人工湿地废水处理系统的生物学基础研究进展_成水平

第8卷第3期1996年9月湖泊科学J〔)URNAI_()Fl矛AKESCIENCESVol.8,N.〕.3Selo.,1,96人工湿地废水处理系统的生物学基础研究进展成水平`中国科学院水生生物研究所.武汉430072)提要主要阐述了人工湿地废水处理系统中生物学基础的研究进展。至今,对作为湿地生产者的水生植物研究较多,水生植物除直接吸收利用废水中的营养物质、吸附和富集重金属外,还起输送氧气至根区、形成根区多种微环境和维持湿地水力传输的作用;而对作为湿地分解者的微生物(包括细菌、放线菌、真菌、原生动物和藻类)的研究较少,湿地微生物的代谢活动是废水中有机物质降解的基础机制。应加强人工湿地中生物学基础、特别是湿地中微生物的结构与功能的研究,以有利于进一步探讨人工湿地净化废水的机理及改善和提高人工湿地的废水净化效果。关键词人工湿地废水处理水生植物微生物国际上认为湿地(wetland)为陆地和水域交汇处,地表有暂时或永久性的浅层积水,以水生植物为优势种。包括沼泽、海涂、湖滩、湿草地及水深6m以内的浅水湖泊。而人工湿地尚无完整的概念,国际上常以Construetedwetland或artifieialwetland名词出现,可见其继承了湿地的水陆交汇处的概念,并参人了人为的因素,由人工构筑而成,以示与天然湿地相区别。其实广义而言,水稻田也是一类人工湿地。本文论及的人工湿地,是专指为充分发挥湿地生态系统的废水处理功能、提高污水净化效果而构筑的人工湿地。在本世纪70年代以前,国际上采用天然湿地进行废水处理,鉴于其有淤积、负荷低、效果不太理想等缺点,70年代以来,科研工作者于是对天然湿地进行改造或人工建造湿地,从而形成了快速有效的人工湿地废水处理新技术。基于此,用于污水净化的人工湿地可以解释为一种由人工将石、砂、土壤、煤渣等介质按一定比例构成的、_且底部封闭,并有选择性植人水生植被的废水处理生态系统。介质、水生植物和微生物是其基本构成,净化废水是其主要功能,水资源保护与持续利用是主要目的。最早开发湿地资源,利用湿地进行废水处理的要数美国麻萨诸塞州的香蒲沼泽地,总体上对磷的去除率可达68%,到目前已运行了80多年川。Fetter(1976)等则较早地采用了人工湿地净化地表废水(包括村镇、畜牧业、道旁废水等),B()DS去除率达7%,大肠杆菌的去收稿日期:1995一06一26;接收日期:1995一。9一05。作者简介:成水平.男.1969年生。1991年毕业于武汉大学环境科学系.1996年于中国科学院水生生物研究所获硕士学位。3期成水平:人工湿地废水处理系统的生物学基础研究进展除率达9%,认为人工湿地是一种价廉有效的废水处理新技术川。人工湿地废水处理系统净化废水的原理是:湿地生态环境中所发生的物理、化学和生物学作用的综合效应,包括沉淀、吸附、过滤、分解、固定、离子交换、络合反应、硝化和反硝化作用、营养元素的摄取、生命代谢活动的转化和细菌、真菌的异化作用等。人工湿地废水处理的效果与湿地的构成(介质、水生植物和微生物)密切相关,更好地发挥湿地生态环境中的物理、化学和生物学效应,快速有效地处理废水是人工湿地建成的初衷。下面将介绍人工湿地废水处理系统的生物学效应及生物学基础研究进展。1人工湿地中的水生植物水生植物作为湿地的优势种,在治理受有机物污染的土壤和地下水的过程中有以下优势:(l)通过光合作用为净化作用提供能量来源;(2)具有美观可欣赏性,能改善景观生态环境;(3)可以收割回收资源;(4)可作为介质所受污染程度的指示物;(5)能固定土壤中的水分,圈定污染区,防止污染源的进一步扩散;(6)水生植物庞大的根系为细菌提供了多样的生境,根区的细菌群落可降解多种污染物质;(7)输送氧气至根区,有利于微生物的好氧呼吸川。Birx提出了人工湿地废水处理的根区方法(rot一zonemethod),认为原理是通过人工湿地的植物根区,经过微生物的降解、植物的吸收利用和一些物理、化学等过程而净化废水的川。水生植物除直接吸收利用废水中的营养物质及吸附、富集一些有毒有害物质外,还有两个重要的功能:输送氧气至根区和维持介质的水力传输川。由于水生植物将氧气输送至根区,致使人工湿地植物根区的还原态介质中形成了氧化态的微环境,这种根区有氧区域和缺氧区域的共同存在为根区的好氧、兼性厌氧和厌氧微生物提供了不同适宜的小生境;同时,由于植物的根和根系对介质穿透作用,在介质中形成了许多微小的气室或间隙,减小了介质的封闭性,增强了介质的疏松度,从而介质的水力传输得到加强和维持。Dunbaibn等测试了小型湿地根区的氧浓度、pH值及氧化能力,发现三者在有植物系统中皆高于无植物系统,即使在人工湿地中补充碳量加大耗氧量,无植物系统中氧浓度大量下降的情况下,有植物系统根区仍然能保持着氧化状态5j[。基于水