南京林業(yè)大學(xué)研究生課程論文2010?2011學(xué)年第1學(xué)期課程名稱：森林生態(tài)系統(tǒng)論文題目：人工濕地在污染處理方面的構(gòu)建及應(yīng)用作者：王小龍王洋尤俊龍楊君凱任課教師：吳永波二O一一年十月人工濕地在污染處理方面的構(gòu)建及應(yīng)用王小龍，王洋，尤俊龍，楊君凱摘要：人工濕地作為污水處理技術(shù)的一種與傳統(tǒng)的污水處理法相比具有基建、運行費用低、操作與維護簡單等優(yōu)點。這項技術(shù)適合在廣大農(nóng)村、中小城市的污水處理。本文總結(jié)了人工濕地系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，并對其未來的應(yīng)用前景做出了展望。關(guān)鍵字：人工濕地研究現(xiàn)狀前景展望ApplicationofWetlandonTreatmentofPollutionAbstract:Comparedwithtraditionaltreatmentmethod,artificialwetlandsasanewwastewatertreatmenttechnologywasprovidedwiththeinfrastructure,lowoperationcost,simpleoperationandmaintenance.Thistechnologyissuitablesewagetreatmentinthevastruralareasandsmallcities.Thispapersummarizestheresearchofartificialwetlandsystemstatus,andprospectsforitsfutureapplicationstomakethevision.Keywords:Artificialwetland;ApplicationProspect1濕地及人工濕地簡介1.1濕地的功能與作用濕地是指天然或人工的、永久性或暫時性的沼澤地、泥炭地和水域，蓄有靜止或流動的淡水、半咸水或咸水，包括低潮時水深不超過6m的海水區(qū)。［1］它是位于陸生生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)之間的過渡性地帶，是重要的國土資源和自然資源，如同森林、耕地、海洋一樣，具有多種功能。其在保持水源、凈化水質(zhì)、抵御洪水、調(diào)節(jié)徑流、蓄洪防旱、控制污染、調(diào)節(jié)氣候、控制土壤侵蝕、促淤造陸、保護海岸、美化環(huán)境等方面有其它系統(tǒng)不可替代的作用，具有巨大的生態(tài)功能。濕地與人類的生存、繁衍、發(fā)展息息相關(guān)，是自然界最富生物多樣性的生態(tài)景觀和人類最重要的生存環(huán)境之一。因此濕地被譽為地球之腎、天然水庫和天然物種庫。在世界自然保護大綱中濕地與森林、海洋一起并稱為全球三大生態(tài)系統(tǒng)。⑵1.2我國濕地現(xiàn)狀根據(jù)濕地的地理分布特點，可粗略地將我國的濕地分為青藏高原、西北內(nèi)陸、東北、長江中下游、華北、西南和東南沿海等七大區(qū)域。我國是世界上濕地類型齊全、數(shù)量豐富的國家之一，濕地面積居亞洲第一位、世界第四位，濕地為我們提供了巨大的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益，所以保護好濕地具有特殊重要意義。然而，隨著人口的急劇增加，對土地的不斷擴張，對濕地的不合理開發(fā)利用導(dǎo)致中國天然濕地日益減少，濕地的功能和效益不斷下降。導(dǎo)致濕地現(xiàn)狀不斷惡化的主要原因有：過度和不合理的水資源利用盲目圍墾和過度開發(fā)濕地資源沼澤面積的急劇減少濕地地區(qū)上游水土流失⑶隨著濕地現(xiàn)狀的不斷惡化，其產(chǎn)生的環(huán)境問題也不容小視，所以保護濕地以及建設(shè)人工濕地顯得尤為重要。1.3人工濕地的含義人工濕地是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的污水處理生態(tài)工程。人工濕地是一種由人工建造和監(jiān)督控制的，與沼澤地類似的地面，利用自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用來實現(xiàn)對污水的高度凈化。［4］人工濕地污水處理系統(tǒng)源于對自然濕地的模擬，這種濕地系統(tǒng)是在一定長寬比及地面坡度的洼地中，由土壤和按一定坡度充填一定級別的填料混合結(jié)構(gòu)的填料床組成，并在床體的表面種植具有處理性能好、成活率高、抗水性強、生長期長、美觀且具有經(jīng)濟價值的植物，它與在水中、填料中生存的動物、微生物形成一個獨特的動植物生態(tài)環(huán)境，污水流經(jīng)床體表面和床體填料縫隙時，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解等實現(xiàn)對污水的高效凈化處理⑸。實際設(shè)計過程中，常采用多級串聯(lián)、并聯(lián)，或附加必要的預(yù)處理、后處理設(shè)施。1.4人工濕地的分類⑸按水流方式分類：（1）地表流濕地：地表流濕地類似于沼澤，污水以較慢速度從濕地表面流過，濕地中的氧來源于水面擴散與植物根系傳輸。（2）潛流濕地：污水從一端水平流過填料床，其由一個或多個填料床組成，床體填充基質(zhì)，床底設(shè)防水層，氧源于植物根傳輸。（3）垂直流濕地：污水從濕地表面縱向流入填料床底，床體處于不飽和狀態(tài)，氧通過大氣擴散與植物根傳輸進入濕地。按主要植物分類：（1）浮水大型植物系統(tǒng)：以浮水植物為主，植物繁殖能力強，可通過光合作用由根系向水體放氧。（2）挺水大型植物系統(tǒng)：以挺水植物為主，植物根系發(fā)達，可通過根系向基質(zhì)送氧，使基質(zhì)中形成多個好氧、兼性厭氧、厭氧小區(qū)，目前人工濕地主要指挺水植物系統(tǒng)。（3）沉水植物系統(tǒng)：以沉水植物為主，該系統(tǒng)還處于試驗階段,主要用于初級處理與二級處理后的精處理。不同的人工濕地類型有著各自的功能及優(yōu)缺點，例如地表流濕地具備投資少，操作簡單，運行費用低等優(yōu)點，但占地大，水力負荷小，凈化能力有限，系統(tǒng)運行受氣候影響大。潛流濕地水力負荷與污染負荷較大，對BOD、COD、SS及重金屬等處理效果好，但控制相對復(fù)雜，脫N和P效果欠佳。垂直流濕地硝化能力強，適于處理氨氮含量高的污水，但處理有機物能力欠佳，控制復(fù)雜。浮水大型植物系統(tǒng)可通過植物吸收有效去除N、P及重金屬等污染物，目前主要用于N和P的去除。挺水大型植物系統(tǒng)利于多種微生物繁殖，便于污染物的多途徑降解。人工濕地的建設(shè)要結(jié)合當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境，以便發(fā)揮其最大的效能。2人工濕地現(xiàn)有應(yīng)用及研究進展2.1人工濕地處理系統(tǒng)對氮和磷的去除人工濕地處理系統(tǒng)對氮和磷的去除作用方式包括：基質(zhì)的吸附、過濾、沉淀以及氨的揮發(fā)、植物的吸收及微生物硝化和反硝化作用。氮是植物生長的必須元素，水中的無機氮主要包括氨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮三種形式，這三種形式的氮均可被人工濕地中的植物吸收，合成植物蛋白質(zhì)，最后通過植物的收割形式從濕地中去除，另一部分則可轉(zhuǎn)化成氨，以氣態(tài)的形式揮發(fā)到大氣中。根據(jù)實驗結(jié)果，人工濕地中氨化細菌、亞硝化細菌、硝化細菌、反硝化細菌數(shù)量都處于較高水平，因此人工濕地具硝化、反硝化、脫氮的良好基礎(chǔ)和潛力。［6］此外，陳桂珠等的模擬實驗中表明，在紅樹林中，白骨壤對污水中污染物總凈化效率具較高的凈化效率，其中，氮、磷平均凈化效率可達80.8%、90.4%。［7］磷和氮是生物的必須元素，且水體中的磷是富營養(yǎng)化的限制性元素，在含量過高時可造成藻類過度繁殖而成富營養(yǎng)化狀態(tài)。最常見的是磷酸鹽、聚磷酸鹽和有機磷酸鹽。植物吸收無機磷和吸收無機氮一樣，都是在吸收同化作用下，將無機磷變成植物體的組成部分，最后也是需要通過植物收割將其除去。所以選擇植物將這些氮磷吸收則是最為直接的方法，在歐維新等的實驗表明：蘆葦對于氮磷的凈化率可達87.08%-95.65%。［8］2.2濕地植物去除有機物的機制人工濕地對有機物有較強的降解能力，水中的不溶性有機物通過濕地沉淀、過濾作用，從廢水中截留下來而被微生物利用；可溶性有機物則通過植物根系生物膜的吸附、吸收和生物代謝降解過程被去除。有關(guān)研究結(jié)果表明，在進水濃度較低的條件下，人工濕地對BOD5的去除率可達85%-95%，COD去除率達80%以上，處理出水中BOD5的濃度在10mg/L左右，SS小于20mg/L。［9］廢水中大部分有機物作為異養(yǎng)微生物的有機養(yǎng)分，最終被轉(zhuǎn)化為微生物體及CO2、H2O。2.3濕地植物所能產(chǎn)生的微生物對污染的去除去除濕地污染所需的微生物在某些濕地植物上能夠具有較好的活性。而去除氮、磷、有機物的污染所需的微生物包括：細菌、真菌、放線菌、有機磷細菌、無機磷細菌、硝化細菌和反硝化細菌等，通過實驗證明：細菌數(shù)量較大的濕地植物為美人蕉和垂穗莎草，真菌和放線菌數(shù)量較多的分別是美人蕉和玉帶草，硝化細菌和反硝化細菌較多的則為香蒲，有機磷細菌較多的為美人蕉，無機磷細菌較多的是玉帶草。［10］2.4濕地應(yīng)用現(xiàn)狀2.4.1自由水面人工濕地處理系統(tǒng)（FWS）的機理與應(yīng)用現(xiàn)狀在自由水面人工濕地處理系統(tǒng)中，污水在基質(zhì)表層自由流動，所以水面暴漏于空氣中，水位也較淺，一般在0.1m?0.6m范圍內(nèi)。通常由幾個池體相隔，為了防止地下水源被污染，同時在池底鋪不透水材料，所以自由水面人工濕地處理系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上包括三層，由土壤、植物根系以及填料組成的基質(zhì)層；植被落葉與微生物相互作用的腐殖質(zhì)；表面流水與植物層，具體見圖1［11］。從它的結(jié)構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)，自由水面人工濕地由于污水從其表面流過，雖然與空氣直接接觸，但氧氣很難通過水體進入質(zhì)密的基質(zhì)層和腐殖質(zhì)層，所以很容易形成好氧區(qū)和缺氧區(qū)，從而易于硝化一反硝化的進行，即對污水脫氮起到了有效的作用。除此之外，由于基質(zhì)層與植物間的過濾作用、微生物的同化作用及攝取作用、水表層的太陽輻射線作用它們在去除懸浮物固體、氨態(tài)氮和病原菌方面也有明顯的作用。以浙江海洋學(xué)院海洋科學(xué)學(xué)院廖維敏等人以浙江省舟山城北水庫人工濕地為例，進行了表面流人工濕地處理生活污水的研究，結(jié)果表明，濕地在2010年5?10月運行的6個月中，對污水中COD（化學(xué)需氧量XBOD（生物需氧量XTN水體氮總量XNH4-N的去除率分別為6440%、4483%、7283%、60.98%和35.06%［12］。由于南方早稻期間降雨多，農(nóng)田排水多、面源污染嚴重，譚茂蘭等于2009?2010年間，對自由水面人工濕地處理系統(tǒng)在控制農(nóng)田排水污染物方面做了相關(guān)的研究，試驗在廣西桂林青獅潭灌區(qū)農(nóng)田灌溉區(qū)域中地勢低洼處建立表面流人工濕地（也即自由水面人工濕地處理系統(tǒng)）對農(nóng)田排水進行處理。2009?2010年，早稻期間定時檢測農(nóng)田排水中氮磷污染物的變化情況及表面流人工濕地對氮磷污染物的去除效果，結(jié)果表明：2009?2010早稻期間，表面流人工濕地對總氮去除率分別為43.11%、48.95%;總磷的去除率分別為54.23%、43.28%，去除效果較好［13］。又如吉林大學(xué)彭舉威、康春莉等人，根據(jù)糠醛生產(chǎn)廢水的特點，利用生產(chǎn)企業(yè)所處低洼鹽堿地，改造成表面流人工濕地，研究表面流人工濕地處理糠醛生產(chǎn)廢水的作用效果，結(jié)果表明，經(jīng)濕地處理后的廢水COD去除率平均為94%，TN去除率平均為65%，TOC（總有機碳）去除率平均為94.9%。處理后的廢水pH值為6.22U4］。顯然，自由水面人工濕地處理系統(tǒng)（FWS）在污水凈化與處理方面具有顯著的作用，而且具有設(shè)計簡單、投資少、適宜于農(nóng)村污水處理等優(yōu)點。但是也有諸方面的缺點，比如濕地負荷小而面積大，水體聚于表層，冬天結(jié)冰，夏天容易滋生蚊蟲，對周圍居住環(huán)境帶來的影響，所以就自由水面人工濕地處理系統(tǒng)（FWS）這一結(jié)構(gòu)而言，在某些方面還應(yīng)給予改善。圖1自由水面人工濕地處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.4.2人工潛流濕地處理系統(tǒng)（SSFW）潛流濕地主要是指在污水進入濕地時對其進行控制，使之流入已布置完善的基質(zhì)層與不透水底層中間的透水層，而這一透水層往往由大量的碎石、卵石、砂或者土壤等多孔介質(zhì)材料組成。這樣污水可以充分的接觸基質(zhì)顆粒表面，具較強的吸附能力，其吸附及離子交換能力遠遠高于表面流。與此同時，由于細小顆粒的大量存在，也為微生物的繁衍提供了適宜的場所，因此相對表面流濕地，它更以較小的面積擔(dān)負更多的處理過程，處理污水效率高較高。具體見圖2。以南京師范大學(xué)能源與機械工程學(xué)院仝昭昭等人在垂直潛流濕地對生活污水的凈化效能方面的研究為例，采取間歇式進水和垂直潛流濕地結(jié)合的方法處理實際生活污水，結(jié)果表明：總氮(TN)和氨氮(NH4-N)的去除，種植植物的濕地以HRT(水力停留時間)為7d處理效果最好，TN和NH4-N去除率最高分別達到99.60%和99.58%。對總磷(TP)的去除，4個濕地均以HRT為6d為最佳，去除率均高于93.00%。通過對不同植物的研究，發(fā)現(xiàn)植物床對氮的去除效果優(yōu)于空白濕地［15］。再以海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室周艷麗等人在水平潛流人工濕地脫氮除磷方面的研究進展為例，他們對氮磷的去除機理進行了詳細的研究，同時就如何提高除氮磷的效率對植物、基質(zhì)、水力停留時間、溫度等因素進行了分析，最后他們認為植物對去除率的貢獻都是由實驗觀察得出，真正的機理還未弄清。盡管如此，在構(gòu)建過程中還是可以根據(jù)已有的應(yīng)用實例作出選擇；在相同的進水水質(zhì)和水力停留時間下，沸石潛流濕地的除氮效果好，總氮去除率達60%，礫石人工濕地除磷效果好，總磷去除率達70%以上；為達到一定的去除率所需的水力停留時間與溫度有一定的關(guān)系，在較高的溫度下，所需的時間較短；而較低的溫度下，所需的時間較長［16］。所以我們看出，人工潛流濕地處理系統(tǒng)它在除氮磷等效率方面優(yōu)于自由水面人工濕地處理系統(tǒng)，包括面積小，負荷大，對環(huán)境衛(wèi)生沒有副作用等特點。但是，在實際操作中也有諸多缺點，以堵塞問題和造假問題尤為突出。中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所潘珉等人，針對滇池湖濱福保人工濕地運行后潛流濕地基質(zhì)嚴重堵塞的問題進行了研究，分析造成基質(zhì)堵塞的原因，從工藝路線、碎石床結(jié)構(gòu)、填料徑粒和布水方式等方面對原有人工濕地進行分析，并進行工程改造。改造后人工濕地污水處理量4000m3/d，垂直潛流停留時間11.7h，水力負荷1.57m3/(m2-d)，水平潛流停留時間17h，水力負荷0.79m3/(m2-d)。改造運行一年后主要污染物去除率在80%左右，有效孔隙率、滲透系數(shù)與建成初期沒有明顯變化［切。圖2人工潛流濕地處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3人工濕地在處理污染方面的應(yīng)用前景及存在的問題3.1應(yīng)用前景從上文可以看出，人工濕地對污水的處理具有很好的凈化效果，且人工濕地具有投資少、運行能耗低、穩(wěn)定性強、綠化面積大、操作簡單，維護方面等優(yōu)點。然而構(gòu)建的人工濕地應(yīng)該使其形成一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，才能使它的功能維持在一個相對穩(wěn)定的環(huán)境下，具有良好的污水處理能力、較好的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。由于人工濕地所需的面積較大，可以與水產(chǎn)養(yǎng)殖結(jié)合起來，發(fā)展成為一個大的生態(tài)系統(tǒng)，有實驗表明，對于水華的去除，一些以浮游植物或藻類為食的魚類的數(shù)量，通過魚類的吞食來解決濕地的富營養(yǎng)化等問題。[18]目前，在濕地植物的應(yīng)用中，主要的研究方向偏向于將濕地植物通過不同的組合，使用不同的濕地結(jié)構(gòu)，使其發(fā)揮較大的凈污能力。閆健等通過實驗證明：通過在不同組合的人工濕地系統(tǒng)中，種植即美觀，又具有較好的凈污能力的濕地植物，在對生活污水的處理中具有較好的效果。[19]3.2存在問題濕地中的植被容易枯死衰退，有根系擴展較淺及雜草叢生等問題。因此，選擇適宜的、具有更強凈化能力并且可以重復(fù)利用的植被是構(gòu)建人工濕地的根本條件。必須根據(jù)不同地理，不同氣候等條件選擇適宜的植被。人工濕地單位面積的污水處理負荷較低，因此往往占地面積較大。在東部沿海地區(qū)應(yīng)該通過科學(xué)規(guī)劃，提高其附加值，如將其與水產(chǎn)養(yǎng)殖結(jié)合在一起。另外，氣候條件對人工濕地有重要影響。在我國南方地區(qū)，洪水及雨季往往會改變濕地環(huán)境甚至淹沒濕地，嚴重影響系統(tǒng)的運行。而在北方地區(qū)，冬季嚴寒，水面封凍，足以影響濕地系統(tǒng)凈化處理功能的正常發(fā)揮，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的處理效率降低甚至完全喪失處理能力。另外，人工濕地占地大、對高濃度廢水處理能力一般，長期運行處理效果下降等，這些問題都急需解決。參考文獻[1]王京國，白山，王毅杰.濕地的功能與濕地資源的保護對策[J],吉林林業(yè)科技.2010.39(2):54-62⑵中國濕地生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀信息專欄，廣東園林.2005.28(2):42-45魯奇，劉洋.中國濕地消失的因素及保護對策[J],自然生態(tài)保護.2001.10(2):21-23徐光來，徐曉華.人工濕地污水處理技術(shù)的應(yīng)用初探[J],云南地理環(huán)境研究.2006.18(3):44-48梁繼東，周啟星，孫鐵珩.人工濕地污水處理系統(tǒng)研究及性能改進分析[J].生態(tài)學(xué)雜志.2003.22(2):49-55陳桂珠，陳桂葵，譚鳳儀，黃玉山白骨壤模擬濕地系統(tǒng)對污水的凈化效應(yīng)[J],海洋環(huán)境科學(xué).2000.11(4)：23-26歐維新