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人工濕地的構建與應用
第9卷第4期2011年12月
濕地科學
WETLANDSCIENCE
Vol.9No.4Dec.2011
人工濕地的構建與應用
張清
(國家自然科學基金委員會，北京100085)
摘要:論述了人工濕地污水處理技術的機制和優勢，闡述了人工濕地的構建和污水處理研究進展，表明人工濕地的污水處理效率與污染物的種類和污染程度、人工濕地的類型、濕地植物種類、基質類型、水力停留時間和水力負荷等密切相關。在中國，典型人工濕地有3種類型，分別為垂直流人工濕地、潛流式人工濕地和表面流人工濕地，主要用于處理來自化糞池、養殖場、造紙廠、油田、煤礦、富營養湖泊以及城市生活等的污水。構建人工濕地常用的植物有蘆葦(Phragmitesaustralis)、香蒲(Typhaorientalis)、美人蕉(Cannaindica)、眼子菜(Potamogetonsp.)和金魚藻(Ceratophyllumdemersum)等，常見的基質成分為礫石、沸石、沙子、土壤或爐煤渣等。通過系統總結中國人工濕地在污水處理過程中的研究進展和應用實例，認為建立人工濕地去除污染物具有良好的應用前景，今后應該進一步加強人工濕地的基礎理論研究，進一步推廣人工濕地的應用。關鍵詞：人工濕地；濕地構建；污水處理；研究展望中圖分類號：X171
文獻標識碼：A
文章編號：1672-5948(2011)04-373-07
濕地是由水陸相互作用而形成的具有特殊功能的自然綜合體，是重要的國土資源和自然資源，是生物重要的生存環境，與人類的生存和發展息息相關，也是自然界最富有生物多樣性的生態景觀[1]。目前，基于學術和管理兩個層面，約有濕地定義60余種[2,3]。基于學術層面，主要從水文學、植物學、泥炭地質學和景觀學等幾個角度給出了濕地定義[4]；由于研究者從不同學科出發，研究的區域及對象不同，給出的定義也有差異。基于管理層面，被廣泛認可的當屬《濕地公約》中的濕地定義：“濕地系指不論其為天然或人工、長久或暫時之沼澤地、泥炭地或水域地帶，帶有或靜止或流動、或為淡水、半咸水或咸水水體者，包括低潮時
[5]
水深不超過6m的水域。”。濕地是富有生物多
減少[8,9]，為了保護濕地，各地除建立濕地自然保護區對自然濕地進行保護外，還積極模擬天然濕地，構建和發展人工濕地，以利用其造福人類。
1人工濕地的發展
人工濕地(constructedwetland)是人工設計與建造的由飽和基質、挺水與沉水植被、動物和水體組成的復合體[10]。在20世紀70年代，人工濕地處理系統大多利用原有的天然濕地，將天然濕地系統與人工建造的氧化塘處理系統結合起來，既保持了天然濕地的原有結構，又提高了氧化塘系統的處理效果；80年代以后，人工濕地發展為由人工建造的、以不同粒徑的礫石等為填料基質，并種植有一定去污能力植物的處理系統，這樣的構建模式使得人工濕地進入了規模性的應用階段[11]。國外對人工濕地污水處理技術研究開展較早，最早可以追溯到1903年建在英國約克郡Earby的濕地系統，它持續運行到1992年；1953年，德國Seidel在研究中發現，蘆葦(Phragmitesaustralis)通過其根區產生微生物活性的區域作為生化反應器來轉化、降解有機物，可以去除污染物[12]。1990年7月，
樣性和生態功能的生態系統，被譽為“生物超市”、
[6]“自然之腎”、“物種基因庫”和“文明的發源地”。
中國是世界上濕地資源最豐富的國家之一，其面積僅次于加拿大、俄羅斯和美國[7]。近幾十年來，由于盲目開墾濕地、過度耗用水資源、任意排放污染物以及氣候暖干化、河流天然水量減少、泥沙淤積嚴重等因素使得中國濕地不斷退化、面積急劇
收稿日期：2011-06-19；修訂日期：2011-08-11
作者簡介：張清(1972-)，男，內蒙古自治區烏蘭察布人，工學博士，副研究員，主要從事環境工程方面的研究。E-mail:Zhangqing02@mail.tsinghua.org.cn
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在中國深圳成功建立了第一個人工濕地污水處理工程——白泥坑人工濕地污水處理系統[13]。
2人工濕地的構建與結構優化
人工濕地的一般工藝流程包括預處理、水生植物池和集水排水3大部分[14]，如：原污水→格柵→污水集水池→植物池A→植物池B→集水池→回用或排放水體[15]，其中起主要凈化作用的是水生植物池，因此幾乎所有的研究都是在水生植物池中進行。人工濕地構建者為了使濕地具有更好的去污效率，常常根據污染物組分的不同和主要污染物的含量，來構建不同類型的人工濕地，選擇適宜的填充基質、水生植物、水力停留時間(hy-draulicretentiontime，HRT)和水力負荷度(loadofhydraulicpower，LHP)等，來提高不同人工濕地凈化受污染水的效果。2.1人工濕地的類型
根據污水在濕地床中流動的方式，可將人工濕地分為3種類型[16]：垂直流人工濕地(verticalflowconstructedwetland，VFCW)、潛流式人工濕地(subsurfaceflowconstructedwetland，SSFCW)和表面流人工濕地(surfaceflowconstructedwetland，SFCW)。
垂直流人工濕地主要用于處理氨氮含量高的污水，污水從濕地表面縱向流向填料床的底部；其對磷的去除效率差異很大[17~19]，且體積負荷較小，對介質要求較高，水流容易堵塞[20,21]，不利于推廣使用，但與表面流、潛流式人工濕地相比，垂直流人工濕地具有較強的去除有機物和氮的能力[22,23]，且有很高的穩定性及抗沖擊負荷能力[24]。龔琴紅等研究認為，垂直流人工濕地填料在磷的去除中起主要作用[25]；SunG等利用垂直流人工濕地的回流技術處理農業污水，發現其對化學需氧量(CODCr)、五日生化需氧量(BOD5)、固體懸浮物(SS)和氮的去除率明顯提高[26]。復合垂直流人工濕地系統處理效果相當穩定，但對總氮去除效果較差[27]。
潛流式人工濕地由一個或多個填料床組成，污水從一端水平流過填料床到另一端。與表面流濕地相比，其對BOD5、CODCr、SS和重金屬的去除效果較好，同時，處理過程中減少了臭氣的散發和臭味的產生，而且床體可以對污水保溫，這種工藝在國際上有較多的研究和應用，用于處理生活污水[28]、工業廢水[29]、醫療廢水[30]、暴雨徑流[31]、礦山
廢水[32,33]、石油開采廢水[29,34~36]、垃圾場滲濾液[37]等
污水，但潛流式人工濕地容易發生堵塞現象[38,39]。
表面流人工濕地的水力路徑以地表推流為主，在污水處理過程中，主要是通過植物莖葉的攔截、土壤的吸附過濾和污染物的自然沉降來達到去除污染物的目的。表面流人工濕地的去污能力高于天然濕地處理系統，但與垂直流、潛流式人工濕地相比，其去污效果相對較差。
聶志丹等研究發現，垂直流人工濕地對氨氮、總氮和總磷的去除效果最好，潛流人工濕地對高錳酸鹽指數和葉綠素a的去除效果最好[40]。有研究表明，表面流濕地對總氮的去除效果較好[41]，但在運行過程中容易產生異味，孳養蚊蠅，造成局部環境惡劣，也不適合在寒冷地區應用[42]。而表面流人工濕地與潛流人工濕地組合，則具有污水處理效果穩定、水力負荷大等特點[43]。除此之外，還有很多以上述人工濕地為基礎進行改良設計的人工濕地污水處理系統，如波式潛流人工濕地[44]、潛流型厭氧處理濕地[45]、推流床濕地、下行流濕地、上行流濕地、好氧塘和兼性塘的不同組合工藝[46]等，去污效果各有利弊。2.2人工濕地的基質
目前，用于人工濕地的基質主要有石塊、礫石、砂粒、細砂、砂土和土壤[47~49]，還有礦渣、煤渣和活性炭等[50]。這些基質可以為微生物的生長提供穩定的依附表面，除此之外，基質還可以為水生植物提供支持載體和生長所需的營養物質，當這些營養物質通過污水流經人工濕地時，基質通過一些物理、化學途徑(如吸附、吸收、過濾、絡合反應和離子交換等)凈化污水中的氮、磷等營養物質及其他污染物[51]，基質對有機污染物的去除主要體現在對磷的吸附上[52]。魏成等研究發現，沙土混合基質對污染物總氮、總磷、CODCr和BOD5的去除率最高，小粒徑基質比大粒徑基質效果更好，并能夠保持更穩定的凈化效率[53]。有學者分別研究了鋼鐵廠廢渣、沸石、砂子、蛭石、黃褐土、下蜀黃土、粉煤灰、礦渣、鋼渣、頁巖、礫石和棕色土壤等人工濕地填料對磷的吸附特性[54~57]，都發現人工土配方的混合基質的吸附能力和凈化水質能力均高于原料基質。
人工濕地土壤類型的不同對污水處理效果也有很大的影響[58,59]。楊昌鳳等認為，這與土壤里的微生物、土壤的離子交換能力有關[60]。本文作者
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認為，在實際處理污水時，除了考慮土壤的靜態處理效果外，還要考慮土壤的透水性，兼顧兩方面因素，所建的人工濕地才能有較好的污水處理效果。2.3人工濕地的植物
濕地植物種類很多，其生長易受到介質、氣候條件等的影響，植物吸收污染物的能力也隨生長與生理活動的狀態而變化，因而其污水凈化效果也不一樣。人工濕地選擇的植物必須適應當地的土壤和氣候條件。因各種濕地植物對不同污染物的去除效果各有差異，所以多種植物組合使用時，將有利于植物之間取長補短，從而提高濕地系統的污水凈化效率[61]。目前人工濕地植物研究的重點已從鳳眼蓮(水葫蘆)(Eichhorniacrassipes)轉移到蘆葦和香蒲(Typhaorientalis)上[62]，蘆葦和香蒲在人工濕地中被廣泛使用，它們既是中國北方與南方的常見物種，也是國際公認的最佳濕地植物[63]。
濕地植物能有效促進濕地的氮元素轉化過程，顯著縮短無機氮在濕地中的寄宿時間[64]，但濕地植物對重金屬(如Cu[65]、Zn[66]等)的吸收積累能力主要取決于植物體的生物量。濕地植物能有效提高水體透明度和水體觀感，但并不能明顯提高人工濕地對CODCr和DO的凈化效果[67]。王德科等在杭州發現，金魚藻(Ceratophyllumdemersum)、狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)、微齒眼子菜(Pota?mogetonmackianus)、馬來眼子菜(Potamogetonmalaianus)、鳳眼蓮和苦草(Vallisneriaspiralis)6種水生植物對水中總氮、總磷和硝態氮都有較好的去除效果，尤其以狐尾藻和微齒眼子菜兩種植物的效果最好[66]。王慶海等在北京以各種水生植物的越冬成活率、功能期、總生物量、植株平均氮、磷含量和氮、磷累積量為指標進行聚類分析表明，供試的8種植物按照凈化能力可明顯分為3類：水生鳶尾(Irispseudacorus)的生物量大，氮、磷含量和氮、磷累積量高，對水中氮、磷污染物的去除能力強；菖蒲(Acoruscalamus)、香蒲、荻(Triarrhercasac?chariflora)和蘆竹(Arundodonax)的生物量較大，氮、磷含量和氮、磷累積量較高，對水中氮、磷污染物的去除能力也較強；扁稈藨草(Scirpusplanicul?mis)、千屈菜(Lythrumsalicaria)和蘆葦的生物量較低，對氮、磷的綜合去除能力較弱[68]。
陳永華等在長沙根據濕地植物實際各項單一指標的比較情況，建立了凈化潛力的綜合評價體
系[69]，把17種植物按照凈化能力分為3大類，第1大類為具有較強凈化能力的植物：蘆葦、千屈菜、美人蕉(Cannaindica)、風車草(Cyperusahemifo?lius)、水蔥(Scirpusvalidus)、再力花(Thaliadealbata)和花葉美人蕉(Variegatedcanna)；第2大類為具有中等凈化能力的植物：菖蒲、蘆竹、香蒲和梭魚草(Pontederiacordata)；第3大類為具有較弱凈化能力的植物：鳶尾、野芋(Colocasiaantiquorum)、燈心草(Juncuseffusus)、蔥蘭(Zephyranthescandida)、澤瀉(Alismaplantago)和花菖蒲(Irisensata)。從以上幾個典型例證可以看出，在不同的地域用相同的濕地植物對同一種污染物的凈化效果是不同的。因此，應該因地制宜，尋找適合本地自然環境的濕地植物，在人工濕地中加以應用。
3人工濕地的應用
作為20世紀70年代發展起來的一種新型污水處理生態系統，人工濕地以其建設運營成本低、去污能力強、使用壽命長、工藝簡單、組合多樣化等優勢，近年來在世界各地得到了廣泛的應用[70~73]，其應用范圍主要集中在褐煤熱解[74]、油砂廢水[75]、礦山廢水[76]、奶品加工[77]、食品工業[78]、造紙廢水[79]、烴類廢水[80]和垃圾場滲濾液[81]凈化處理等方面，但應用人工濕地對農田污水灌溉前的凈化處理的報道卻少見。中國在這些方面的研究起步較晚，人工濕地規模較小，在處理技術和管理上還相對比較落后。以上人工濕地污水凈化處理的典型應用實例見表1。
4建議
人工濕地系統是一個半開放、半封閉的生態系統，它形成了良好的內部循環，投資低、處理污水效果明顯，操作簡單、維護和運行費用低廉，在處理污水的同時還可以種草、養魚，增加收益，節約資源，具有較好的經濟效益和生態效益，在大、中、小城市和鄉村缺少專業管理和技術人員的條件下均能使用，具有極其廣闊的應用前景。但中國南北氣候差異較大，要在全國范圍內統一推廣人工濕地污水處理系統困難較大，為此提出以下建議。
第一，加強人工濕地基礎理論研究。目前關于人工濕地的研究大多集中在對濕地類型、填充
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表1國內應用人工濕地處理污水的典型實例
Table1TypicalcasesofwastewatertreatmentusingtheconstructedwetlandsinChina
人工濕地類型
污水類型飲用水凈化[82]
水生植物蘆葦等
人工濕地基質礫石
水力負荷[m3/(m2·d)]
1.20.275～0.32
礫石,人工土沸石,礫石,高爐煤渣碎石
21,14,70.375,0.5,0.75
1.01.3*14.0*0.24～2.4
污染物種類磷酸鹽,CODCr,BOD5,氨氮CODCr,BOD5,總磷,總氮,溶解氧CODCr,BOD5,總磷,氨氮CODCr,BOD5,總磷,總氮氨氮,葉綠素a,藍藻CODCr,BOD5,pH,固體懸浮物CODCr,總磷,總氮,氨氮CODCr,總磷,總氮,氨氮,硝態氮CODCr,BOD5,總
生活污水[44]
蘆葦,美人蕉
土壤,礫石
0.375*
磷,總氮,固體懸浮物,氨氮
油田污水[89]
蘆葦
礫石,爐渣
0.5,HRT=2d
CODCr,總磷,總氮,石油類化合物SO4-2,Mn,Fe,大腸菌群等
河道污水[83]香蒲等
垂直流人工濕地化糞池污水[84]美人蕉
養殖場污水[85]蘆葦,香蒲
富營養湖水[86]
造紙廠廢水[87]蘆葦沙粒,礫石沸石,粉煤灰,礫石沸石,碎石
景觀水體[88]草皮
暴雨徑流[31]
潛流式人工濕地
蘆葦,茭草
煤礦污水
[90]
蘆葦FeSO40.6
*
注：表中水力負荷一列中標*號者為作者根據參考文獻數據計算得出。
基質和水生植物的選擇與評價方面，而有關構建人工濕地時濕地面積、水流深度、濕地植物的種植密度、尤其是最佳水力負荷的設定等方面的研究報道很少，研究工作缺乏系統性和針對性。建議進一步探究人工濕地的去污機制，優化設計參數，為人工濕地的構建提供可靠的理論依據。
第二，加大人工濕地的推廣與應用力度。目前，有關利用人工濕地進行污水處理的研究大多數都處于實驗性階段，污水制備和人工濕地構建也多數停留在實驗室模擬階段，不同地區、不同類型的人工濕地在現實生活當中運行時，往往難以達到預期的理想效果，還需進一步結合不同地域的環境條件和不同的應用目的開展研究和進行技術推廣。
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4期
張清等：人工濕地的構建與應用
379
ConstructionandApplicationofConstructedWetlands
ZHANGQing
(NationalNaturalScienceFoundationofChina,Beijing100085,P.R.China)
Abstract:Thispaperpresentsthemechanismsandadvantagesoftheconstructedwetlandsandindicatesthere-searchsituationofthewetlandconstructionanddispositionofsewagebytheconstructedwetlands.Itshowsthatmanyfactorssuchasthecomponentsandlevelsofpollutants,thetypesofconstructedwetlands,thecate-goriesofitsplantsandfillers,thehydraulicretentiontimeaswellastheloadofhydropowercaninfluencetheefficiencyoftheconstructedwetland.InChina,therearethreemajortypesofconstructedwetlands:verticalflowconstructedwetland,subsurfaceflowconstructedwetlandandsurfaceflowconstructedwetland.Theseconstructedwetlandsaremainlyusedfortreatingthesewagefromcesspit,nursery,papermill,oilandcoalmine,eutrophiclakeandcitylife.Duringtheconstructioncourseofwetlands,reed,cattail,herbofdistinctpondweedandladderbrakearechosenasthedominatingplants,andthephosphate,zeolite,sand,soilandcoalcinderarechosenasthemainfillers.Accordingtoresearchproceedingandapplicationexamplesofthecon-structedwetlandsusedondispositionofsewage,thepresentpaperhasdiscussedtheforegroundofthecon-structedwetlandsforwastewatertreatmentandinvestigationsinthefuture.Theauthorsuggeststhatfurtherre-searchworkonthebasictheoryandthepopularizationandapplicationofconstructedwetlandsshouldbeen-hanced.
Keywords:constructedwetland;wetlandconstruction;sewagedisposal;researchprospect
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