人工湿地设计研究进展

人工湿地设计研究进展曹笑笑1,2，吕宪国1*，张仲胜1，邹元春1，孙广智3(1.中国科学院湿地生态与环境重点实验室，中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林长春130102；2.中国科学院大学，北京100049；3.SchoolofEngineeringandPhysicalSciences,JamesCookUniversity,Townsville,QLD4811,Australia)收稿日期：2012-11-06；修订日期：2013-02-18基金项目：创新团队国际合作伙伴计划项目(KZZD-EW-TZ-07)资助。作者简介：曹笑笑(1988-)，女，河北省邯郸人，硕士研究生，主要研究方向为湿地环境。E-mail:caoxiaoxiao@neigae.ac.cn*通讯作者：吕宪国，研究员。E-mail:luxg@neigae.ac.cn摘要:从人工湿地的组成——基质、植物、水流方式，阐述人工湿地的去污机理，并综合国内外人工湿地的设计方法，对其关键因素进行分析，探讨人工湿地结构组成因素的选择及确定方法。综述结果表明，人工湿地的出现和发展为净化污水提供了一种生态思路，是未来水处理领域发展的一种趋势，但目前人工湿地的设计理论尚不完善，存在较大的改进空间。如何进一步改进人工湿地结构组成成分、优化设计方案依然是未来人工湿地设计需要解决的问题。关键词:人工湿地设计；基质；植物；水流方式中图分类号:X703文献标识码:A文章编号：1672-5948(2013)01-121-08近几十年来，生物净化污水法优势越来越明显，主要包括传统活性污泥法[1]、A/O法[2]、AB法[3]、氧化沟[4]、SBR序列间歇式活性污泥法[5]、生态浮床[6]和人工湿地[7]等。20世纪70年代末发展起来的人工湿地生态工程，比其他传统的生物处理法有更多优势。人工湿地的优势主要体现在投资低、运行和管理费用低、能利用可再生能源(太阳能、风能)、对水量和水质变化适应能力强[8]和生态安全等。目前，国内外学者大都将人工湿地看作用于水质改善功能的工程化湿地。人工湿地是一种由人工建造和监督控制的，与天然湿地类似的生态系统，它充分利用了基质—微生物—植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化[9]。人工湿地内部组成主要包括基质、植物、水、动物和微生物。目前，针对人工湿地内部成分的研究主要倾向于背景知识和处理机理，呈现出重理论、轻设计的现象。工程设计指导人工湿地的构建，对于人工湿地具有重要作用。在人工湿地的设计中，基质、植物和水是设计的主要因素，但目前选择基质和植物，以及确定水流方式的体系还不够完善。因此，在综合评估国内外人工湿地设计研究的基础上，探讨如何确定人工湿地的基质、植物和水流方式，系统阐述选择3种主要因素的相关理论及方法，以期丰富人工湿地设计体系的研究。1人工湿地基质的种类及其选择依据1.1人工湿地基质的种类基质又称填料，是人工湿地中植物和微生物生长的载体，主要通过吸附沉降，基质表面生物膜和微生物共同作用去除废水中的污染物。根据需要将不同粒径的材料，按照一定的厚度铺设成人工湿地床体。土壤、砂和砾石是传统的人工湿地基质，近年来沸石、石灰石、页岩、明矾[10]、塑料和陶瓷等具有优秀性能的材料能被广泛应用。目前，对于基质种类的研究主要集中在基质间的组合和基质的改进。StefanakisAI和Tsi-hrintzisVA的研究[8]表明，将沸石和铝土矿按1∶1组合，对污染物的去除率高于单一的沸石或铝土矿。TangX等设计的人工湿地使用了砾石和页岩的组合[11]。徐德福和李映雪[12]对比了砂子、土壤和泥炭及其配比组合对污水中总有机碳的去除影响，发现释放出碳的含量由大到小依次为：砂子—土壤—泥炭混合基质，土壤，砂子—土壤混合基第11卷第1期湿地科学Vol.11No.12013年3月WETLANDSCIENCEMarch2013DOI:10.13248/j.cnki.wetlandsci.2013.01.002质，砂子；对污水中总有机碳的去除率由大到小依次为：土壤，砂子—土壤混合基质，砂子。1.2人工湿地基质的选择依据基质是影响人工湿地中水力性能、植物生长和系统堵塞的重要因素[13]。影响基质选择的因素包括基质粒径、孔隙率、水力传导率、化学特性和产生的二次污染问题等。粒径越大的基质，其孔隙率和水力传导率也越大[14]。在实际工程中，应针对不同污水水质和基质本身特性，本着就近取材的原则选用适当的基质。而有些基质，如高炉矿渣[15]、钢渣[16]，虽然对污水净化效率较高，但可能会造成二次污染，因此需慎重选用。随着对基质研究的深入，基质对磷的吸附效率成了影响基质选择的因素之一[17]。国内外对人工湿地基质粒径的布设做了大量的研究。在欧洲，以砾石为主要填