污水处理型人工湿地构建中几个问题的探讨

杨琇楦施瑶王忠强何春光程明明

(1 东北师范大学国家环境保护湿地生态和植被恢复重点实验室,长春 130024；2 东北师范大学地理科学学院，长春 130024）

污水处理型人工湿地构建中几个问题的探讨

杨琇楦1,2施瑶1王忠强1,2何春光1程明明2

(1 东北师范大学国家环境保护湿地生态和植被恢复重点实验室,长春 130024；2 东北师范大学地理科学学院，长春 130024）

水体污染已成为制约我国经济发展和人居安全的重要问题，以人工湿地为代表的“生态景观型”的水体污染修复方法应用日益广泛，成为城市生态环境建设的重要组成部分，所具有的净水、景观和增湿等功能，使人工湿地在水体治理领域具有不可比拟的作用（Wu et al，2014；Pozo-Morales et al，2013）。人工湿地水体治理处理技术于1987年引入中国，在20世纪90年代快速增长。人工湿地系统的运行是我国城市的生活污水、养殖废水以及工业废水治理技术中的重要技术环节。目前，人工湿地虽然具有建设成本和运行成本低等优点，但在孔隙堵塞、基质与植物选择和协同匹配以及后期运行管理等方面存在诸多问题，严重影响人工湿地的净水效能和运行寿命。

人工湿地作为近自然的生态型水体处理工程，包括潜流型湿地、表面流湿地及垂直流湿地等人工湿地类型，构建的基本要素是基质和植物。合理选择基质和植物，以及二者的搭配对人工湿地去除污染物具有关键作用。人工湿地的管理和运行也是决定其去除效能的关键因素。目前人工湿地存在基质堵塞、植物选取、人工湿地系统管理不善的问题，需要进一步研究和讨论。

深圳梅山苑污水处理湿地（雷志洪 供图）

污水处理型人工湿地是利用基质、湿生植物协同净化水体污染物，具有良好的景观价值与生态功能。目前，人工湿地的实际构建中，在基质和植物选择、运行管理中存在一系列问题，就这几方面问题进行分析并探讨解决方案和思路。

人工湿地；基质；湿地植物；管理

1 人工湿地的基质选取问题

基质是人工湿地重要的组成部分，也是湿地植物生长的载体，大部分物理、化学、生物等反应都在基质中进行。人工湿地基质通过吸附、沉淀、过滤以及微生物分解等方式，用于去除污水中的氮、磷、有机污染物、重金属污染物等，对去除COD也有显著的效果。人工湿地基质主要分为天然基质、工业副产品和人造产品3类，不同基质的功能特点见表1。

选取基质的原则：①经济适用，选取价格低廉的基质，以减少人工湿地构建的成本；②运输方便，就地取材，减少运输成本；③根据污染物种类进行专一性选择，以提高目标污染物去除效率。在去除氮方面，用沸石做主要湿地基质材料，结果表明沸石除氨氮效果可达86.7%（Wang et al，2013）。在去除磷方面，总磷（TP）的去除效率为无烟煤＞生物陶粒＞页岩＞石英砂，对不同形态磷的去除性能是依赖于基质的性质和吸附机理，比较分析表明，页岩吸附颗粒态磷的效能好；无烟煤吸附可溶性活性磷（SRP）的能力强；生物陶粒去除溶解有机磷（DOP）效果好（Jiang et al，2014）。目前，人工基质存在用料单一的问题，考虑到人工湿地建设的成本问题，在基质的选择上一般就地取材，物尽其用，尽可能降低大规模填料的购买及运输成本，这也限制了选取基质材料的多样性。但水体总体上多为复合性污染，进行单一性基质选择比较困难，必须进行不同种类或者不同大小的基质进行组合。通过有序排列大小不同的颗粒做基质，实验研究结果显示该组合方式明显减少了堵塞现象发生（Pozo-Morales et al，2013）。另外，基质与植物搭配也是提供人工湿地清除效率的关键所在，添加E藻或E藻与INCB组合，可以显著提高系统除氮效能，实验结果表明，硝酸盐的去除率可达98%（Liu et al，2014)。有关组合基质人工湿地的去污效果以及影响因素研究,将是今后人工湿地研究的一个重要方向。

基质在人工湿地清除污染物和支撑植物生长方面具有重要作用，但人工湿地系统在净化污水的过程中，堵塞是人工湿地运行与维护环节中不容忽视的问题（Ye et al，2014）。美国环保局对美国国内100多个运行中人工湿地的调查结果表明，一半的湿地系统在投入使用后的5年内出现了堵塞问题。产生堵塞的原因：①颗粒物造成基质堵塞。污水带来的泥沙、淤泥等颗粒物在流经人工湿地基质时，因受湿地基质阻碍而减速并沉降，大量的颗粒物在基质床上沉积造成基质堵塞；②生物膜堵塞。基质中的微生物对去除污水中氮、磷等污染物有重要作用，在一定程度上能提高系统的净化效能。微生物在基质表面附着、增殖，形成生物膜，降低人工湿地的水力传导系数，最终导致人工湿地基质堵塞。人工湿地系统中微生物含量高，藻类生物膜产生堵塞系统运行（Raudales et al，2014）；③植物根系及植物死亡腐烂造成基质堵塞；④化学沉淀作用导致基质堵塞。金属氢氧化物和硫化物的化学沉淀在基质表面形成膜状包衣，减少基质的孔隙，从而造成堵塞。因此在基质选择上，尽量选择通透性好、比表面积大、吸附能力强的基质填料。另外，研发新型基质也是人工湿地领域的重要课题，主要在提高基质吸附效能，便于微生物定殖，较少堵塞等方面进行研究。如研发人造多孔轻质基质，人工悬浮基质具有可塑性强、密度可控性等其他人工湿地基质不具备的优点，可以做成任意大小及形状，可以有效避免堵塞现象发生，延长人工湿地使用寿命。

2 人工湿地植物选取的问题

植物是人工湿地系统的关键部分，依据植物吸收化学元素的机理吸收水体污染物，并通过移取植物体将污染物清除水体，同时植物的存在也是人工湿地呈现生态功能和景观价值的核心所在（Edwards et al，2006）。具有特殊清除污染物功能的湿地植物的选取和培育还需要湿地科学、植物学、植物营养学、生态学和环境科学等多学科进行研究。人工湿地植物选择要遵循以下原则：①净化能力强。湿地植物生长需要氮磷等营养物质，选取生物量大的植物提高人工湿地系统净化污水的能力；②适应性好。所选取的湿地植物要适合当地的气候环境，尽量选择本土物种，谨慎选用外来物种，避免外来物种生长泛滥对环境带来不可估计的影响；③经济性适宜。一方面选择成本低的苗木，尽量减少人工湿地的构建成本，另一方面选择具有经济价值的植物，如菱角、薏米、荸荠等，可以销售植物果实便于植物更替，具有商业价值；④美学价值高。选取具有观赏性的植物，如睡莲、荷花。在构建人工湿地和湿地公园时加入园林设计的理念，在净化水体的同时美化环境，形成自然合一的休闲景观。常见的湿地植物种类包括香蒲、芦苇、茭草、菖蒲、荸荠、荷花、再力花、千蕨菜、美人蕉、灯芯草、野姜花等。这类植物较为常见，或为本土优势品种，对当地环境适应力强，生物量大，植物生长需要大量的氮、磷等元素，可以去除污水中化学元素，在净化水体方面具有显著效果。

目前，用于湿地的大多数植物是以观赏为首选的草本植物为主，不足之处在于受季节影响明显，秋冬整株枯萎，需要人工移除，否则植物死亡后有机物的积累速率大于其分解速率，容易堵塞人工湿地系统，植物残体在水体中分解，造成污染物回归，同时不适合在北方冬季使用。所以，在湿地植物选取方面，一要关注植物和基质的协同去污的机理和功能研究，二要培育具有经济价值的植物，三是研究适合在北方寒冷地区使用的人工湿地植物，特别是寒冷地区的植物选择是人工湿地构建的技术难点（Chen et al，2010）。陈永华等（2014）将木本植物引入潜流型人工湿地。木本植物的根系更深，生物量更大，多年生，冬季部分枯萎，可减少因植物死亡在水中分解的污染物回归量，在空间上增加了生物多样性等。研究表明：夹竹桃、木槿、女贞、栀子4种木本植物引入湿地后长出了白色的水生根系，且数量多于陆地土壤栽培条件的土培根系，有效地解决了水生环境造成木本植物缺氧死亡的问题，试验期间系统TN平均去除率为40.2 %，TP平均去除率为80.8% 。NH4+-N的平均去除率为61.8%，各月份间的差异随着季节温度的变化基本一致，扩大了人工湿地植物的筛选范围。使用木本植物代替草本植物用做人工湿地物种，人工湿地系统受气候的限制也明显减弱，更适用于北方的人工湿地系统。

3 人工湿地管理的问题

良好的人工湿地构建一方面是合理的基质、植物的选取和组合，来提高污染物清除效能；另一方面，人工湿地的管理也是保证其有效净化水的关键。人工湿地不仅是人工建设的湿地，更需要人的管理和参与，人工湿地的高效运行，核心还是“人”，包括合理设计，高质量建设以及后期良好的运行管理。

表1 基质的种类及特点

目前，人工湿地研究更为注重处理污水的工艺及其机理研究，而较容易忽视运行管理给人工湿地处理系统带来的影响。人工湿地系统的运行管理相比于传统的污水处理技术要容易得多，并且科学的运行管理不仅可保持人工湿地处理系统对污染物稳定、高效的去除效能，还可延长人工湿地的使用寿命，同时通过适当的管理维护，可以解决人工湿地可能带来的一些生态问题，充分发挥其美化环境、丰富物种的社会效应（Zhang et al，2014）。人工湿地的管理问题，包括水位和流量管理问题、植物凋落物回收等。对于一个设计良好的人工湿地来说，水位控制和流量调整是影响其处理性能的最重要的因素。水位的改变影响人工湿地处理系统的水力停留时间，流量的大小则直接影响污染物的去除效能。例如，潜流湿地床水位管理的周期性淹水和排水有助于打乱蚊子的生长周期，控制蚊蝇数量，避免蚊虫滋生；湿地出水水位便于调节，有利于人工湿地的变水位运行，改善湿地的运行效果（Zhang et al，2009）；人工湿地在运行中，植物残枝落叶会落到人工湿地表面，若不及时清理，会影响水质和人工湿地的净水效率。

人工湿地作为城市景观和人居环境美化的重要载体，以及居民休闲娱乐的场所，也是重要的环境保护教育载体，引导人们参与人工湿地管理，是一个行之有效的管理措施，主要的管理方式是在人工湿地周围建设人力水体循环设施、人力曝气装置，如人力水井、人力水车等，一方面可以为居民提供健身娱乐工具，另一方面可以促进人工湿地水体循环和增氧曝气，提高人工湿地去污效能，同时居民的参与过程也能增进其环保意识和对环境科技的理解和认知，特别是对青少年环保意识的提高具有重要的教育意义，成为大中小学校的环保科技教育基地。

4 结论

人工湿地作为一种生态工程，要依据生态学原则构建，不仅是一个工程，更要体现生态学价值，而目前人工湿地的建设更侧重工程性，主要考虑人工湿地系统建设的经济成本、去除污染物能力等，而对人工湿地所具有的生态价值还需进一步体现，最终使人工湿地成为真正的生态工程，成为生态城市和人居环境美化的核心。

陈永华, 吴晓芙, 郝君, 等.2014.4种木本植物在潜流人工湿地环境下的适应性与去污效果[J].生态学报, 34(4):916-924

Chen Yonghua, Wu Xiaofu, Chen Mingli, et al.2010. Selection of winter plant species for wetlands constructed as sewage treatment systems and evaluation of their wastewater purification potentials[J]. Environmental Science, 31 (8):1789-1794

Edwards Keith R, Cizkova Hana, Zemanova Katerina, et al.2006.Plant growth and microbial processes in a constructed wetland planted with Phalaris arundinacea[J].Ecological Engineering, 27(2):153-165

Jiang Cheng, Jia Liyue, Zhang Bo, et al.2014. Comparison of quartz sand, anthracite, shale and biological ceramsite for adsorptive removal of phosphorus from aqueous solution[J].Environmental Sciences, 26(2):466-477

Liu Dandan, Li Zhengkui, Zhang Wanguang.2014. Nitrate removal under different ecological remediation measures in Taihu Lake: a N-15 mass-balance approach[J].Environmental Science and Pollution Research, 21(24):14138-14145

Pozo-Morales L,Franco M, Garvi D, et al. 2013.Influence of the stone organization to avoid clogging in horizontal subsurface-flow treatment wetlands[J]. Ecological Engineering, 54:136-144

Raudales Rosa E, Parke Jennifer L, Guy Charles L, et al.2014.Control of waterborne microbes in irrigation: A review[J].Agricultural Water Management,143:9-28

Wang Hao, Li Xuejin.2013.Removal of Chemical Nitrogen and Phosphorus of Micro-Polluted Water with Modified Zeolite Subsurface Wetland[J]. Asian Journal of Chemistry, 25(15):8647-8649

Wu Juan, Yang Lihua, Zhong Fei, et al.2014. A field study on phytoremediation of dredged sediment contaminated by heavy metals and nutrients: the impacts of sediment aeration[J]. Environmental Science and Pollution Research, 21(23):13452-13460

Ye Jianfeng, Li Huaizhang, Zhang Chengyu, et al. 2014.Classification and extraction methods of the clog components of constructed wetland [J].Ecological Engineering, 70:327-331

Zhang Dongqing, Jinadasa K B S N, Gersberg R M, et al.2014. Application of constructed wetlands for wastewater trea tment in developing countries:A review of recent developments (2000-2013)[J]. Environmental Management, 141:116-131

Zhang Dongqing, Richard M G, Tan Soon Keat. 2009.Review: Constructed wetlands in China[J].Ecological Engineering, 35:1367-1378

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

国家水体污染控制与治理重大科技专项课题“伊通河水体生态修复技术集成及工程示范”（2012ZX07201-001）；2013年度吉林省留学人员科技创新创业项目；中国博士后基金特别资助（2012750276）

杨琇楦 (1992-)，女，硕士研究生，主要研究方向：湿地生态。

E-mail： yang0x489@nenu.edu.cn

王忠强，副教授，博士，主要从事湿地生态与修复研究。E-mail： wangzq027@nenu.edu.cn