高效人工湿地构建技术研究进展欧阳琰

JOURNALOFCHINESEURBANFORESTRY2008.6(6)67人工湿地是人工建设的、可控制的和工程化的湿地系统；它同时也是一个独特的土壤－植物－微生物生态系统。其构建技术是重要的水污染处理共性技术。目前，人工湿地被广泛应用于湖泊、河流、库塘以及湖滨带的重建与恢复以及水污染处理。在这些领域中已显示出极大的发展潜力；可以预见人工湿地一定会具有广阔的应用前景。国内经过多年的研究积累，已经在部分环节中取得了重要进展，这些研究成果可以在我国不同区域，尤其是太湖流域的推广使用。1引言人工湿地，又称构造湿地或湿地处理系统，是人工建设的、可控制的和工程化的湿地系统。从净化污染的角度出发，其设计和建造是通过对湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合来进行的，一般利用这三者的协同作用来处理废污水[1-2]，是一个独特的土壤－植物－微生物生态系统。人工湿地具有投资运行费用低，管理方便，处理效果好，低维持技术等特点。目前被广泛应用于湖泊、河流、库塘以及湖滨带的重建与恢复以及水污染处理，其构建技术是重要的水污染处理共性技术。运用人工湿地处理污水可追溯到1903年，建在英国约克郡的人工湿地被认为是世界上第一个用于处理污水的人工湿地[2]。1953年，德国MaxP1anck研究所发现芦苇能高效人工湿地构建技术研究进展欧阳琰1周长芳1顾惠忠2马东跃2姜昊1徐德琳1胡凤琴1姚懿函1安树青11南京大学生命科学学院南京2100932江苏无锡市农林局无锡214023够去除污水中大量的有机和无机物质，随后开发出Max-P1anck处理系统。1977年由Kickuth提出“根区理论”（Root-zoneTheory），采用栽种芦苇的水平潜流湿地使有机物降解，硝化反硝化去除氮，沉淀去除磷，奠定了人工或构造湿地废水处理的理论基础[3]。随后，对人工湿地的研究深入到基质、植物、微生物等各个组分，同时，各学科之间的交叉融合也为人工湿地的研究提供了新的技术与思路。2人工湿地介质选择与开发研究早期基质的选择往往是经验性的，利用一些常见的自然湿地基质并测定它们对特定污染物的去除能力。Dinges等发现自然土壤对磷的去除可达98%，但往往容易引起床体堵塞；砾石除磷的效果也不理想。随后的研究工作不仅注重高效的污染物去除能力，还试图从基质的物理、化学特性上揭示产生这种去除能力的原因；研究发现基质材料的去除能力与粒径等物理特征相关较小，而与基质中钙（碱性条件时）或铁、铝（酸性条件时）离子的含量相关性明显）。随着构造湿地处理污水技术的推广和对基质的大量使用，价格成为基质选择时考虑的另一个重要约束因素，测定各种工农业副产品的去污能力，筛选廉价高效基质材料的研究得到了发展；同时，如何恢复已达到饱和吸附状态的基质材料的吸附能力也得到了重视，Scholz等利用微生物处理对重金属元素达到饱和吸附的多孔材料，取得了良好效果。近年来，开始测定一些生物材料的污染物去除能力，如maerl（一种矿化的海草）[4]的能力测定与利用，这预示着下一代基质开发的发展趋势。由于最初关于湿地植物的研究重点在于验证构造湿地中植被是否能提高去除污染物质效率，在实验设计上强调有植物湿地与无植物湿地之间的去除效果的差异，所以选用的植物往往是很常见的种类如芦苇、香蒲等或其他本地物种，而且湿地中物种单一。20世纪90年代中期以来，一方面为了提高对不同污染物的去除效率，另一方面也考虑到构造湿地的可观赏性和社会经济价值，构造湿地植物种的选择开始呈现多样化的趋势，同时也开始考虑多种植物的协同作用[5-6]。植物可以通过自身吸收利用去除一部分污染物质，尽管这种去除作用对总的污染物去除而言只占很小比例。20世纪80年代中期，主要比较植物对不同污染物质吸收效果的差异，其研究数据只涉及总的吸收状况。随着研究的深入，新的研究工作不仅包括不同物种之间吸收量的比较，还涉及植物在不同生长期吸收能力的变化、处于湿地床体不同位置的植物吸收量的差异和被吸收的同种污染物质在植物体的不同组织68中分布的比例等。植物对构造湿地最终去污效果的影响，很大程度上在于它改变了湿地床体内部环境，继而影响了一系列生物、非生物过程。这种环境的改变包括水力学、生物学、化学等方面。在八十年代以前，关于构造湿地中植物根系供氧的研究集中于外部条件（温度、湿度等）对供氧的影响，以及分析这种供氧如何通过改变湿地其他条件来影响整个去污过程。发现供氧能引起的床体内氧化还原势变化，有利于重金属离子的氧化和沉淀，同时，这种氧化还原势的提高有利于微生物分解作用和基质吸附磷。最新的工作则一方面考虑利用特殊的运行管理方法（如定期用低含氧的污泥浸泡根系、采用合适的收割间隔期等等）提高植物根系供氧能力[7]；而另一方面考虑定量分析这种供氧能力。同时，对植物根系改变水力学因素、植物根系释放碳源物质，影响微生物反硝化过程和植物空间结构削弱水面光照，阻碍藻类生长等进行研究。3人工湿地硝化、反硝化研究微生物学家很早就开展了针对硝化、反硝化菌的研究，累积了大量有关知识。所以构造湿地中硝化、反硝化的研究工作有一个比较高的起点。微生物介导的反硝化过程与碳源的提供直接相关，在C:N5:1时，硝态氮的去除能达到90%以上[1]，Thurman等检测了进入构造湿地废水中溶解性有机碳含量，证明其含量值偏低是湿地反硝化过程低效的重要原因。硝化菌是严格好氧的微生物，使用通气管给湿地床体内部供氧，取得了较好的去除氨氮效果。但由于实验室环境和湿地环境有很大不同，导致微生物的繁殖与活性都有较大差异，所以早期工作比较重视这些知识在湿地系统中适用性的研究。进入九十年代以来，一方面，通过改动湿地的一些基本物化条件促进微生物活性的研究仍然在继续，Russell等通过掩埋脱落的植物组织为反硝化菌提供缺氧环境和可利用碳源；另一方面，量化这些影响的工作得到了开展。另外，通过添加硫和石灰石来提高氮的去除效果。这一方法的优点在于(1)不需额外添加碳源,降低了运行费用；(2)微生物代谢废物少,不容易使床体堵塞。但目前尚处于起步阶段，仍然需要进一步完善。通常意义上的生物膜是指植物根系和基质表面的微生物群落，其中包含许多种不同好氧微生物。生物膜的研究更多地是从整体特征的角度对其进行分析，考虑其强度、组成、构建过程、活性等指标对在其中发生的诸如微生物硝化反应和有机碳颗粒的絮凝、过滤、分解等过程的贡献[8-9]。实验表明，多孔材料上形成生物膜后可以明显改变材料渗透性。目前大多数工作仍然集中于收集新指标和测定各种指标之间的相关性[10]。为了有利于生物膜的形成，大多数研究工作采用了静态实验的方式。4人工湿地植物根际环境与根系研究人工湿地中植物、微生物、基质和污染物间的物理、化学和生物作用主要发生在根区[11]。就各组分相互作用而言，湿地植物庞大的根系是植物与污染物直接作用的区域，能从污水中吸收营养物质并加以利用，吸附和富集重金属和一些有毒物质，同时为微生物提供较大的附着面积。植物根系根际对氧的传递释放促进污水中有机物的有氧分解使湿地床、植物根系及周围的微环境依次呈现出好氧、缺氧及厌氧状态，为微生物提供了不同的生境(Bai2004)；植物根系释放到土壤中的有机碳可作为微生物的底物，促进对氮等的去除，而抗生素等物质的释放可直接抑制、杀死污水中的细菌；植物的根和根系对介质的穿透增强了介质的疏松度，加强和维持介质的水力传输，在污水的净化中发挥着重要的作用。而植物根系放氧对于生物膜形成，改变氧化还原电位以及提高人工湿地营养转化与去除效率均有重要作用。5展望人工湿地自广泛使用以来已提供了不少成功的例证。特别是在废污水处理和修复方面显示了极大的发展潜力。通过因地制宜地构建人工湿地，不但能充分发挥其生态功能，还能通过植物的收割获取一定的经济效益，可以预见人工湿地一定会具有广阔的应用前景。针对国际前沿与国家需要，国内经过多年的研究积累，已经在部分环节中取得了重要进展，如建立了沟渠河流坡岸构造湿地废污水处理方法(专利号ZL0310106558.X)、河口区水生生态重建方法（专利号ZL200410041089.2）、湖滨带构造湿地构建方法（申请专利号200610039342.X）、水生植被修复的基质配制方法（申请专利号200610161292.2）等，并建立了菹草、轮叶黑藻、苦草、狐尾藻、野菱等水生植被恢复工具种的高效扩繁途径等（专利号200410014210.2，200410013848.4，200410066029.6，200410065474.0，200510040376.6）等约20项。基于上述专利技术的地表径流污染控制技术的中试示范已经完成，但仍需要进行较大规模的实践，以便将相ZIYUANBAOHUYULIYONG资源保护与利用JOURNALOFCHINESEURBANFORESTRY2008.6(6)69关技术进一步完善，形成一套系统完整、高效去污、成本低廉的人工湿地废污水处理体系，从而实现在我国不同区域，尤其是太湖流域的推广使用。ResearchprogressintechnologiesforbuildingartificialwetlandsOuyangYan1,ZhouChangfang1,GuHuizhong2,MaDongyue2,JiangHao1,HuFengqin1,YaoYihan1,AnShuqing1(1SchoolofLifeScience,NanjingUniversity,Nanjing210093；2WuxiMunicipalBureauofAgricultureandForestry,Wuxi214023)Abstract:Artificialwetlandisaman-made,controllableandengineeringwetlandsystem.Itisauniqueecosystemofsoils,plantsandanimalcules.Thetechnologyofbuildingartificialwetlandisanimportantcommontechnologyfordealingwithwaterpollutions.Nowartificialwetlandiswidelyusedinrehabilitationandrestorationoflakes,rivers,poolsandreservoirs,lakesideareasandindealingwiththewaterpollutions,inwhichgreatpotentialhavebeenshown.Itisforeseeablethattheapplicationofartificialwetlandswillhaveabrightfuture.Withmanyyearsofresearches,significantprogresseshavebeenmadeinsomeaspectsofbuildingartificialwetland.TheseresearchachievementscanbeappliedindifferentregionsinChina,particularlyinTaihulakecatchment.Keywords:Artificialwetland;Technologyforbuildingartificialwetland;Waterpollution参考文献[1]安树青.湿地生态工程[M].北京：化学工业出版社，2003.[2]Mitsch.WJandJGGosselink.Wetlands.3rd[M].NewYork:JohnWiley&Sons,Inc.2000.[3]Gopal,B.Natureandconstructedwetlandsforwastewatertreatment:potentialsandproblems[J].Wat.Sci.Tech.,1999,40(3):27-35.[4]Gray,S,JKinross,PRead,etal.Thenu