而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的国家中推广。利用水生植物人工湿地系统处理污水，是种 低投入、低能耗、低成本和能脱氮除磷的新型污水处理技术，能使城市生活污水通过 净化达到三级回用标准。介质、植物和微生物是人工湿地的基本构成，其中对植物的 研究是一个重点。通过对自然湿地植物的实地调查以及对候选植物清除污水中氮磷营 养物的效果和机理的研究。得到如下初步结果： l 、通过对浙江省嵊州市南山水库自然湿地植物的调查，选择了灯一1 1 , 草、田菁、n w p l ( 自然湿地植物1 ) 、n w p 2 ( 自然湿地植物2 ) 等4 种强势的自然湿地植物：根据生 长习性，选择了具有一定的经济价值和观赏价值的水稻、桑、o p i ( 观赏植物1 ) 、o p 2 ( 观赏植物2 ) 等4 种常见栽培植物。在明确这些植物对污水的适应性及净化能力的前 提下，为增加人工湿地的植物多样性提供依据。 2 、对不同污水的氮、磷清除能力的比较实验结果表明，受试植物对污水均有一定 的处理效果，且对污水的净化速率均以初始的2 4 h 为最大。水稻、桑是两种类型( 重 度和轻度) 富营养化污水中均可使用的净化植物，且在重度富营养化污水中能起更大 的作用。o p i 和n w p 2 的效果次之。 3 、供试植物吸收不同形态的氮和磷的动力学特性可用m i c h a e l i s m e n t e n 方程来描 述，利用拟合方程可计算得出相应的吸收动力学参数最大吸收速率( t m a x ) 和亲 和力常数( ( m ) 。结果表明，桑、水稻和n w p l 对铵态氮的最大吸收速率远大于其他 供试植物：对硝态氮的最大吸收速率最大的是田菁、水稻和n w p l ；对磷的最大吸收速 率最大的是水稻和灯心草。田菁、o p 2 和n w p 2 对铵态氮的亲和力明显大于其他供试植 物；对硝态氮亲和力较大的是o p l 、o p 2 和n w p 2 ；对磷的亲和力较大的是田菁、桑和 o p 2 。基于不同湿地植物吸收不同形态氮和磷的动力学特性，可选择对氮磷吸收速率 较大的植物用于人工湿地污水处理工程中第一级处理，对氮磷亲和力较大的植物用于 污水净化工程豹最后环节。 4 、在营养液和人工污水培养条件下，不同湿地植物根膜含铁量与根系氧化力呈显 著正相关( r # & = 0 8 2 9 * * 和r 。# m = 0 8 7 9 * * ) ，根膜含磷量与根膜含铁量也呈显著正相 关( r f * # n 1 _ o 8 6 5 * + 和r 。 。* 女，= o 8 8 3 * * ) 。模拟试验证实，随着氧化铁胶膜含量的增加， 对磷的吸附和固定能力大大增强。根系氧化力大的湿地植物，根表形成的铁胶膜含量 多，吸附固定的磷也多，净化污水中磷的效果更好，根系氧化力可作为净化磷的人工 湿地植物的指标。 关键词：人工湿地植物；氮；磷；净化作用；吸收动力学 a b s t r a c t t h es 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 de v e nh u m a n h e a l t h t h ec u r r e n td i s p o s a lo fw a s t e w a t e ri sm o s t f o c u s e do nt h er e m o v a lo f o r g a n i cc a r b o np o l l u t a n t s t h e r e f o r e ，t h ed i s p o s e dw a t e rc a r ls t i l l c a u s ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s ，s u c ha se u 订o p h i c a t i o no fs u r f a c ew a t e rb o d i e s t r a d i t i o n a l m a n u f a c t u r i n gd i s p o s a lc a n n o tb es p r e a do u ti ns m a l lc i t i e sa n du n d e r - d e v e l o p e dc o u n t i e s b e c a u s eo f i t sh i g hc o s t t h e h y d r o p h y t e a r t i f i c i a lw e t l a n ds y s t e m i san e w s e w a g et e c h n i q u e w i t hl o wc o s ta n dl e s se n e r g yc o n s u m p t i o nf o rna n dpr e m o v a l ，a n dt h e q u a l i t yo fc l e a n - u p w a s t e w a t e rw i l lr e a c ht h et e r t i a r yr e t r i e v a la n du t i l i z a t i o ns t a n d a r d m e d i a ，p l a n t s ，a n d m i c r o b e s & r et h ee s s e n t i a lc o m p o n e n t so fa r t i f i c i a lw e t l a n d s s t u d i e so nt h es e l e c t i o no f a r t i f i c i a lw e t l a n dp l a n t sa n dt h e i ra d a p t a t i o nt ow a t e r l o g g e dc o n d i t i o n sa r eb e c o m i n go n eo f t h er e s e a r c hh o tp o i n t s i nt h i sc a s e ，t h ea b i l i t yo fs o m ec a n d i d a t ep l a n t s ( i n c l u d i n gn a t u r a l w e t l a n dp l a n t sa n dc u l t i v a t e dp l a n t s ) i nr e m o v i n gn ，pn u t r i e n t sf r o mw a s t e w a t e ra n dt h e i r p h y s i o l o g i c a lm e c h a n i s m s w e r e i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t sw e r e a sf o l l o w s ： 1 w i t has u r v e yo fn a t u r a lm a r s hp l a n t sh an a n s h a nr e s e r v o i r a r e a ，s h e n g z h o u ， z h e j i a n gp r o v i n c e ，f o u rn a t u r a lw e t l a n dp l a n t ss u c ha sr u s h ( j u n e u se f f u c n sl ) ，s e s b a n i a c n n a b i n ap o i r ，n w p l ( n a t u r a lw e t l a n dp l a n t1 ) a n d n w p 2 ( n a t u r a lw e t l a n dp l a n t2 ) w e r e s e l e c t e db a s e do nt h e i r v i g o r o u sg r o w t ha n dd e v e l o p e dr o o t s a n df o u rc u l t i v a t e dp l a n t ss u c h a sw e t l a n dr i c e ( o r i z as a t i v al ) ，m u l b e r r y ( m o r u si n d i c al ) ，o p i ( o r n a m e n t a lp l a n t 1 ) ， o p 2 ( o r n a m e n t a lp l a n t2 ) w i 血t h e f te c o n o m i ca n do r n a m e n t a lv a l u ew e r ea l s os e l e c t e d a c c o r d i n g t ot h e i ra d a p t a t i o nt o w a t e r l o g g e dc o n d i t i o n s i d e n t i f y i n g t h e a d a p t a t i o n t o w a s t e w a t e rc o n d i t i o n sa n dt h e p o t e n t i a l o fr e m o v i n gn ，pi nw a s t e w a t e rc o u l d o f f e r r e f e r e n c ef o re n h a n c i n gt h ep l a n td i v e r s i t yo f c o n s t r u c t e dw e t l a n d s 2 e s t a b l i s h m e n to fc a n d i d a t ew e t l a n dp l a n t sc a r l e f f e c t i v e l yr e d u c et h ea m m o n i u m ， n i t r a t ea n dp h o s p h a t ec o n c e n t r a t i o n si nb o t h a r t i f i c i a l ( w i t hh i g hn u t r i e n tc o n c e n t r a t i o n ) a n d r e a l ( w i t hl o w e r n u t r i e n tc o n c e n t r a t i o n ) w a s t e w a t e r t h e r e m o v i n g r a t e so f n u t r i e n t sw e r et h e h i g h e s ti nt h ef i r s t2 4h o u r s ，w h i c hi sd u et ot h er e d u c t i o no fn u t r i e n tc o n c e n t r a t i o n si nt h e w a s t e w a t e rw i t ht h ei n c u b a t i n gt i m e w e t l a n dr i c ea n dm u l b e r r yw e r em o s t a d a p t i v et ob o t h a r t i f i c i a la n dr e a lw a s t e w a t e r , e s p e c i a l l yt ot h ef o r m e r ( w i t hh i g hn u t r i e n tc o n c e n t r a t i o n ) ， 3 f o l l o w e db yo p l 和n w p 2 3 t h ek i n e t i cc h a r a c t e r i s t i c so fa m m o n i u m ，n i t r a t ea n dp h o s p h a t eu p t a k eb ys e l e c t e d p l a n t s c o u l db ei l l u s t r a t e dw i t hm i c h a e l i s - m e n t e ne q u a t i o n ，a n dt h ek i n e t i cp a r a m e t e r s ( m a x i m u m r a t ea n dk i nv a l u eo f a b s o r p t i o n ) c o u l d a l s ob ec a l c u l a t e db y u s i n g t h er e g r e s s i v e e q u a t i o n s t h em a x i m u m r a t e so fa m m o n i u m u p t a k eo fm u l b e r r y , w e t l a n dr i c ea n dn w p l w e r eo b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h a to ft h eo t h e rt e s t e dp l a n t s t h em a x i m u mr a t e so fn i t r a t e u p t a k eo f s e s b a n i ac n n a b i n ap o i r ，w e t l a n dr i c ea n dn w p lw e r eo b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h a t o fo t h e rt e s t e dp l a n t s w e t l a n dr i c ea n dr u s hh a v et h eh i g h e s tm a x i m u mr a t ef o rp h o s p h a t e u p t a k e t h ek m v a l u eo fa r n m o n i u mu p t a k eo fs e s b a n i ac n n a b i n ap o i r ，o p 2a n dn w p 2 w e r el e s st h a nt h a to ft h eo t h e rt e s t e dp l a n t s t h ek mv a l u eo fn i t r a t eu p t a k eo fo p l 、o p 2 a n dn w p 2w e r el e s st h a nt h a to ft h eo t h e rt e s t e dp l a n t s s e s b a n i ac n n a b i n ap o i r ，m u l b e r r y a n do p 2h a v et h el e s tk mv a l u ef o r p h o s p h a t eu p t a k e a c c o r d i n g t ot h ek i n e t i c c h a r a c t e r i s t i c so f na n dp u p t a k e t h ep l a n t sw i t l lh i 【g h e rm a x i m u mu p t a k e r a t ec o u l db eu s e d i nf i r s ts e c t i o nf o rc l e a n i n gu pw a s t e w a t e rm t l li l i g hn u t r i e n tc o n c e n t r a t i o n a n dt h ep l a n t s w i ml o w e rk mv a l u ec o u l db eu s e di ns e c o n ds e c t i o nf o rc l e a n i n gu pw a s t e w a t e rw i t l ll o w e r n u t r i e n tc o n c e n t r a t i o n 4 p h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o n si np l a q u eo nr o o ts u r f a c ew a ss i g n i f i c a n t l yc o r r e l a t i v et o f ec o n c e n t r a t i o n si np l a q u eo nr o o ts b r f a c e ( r = o 8 2 9 ”，u n d e rn o r m a ln u t r i t i o ns o l u t i o n c o n d i t i o n s ；r = 0 8 7 9 “，u n d e ra r t i f i c i a lw a s t e w a t e rc o n d i t i o n s ) ，a n df ec o n c e n t r a t i o n si n p l a q u eo nr o o ts u r f a c ew a ss i g n i f i c a n t l yc o r r e l a t i v et o r o o to x i d i n ga c t i v i t y ( r = o 8 6 5 ”， u n d e rn o r m a ln u t r i t i o ns o l u t i o nc o n d i t i o n s ；r = 0 8 8 3 ，u n d e ra r t i f i c i a lw a s t e w a t e rc o n d i t i o n s ) t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tt h ea d s o r p t i o na n df i x a t i o no fp i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s ei ni r o no x i d ec o n c e n t r a t i o no n q u i zs u r f a c e ，t h eg r e a t e rp o t e n t i a l o npr e m o v a lf r o mw a s t e w a t e rb yc o n s t r u c t e dw e t l a n dw i t hp l a n t si s p r o b a b l yr e l a t i v et o h i g h e rr o o to x i d i n ga c t i v i t yo fp l a n t s ，h i g h e rf ea n dpc o n c e n t r a t i o n si np l a q u eo nr o o t s u r f a c e ，w h i c hc a l lb eu s e da si n d e x e st oi d e n t i f yt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n dp l a n t sf o rp c l e a n - u p k e y w o r d s ：c o n s t r u c t e dw e t l a n dp l a n t ，n i t r o g e n , p h o s p h o r u s ，c l e a n - u p ，a b s o r p t i o nk i n e t i c s 4 第一部分文献综述 水是生命之源，是基础性的自然资源和战略性的经济资源，但世界上可供人类利 用的水资源很少，仅为地球水资源的o 6 4 ，因此水资源的可持续利用是经济和社会 可持续发展极为重要的保证。 中国是水资源短缺的国家，人均淡水占有量约为世界人均水平的四分之一。更令 人担忧的是，这数量极有限的淡水，正越来越多地受到污染。自七十年代以来，我国 的水污染开始逐渐趋于严重，我国年排放污水量达数百亿吨，但只有2 4 的工业污水 和4 的生活污水经过了处理( 籍国东等，2 0 0 2 ) 。而绝大部分废水或污水未经任何处 理就直接排入环境，造成河流、湖泊、内海和地下水等各种水体不同程度的污染，从 而加鄹了水资源的供需矛盾，直接影响到工农业生产和城乡居民的日常生活，甚至威 胁到人体健康。 传统的废水处理方法有物理法、化学法和生物法，或将几种方法联合使用。物理 法和化学法在不同程度上会有后处理的麻烦，而传统的生化二级处理厂基建投资大、 能耗高，难以在中小城市和经济不发达的国家中推广。国内外有关芦苇、香蒲等水生 植物人工湿地处理系统的研究已有许多报道( 靖元孝等，2 0 0 3 ；吴振斌等，2 0 0 1 ；c h e n g 等，2 0 0 1 ) ，利用水生植物人工湿地系统处理污水，被证明是一种低投入、低能耗、 低成本和能脱氮除磷的新型污水处理技术，能使城市生活污水通过净化达到三级回用 标准。 介质、植物和微生物是人工湿地的基本构成，其中对植物的研究是一个重点 ( a l l i r t s o n 等，2 0 0 0 ；王剑虹等，2 0 0 0 ) 。在人工湿地净化污水过程中，植物可直接吸 收、利用污水中可利用态的营养物质，吸附、富集营养物质、重金属和一些有毒有害 物质，为根区好氧微生物输送氧气，使污水得到净化。植物在人工湿地污水净化过程 中的作用与其生长状况密切相关，生长越旺盛、根系越发达的植物，其净化污水的能 力、输氧的作用相对来说就越大( 成水平等，2 0 0 2 ) ，所以作为人工湿地植物需具有 庞大的根系，较强的抗逆性，且具有较高的综合利用价值，以及能美化景观的特点， 否则就可熊导致污水净化效果下降及产生二次污染。 人工湿地生境条件下适宜植物的筛选及其生理生态特性的研究己成为进一步完善 人工湿地污水处理技术的基础和关键问题。本研究以筛选对污染物质( 主要是氮、磷) 具有较强清除能力的植物为基础，探明不同植物吸收氮磷等营养物质及耐湿性的差异 和机理，为构建高效的人工湿地污水净化系统提供科学依据。 l 水污染现状 1 , 1 水体污染的危害 我国是世界上2 1 个最贫水的国家之一，入均水资源量仅为世界人均水平的1 4 ， 水资源匮乏急需解决的形势迫在眉睫。随着我国工业化、城镇化进程的加快和人口总 量的增加，在一定时期内城市用水的需求量显然还将急增。日渐紧迫的危机及其衍生 出的生态问题如果不能及时地得到有效解决，必将制约我国经济发展第三步战略目标 的实现。实现水资源可持续利用，已成为摆在我们面前亟待解决刻不容缓的严峻课题。 一方面水资源非常短缺，另一方面水资源污染情况严重，赶害愈演愈烈。据统计， 2 0 0 1 年我国城市污水排放量已达4 2 8 亿立方米( 关亮炯，2 0 0 4 ) ，其中绝大部分污水 未经有效处理而排入江河湖海。全国9 0 以上的城市水域受到不同程度的污染，近5 0 的重点城市的集中饮用水源不符合取水标准。当前，世界上很多国家把城市污水作为 种宝贵的淡水资源，1 9 9 5 年日本污水回用率已高达7 7 - 2 ，2 0 0 0 年美国污水回用率 也达7 2 。目前，我国城市污水处理率为4 0 左右。市政系统污水处理率仅为8 、6 9 ， 回用率就更低了。 1 2 水体污染物( 氮、磷) 来源 水体污染物按其种类和性质一般可分为：无机无毒物、无机有毒物、有机无毒物 和有机有毒物。无机无毒物主要是指排入水体中的酸、碱及一般无机盐和氮磷等植物 营养物质，在所有水污染类型中，尤以富营养化污染是目前比较普遍也比较严重的一 类。这在靠近大中城市的湖泊水体中更为明显。如昆明滇池，杭州西湖等均有不同程 度的富营养化，而引起水体富营养化的植物性营养物质( 氮、磷) 的去除，是水污染 处理中的难点。 水体中的氮磷来源很多，其中有外源性负荷和内源性负荷。外源性的氮磷有面源 污染和点源污染：面源污染主要来源于农业，点源污染主要来源于生活污水和工业废 水。内源性负荷有沉积物中氮和磷的释放、水生动植物新陈代谢分鳃等。 1 2 1 地表径流( 土壤和农业) 土壤营养物质的积聚和新鲜肥料的大量或过量施入，使氮磷损失有潜在的可能， 但事实上，其损失主要取决于降雨的总量和分布，水流速率和分配所产生的水流通道 ( w i t h e r s ，2 0 0 2 ) 。有研究表明，每年大约有9 0 的磷损失是从5 的土壤中几次暴 雨冲刷造成的，特别是磷损失主要途径是地表径流和侵蚀( p i o n k e 等，1 9 9 7 ) 。而人 类的活动使得水土流失的程度提高了2 3 倍，加速了水体富营养化进程( 全为民等， 2 0 0 2 ：s u n 等，1 9 9 9 ) 。 1 2 2 畜牧业、水产养殖业的影响 饲养业中排出的畜禽粪便也是水体氮、磷的重要来源。在美国，畜禽肥料在磷循 环和管理上对于磷淋失有很大的影响( e d w a r d s 等，1 9 9 8 ；s m i t h 等，1 9 9 8 ) 。牧场， 冬季作裼播种的扩大、液体肥料的施翅以及地下捧水系统的安装使农业管理方便轻松 的同时，也使营养物质从土壤流失到河流的比例增加( s h a r p l e y 等，1 9 9 4 ) 。而渔业 的污染源主要来自投喂的各种肥料和饲料( n a y l o r 等，2 0 0 3 ) 。 1 2 3 城乡生活污水和工业污水 生活污水中，人类的排泄物、合成洗涤剂都含有大量的磷。据估算，我国人均体 内排出的磷为每天lg 左右。每天消耗的洗衣粉中的磷为o 2 1g 。而新鲜生活污水中有 机氮约占6 0 ，铵氮约占4 0 ，而硝态氮仅微量或无( 徐翠莲，1 9 9 8 ) 。食品加工企 业( 如乳制品加工) 、化肥生产企业等工业废水中含有大量较高浓度的氮磷，当这些工业 废水不加处理或处理不充分时，都将导致大量的化合物进入水体，造成严重的污染。 1 2 4 沉积物中氮和磷的释放 沉积物是湖泊的主要污染内源，也是污染物的蓄积库。来自各种途径的营养盐， 经过一系列湖泊物理、化学及生物化学作用，其中的一部分或大部分沉积到湖泊的底 部，成为湖泊营养盐的内负荷。许多湖泊的调查资料表明，当湖泊环境发生变化时( 如： 入湖营养盐负荷量减少或完全截污后) ，沉积物中的营养盐会逐步释放出来，补充湖水 中的营养盐。例如，西湖沉积物磷的年释放量可达1 3t 左右，相当于年入湖磷负荷量 的4 1 5 ；巢湖沉积物磷的年释放量达2 2 0 3 8t ，占全年入湖磷负荷量的2 0 9 0 ；玄武 湖沉积物的磷年释放量为1 0 4 6t ，占全年入湖量的2 1 5 ( 孙亚敏等，2 0 0 0 ) 。 2 水污染治理的对策措施 水污染主要是由于工业废水和城市生活污水的任意排放或处理不完全造成的。因 此，水体污染防治的根本措施是加强水资源的规划管理和开展对废水的处理和综合利 用。富营养化的防治则是水污染治理中十分棘手而又代价昂贵的困难问题，这主要是 导致水质富营养化的氮、磷营养物质既有天然源，又有人为源；既有外源性，又有内 源性；既有点源，又有非点源，这给控制污染源带来了显而易见的困难。富营养化问 题的解决主要依赖于源头控制。 目前恢复和处理水污染的技术主要有污水综合处理技术( 物理法、化学法、生物 法) 和生态恢复技术。 2 1 常规污水处理技术 目前常用的废水净化处理技术主要有三类，即物理处理法，化学处理法和生兹处 理法( 在实际应用中这几种方法往往综合起来采用) 。它们都是通过一系列工艺流程 以及各种物理作用、化学作用和生物作用将废水中的有毒有害物质分离出去，或将其 转化为无害而稳定的物质，从而实现对水体的净化。然而，这几种常规水处理方法虽 然具有净化效率高，周期较短等优点，但也有投资大，成本高，工艺复杂等缺点，在 我国目前的国力条件下要大面积推广普及这些废水处理技术还有一定困难，且一般难 以进行深度的脱氮除磷。因此我们要从国情出发，寻找一种既能有效地减轻或消除水 体污染物，又使投资设备成本低，且简便易行的水质净化处理新方法。 2 2 生态恢复技术 随着对水体富营养化问题研究的深入，人们逐步认识到水体富营养化控制是一个 典型的生态问题，生态问题只有用生态学方法解决。用于生态恢复的有许多不同的自 然生态处理系统，有些是以土壤为基础，有些是水生植物处理系统。这些自然生态系 统主要是通过慢速处理、快速渗滤、表面径流、人工湿地等对污水进行净化处理。 2 2 1 生物氧化塘( o x i d a t i o np o n d ) 生物氧化塘，又称废水稳定塘( w a s t e w a t e rs t a b i l i z a t i o n p o n d ) ，是利用塘中的微生 物和藻类两类生物间功能上的协同作用处理污水的自然生态系统( g a r c i a 等，2 0 0 1 ) 。 b o n o m o 等( 1 9 9 7 ) 研究了以浮萍为基础的稳定塘系统处理村镇或社区污水的效果，总 悬浮物( t s s ) 去除率一般为5 5 一8 0 ，出水的t s s 浓度为2 6 5 4m g 几；c o d 去除率 7 5 。 氧化塘系统可达到较好的出水水质，具有一定的脱氮除磷功能。但是，其出水水 质不稳定，往往藻类含量较高，导致悬浮物( s s ) 或c o d 等偏高。污水的停留时间长， 占地面积很大，而且受季节性影响很大，使其发展受到限制。 近年来，以水生大型植物为基础的处理系统( a q u a t i em a c r o p h y t eb a s e dt r e a t m e n t s y s t e m ，a m a t s ) 水生植物塘( 氧化塘的一种) ，兼具好氧塘和厌氧塘的优点，已 经在国外广泛使用，如美国中小社区已建成1 1 0 0 0 座，德国3 0 0 0 余座，法国2 0 0 0 余 座( c a r l e t o n ，2 0 0 0 ) 。在我国北京、天津、武汉、深圳等地都开展了用风眼莲、浮萍等 水生植物氧化塘净化城市污水、乡镇污水的实验，并取得了初步成效( 彭超英，2 0 0 0 ： s h i 等，2 0 0 4 ) ，为人工湿地污水处理系统的研究奠定了一定的理论和实践基础。 2 。2 2 污水土地处理系统 应用土壤、植物的净化功能，将环境工程与生态学基本原理相结合，综合考察污 水处理及污水资源化生态工程的土地处理系统，是2 0 世纪6 0 年代后期才在各国相继 发展起来的，具有投资少、能耗低、易管理和净化效果好的特点。污水土地处理系统 主要分为三种类型( m e u t i a , 2 0 0 1 ) ：慢速渗滤系统( s r ) 、快速渗滤系统( s i ) 、地 表漫流系统( o f ) 。此外也常采用复合系统如慢速与快速渗滤系统相结合，或地表漫 流系统与湿地系统相结合，其结果比单一系统的效果更佳。 在此处理系统中，对氮磷的去除或净化效果是非常明显的。对楚雄市污水土地处 理系统的调查表明，s r 系统2 0 0 0 年总氮数据后会发现，各月平均去除率在 7 2 3 2 一9 4 1 9 ，且大多数月份的去除率在8 2 8 5 之间。无论原污水中总磷含量有多 大变化，系统总出水的总磷含量却稳定在0 0 4 3 0 1 9 5m g l 之间，表明s r 土地处理系 统有很强的除磷能力( 彭燕梅等，2 0 0 2 ) 。 我国污水土地处理技术的应用起步相对较晚，大部分地区由于缺乏科学系统的管 理，对于s r 系统还处在污灌这步。在一些污水土地处理地区，由于盲目进行污水的 大量灌溉，导致土壤中营养型污染物和有机污染物严重超标，有的甚至已污染到地下 水( 张维理，1 9 9 5 ；王家玉等，1 9 9 6 ) ，严重威胁居民的健康和安全。为了合理地控制 污水土地处理系统的污水处理量、处理强度和浓度，保护土壤和地下水水质，对土地 处理系统进行科学合理的控制管理就成了一个十分紧迫的问题。 9 2 2 3 人工湿地处理系统 人工湿地( a r t i f i c i a lw e t l a n d ) 是人工设计、模拟自然湿地结构和功能的复合体， 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。 作为一种新兴的生态废水处理工艺，与别的废水处理工艺相比，人工湿地具有其 明显的优点：出水稳定、建造及运转费用低、维护简单、效果好，适用面广、对负荷 变化的适用能力强。湿地处理系统不仅可处理耗氧有机物和氮、磷等营养物为主的生 活污水( k a n t a w a n i c h k u l 等，2 0 0 1 ；f a r a h b a k h s h a z a d 等，2 0 0 3 ) ，而且对含重金属、 酸性有机与无机物质等工业废水也有良好的去除效果( m i t s e h 等，1 9 9 8 ；k a r p i s c a k 等， 2 0 0 1 ) 。另外建造的人工湿地还可为众多野生动物提供栖息地和具有美学价值等优点 ( d r i z o 等，1 9 9 9 ) ，这使得2 0 世纪8 0 、9 0 年代，人工湿地在发达国家和发展中国家 的城市生活污水处理中得到了广泛的应用。 3 人工湿地 随着我国人口的增长和社会经济的发展，排入江河、湖泊的污水不断增加，虽然各 种水处理技术在实际应用中取得了不断的发展，特剐是作为二级处理的活性污泥法以 其工艺相对成熟、运行稳定、处理效果好而成为城市处理的主流工艺，但传统的活性 污泥不仅基建投资大，运行费用高，且主要以去除碳源污染物为目的，经处理后的出 水排入水体后仍将引起“富营养化”等环境问题，三级处理虽可解决上述问题，但因 投资和运行费用昂贵而难以大面积推广，同时事实也说明，单纯依靠传统的人工处理 方法在我国当前的情况下尚难以从根本上解决水污染问题，只能延缓其发展趋势( 王 薇等，2 0 0 1 ) 。7 0 年代以来，人工湿地处理技术的提出和发展，为综合解决上述问题 提供了一神新的选择。 湿地( w e t l a n d ) 是水域和陆地相交错而成的一类独特的生态系统类型，是自然界 最富生物多样性的生态景观和人类最重要的生存环境之( p e a t i e r 等，1 9 9 9 ) 。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 ) ，按 照湿地公约对湿地类型的划分，3 1 类天然湿地和9 类人工湿地在中国均有分布，共拥 有湿地面积6 5 9 4 万公顷( 不包括江河、池塘等) ，约占世界湿地面积的1 0 。湿地生 态具有多种功能( c o n l e y 等，1 9 9 1 ；g r e e n 等，1 9 9 4 ) ，它不仅为人类社会提供了丰厚 的社会和经济效益，在调节气候、涵养水源、降解污染、净化环境、维持生态平衡、 保护生物多样性和珍稀物种资源等方面均具有十分重要的作用( 丁东等，2 0 0 3 ；肖素 荣等，2 0 0 3 ) ，被誉为地球之肾，生物基因库和人类摇篮。 人工湿地指利用湿地功能及特点，并由人工监督控制，利用自然生态系统中的物 理、化学和生物的三重协同作用实现废水净化的污水处理技术。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e a r b y 的这个被认作世界上第一处用于处理污水 的人工湿地，连续运行直到1 9 9 2 年( h i l e y ，1 9 9 4 ) 。而人工湿地处理污水工艺在世界各 地受到重视并被运用，则是在本世纪七十年代德国学者k i c k u t h 提出根区法( t h er o o t z o n e m e t h o d ) 理论之后开始的( b r i x ，1 9 8 6 ) 。近十年来，人工湿地在各国发展迅速，不仅成 为中小城镇的重要污水处理措旌，而且也成为雨水处理( 徐丽花等，2 0 0 t ) 、工业废水 处理( 籍国东等，2 0 0 2 ) 、农田面源污染水处理( k e r n 等，1 9 9 9 ) 的重要技术。我国 在“七五”期问开展人工湿地的研究，分别在北京昌平、深圳白泥坑、天津等地建成不 同处理规模的人工湿地处理工程，现在己发展到实际应用阶段( 宋志文等，2 0 0 3 ) 。 3 1 人工湿地的类型 人工湿地按废水在湿地床中的不同流动方式( 梁继东等，2 0 0 3 ) ，可以分为三类， 即潜流湿地( s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，s s f w ) 、地表流湿地( s u r f a c ef l o ww e t l a n d ， s f w ) 和垂直流湿地( v e r t i c a l f l o w w e t l a n d ，v f w ) 。目前国际上较多研究和应用的是 潜流型或潜流型与其他两种类型相结合的污水处理方式，一方面可以充分利用填料表 面生长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和填料截留等作用，提高处理效果能力， 另一方面由于水流在地表下流动，保温性好，处理效果受气候影响较小，且卫生条件 较好。 人工湿地根据湿地中的主要植物形式可分为( 梁继东等，2 0 0 3 ) ：浮水植物系统、 挺水植物系统和沉水植物系统。沉水植物系统还处于试验阶段，其主要应用领域在于 初级处理和二级处理后的精处理。浮水植物主要用于n 、p 去除和提高传统稳定塘的 效率。目前一般所指人工湿地都是挺水植物系统。 3 2 人工湿地基本构造及其在系统中的作用 绝大多数自然或人工湿地由五部分组成： ( 1 ) 具有透水性的基质。如沙砾、沙土、土壤、石块等，这些基质为微生物的生 长提供稳定的依附表面，同时也为水生植物提供了载体和营养物质，是湿地化学反应 的主要界面之一。当污水流经人工湿地时，基质通过一些物理的和化学的途径( 如吸 收、吸附、过滤、离子交换、络合反应等) 来净化除去污水中的n 、p 等营养物质。 ( 2 ) 水生植物。人工湿地中水生植物不仅具有较强的营养物质吸附富集功能，而 且还能与其周围环境的各种原生动物、微生物形成各种小环境，如将氧气传送至植物 根区，为微生物的吸附和代谢提供良好的生化环境，形成特殊的根际微生态环境，这 一微生态小环境具有典型的活性生物膜的功能，具备很强的净化废水的能力，对多种 污染物有很强的吸收、分解、富集能力。 ( 3 ) 微生物。植物根区微生物是湿地降解有机污染物的主要生力军，人工湿地中 微生物的活动是废水中有机物降解的主要机制。水生植物通过通气组织的运输，将氧 气输送到根区，从而形成根表及附近区域的氧化状态。在这一区域废水中的大部分有 机物质被好氧微生物分解成二氧化碳和水，有机氮化物等则被硝化细菌硝化。而在湿 地中的还原状态区域，则是有机物被厌氧细菌分解发酵。而金属元素，植物根区好氧 微生物的活动有利于硝化作用，可以加强湿地对重金属的吸附和富集作用( 旷远文等， 2 0 0 4 ；s a s a k i 等，2 0 0 3 ) 。 ( 4 ) 无脊椎或脊稚动物。如鱼类、贝类和鸟类等。 ( 5 ) 在基质表面上下流动的水。 4 植物在人工湿地系统中的作用及选择原则 4 1 植物在人工湿地中的作用 利用湿地系统净化污水，目前已发展成为一种完备和独立的污水处理技术( c r o w e ， 2 0 0 2 ；贺锋等，2 0 0 2 ) 。通常将该污水处理系统称之为“根区法”( b r i x ，1 9 9 4 ) 。可 见植物在该系统中的重要地位与作用。 4 1 1 去除污染物( 净化污水的机理) 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。吴振斌等通过建立小试系统，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舂夏季平均磷的去除率在 6 0 以上，即使在冬季也能达到4 0 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 ( 吴振斌等，2 0 0 0 ) 。c o p p e r 的研究( 1 9 9 7 ) 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 年n2 0 3 l ，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，