污水處理型人工濕地構(gòu)建中幾個問題的探討

楊琇楦施瑤王忠強何春光程明明

(1 東北師范大學國家環(huán)境保護濕地生態(tài)和植被恢復重點實驗室,長春 130024；2 東北師范大學地理科學學院，長春 130024）

污水處理型人工濕地構(gòu)建中幾個問題的探討

楊琇楦1,2施瑤1王忠強1,2何春光1程明明2

(1 東北師范大學國家環(huán)境保護濕地生態(tài)和植被恢復重點實驗室,長春 130024；2 東北師范大學地理科學學院，長春 130024）

水體污染已成為制約我國經(jīng)濟發(fā)展和人居安全的重要問題，以人工濕地為代表的“生態(tài)景觀型”的水體污染修復方法應(yīng)用日益廣泛，成為城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要組成部分，所具有的凈水、景觀和增濕等功能，使人工濕地在水體治理領(lǐng)域具有不可比擬的作用（Wu et al，2014；Pozo-Morales et al，2013）。人工濕地水體治理處理技術(shù)于1987年引入中國，在20世紀90年代快速增長。人工濕地系統(tǒng)的運行是我國城市的生活污水、養(yǎng)殖廢水以及工業(yè)廢水治理技術(shù)中的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。目前，人工濕地雖然具有建設(shè)成本和運行成本低等優(yōu)點，但在孔隙堵塞、基質(zhì)與植物選擇和協(xié)同匹配以及后期運行管理等方面存在諸多問題，嚴重影響人工濕地的凈水效能和運行壽命。

人工濕地作為近自然的生態(tài)型水體處理工程，包括潛流型濕地、表面流濕地及垂直流濕地等人工濕地類型，構(gòu)建的基本要素是基質(zhì)和植物。合理選擇基質(zhì)和植物，以及二者的搭配對人工濕地去除污染物具有關(guān)鍵作用。人工濕地的管理和運行也是決定其去除效能的關(guān)鍵因素。目前人工濕地存在基質(zhì)堵塞、植物選取、人工濕地系統(tǒng)管理不善的問題，需要進一步研究和討論。

深圳梅山苑污水處理濕地（雷志洪 供圖）

污水處理型人工濕地是利用基質(zhì)、濕生植物協(xié)同凈化水體污染物，具有良好的景觀價值與生態(tài)功能。目前，人工濕地的實際構(gòu)建中，在基質(zhì)和植物選擇、運行管理中存在一系列問題，就這幾方面問題進行分析并探討解決方案和思路。

人工濕地；基質(zhì)；濕地植物；管理

1 人工濕地的基質(zhì)選取問題

基質(zhì)是人工濕地重要的組成部分，也是濕地植物生長的載體，大部分物理、化學、生物等反應(yīng)都在基質(zhì)中進行。人工濕地基質(zhì)通過吸附、沉淀、過濾以及微生物分解等方式，用于去除污水中的氮、磷、有機污染物、重金屬污染物等，對去除COD也有顯著的效果。人工濕地基質(zhì)主要分為天然基質(zhì)、工業(yè)副產(chǎn)品和人造產(chǎn)品3類，不同基質(zhì)的功能特點見表1。

選取基質(zhì)的原則：①經(jīng)濟適用，選取價格低廉的基質(zhì)，以減少人工濕地構(gòu)建的成本；②運輸方便，就地取材，減少運輸成本；③根據(jù)污染物種類進行專一性選擇，以提高目標污染物去除效率。在去除氮方面，用沸石做主要濕地基質(zhì)材料，結(jié)果表明沸石除氨氮效果可達86.7%（Wang et al，2013）。在去除磷方面，總磷（TP）的去除效率為無煙煤＞生物陶粒＞頁巖＞石英砂，對不同形態(tài)磷的去除性能是依賴于基質(zhì)的性質(zhì)和吸附機理，比較分析表明，頁巖吸附顆粒態(tài)磷的效能好；無煙煤吸附可溶性活性磷（SRP）的能力強；生物陶粒去除溶解有機磷（DOP）效果好（Jiang et al，2014）。目前，人工基質(zhì)存在用料單一的問題，考慮到人工濕地建設(shè)的成本問題，在基質(zhì)的選擇上一般就地取材，物盡其用，盡可能降低大規(guī)模填料的購買及運輸成本，這也限制了選取基質(zhì)材料的多樣性。但水體總體上多為復合性污染，進行單一性基質(zhì)選擇比較困難，必須進行不同種類或者不同大小的基質(zhì)進行組合。通過有序排列大小不同的顆粒做基質(zhì)，實驗研究結(jié)果顯示該組合方式明顯減少了堵塞現(xiàn)象發(fā)生（Pozo-Morales et al，2013）。另外，基質(zhì)與植物搭配也是提供人工濕地清除效率的關(guān)鍵所在，添加E藻或E藻與INCB組合，可以顯著提高系統(tǒng)除氮效能，實驗結(jié)果表明，硝酸鹽的去除率可達98%（Liu et al，2014)。有關(guān)組合基質(zhì)人工濕地的去污效果以及影響因素研究,將是今后人工濕地研究的一個重要方向。

基質(zhì)在人工濕地清除污染物和支撐植物生長方面具有重要作用，但人工濕地系統(tǒng)在凈化污水的過程中，堵塞是人工濕地運行與維護環(huán)節(jié)中不容忽視的問題（Ye et al，2014）。美國環(huán)保局對美國國內(nèi)100多個運行中人工濕地的調(diào)查結(jié)果表明，一半的濕地系統(tǒng)在投入使用后的5年內(nèi)出現(xiàn)了堵塞問題。產(chǎn)生堵塞的原因：①顆粒物造成基質(zhì)堵塞。污水帶來的泥沙、淤泥等顆粒物在流經(jīng)人工濕地基質(zhì)時，因受濕地基質(zhì)阻礙而減速并沉降，大量的顆粒物在基質(zhì)床上沉積造成基質(zhì)堵塞；②生物膜堵塞?；|(zhì)中的微生物對去除污水中氮、磷等污染物有重要作用，在一定程度上能提高系統(tǒng)的凈化效能。微生物在基質(zhì)表面附著、增殖，形成生物膜，降低人工濕地的水力傳導系數(shù)，最終導致人工濕地基質(zhì)堵塞。人工濕地系統(tǒng)中微生物含量高，藻類生物膜產(chǎn)生堵塞系統(tǒng)運行（Raudales et al，2014）；③植物根系及植物死亡腐爛造成基質(zhì)堵塞；④化學沉淀作用導致基質(zhì)堵塞。金屬氫氧化物和硫化物的化學沉淀在基質(zhì)表面形成膜狀包衣，減少基質(zhì)的孔隙，從而造成堵塞。因此在基質(zhì)選擇上，盡量選擇通透性好、比表面積大、吸附能力強的基質(zhì)填料。另外，研發(fā)新型基質(zhì)也是人工濕地領(lǐng)域的重要課題，主要在提高基質(zhì)吸附效能，便于微生物定殖，較少堵塞等方面進行研究。如研發(fā)人造多孔輕質(zhì)基質(zhì)，人工懸浮基質(zhì)具有可塑性強、密度可控性等其他人工濕地基質(zhì)不具備的優(yōu)點，可以做成任意大小及形狀，可以有效避免堵塞現(xiàn)象發(fā)生，延長人工濕地使用壽命。

2 人工濕地植物選取的問題

植物是人工濕地系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，依據(jù)植物吸收化學元素的機理吸收水體污染物，并通過移取植物體將污染物清除水體，同時植物的存在也是人工濕地呈現(xiàn)生態(tài)功能和景觀價值的核心所在（Edwards et al，2006）。具有特殊清除污染物功能的濕地植物的選取和培育還需要濕地科學、植物學、植物營養(yǎng)學、生態(tài)學和環(huán)境科學等多學科進行研究。人工濕地植物選擇要遵循以下原則：①凈化能力強。濕地植物生長需要氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，選取生物量大的植物提高人工濕地系統(tǒng)凈化污水的能力；②適應(yīng)性好。所選取的濕地植物要適合當?shù)氐臍夂颦h(huán)境，盡量選擇本土物種，謹慎選用外來物種，避免外來物種生長泛濫對環(huán)境帶來不可估計的影響；③經(jīng)濟性適宜。一方面選擇成本低的苗木，盡量減少人工濕地的構(gòu)建成本，另一方面選擇具有經(jīng)濟價值的植物，如菱角、薏米、荸薺等，可以銷售植物果實便于植物更替，具有商業(yè)價值；④美學價值高。選取具有觀賞性的植物，如睡蓮、荷花。在構(gòu)建人工濕地和濕地公園時加入園林設(shè)計的理念，在凈化水體的同時美化環(huán)境，形成自然合一的休閑景觀。常見的濕地植物種類包括香蒲、蘆葦、茭草、菖蒲、荸薺、荷花、再力花、千蕨菜、美人蕉、燈芯草、野姜花等。這類植物較為常見，或為本土優(yōu)勢品種，對當?shù)丨h(huán)境適應(yīng)力強，生物量大，植物生長需要大量的氮、磷等元素，可以去除污水中化學元素，在凈化水體方面具有顯著效果。

目前，用于濕地的大多數(shù)植物是以觀賞為首選的草本植物為主，不足之處在于受季節(jié)影響明顯，秋冬整株枯萎，需要人工移除，否則植物死亡后有機物的積累速率大于其分解速率，容易堵塞人工濕地系統(tǒng)，植物殘體在水體中分解，造成污染物回歸，同時不適合在北方冬季使用。所以，在濕地植物選取方面，一要關(guān)注植物和基質(zhì)的協(xié)同去污的機理和功能研究，二要培育具有經(jīng)濟價值的植物，三是研究適合在北方寒冷地區(qū)使用的人工濕地植物，特別是寒冷地區(qū)的植物選擇是人工濕地構(gòu)建的技術(shù)難點（Chen et al，2010）。陳永華等（2014）將木本植物引入潛流型人工濕地。木本植物的根系更深，生物量更大，多年生，冬季部分枯萎，可減少因植物死亡在水中分解的污染物回歸量，在空間上增加了生物多樣性等。研究表明：夾竹桃、木槿、女貞、梔子4種木本植物引入濕地后長出了白色的水生根系，且數(shù)量多于陸地土壤栽培條件的土培根系，有效地解決了水生環(huán)境造成木本植物缺氧死亡的問題，試驗期間系統(tǒng)TN平均去除率為40.2 %，TP平均去除率為80.8% 。NH4+-N的平均去除率為61.8%，各月份間的差異隨著季節(jié)溫度的變化基本一致，擴大了人工濕地植物的篩選范圍。使用木本植物代替草本植物用做人工濕地物種，人工濕地系統(tǒng)受氣候的限制也明顯減弱，更適用于北方的人工濕地系統(tǒng)。

3 人工濕地管理的問題

良好的人工濕地構(gòu)建一方面是合理的基質(zhì)、植物的選取和組合，來提高污染物清除效能；另一方面，人工濕地的管理也是保證其有效凈化水的關(guān)鍵。人工濕地不僅是人工建設(shè)的濕地，更需要人的管理和參與，人工濕地的高效運行，核心還是“人”，包括合理設(shè)計，高質(zhì)量建設(shè)以及后期良好的運行管理。

表1 基質(zhì)的種類及特點

目前，人工濕地研究更為注重處理污水的工藝及其機理研究，而較容易忽視運行管理給人工濕地處理系統(tǒng)帶來的影響。人工濕地系統(tǒng)的運行管理相比于傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)要容易得多，并且科學的運行管理不僅可保持人工濕地處理系統(tǒng)對污染物穩(wěn)定、高效的去除效能，還可延長人工濕地的使用壽命，同時通過適當?shù)墓芾砭S護，可以解決人工濕地可能帶來的一些生態(tài)問題，充分發(fā)揮其美化環(huán)境、豐富物種的社會效應(yīng)（Zhang et al，2014）。人工濕地的管理問題，包括水位和流量管理問題、植物凋落物回收等。對于一個設(shè)計良好的人工濕地來說，水位控制和流量調(diào)整是影響其處理性能的最重要的因素。水位的改變影響人工濕地處理系統(tǒng)的水力停留時間，流量的大小則直接影響污染物的去除效能。例如，潛流濕地床水位管理的周期性淹水和排水有助于打亂蚊子的生長周期，控制蚊蠅數(shù)量，避免蚊蟲滋生；濕地出水水位便于調(diào)節(jié)，有利于人工濕地的變水位運行，改善濕地的運行效果（Zhang et al，2009）；人工濕地在運行中，植物殘枝落葉會落到人工濕地表面，若不及時清理，會影響水質(zhì)和人工濕地的凈水效率。

人工濕地作為城市景觀和人居環(huán)境美化的重要載體，以及居民休閑娛樂的場所，也是重要的環(huán)境保護教育載體，引導人們參與人工濕地管理，是一個行之有效的管理措施，主要的管理方式是在人工濕地周圍建設(shè)人力水體循環(huán)設(shè)施、人力曝氣裝置，如人力水井、人力水車等，一方面可以為居民提供健身娛樂工具，另一方面可以促進人工濕地水體循環(huán)和增氧曝氣，提高人工濕地去污效能，同時居民的參與過程也能增進其環(huán)保意識和對環(huán)境科技的理解和認知，特別是對青少年環(huán)保意識的提高具有重要的教育意義，成為大中小學校的環(huán)?？萍冀逃亍?/p>

4 結(jié)論

人工濕地作為一種生態(tài)工程，要依據(jù)生態(tài)學原則構(gòu)建，不僅是一個工程，更要體現(xiàn)生態(tài)學價值，而目前人工濕地的建設(shè)更側(cè)重工程性，主要考慮人工濕地系統(tǒng)建設(shè)的經(jīng)濟成本、去除污染物能力等，而對人工濕地所具有的生態(tài)價值還需進一步體現(xiàn)，最終使人工濕地成為真正的生態(tài)工程，成為生態(tài)城市和人居環(huán)境美化的核心。

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Some Issues on Construction of Artificial etland for Wastewater Treatment

YANG Xiu-Xuan1,2SHI Yao1WANG Zhong-Qiang1,2HE Chun-Guang1CHENG Ming-Ming2
(1 National Key Laboratory for Environmental Protection of Wetland Ecology and Vegetation Restoration, Northeast Normal University, Changchun 130024; 2 School of Geographical Sciences, Northeast Normal University, Changchun 130024)

Constructed wetlands (CWS) have been widely used to treat wastewater for its land-intensive, low-energy, and less-operational-requirements. However, some problems in substrate clogging, plant selection and wetland management affect the water purification efficiency of constructed wetlands. The paper aims to provide some suggestions to solve the problems for improving the construction of artificial wetlands.

Constructed Wetlands; Substrate; Wetland plants; Management

10.3969/j.issn.1673-3290.2015.02.02

2015-01-01

國家水體污染控制與治理重大科技專項課題“伊通河水體生態(tài)修復技術(shù)集成及工程示范”（2012ZX07201-001）；2013年度吉林省留學人員科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目；中國博士后基金特別資助（2012750276）

楊琇楦 (1992-)，女，碩士研究生，主要研究方向：濕地生態(tài)。

E-mail： yang0x489@nenu.edu.cn

王忠強，副教授，博士，主要從事濕地生態(tài)與修復研究。E-mail： wangzq027@nenu.edu.cn