利用垂直流人工湿地处理生活污水研究硕士毕业论文.doc

分类号 密级 UDC 编号 硕士学位论文垂直流人工湿地植物配置研究 利用垂直流人工湿地处理生活污水研究摘 要污水处理人工湿地是一种新兴的废水处理技术，由耐污染的植物、不同粒径的砂砾及大量微生物、藻类和微小动物组成的完整生态系统。垂直流人工湿地是近年发展较快、应用较广泛的一种工艺形式。本研究在实际运行人工湿地系统、人工湿地中试系统和人工湿地微系统三个层面上，通过对人工湿地植物和水质进行调查检测，系统研究了人工湿地植物筛选、植物配置、植物在人工湿地中的作用、植物生长过程中污染物去除规律及复合垂直流人工湿地的运行规律等，得出以下主要结果：1.利用人工湿地中试系统首次初步筛选了水芋（Calla palustris）、薏苡（Coix lacryma）、象草（Pennisetum purpureum）、血苋（Iresine herbstii）等18种适合下行植物床和水芋、薏苡、象草等14种适合上行植物床的人工湿地植物。之后，利用人工湿地微系统对部分初步筛选的植物进行去污能力检测。生长观测和去污能力检验相结合的二次筛选方法是进行人工湿地植物大规模筛选的有效方法。多植物配置在保证较好的污水处理效果的同时，还可以提高植物适应人工湿地环境各种胁迫的能力及抵御病虫害的能力，降低因单一植物建植带来的风险及增强景观效果等。2.在微系统实验中，植物移栽后的一个月左右的时间里，排出水中污染物浓度急剧下降，之后，出水中各污染物浓度继续保持较小幅度的下降趋势。植物系统比沙滤系统能去除较多的总氮（TN），但对于总磷（TP）和化学需氧量（CODCr）则沙滤系统好于植物系统。3.实际运行工程中，植物对氮磷的吸收量相对工程总去除量比例较小，植物吸收不是人工湿地氮磷去除的主要途径。植物影响人工湿地表面板结物的形成，植物覆盖度越大，板结物越少。植物凋落物是导致表面板结的原因之一，选择合适的人工湿地植物和对植物进行合理管理能减少植物凋落物的量，从而减轻表面板结程度。4.复合垂直流人工湿地中，污水经处理后，CODCr和BOD5去除率达到60%以上。TN和NH3-N的去除率达到40%左右，磷的去除率超过80%。其中，CODCr、BOD5、TN和NH3-N主要在下行植物床中被去除，且下行植物床和上行植物床之间的出水浓度无显著差异；磷的去除主要集中在上行植物床，且下行植物床和上行植物床出水磷浓度差异达到极显著。下行植物床和上行植物床串联克服了单一植物床的不足，可以满足不同污染物去除所需的条件，同时去除多种污染物，提高人工湿地系统的综合去污能力。5.生活污水水质具有明显的昼夜差异性，但这种差异并未导致出水水质产生明显差异，人工湿地出水水质相对稳定。与前人的相关研究相比，本研究立足工程运行实际，着重进行植物研究，具有以下两个创新之处：第一，将实际运行工程、人工湿地中试系统和人工湿地微系统三个层次结合起来研究，探索了一套有效的植物筛选、配置和管理的方法；第二，结合水流方式上的差异，分别在下行植物床和上行植物床进行了植物筛选实验，得出了不同水流条件下的植物筛选原则，该原则是对传统的植物筛选方法和原则的一个补充。关键词： 人工湿地 植物筛选 植物配置 垂直流 污水净化Plants Configuration in Vertical Flow Constructed WetlandsBy Chunchang LiuDirected by Prof. Hai Ren, Prof. Hanping Xia AbstractConstructed wetland is an integrated artificial ecosystem efficient for sewage treatment, consisted of substrate of different sizes, pollutant-resistant plants, and microorganism including bacteria, alga, protozoan and so on. Vertical constructed wetland is one of a fast developed and wide used type in recent years. Based on the constructed wetland practical engineering, mesocosm and microcosm, the research focused on plant species selection, configuration and function in constructed wetlands, wastewater degradation in the course of plant growth, and some principles of the pollutants decomposition in the complex vertical constructed wetland. The results are as follows:1 In the experiment, eighteen plant species such as C. palustris, C. lacryma, P. purpureum, I. herbstii and so on, were selected as constructed wetland plants for the down-flow plant-bed (DFPB) and fourteen for the up-flow plant-bed (UFPB) including C. palustris, C. lacryma and P. purpureum. And further study was carried out to test the efficiecy of pollutants degradation. It is effiecient for massive plants selection of constructed wetland to connect with plant investigation and treatment efficiency test.Plants configuration could enhance the plants resistance in the contaminated environment and the capability to avoid plant diseases and insect pests; thus, it could decrease the risk caused by monoculture. Furthermore, it could provide better sight.2 Based on the microcosm experiment, the concentration of the pollutants in the output decreased sharply in the first month after the plants were transplanted. And then it continued to fall but in a smaller range till the end of the experiment. The microcosms with plants removed more TN than the sand filters did; but as to the removal of TP and CODCr, it went to the opposite.3 In Shenzhen Shiyanhe constructed wetland, nitrogen and phosphorus absorbed by plants only accounted for a small part of those diminished by the system as a whole. And plant absorption is not a main approach to decrease the pollutants. Further study indicated that plants had impact on the stratum of the substrate surface, that is, the larger plant coverage was, the less superstratum was. The plants litter was also a cause of the superstratum, and it is a good way to decrease the superstratum to select suitable plant species and manage them logically.4. In complex vertical constructed wetland, most of the pollutants were released, with the removal rates over 60% for CODCr and BOD5, 40% for TN and NH3-N and 80% for P. Most CODCr, BOD5, TN and NH3-N were removed in the DFPB, and there were no significant difference of the output concentration between the DFPB and UFPB; but as to P, the UFPB removed more than the DFPB and there was significant difference of the output concentration between the DFPB and UFPB. The complex vertical constructed wetland with DFPB and UFPB in tandem, could not only overcome the deficiency of single plant-bed, but also meet the different degradation conditions of various pollutants and treat them simultaneously.5.The domestic wastewater varied obviously from day to night, but the water quality of the output was relatively stable, and did not cause significant difference.Compared to the related researches, this study was aimed at plants research to meet the application. There are two innovations: first, the study was based on constructed wetland practical engineering, mesocosm and microcosm, and an integrated method of plant selection, configuration and management was obtained; second, the plant selection was developed between the DFPB and UFPB, and several principles of species selection came into being which is complementary to traditional ones. Key words: constructed wetland, plant selection, plant configuration, vertical flow, wastewater purification目 录摘要.Abstract.前言1第一章 污水处理人工湿地概述.31 污水处理方法种类32人工湿地概述.32.1人工湿地定义及其发展历程.32.2人工湿地组成及其去污机理.42.3人工湿地工艺种类.52.4人工湿地特点.93人工湿地研究现状和趋势.93.1国内外研究现状.93.2国内外发展趋势11第二章 研究方法131人工湿地系统构建及运行.131.1人工湿地微系统构建131.2人工湿地中试系统构建141.3石岩河人工湿地污水处理工程162植物调查测定方法.162.1植物调查162. 1微系统.162. 2植物床.162. 3石岩河人工湿地.163水质采样和测试方法.173.1微系统.173.2植物床.173.3石岩河人工湿地173.4水质测定方法.173.5人工湿地污染物去除总量计算方法.174统计分析方法.185人工湿地污染物去除总量计算方法.18第三章 人工湿地植物筛选.191植物床初步筛选.191.1植物床中植物存活状况.191.2植物生态调查结果.212盆栽微系统测试.262.1植物生长状况.262.2盆栽微系统污水净化效果.262.3小结.28第四章 植物在人工湿地中的作用.291植物生长过程中人工湿地污水净化效果.291.1植物生长变化过程.291.2污水净化效果的变化规律.292植物系统与无植物系统之比较.303植物氮磷含量及其积累量.324植物与工程板结和堵塞的关系.335石岩河人工湿地植物管理.336小结.34第五章 多植物配置复合人工湿地污水处理效果.351植物床中植物生长状况.352温度、溶解氧和pH变化.353主要污染物的去除效果.374污水净化昼夜变化规律.384.1 温度、溶解氧和pH变化.384.2 主要污染物的去除效果.395小结.41结论.42参考文献.44硕士期间论文撰写及专利申请情况.51致谢.52声明.53前 言 人工湿地是通过模拟自然湿地的结构和功能，选择一定的地理位置与地形，根据人们的需要人为设计与建造的湿地（夏汉平，2002）。用作污水处理的人工湿地是一种新兴的废水处理技术，它主要由耐污染的植物与不同粒径的砂砾组成的基质所共同构成的人工生态系统，系统内还含有大量微生物、藻类和微小动物。进入系统的污染物在各组成成分共同作用下(Reddy et al., 1989；Moorhead & Reddy, 1990；王凡路等，2003；张军等，2004)，发生厌氧或好氧反应，从而消除或降低污染物毒性。人工湿地良好的除污效果，以及操作简单方便、运行成本低等特点，使它在全世界得到了广泛运用（夏汉平，2002；梁继东等，2003）。我国深圳、成都、武汉、茂名等地也陆续新建了一批示范工程（张毅敏和张永春，1998；王庆安等，1999；Xia et al.，2003）。植物是人工湿地的重要组成部分，在系统中起关键作用，主要表现在植物根系向基质中释放氧气，植物根系固定植物床，改变水力传导能力，创造生物共生条件，根系分泌物杀灭病原菌以及植物的景观美学作用等方面（夏汉平，2002；Brix, 1997）。由于植物种类配置的不同和污水浓度的不断变化等特性，人工湿地的各种特性与功能也会随之改变，从而影响植物的处理效果和景观效果（成水平等，1997；廖新俤和骆世明，2002；王世和等，2003）。目前，有关人工湿地植物的研究涵盖了植物生态、植物生理、组织结构及分子生物学和基因工程等多个领域（Schwitzgubel，2001；Stottmeister et al.，2003; Beverly et al，2005; Gabriela et al., 2005）。但在已有研究和应用中，大量的报道仍集中在对人工湿地植物机理的研究上，对现实工程技术上的研究报道较少。目前，随着我国经济的发展，水污染和水短缺问题越来越严重，因应这种形势，各种污水处理技术包括人工湿地污水处理技术得到了大力推广。在人工湿地的推广应用过程中，出现了许多殛待解决的问题，例如植物物种筛选和配置、工程表面板结、植物收割管理等问题。人工湿地工艺按工艺流程分目前采用的主要有推流式、阶梯进水式、回流式和综合式4 种，按系统模式分主要有水体系统、水生植物系统和土壤系统三种。土壤系统是应用最广泛的一种工艺，按不同的水流方式，土壤系统又有水平表面流系统、水平潜流系统和垂直流系统三种形式。垂直流人工湿地是近年发展较快的一种工艺形式，其工艺流程综合了推流式与阶梯式两种。另外，实际运行过程中，人工湿地可根据处理规模的大小进行多种方式的组合,一般有单一式、并联式、串联式和综合式等,也有工程将人工湿地工艺与氧化塘等进行串联组合。本研究试图从植物着手，在大型人工湿地实际运行工程、人工湿地中试系统和人工湿地微系统三个尺度上，将实验与实践相结合，在垂直流人工湿地系统中研究植物筛选、植物配置、植物的作用、植物生长过程中人工湿地污水处理规律及人工湿地污水处理昼夜变化规律等。通过研究，试图探索一套行之有效的人工湿地植物筛选、配置和管理的方法，为人工湿地污水处理技术在我国的应用提供科学依据和实践参考。第一章 污水处理人工湿地概述1.污水处理方法种类当前，世界水资源安全正面临着空前的危机，我国的水资源状况更加不容乐观，面对严峻的形势和任务，引进和发展多种污水治理和利用的方法和技术，高效经济的进行污水处理显得非常紧迫（Brown & Halweil，1998; 范大路，2000；肖羽堂等，2001）。目前，污水处理方法有物理方法、化学方法、生物方法及结合几种方法优势的综合方法（环境科学大词典编辑委员会，1991）。人工湿地是20世纪50年代以来发展起来的一种集物理、化学、生物方法于一体的综合去污方法。由于相对其它各种生物处理方法，人工湿地具有建设运行成本低、操作简便、易于维护、处理效果好、可缓冲水力和污染负荷的冲击和景观观赏性等特点，该方法在全世界得到广泛应用（梁继东等，2003）。2.人工湿地概述2.1.人工湿地定义及其发展历程湿地是地球上一种重要的生态系统，介于陆地与水体之间，兼有水陆两方面的特性，主要有：1）具有生物富集、生产力高的特征，可向人类提供多种食品、医药、能源及工业原料；2）是天然的蓄水库，可起到控制洪水和调节气候的作用；3）是重要的碳、氮汇，调节着地球的温室气体排放；4）作为水禽的栖息地和候鸟的繁殖地（郎惠卿，1999）。人工湿地是人类根据按特定目的，模拟自然湿地，设计建造的对人工生态系统，其类型主要有：1）人工生境湿地以协助天然湿地用于生物多样性保护；2）人工抗洪湿地以用于控制洪水或泄洪3）人工水产湿地以用于农业生产于水产养殖4）人工处理湿地以用于污水污物处理（夏汉平，2002）。这几种类型的人工湿地都有广泛的应用，其中，污水处理人工湿地已广泛应用于净化城镇和乡村生活污水和工业污水（Solano, 2004）。人工湿地净化污水始于1953年，那时德国的Max Planck研究所的Seidel博士在研究中发现芦苇能有效去除有机和无机污染物。20世纪60年代，Seidel和Kickuth合作，并由Kichuth于1972年提出了根区理论，该理论掀起了人工湿地研究与应用热潮。20世纪80年代末和90年代初在英美相继召开了人工湿地研讨会，提出了许多有关污水净化机理和处理系统参考设计规范及数据。1996年9月在奥地利维也纳召开的第四届国际研讨会标志着人工湿地系统作为一种独特新型废水处理技术正式进入污染控制领域（梁继东等，2003）。我国应用人工湿地处理污水开始较晚，1987年天津市环境保护研究所建成的6hm2的处理规模为1400m3.d-1的芦苇湿地工程被普遍认为是我国最早利用人工湿地处理污水的例子（张毅敏和张永春，1998）。1989年，北京昌平建成了自由水面人工湿地，处理量为500 m3.d-1（俞孔坚等，2001）。而后又在深圳白泥坑、洪湖公园、成都活水公园等建成了一些人工湿地示范工程（王庆安等，2001）。如今，人工湿地处理污水技术已经在全国各地推广，深圳石岩水库人工湿地、观兰湖水库人工湿地和龙岗水库人工湿地的日处理量都在万吨以上。2.2.人工湿地组成及其去污机理人工湿地组成及其去污机理如图1所示。人工湿地是一个完整的生态系统，它主要由基质、植物、微生物三部分组成，另外还包括动物、藻类和真菌等成分（Reddy et al., 1989; Moorhead & Reddy, 1990）。基质一般由1mm至10mm不等的沙粒和砾石组成（吴振斌等，2002），沙粒和砾石的粒径按植物生长和布水需要进行设计。基质为微生物的生长提供稳定的依附表面,为水生植物提供载体和营养物质,并通过一些物理和化学途径净化污水。植物是人工湿地区别于其它污水处理方法的重要特征，它的作用主要表现为六个方面，包括固定植物床作用、影响水力传导能力、提供污染物氧化需要的部分氧气、吸收污水中的污染物、提供微生物等生存载体及景观美学等（Brix, 1997）。植物根系及其分泌物营造了适合微生物生长的环境，而其氧气的释放又使人工湿地形成了根系层的好氧空间和根系层之下的厌氧空间的交替和根系周围的近根系的好氧空间和远根系的厌氧空间的交替。微生物在人工湿地处理污染物过程中起到核心作用，它将各种污染物质降解、转化或矿化。基质、植物和微生物等相互联系,互为因果,形成一个完整的污水处理系统。废水在床体的表面、基质缝隙和植物根系间流动时,固体物被阻拦截留下来，被微生物和其它微小生物去除，污水中可溶性有机物则通过生物膜的吸附,同化及异化作用而得以去除。因湿地植物根系能够分泌氧,植物根系及其周围的微环境中依次呈现出好氧、缺氧和厌氧状态,这有利于硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用,达到脱氮除磷的效果。图1人工湿地根区的相互作用Fig.1 The interaction processes in the rhizome of constructed wetland2.3.人工湿地工艺种类人工湿地利用污水、植物和土壤的自然组合优化来处理污水（Wissing，1995），这过程中形成了许多的系统模式，主要说来有三种（图2）：水体系统，系统中没有象池塘和沟渠土壤中长有沉水植物可起到过滤作用（Xu et al., 1999）；水生植物系统，系统主要由几个栽种有生长迅速的沼生植物的活性土壤过滤器组成，污染物转移主要由水生植物、沼生植物和微生物完成；土壤系统，系统内有填料，上面栽有植物，形成半湿生状态，通过植物的吸收、土壤的过滤和吸附及微生物的降解来处理污水。三种系统中，配置的植物分别为沉水植物、浮水植物和挺水植物，各系统的特点列于表1。表1 不同生长型植物人工湿地特点Table 1 The characters of constructed wetland with different style plants人工湿地种类特点浮水大型植物系统以浮水植物为主，植物繁殖能力强,可通过光合作用由根系向水体放氧,可通过植物吸收有效去除N、P及重金属等污染物，浮水植物目前主要用于N 和P 的去除和提高稳定塘的效率。挺水大型植物系统以挺水植物为主，植物根系发达，可通过根系向基质送氧，使基质中形成多个好氧、兼性厌氧、厌氧小区，利于多种微生物繁殖,便于污染物的多途径降解，目前人工湿地主要指挺水植物系统。沉水植物系统以沉水植物为主，该系统还处于试验阶段，主要用于初级处理与二级处理后的精处理。对于土壤系统来说，根据其不同的水流方式，它又有三种形式（图2）：水平表面流系统，系统污水漫灌在系统表面，从一端流向另一端；水平潜流系统，污水在土壤基质表层以下一定深度从一端流向另一端；垂直流系统，水流从下往上流或从上往下流，因此也形成了上行垂直流系统和下行垂直流系统两种（Brix, 1994）。三种系统的特点见于表1。人工湿地的工艺流程有多种，目前采用的主要有：推流式、阶梯进水式、回流式和综合式4 种（王薇等，2001）。阶梯进水可避免处理床前部堵塞,使植物长势均匀,有利于后部的硝化脱氮作用；回流式可对进水进行一定的稀释，增加水中的溶解氧并减少出水中可能出现的臭味。出水回流还可促进填料床中的硝化和反硝化作用,采用低扬程水泵,通过水力喷射或跌水等方式进行充氧。综合式则一方面设置出水回流,另一方面还将进水分布至填料床的中部,以减轻填料床前端的负荷。人工湿地的运行可根据处理规模的大小进行多种方式的组合,一般有单一式、并联式、串联式和综合式等。在实际应用中,也有工程将人工湿地工艺与氧化塘等进行串联组合（曹向东等，2000）。图2. 人工湿地污水处理系统A、栽有浮水植物的池塘系统；B、栽有挺水植物的水平表面流人工湿地；C、栽有挺水植物的水平潜流式人工湿地；D、垂直流人工湿地Figure2 Pond/wetland systems for wastewater treatment (A, pond with free-floating plants B, Horizontal surface flow wetland or pond with emergent water plants C, Horizontal subsurface flow wetland; D, Vertical flow wetland.图3 人工湿地的基本流程a.推流式 b. 回流式 c. 阶梯进水式 d. 综合式Fig.3 The elementary flow in constructed wetlanda. Pulsive b. Circumfluent c.Leveled d. Compositive图4 人工湿地的不同组合方式a. 单一式 b. 串联式 c. 并联式 d. 综合式Fig.4 Different combinations of constructed wetlanda. Sigle b. Series-wound c. Shunt-wound d. Compositive另外，在技术上，根据不同的设计和外部设备还有许多不同的技术工艺（Cooper, 1998）。这些工艺一般因土壤基质颗粒大小、污水类型和本地条件不同而不同，也有人工湿地与其它污水处理方法相结合的工艺（曹向东等，2000；陈德强，2003；施春雨等，2004）。不同的系统，其特征不同，处理能力也不一样，因此在应用中往往根据实际需要选择具体的人工湿地类型或工艺（Vymazal & Masa，2002）。表2是人工湿地不同工艺类型污水处理效果之间的比较（Mclatchey & Reddy, 1998; Verhoeven & Meuleman 1999; 俞孔坚等，2001；籍国东等，2002；梁继东等，2003）。表2 不同水流方式人工湿地特点Table 2 The characters of constructed wetlands with different flowing.人工湿地种类特点地表流湿地类似于沼泽，污水以较慢速度从湿地表面流过,具备投资少、操作简单、运行费用低等优点,但占地大，水力负荷小，净化能力有限，湿地中的O2 来源于水面扩散与植物根系传输,系统运行受气候影响大,夏季易孳生蚊子、苍蝇等。潜流湿地污水从一端水平流过填料床，其由一个或多个填料床组成，床体填充基质,床底设防水层。水力负荷与污染负荷较大，对BOD、COD、SS 及重金属等处理效果好，O2 源于植物根传输，少有恶臭与蚊蝇现象，但控制相对复杂，脱N 和P 效果欠佳。垂直流湿地污水从湿地表面纵向流入填料床底,床体处于不饱和状态，O2 通过大气扩散与植物根传输进入湿地，硝化能力强，适于处理氨氮含量高的污水，但处理有机物能力欠佳，控制复杂，落干/ 淹水时间长，夏季易孳生蚊蝇。2.4.人工湿地特点与其它污水处理方法相比，人工湿地系统具有较多优点（夏汉平，2002；梁继东等，2003）: 建造和运行费用便宜，操作简便；技术含量低，易于维护；废水处理效果好；可缓冲对水力和污染负荷的冲击；具有经济性能和景观观赏性，可提供和间接提供效益,如水产、畜产、造纸原料、建材、绿化、野生动物栖息、娱乐和教育等。但是，在它的建设运行中，也有较大不足: 占地面积大，无法在城市特别是大城市推广应用；由于受较多条件影响，运行参数无法精确设计；生物和水力复杂性及对重要工艺动力学理解的缺乏；处理过后，残留物难以排除，易造成系统饱和，甚至板结堵塞等现象；易受病虫害影响等。3.人工湿地研究现状和趋势3.1.国内外研究现状当前，人工湿地应用研究集中于5个方面。第一，根据人工湿地所处位置的地理气候条件、湿地的规模、负荷率、几何布置、植物种类构成、废水的类型及主要要去除污染物等的不同，选择合适的人工湿地类型、工艺和植物组合等。第二，为减少重复劳动和改良经验湿地设计方法，更细致地研究不同地区特征和运行数据以便在将来的建设中提供更合理的参数，并进行地区范围、国家范围及世界范围的人工湿地数据库构建，使得所有这些数据应通过公共数据库使世界各地的工程师和科技人员能够获得。目前，美国EPA已着手这方面的研究（白晓慧等，1999；US EPA，2000）。第三，垂直流人工湿地的研究越来越受到重视，对系统工艺进行更细致研究，对介质和植物的选择研究也更广（陈长太，2003）。第四，将一些传统处理技术的理论，如回流等引入人工湿地工艺中来，改良和优化工程设计参数，研制高效人工湿地。第五，对系统的长期运行能力和管理问题进行研究。目前广泛应用的人工湿地基质以沙粒、沙土、土壤、石块为主，基质的选择以其水力传导能力、吸附能力和化学特性原则进行。有研究认为沸石有利于N的分解而砾石有利于P的吸附，因为后者有大量的Ca2+和P结合（崔理华等，2002），也有研究者用煤灰或煤渣（尹连庆，1999）。研究发现加入人工湿地系统中的磷70%80%通过沉淀或吸附作用存留在基质中，基质对无机磷的去除作用因填料不同而存在差异,若土壤中含有较多的铁、铝氧化物,有利于生成溶解度很低的磷酸铁或磷酸铝,使土壤固磷作用大大增加；若以砾石为填料的湿地,砾石中的钙可以生成不溶性磷酸钙而在废水中沉淀（薛玉等，2003）。花岗石和粘性土壤为主要介质的人工湿地对污水中磷的去除率达90%以上(成水平，1997)。如何选择合适的基质类型对去除污水中的磷显得十分重要。另外,基质内孔隙直径大小也影响污染物的吸附和去除(薛玉等，2003)。人工湿地中微生物的种类和数量是极其丰富的,这为人工湿地污水处理系统提供了足够的分解者。芦苇床系统的根表面根际土的细菌数量可达108 个/ 克干重,且季节变化大,慢流渗透土地系统的水稻土中氨化细菌数量在107 个/ 克干重以上（李科德等，1995）,香蒲、灯心草人工湿地中细菌、放线菌、真菌数量大,且季节变化大，空间分布不均匀（成水平和夏宜琤，1998）。研究证实污水中BOD 和COD 的去除率与微生物数目明显相关；污水中NH3-N 的去除率与根区的硝化细菌和反硝化细茵数量相关性极显著;而磷元素的去除率则与根际中的磷细菌数目呈正相关（沈耀良等，1999）。针对植物在人工湿地中的作用，人工湿地植物的研究概括起来表现在植物吸收、吸附和富集的研究、植物输氧的研究和植物水力传输的研究三方面（成水平等，2002 ）。植物对氮磷等营养物的直接吸收决定植物的生物量，对于生活污水来说，其吸收量占系统总去除量的5%10%（Stottmeister et al., 2003）。植物通过摄取同化、吸附富集等途径去除油类、有机物和重金属等污染物（杨昌凤等，1991；Ellis et al., 1994），在富营养化水体中，植物对藻毒素也有一定的去除作用（吴振斌等，2000）。另外，也有报道称植物对人工湿地水体中外源生物活性物质、LAS 等具有很好的去除效果（王庆安等，2000；李海东，2003）。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。人工湿地植物的生长受介质、气候、温度等影响,其吸收营养盐的能力随生长与生理活动状态而变化,因而污水净化效果也不一样（朱彤等，1991；成水平等，1997）。湿地环境是一种严酷的逆境，对于污水处理人工湿地来说，由于污染物降解消耗大量氧气，常常导致基质缺氧。缺氧条件下,生物不能进行正常的有氧呼吸,还原态的某些元素和有机物的浓度可达到有毒的水平。人工湿地中植物能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的微环境（Fennessy et al.，1994）。这种有氧区域和缺氧区域共存的环境为根区的好氧、兼性和厌氧微生物提供了各自适宜的小生境(Brix, 1987)，即使在污染物降解消耗大量氧气情况下,植物根区仍保持氧化状态（Armstrong, 1978）。基质中氧化-还原电位明显地高于无植物区域基质，间隙水中的总铁、总锰含量下降（Dunbabin et al.，1988），这也使微生物在人工湿地中更好的向纵深的扩展（成水平和夏宜琤，1997）。由于植物根系对介质的穿透作用,在介质中形成了许多微小的气室或间隙,减小了介质的封闭性,增强了介质的疏松度,从而使得介质的水力传输得到加强和维持(Beven, 1982; Brix, 1987)。成水平等（1997）进行的人工湿地处理污水的试验中发现,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。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，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(Brix, 1987)。3.2.国内外发展趋势人工湿地系统在发达国家已被用来处理各类不洁的水体,包括家畜与家禽的粪水（Knight et al., 2000; Nguyen, 2000）、尾矿排出液（Wenerick et al., 1989; Mays & Edwards, 2001）、工业污水（Thut, 1993; Gillespie et al., 2000）、农业废水（Rivera et al., 1997; Sun et al., 1999）、垃圾场渗滤液（Staubitz et al., 1989; Trautmann et al., 1989）、城市暴雨径流或生活污水（Thurston, 1999; Laber, 2000）、富营养化湖水（Angelo & Reddy, 1994; Bachand & Horne, 2000）等。然而在实际应用中，还有很多问题有待解决，主要表现在如下几个方面：湿地处理污水机理： 湿地去污机理相当复杂,很多化学过程与生物化学过程至今尚未完全弄清或存在不同观点。主要表现在湿地本质及其复杂的生态学过程、每种养分、金属元素与有机化合物的去除过程与机理,包括物理、化学与生物学过程、有机物、无机化合物和金属离子在湿地系统内的相互作用及其对植物、微生物和土壤的影响、根际微生态系统的综合作用及O2、pH和Eh对湿地生态系统的综合影响等（夏汉平，2002）。人工湿地可持续发展：长久保持人工湿地的处理能力及人工湿地与生物多样性保护、农业生产与灌溉、水产养殖、旅游观光等方面结合起来的持续发展的湿地系统方面的研究还有待深入开展（Knight, 1997; Campbell & Ogden, 1999）。植物种类选择：选择合适的植物种类,特别是通过试验观测,从当地的天然湿地中选择抗污力强、净化效果好的物种是一项优先考虑的工作。另外,多个物种的合理搭配,单一物种净化能力的提高也是一个重要的发展方向。开发合适的工艺：根据人工湿地所处位置的地理气候条件、湿地的规模、负荷率、几何布置、植物种类构成、废水的类型及主要污染物类型等的不同，选择合适的人工湿地类型、工艺和植物组合等。控制疾病：湿地有足够的水分和养分,是许多疾病载体的良好生境,例如蚊子、苍蝇、钉螺等，这些需要通过进一步的研究和实践加以解决（Krishnan & Smith, 1987; Knight, 1997; Kivaisi, 2001）。气味控制：几乎所有的湿地，不论是自然的还是人工的，一般都会有一定的气味,而且气味随溶解氧量或流入的水质不同而不同。不良气味主要来自逸出的NH3、H2S以及N和S的各种挥发性有机合物等（Kadlec & Knight, 1996）。这些气味会损害人体或周围动植物的健康，但目前尚没有较好的解决办法，因此，这也将是一个重要的研究课题。第二章 研究方法1.人工湿地系统构建及运行1.1.人工湿地微系统构建微系统由50 cm长35 cm宽40 cm高的塑料箱改造而成（图5）。微系统表面安装有配水管2，有进水口1与外界相连；底部安装有集水管3，有出水管4与外界相连。配水管下半部分和集水管周围铺有3 cm厚的粒径为5-10 mm的碎石，其余部分由细沙填充，填充高度为35 cm。水管底部均有孔洞（图中未标出），水流可自由进出。植物种植于该系统中。污水通过进水口进入系统，通过配水管均匀分配于系统内，经处理后进入底部集水管排出系统。系统处理空间为60 L，孔隙度为