人工濕地污水凈化機(jī)理與植物的應(yīng)用研究.doc

人工濕地污水凈化機(jī)理及植物的應(yīng)用研究摘要人工濕地因在污水處理系統(tǒng)中去污效果好，建造運(yùn)行費(fèi)用低，已經(jīng)成為人們競相研究的熱點(diǎn)，本文通過對人工濕地的分類、去除污染物的作用機(jī)理、濕地植物的功能與選擇原理等方面的研究進(jìn)展，分析了氮磷、有機(jī)物與重金屬等有機(jī)物的去除機(jī)理，探討了濕地植物的分類與對不同類型人工濕地的去除效果，最后對人工濕地后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)研究的幾個方面進(jìn)行展望。關(guān)鍵詞：人工濕地；凈化機(jī)理；濕地植物中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A隨著社會的發(fā)展與水資源短缺問題的加劇，人類對水環(huán)境要求不斷提高，我國對水質(zhì)的排放標(biāo)準(zhǔn)也越來越嚴(yán)格。近幾十年來，全國各地興建大量污水處理廠，對我們水質(zhì)的提高起到巨大的改善作用。早期污水處理廠普遍采用的二級生物處理工藝雖然可以很大幅度的降低污染物濃度，但處理后的水質(zhì)仍然無法滿足新的排放標(biāo)準(zhǔn)。同時對于已被污染與自凈能力較低的受納水體來說，只能延緩水環(huán)境污染的發(fā)展趨勢，排放水體中污染物濃度仍較高1，此類水體無法作為景觀園林等需要的回用水體。另外，二級處理工藝因受到自身?xiàng)l件制約，現(xiàn)有的污染物去除水平已不能再大幅提高2。被譽(yù)為“地球之腎”的濕地，是陸生生態(tài)與水生生態(tài)之間的過渡地帶，能夠環(huán)境自凈、調(diào)節(jié)氣候、維持生態(tài)平衡的生態(tài)系統(tǒng)3，其在地球上治理污染方面起到不可替代的作用。但目前許多自然濕地的凈化能力已逐漸飽與，許多地區(qū)采取積極措施保護(hù)自然濕地，同時不斷地開發(fā)新型人工濕地來模擬自然濕地進(jìn)行水質(zhì)的改善，補(bǔ)充修復(fù)已污染受納水體4。因此人工濕地的研究與應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛的擴(kuò)展。1. 人工濕地的種類人工濕地生態(tài)系統(tǒng)通過人工建造與控制管理的地面系統(tǒng)，通常首先在具有一定長寬比與坡度的洼地底部鋪墊粘土或不透水材料，再以特定粒徑的砂土與卵石填充，最后種植能起到吸附污染物質(zhì)的水生植物，發(fā)揮凈化水體的作用。通過從污水廠流出污水的水流形式可以把人工濕地生態(tài)系統(tǒng)分為3種5表面流人工濕地（SFW如圖1.1）、水平潛流人工濕地（SSFW如圖1.2）6與立式流人工濕地（VFW如圖1.3）7。圖1.1 表面流人工濕地（SFW）圖1.2 水平潛流人工濕地（SSFW）圖1.3 立式流濕地(VFW)2. 污染物去除機(jī)理人工濕地凈化水體中污染物的作用機(jī)理十分復(fù)雜，一般情況認(rèn)為是在物理作用、化學(xué)作用與生物作用的相互協(xié)同作用下去除污染物質(zhì)8。2.1氮磷的去除污水中的無機(jī)氮可以在植物的生長過程中被攝取利用，轉(zhuǎn)化成植物蛋白等有機(jī)氮的形式其從水體中去除9。除了植物的吸收作用，有機(jī)氮主要是被微生物分解去除，由填料與植物根莖中生長的微生物在好樣與厭氧交替狀態(tài)下通過硝化與反硝化作用最終變成氮?dú)馊コ?，這類似于多個串并聯(lián)的A/A/O 處理單元，但經(jīng)濟(jì)方面節(jié)省許多10-11。人工濕地中磷元素的去除主要包括植物的直接吸收、微生物作用及物理化學(xué)反應(yīng)的協(xié)同作用。污水中的無機(jī)磷通過植物的吸收與利用轉(zhuǎn)化成植物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)。微生物作用方面是利用濕地中生長的聚磷菌吸收水體中多余的磷元素，通過對同化與過量積累作用去除磷元素。R. Bhamidimarri 等12的研究過程表明：在進(jìn)水總磷濃度為2.6-5.9mg/L時，人工濕地對磷的去除率能夠達(dá)到90%。2.2 有機(jī)物的去除首先通過濕地填料的共沉淀、攔截去除SS等不溶性有機(jī)物；可溶性有機(jī)物在濕地中隨污水的流動過程中通過生物膜的分解代謝等作用被去除，最終被轉(zhuǎn)化成CO2、H2O與微生物，最終從系統(tǒng)中去除。人工濕地對BOD的去除率可以達(dá)到60%-96%，符合我國二級排放標(biāo)準(zhǔn)。2.3 重金屬的去除人工濕地去除重金屬是通過填料的截留與植物的吸收等作用完成，在植物吸收重金屬后體內(nèi)分泌絡(luò)合物質(zhì)與重金屬產(chǎn)生螯合作用，去除重金屬。例如鳳眼蓮的根系十分發(fā)達(dá)且生長更新速度快, 能夠吸收降解水體中的酚、氰等物質(zhì), 將其轉(zhuǎn)換成自身所需的營養(yǎng)物質(zhì)。3. 人工濕地植物的研究 3.1 人工濕地植物種類1953 年，德國Max Planck 研究所Seidel博士在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)蘆葦能對污水中的污染物有良好的去除作用13，然后設(shè)計(jì)開發(fā)出Max-planck Institute Process系統(tǒng)。而后提出了“根區(qū)理論”14，該理論標(biāo)志著人工濕地系統(tǒng)作為獨(dú)具特色的新型污水處理工藝正式進(jìn)入水污染控制領(lǐng)域。人工濕地的核心是植物，不同種類的植物可以去除特定的污染物，同時能夠綠化美觀土地，調(diào)節(jié)氣候，平衡生態(tài)系統(tǒng)。應(yīng)用在人工濕地中的水生維管束植物可分為濕生植物、挺水植物、浮葉植物、漂浮植物與沉水植物。按生活作用類型，濕地植物可分為灌木、喬木與草本植物。人工濕地系統(tǒng)應(yīng)用較多的是利用草本植物(尤其是挺水植物)來凈化污水, 如被廣泛應(yīng)用的蘆葦、寬葉香蒲等。 3.2 人工濕地植物功能（1） 凈化功能人工濕地植物是利用自身的根系吸附與利用受污染水體中的氮磷與有機(jī)物等營養(yǎng)物質(zhì)，并且對重金屬等有害物質(zhì)也具有有效的去除能力。賀鋒等15通過實(shí)驗(yàn)證明，主要是植物的地上莖葉部分對氮元素進(jìn)行積累，所以對植物的地上部分進(jìn)行收割能夠有效地去除污水中的氮。相關(guān)研究表明，種植了水生植物的人工濕地在硝化作用方面遠(yuǎn)強(qiáng)于未種植的人工濕地，具有較強(qiáng)的脫氮除磷能力16。水蔥應(yīng)用在食品廠廢水中COD與BOD的去除中，COD去除率可達(dá)到70%-80%，BOD去除率達(dá)到60%-90%，而茭白與慈姑對城市污水中的BOD 去除率高達(dá)80% 以上。陳明利等17實(shí)驗(yàn)證明，種植鳳眼蓮與水蕹的濕地與未種植的相比，去除Cd2+的效率能夠提高65.3%，去除Zn2+的效率提高43.7%。（2）保持濕地環(huán)境被種植在人工濕地中的水生植物通過降低污水水流的速度，使得懸浮物更容易沉淀,降低再次懸浮的風(fēng)險，同時大幅度增加植物根莖與污水的接觸時間，提高污染物的去除效果。冬季北方較冷地區(qū)會使表面流人工濕地表面結(jié)冰，水生植物可以起到支撐冰面的作用，已經(jīng)枯萎的植物殘?bào)w被冰雪覆蓋，保護(hù)，避免濕地填料凍壞，因此使得人工濕地在嚴(yán)寒冬季也能發(fā)揮凈化水質(zhì)的作用。此外，植物能夠適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)濕地周圍的氣候條件，并對景觀起到美化的作用，為各種野生動物提供生長繁殖的地方，還能夠阻滯沙塵、凈化空氣，為人們提供更舒適的生活環(huán)境。 3.3 人工濕地植物的選擇（1）根據(jù)地區(qū)的環(huán)境選擇需要建造人工濕地的不同地區(qū)環(huán)境背景不同，氣候條件、地形與景觀環(huán)境等存在差異與特定性，這些因素都是在選擇人工濕地植物時需要充分考慮的方面，做到因地制宜、適地適種十分重要。比如，具有根系生長向土性的植物（更加適合種植在表面流人工濕地里，更加有利于根系的生長；喜好無土環(huán)境生長的一些原本生長在湖泊、沼澤等地的水生植物（藨草、香蒲、茭白）等更加適合潛流式人工濕地。（2） 根據(jù)植物的抗逆性選擇人工濕地種植抗逆性較強(qiáng)的植物對濕地系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高有很大作用。植物的抗逆性包括抗鹽、抗低溫、抗高溫、抗細(xì)菌、抗污染等。保證植物能夠在惡劣的背景環(huán)境下也能發(fā)揮良好的去除污染物的能力，抗逆性較差的植物會影響對污染水體的凈化作用（3） 根據(jù)植物的凈化能力選擇不同的植物種類對不同的污染物具有較好的去除能力。比如有實(shí)驗(yàn)證明，蘆葦能夠有效去除污水中的氮元素，鳶尾能夠有效去除污水中的磷元素?；ㄈ~蘆竹對NH4+、TN 與TP 的去除率分別高達(dá)93%、88% 與98%。4.研究展望目前，對人工濕地的各方面研究數(shù)量很多，但是人工濕地所具有的“黑箱效應(yīng)”使人們重點(diǎn)放在人工濕地的工程應(yīng)用與實(shí)效方面，認(rèn)識內(nèi)部污染物的去除機(jī)理與過程不夠充分，為了加強(qiáng)認(rèn)識人工濕地凈化機(jī)理，提高其凈化效果，我們今后的研究重點(diǎn)分以下幾個方面：（1） 進(jìn)一步加強(qiáng)對人工濕地所種植物生長過程的研究。人工濕地容易受到人為操作與管理的影響，濕地運(yùn)行中植物的光合作用等代謝過程都會受不同程度的影響。比如，美人蕉在濕地系統(tǒng)的生長繁殖與陸地的種類相比的研究較少。因此，加強(qiáng)對治污生長環(huán)境因子的研究能夠使人工濕地的處理效能得到有效提高。（2） 加強(qiáng)人工濕地內(nèi)部微生物與植物的相互協(xié)調(diào)作用研究。發(fā)達(dá)的根系有利于微生物的生長與繁殖，同時有些種類的分泌物能夠刺激微生物的分解作用。部分植物根際細(xì)菌具有特定的酶途徑，能夠降解特定的有機(jī)物。因此，進(jìn)一步加強(qiáng)植物-微生物界面協(xié)同作用對污水處理具有良好的促進(jìn)作用。（3） 繼續(xù)進(jìn)行人工濕地植物種類的選擇與植物資源化的研究。不同類型的植物根系的生長程度、氧氣的輸送能力、吸收營養(yǎng)的恩呢管理等都存在各方面的差異，同時需要加強(qiáng)各植物種類之間的相互搭配，使人工濕地系統(tǒng)具有穩(wěn)定高效的運(yùn)行狀態(tài)，提高污水凈化能力。最后，需要加強(qiáng)現(xiàn)在已經(jīng)建成的人工濕地的后續(xù)可持續(xù)性研究。參考文獻(xiàn)：1 顧宗濂.中國富營養(yǎng)化湖泊的生物修復(fù)J. 農(nóng)村生態(tài)環(huán)境,2002,18（1）: 42-45.2 Grady C P Leslie, Daigger Glen T, Henry C. Biological Wastewater Treatment M.NewYork: Marcel Dekker.Inc, 1999.3 劉衍君.人工濕地在污水處理中的應(yīng)用及其展望J.云南環(huán)境科學(xué),2003.4 Thomas P R, GloverP, KalaroopanT.Anevaluation of pollution removal from secondary treated sewage effluent using aconstructed wetland systemJ.Water SciTechnol,1995,32(3):87-93.5 吳曉磊.1995.人工濕地廢水處理機(jī)理J.環(huán)境科學(xué),16(3):93-86.6 United States Office Of Water EPA 832-R-93-008 Environmental Protection(4204) July 1993 Agency. Subsurface Flow Constructed Wetlands for Wastewater Treatment A.7 籍東國等.人工濕地及其在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用J.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2002,13(2):224-228.8 Brij G. Natural and constructed wetlands for wastewater treatment:potentials and problemsJ.Wat.SciTech,1999,40(3):27-35.9 王平,周少奇. 人工濕地研究進(jìn)展及應(yīng)用J.生態(tài)科學(xué),2005,24(3):278-281.10楊敦,周琪.人工濕地脫氮技術(shù)的機(jī)理及應(yīng)用J.中國給水排水,2003,19(1):23-24.11 吳曉磊.人工濕地廢水處理機(jī)理.環(huán)境科學(xué).Vol16.3.12 Bhamidimarri Retal. Wat.Sci.Tech.1991,24（5）:247.13 House C.H. Combining constructed wetlands and aquatic and soil filter for reclamation and reuse of waterJ. Ecological Engineering,1999,12:27-38.14 Gersberg R M, Elkins B V, Lyon S R, et al. Role of aquatic plants in