【文章內(nèi)容簡介】 式4 種（王薇等，2001）。階梯進(jìn)水可避免處理床前部堵塞,使植物長勢均勻,有利于后部的硝化脫氮作用；回流式可對進(jìn)水進(jìn)行一定的稀釋，增加水中的溶解氧并減少出水中可能出現(xiàn)的臭味。出水回流還可促進(jìn)填料床中的硝化和反硝化作用,采用低揚(yáng)程水泵,通過水力噴射或跌水等方式進(jìn)行充氧。綜合式則一方面設(shè)置出水回流,另一方面還將進(jìn)水分布至填料床的中部,以減輕填料床前端的負(fù)荷。人工濕地的運(yùn)行可根據(jù)處理規(guī)模的大小進(jìn)行多種方式的組合,一般有單一式、并聯(lián)式、串聯(lián)式和綜合式等。在實(shí)際應(yīng)用中,也有工程將人工濕地工藝與氧化塘等進(jìn)行串聯(lián)組合（曹向東等，2000）。圖2. 人工濕地污水處理系統(tǒng)A、栽有浮水植物的池塘系統(tǒng)；B、栽有挺水植物的水平表面流人工濕地；C、栽有挺水植物的水平潛流式人工濕地；D、垂直流人工濕地Figure2 Pond/wetland systems for wastewater treatment (A, pond with freefloating plants B, Horizontal surface flow wetland or pond with emergent water plants C, Horizontal subsurface flow wetland。 D, Vertical flow wetland.圖3 人工濕地的基本流程 b. 回流式 c. 階梯進(jìn)水式 d. 綜合式 The elementary flow in constructed wetlanda. Pulsive b. Circumfluent d. Compositive圖4 人工濕地的不同組合方式a. 單一式 b. 串聯(lián)式 c. 并聯(lián)式 d. 綜合式 Different binations of constructed wetlanda. Sigle b. Serieswound c. Shuntwound d. Compositive另外，在技術(shù)上，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)和外部設(shè)備還有許多不同的技術(shù)工藝（Cooper, 1998）。這些工藝一般因土壤基質(zhì)顆粒大小、污水類型和本地條件不同而不同，也有人工濕地與其它污水處理方法相結(jié)合的工藝（曹向東等，2000；陳德強(qiáng)，2003；施春雨等，2004）。不同的系統(tǒng)，其特征不同，處理能力也不一樣，因此在應(yīng)用中往往根據(jù)實(shí)際需要選擇具體的人工濕地類型或工藝（Vymazal amp。 Masa，2002）。表2是人工濕地不同工藝類型污水處理效果之間的比較（Mclatchey amp。 Reddy, 1998。 Verhoeven amp。 Meuleman 1999。 俞孔堅(jiān)等，2001；籍國東等，2002；梁繼東等，2003）。表2 不同水流方式人工濕地特點(diǎn)Table 2 The characters of constructed wetlands with different flowing.人工濕地種類特　　　點(diǎn)地表流濕地類似于沼澤，污水以較慢速度從濕地表面流過,具備投資少、操作簡單、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),但占地大，水力負(fù)荷小，凈化能力有限，濕地中的O2 來源于水面擴(kuò)散與植物根系傳輸,系統(tǒng)運(yùn)行受氣候影響大,夏季易孳生蚊子、蒼蠅等。潛流濕地污水從一端水平流過填料床，其由一個(gè)或多個(gè)填料床組成，床體填充基質(zhì),床底設(shè)防水層。水力負(fù)荷與污染負(fù)荷較大，對BOD、COD、SS 及重金屬等處理效果好，O2 源于植物根傳輸，少有惡臭與蚊蠅現(xiàn)象，但控制相對復(fù)雜，脫N 和P 效果欠佳。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)，O2 通過大氣擴(kuò)散與植物根傳輸進(jìn)入濕地，硝化能力強(qiáng)，適于處理氨氮含量高的污水，但處理有機(jī)物能力欠佳，控制復(fù)雜，落干/ 淹水時(shí)間長，夏季易孳生蚊蠅。與其它污水處理方法相比，人工濕地系統(tǒng)具有較多優(yōu)點(diǎn)（夏漢平，2002；梁繼東等，2003）: 建造和運(yùn)行費(fèi)用便宜，操作簡便；技術(shù)含量低，易于維護(hù)；廢水處理效果好；可緩沖對水力和污染負(fù)荷的沖擊；具有經(jīng)濟(jì)性能和景觀觀賞性，可提供和間接提供效益,如水產(chǎn)、畜產(chǎn)、造紙?jiān)?、建材、綠化、野生動物棲息、娛樂和教育等。但是，在它的建設(shè)運(yùn)行中，也有較大不足: 占地面積大，無法在城市特別是大城市推廣應(yīng)用；由于受較多條件影響，運(yùn)行參數(shù)無法精確設(shè)計(jì)；生物和水力復(fù)雜性及對重要工藝動力學(xué)理解的缺乏；處理過后，殘留物難以排除，易造成系統(tǒng)飽和，甚至板結(jié)堵塞等現(xiàn)象；易受病蟲害影響等。當(dāng)前，人工濕地應(yīng)用研究集中于5個(gè)方面。第一，根據(jù)人工濕地所處位置的地理氣候條件、濕地的規(guī)模、負(fù)荷率、幾何布置、植物種類構(gòu)成、廢水的類型及主要要去除污染物等的不同，選擇合適的人工濕地類型、工藝和植物組合等。第二，為減少重復(fù)勞動和改良經(jīng)驗(yàn)濕地設(shè)計(jì)方法，更細(xì)致地研究不同地區(qū)特征和運(yùn)行數(shù)據(jù)以便在將來的建設(shè)中提供更合理的參數(shù)，并進(jìn)行地區(qū)范圍、國家范圍及世界范圍的人工濕地?cái)?shù)據(jù)庫構(gòu)建，使得所有這些數(shù)據(jù)應(yīng)通過公共數(shù)據(jù)庫使世界各地的工程師和科技人員能夠獲得。目前，美國EPA已著手這方面的研究（白曉慧等，1999；US EPA，2000）。第三，垂直流人工濕地的研究越來越受到重視，對系統(tǒng)工藝進(jìn)行更細(xì)致研究，對介質(zhì)和植物的選擇研究也更廣（陳長太，2003）。第四，將一些傳統(tǒng)處理技術(shù)的理論，如回流等引入人工濕地工藝中來，改良和優(yōu)化工程設(shè)計(jì)參數(shù)，研制高效人工濕地。第五，對系統(tǒng)的長期運(yùn)行能力和管理問題進(jìn)行研究。目前廣泛應(yīng)用的人工濕地基質(zhì)以沙粒、沙土、土壤、石塊為主，基質(zhì)的選擇以其水力傳導(dǎo)能力、吸附能力和化學(xué)特性原則進(jìn)行。有研究認(rèn)為沸石有利于N的分解而礫石有利于P的吸附，因?yàn)楹笳哂写罅康腃a2+和P結(jié)合（崔理華等，2002），也有研究者用煤灰或煤渣（尹連慶，1999）。研究發(fā)現(xiàn)加入人工濕地系統(tǒng)中的磷70%～80%通過沉淀或吸附作用存留在基質(zhì)中，基質(zhì)對無機(jī)磷的去除作用因填料不同而存在差異,若土壤中含有較多的鐵、鋁氧化物,有利于生成溶解度很低的磷酸鐵或磷酸鋁,使土壤固磷作用大大增加；若以礫石為填料的濕地,礫石中的鈣可以生成不溶性磷酸鈣而在廢水中沉淀（薛玉等，2003）?；◢徥驼承酝寥罏橹饕橘|(zhì)的人工濕地對污水中磷的去除率達(dá)90%以上(成水平，1997)。如何選擇合適的基質(zhì)類型對去除污水中的磷顯得十分重要。另外,基質(zhì)內(nèi)孔隙直徑大小也影響污染物的吸附和去除(薛玉等，2003)。人工濕地中微生物的種類和數(shù)量是極其豐富的,這為人工濕地污水處理系統(tǒng)提供了足夠的分解者。蘆葦床系統(tǒng)的根表面根際土的細(xì)菌數(shù)量可達(dá)108 個(gè)/ 克干重,且季節(jié)變化大,慢流滲透土地系統(tǒng)的水稻土中氨化細(xì)菌數(shù)量在107 個(gè)/ 克干重以上（李科德等，1995）,香蒲、燈心草人工濕地中細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量大,且季節(jié)變化大，空間分布不均勻（成水平和夏宜琤，1998）。研究證實(shí)污水中BOD 和COD 的去除率與微生物數(shù)目明顯相關(guān)；污水中NH3N 的去除率與根區(qū)的硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)茵數(shù)量相關(guān)性極顯著。而磷元素的去除率則與根際中的磷細(xì)菌數(shù)目呈正相關(guān)（沈耀良等，1999）。針對植物在人工濕地中的作用，人工濕地植物的研究概括起來表現(xiàn)在植物吸收、吸附和富集的研究、植物輸氧的研究和植物水力傳輸?shù)难芯咳矫妫ǔ伤降龋?002 ）。植物對氮磷等營養(yǎng)物的直接吸收決定植物的生物量，對于生活污水來說，其吸收量占系統(tǒng)總?cè)コ康?%—10%（Stottmeister et al., 2003）。植物通過攝取同化、吸附富集等途徑去除油類、有機(jī)物和重金屬等污染物（楊昌鳳等，1991；Ellis et al., 1994），在富營養(yǎng)化水體中，植物對藻毒素也有一定的去除作用（吳振斌等，2000）。另外，也有報(bào)道稱植物對人工濕地水體中外源生物活性物質(zhì)、LAS 等具有很好的去除效果（王慶安等，2000；李海東，2003）。植物的吸收、吸附和富集作用與植株的生長狀況和根系發(fā)達(dá)程度密切相關(guān),因而不同植物構(gòu)成的人工濕地凈化污水效果存在著差異。人工濕地植物的生長受介質(zhì)、氣候、溫度等影響,其吸收營養(yǎng)鹽的能力隨生長與生理活動狀態(tài)而變化,因而污水凈化效果也不一樣（朱彤等，1991；成水平等，1997）。濕地環(huán)境是一種嚴(yán)酷的逆境，對于污水處理人工濕地來說，由于污染物降解消耗大量氧氣，常常導(dǎo)致基質(zhì)缺氧。缺氧條件下,生物不能進(jìn)行正常的有氧呼吸,還原態(tài)的某些元素和有機(jī)物的濃度可達(dá)到有毒的水平。人工濕地中植物能將光合作用產(chǎn)生的氧氣通過氣道輸送至根區(qū),在植物根區(qū)的還原態(tài)介質(zhì)中形成氧化態(tài)的微環(huán)境（Fennessy et al.，1994）。這種有氧區(qū)域和缺氧區(qū)域共存的環(huán)境為根區(qū)的好氧、兼性和厭氧微生物提供了各自適宜的小生境(Brix, 1987)，即使在污染物降解消耗大量氧氣情況下,植物根區(qū)仍保持氧化狀態(tài)（Armstrong, 1978）。基質(zhì)中氧化還原電位明顯地高于無植物區(qū)域基質(zhì)，間隙水中的總鐵、總錳含量下降（Dunbabin et al.，1988），這也使微生物在人工濕地中更好的向縱深的擴(kuò)展（成水平和夏宜琤，1997）。由于植物根系對介質(zhì)的穿透作用,在介質(zhì)中形成了許多微小的氣室或間隙,減小了介質(zhì)的封閉性,增強(qiáng)了介質(zhì)的疏松度,從而使得介質(zhì)的水力傳輸?shù)玫郊訌?qiáng)和維持(Beven, 1982。 Brix, 1987)。成水平等（1997）進(jìn)行的人工濕地處理污水的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),經(jīng)過3 5 個(gè)月的污水處理后,不種植物的對照土壤介質(zhì)板結(jié),發(fā)生淤積。而種有水燭和燈心草的人工濕地滲慮性能好,污水能很快地滲入介質(zhì)。植物的生長能加快天然土壤的水力傳輸程度,且當(dāng)植物成熟時(shí),根區(qū)系統(tǒng)的水容量增大，即使當(dāng)植物的根和根系腐爛時(shí),剩下許多的空隙和通道,也有利于土壤的水力傳輸(Brix, 1987)。人工濕地系統(tǒng)在發(fā)達(dá)國家已被用來處理各類不潔的水體,包括家畜與家禽的糞水（Knight et al., 2000。 Nguyen, 2000）、尾礦排出液（Wenerick et al., 1989。 Mays amp。 Edwards, 2001）、工業(yè)污水（Thut, 1993。 Gillespie et al., 2000）、農(nóng)業(yè)廢水（Rivera et al., 1997。 Sun et al., 1999）、垃圾場滲濾液（Staubitz et al., 1989。 Trautmann et al., 1989）、城市暴雨徑流或生活污水（Thurston, 1999。 Laber, 2000）、富營養(yǎng)化湖水（Angelo amp。 Reddy, 1994。 Bachand amp。 Horne, 2000）等。然而在實(shí)際應(yīng)用中，還有很多問題有待解決，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：濕地處理污水機(jī)理： 濕地去污機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜,很多化學(xué)過程與生物化學(xué)過程至今尚未完全弄清或存在不同觀點(diǎn)。主要表現(xiàn)在濕地本質(zhì)及其復(fù)雜的生態(tài)學(xué)過程、每種養(yǎng)分、金屬元素與有機(jī)化合物的去除過程與機(jī)理,包括物理、化學(xué)與生物學(xué)過程、有機(jī)物、無機(jī)化合物和金屬離子在濕地系統(tǒng)內(nèi)的相互作用及其對植物、微生物和土壤的影響、根際微生態(tài)系統(tǒng)的綜合作用及OpH和Eh對濕地生態(tài)系統(tǒng)的綜合影響等（夏漢平，2002）。人工濕地可持續(xù)發(fā)展：長久保持人工濕地的處理能力及人工濕地與生物多樣性保護(hù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游觀光等方面結(jié)合起來的持續(xù)發(fā)展的濕地系統(tǒng)方面的研究還有待深入開展（Knight, 1997。 Campbell amp。 Ogden, 1999）。植物種類選擇：選擇合適的植物種類,特別是通過試驗(yàn)觀測,從當(dāng)?shù)氐奶烊粷竦刂羞x擇抗污力強(qiáng)、凈化效果好的物種是一項(xiàng)優(yōu)先考慮的工作。另外,多個(gè)物種的合理搭配,單一物種凈化能力的提高也是一個(gè)重要的發(fā)展方向。開發(fā)合適的工藝：根據(jù)人工濕地所處位置的地理氣候條件、濕地的規(guī)模、負(fù)荷率、幾何布置、植物種類構(gòu)成、廢水的類型及主要污染物類型等的不同，選擇合適的人工濕地類型、工藝和植物組合等?？刂萍膊。簼竦赜凶銐虻乃趾宛B(yǎng)分,是許多疾病載體的良好生境,例如蚊子、蒼蠅、釘螺等，這些需要通過進(jìn)一步的研究和實(shí)踐加以解決（Krishnan amp。 Smith, 1987。 Knight, 1997。 Kivaisi, 2001）。氣味控制：幾乎所有的濕地，不論是自然的還是人工的，一般都會有一定的氣味,而且氣味隨溶解氧量或流入的水質(zhì)不同而不同。不良?xì)馕吨饕獊碜砸莩龅腘HH2S以及N和S的各種揮發(fā)性有機(jī)合物等（Kadlec amp。 Knight, 1996）。這些氣味會損害人體或周圍動植物的健康，但目前尚沒有較好的解決辦法，因此，這也將是一個(gè)重要的研究課題。第二章 研究方法微系統(tǒng)由50 cm長35 cm寬40 cm高的塑料箱改造而成（圖5）。微系統(tǒng)表面安裝有配水管2，有進(jìn)水口1與外界相連；底部安裝有集水管3，有出水管4與外界相連。配水管下半部分和集水管周圍鋪有3 cm厚的粒徑為510 mm的碎石，其余部分由細(xì)沙填充，填充高度為35 cm。水管底部均有孔洞（圖中未標(biāo)出），水流可自由進(jìn)出。植物種植于該系統(tǒng)中。污水通過進(jìn)水口進(jìn)入系統(tǒng)，通過配水管均勻分配于系統(tǒng)內(nèi)，經(jīng)處理后進(jìn)入底部集水管排出系統(tǒng)。系統(tǒng)處理空間為60 L，孔隙度為40%，每天處理污水7 L。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為風(fēng)車草 (Cyperus alternifolius L. ssp. Flabelliformis)、白姜花 (Hedychium coronarium)薏苡 (Coix lacryma)、疊穗莎草(Phaius flavus)、水芋 (Calla palustris)5種植物處理和一個(gè)空白對照，每個(gè)處理與對照均設(shè)置4個(gè)重復(fù)。幾種植物中，白姜花、薏苡、疊穗莎草、水芋前人尚未應(yīng)用于人工濕地污水處理研究，風(fēng)車草則是目前國內(nèi)外常用的植物，具有較好的氮磷去除效果，在本研究中作為其它4中植物污染物去除的對照以檢驗(yàn)其污水去除效果。2004年4月5日將植物全部移栽完，各處理內(nèi)的4個(gè)重復(fù)的植株高度和分蘗數(shù)相同。實(shí)驗(yàn)期間，每天上午8:00左右從系統(tǒng)抽除一定的水量，再往系統(tǒng)內(nèi)定量注入7L污水，直到2004年8月26日實(shí)驗(yàn)結(jié)束。 1 2 4 3 圖5 盆栽微系統(tǒng)簡圖