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