我國人工濕地研究進展及在寒冷地區(qū)的應用

鄭國臣 ，范曉娜 ，李云鵬 ，李 環(huán) ，張繼民 ，彭 俊 ，錢 寧

（1.松遼流域水資源保護局，吉林 長春 130021；2.遼寧省江河流域管理局，遼寧 沈陽 110003）

1 人工濕地處理技術相關的研究

近年來，我國在人工濕地處理污水方面取得了較大進展。人工濕地生態(tài)系統(tǒng)示范工程主要有：東平湖人工濕地（山東）、撫仙湖人工濕地（云南）、微山南四湖人工濕地生態(tài)示范園、石巖河人工濕地公園、深圳寶安區(qū)石巖河人工濕地等。

1.1 人工濕地系統(tǒng)處理工藝研究

1）多級人工濕地-塘組合處理鄱陽湖區(qū)農業(yè)徑流機理及工藝優(yōu)化。

2）薏米人工濕地對生活污水中鉻凈化能力及機理研究。

3）新型纖維填料人工濕地凈化效果及基質堵塞的機制研究。

4）垂直流人工濕地土壤堵塞過程的發(fā)生機理與調控機制研究。

5）人工增氧型濕地氧傳遞與利用機理研究。

6）潛流型人工濕地低溫域脫氮的生態(tài)過程及功能強化。

7）亞熱帶人工濕地植物多樣性的脫氮效能研究。

8）垂直流人工濕地硝化與反硝化作用的最優(yōu)化及實時追蹤。

1.2 人工濕地的運行機理研究

1）人工濕地對富營養(yǎng)化水體藍藻種群的調控機理研究。

2）人工濕地中生物氧化錳的生成與調控機制研究。

3）人工濕地氮轉化分子生態(tài)過程耦聯(lián)機制研究。

4）人工濕地水動力學與生化反應動力學耦合模型研究。

5）基于泥炭為碳源的人工濕地反硝化脫氮機理研究。

6）水平潛流人工濕地水動力模擬及去污實證研究。

7）人工濕地中磷的有機賦存形態(tài)及其轉化規(guī)律研究。

8）垂直流人工濕地氮的去除過程機理及其遷移轉化規(guī)律研究。

9）生物質發(fā)酵產酸強化人工濕地反硝化機理與反饋調節(jié)機制。

1.3 人工濕地中生物多樣性研究

1）基于空氣微生物多樣性分析與定量危險評估的人工濕地環(huán)境安全研究。

2）人工濕地植物多樣性對氧化亞氮減排效應及機理研究。

3）碳氧調控下垂直流人工濕地凈化功能優(yōu)化及微生物響應研究。

4）人工濕地中基質-植物-微生物系統(tǒng)的生態(tài)學研究。

5）人工濕地植物、基質與微生物在污水凈化中的協(xié)同與拮抗。

6）高效脫氮菌群生物強化南四湖人工濕地處理工藝及機理研究。

7）基質-植物-蚯蚓配置垂直流人工濕地凈化污水效果及機理研究。

8）高蓄能水生植物人工濕地污水凈化聯(lián)產生物質油研究。

9）鄉(xiāng)村小型生活污水生物生態(tài)除磷脫氮技術。

基于指示和病原微生物動態(tài)分布和生長動力學的人工濕地環(huán)境安全研究。

1.4 人工濕地中毒理性方面的研究

1）類固醇雌激素在人工濕地根區(qū)的生物降解機制及強化研究。

2）土霉素脅迫下人工濕地微生物的群落更替和抗性相應機制。

3）異化金屬還原菌溶礦作用對重金屬解吸運移的濕地原位研究。

4）人工濕地去除有機磷農藥毒死蜱機理及其生物響應研究。

5）人工濕地植物根系氧氣傳輸及其與系統(tǒng)凈化關系研究。

6）典型有機氯化物在人工蘆葦濕地中的運移過程與機制。

7）人工濕地系統(tǒng)中有機農藥污染物的微生物降解機制及控制研究。以上有關人工濕地的研究，為我國人工濕地污水處理技術的應用提供了科學和技術上的參考。

2 國內研究進展

按照布水方式的不同或水流方式的差異，人工濕地可分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地、垂直潛流人工濕地。近幾年的研究表明，越來越多的新型人工濕地應運而生，并得到越來越多的應用。

1）表面流人工濕地。張成祿[4]發(fā)明的無終端表面流人工濕地，具有高效處理能力的良性生態(tài)濕地系統(tǒng)，提出的潛表流交替人工濕地，潛流區(qū)域和表面流區(qū)域通過隔離墻分開，在處理效能與運行穩(wěn)定性方面都有了明顯的改善。靖德兵[5]構建具有綜合效益的復合植被濕地污水處理系統(tǒng)，成本低廉、容易成活、復合植被且綜合效益高。鄭少奎[6]設計的分段式自由表面流人工濕地處理方法及系統(tǒng)，改善了表面流人工濕地處理效率低下的問題。

2）水平潛流人工濕地。張建[7]研究一種新型潛流人工濕地，具有簡單實用，不易堵塞，性能穩(wěn)定，出水水質好，投資低，管理方便，運行費用低，占地面積小等特點。張成祿[4]研究的多級折返潛流人工濕地是一種多級折返潛流人工濕地，該人工濕地的床體內設有多級折流板，潛流式處理效果好，出水水質好。張建[8]提出的環(huán)流式表流人工濕地，該人工濕地包括床體、進水管、布水管、出水管和水生植物，床體呈環(huán)流式。

3）垂直潛流人工濕地。崔理華[9]提出的復合垂直流人工濕地，該技術應用于城鎮(zhèn)生活污水處理效能較高。魯敏[10]研究的輻流式人工濕地，構成由外圍進水、中心位置出水的輻流式人工濕地，具有占地面積小，有機負荷高，處理效能好等優(yōu)點。夏世斌[11]提出的金字塔型人工濕地污水處理方法，污水經過人工濕地金字塔型層、人工濕地基質層處理后得到凈化。劉鵬[12]研究的用于污水處理的立體型人工濕地系統(tǒng)，該立體型人工濕地系統(tǒng)包括高位集水箱、多孔濾水垂直流人工濕地床。

4）復合人工濕地。張建[13]的復合流人工濕地裝置，主體由若干單元組成，單元之間由立板隔開，擋板豎直設在每個單元內，由上至下垂直流、水平潛流、由下至上垂直流、表面流，進入下一個單元后，再重復以上過程。吳永紅[14]報道的農田生態(tài)干渠-人工濕地水質改善與生態(tài)系統(tǒng)重建方法，將匯集的村鎮(zhèn)生活污水及少量工業(yè)廢水經預處理后流入農田生態(tài)干渠，與農田排水混合、凈化處理之后，經集水生物塘調控水量并流入人工濕地中進一步強化凈化。以上人工濕地運行以來，產生了良好的生態(tài)、經濟和社會效益，為我國的河湖健康做出了較大的貢獻。

3 北方人工濕地處理技術的應用狀況

針對北方地區(qū)氣候特點，沈陽環(huán)境科學研究院開展了水平潛流人工濕地技術在北方地區(qū)應用研究與工程示范。北方垂直潛流式人工濕地凈化污水的方法，采用一種有保溫措施、適于在冬季氣候寒冷、冰凍期較長的北方地區(qū)使用的且凈化效果良好的人工濕地凈化污水的方法；解決了冬季結冰期的防凍、防裂、防溢、防滲的治理技術問題；采用的多種保溫技術措施，冬季可保持填料床內被處理的廢水溫度在15～20℃，解決了人工濕地在北方不能過冬使用或冬季治理效果差的問題[15]。王培京[16]研究的北方低溫地區(qū)復合型人工濕地水質凈化系統(tǒng)，潛流濕地子系統(tǒng)由砂濾模塊、濕地模塊及曝氣配水井組合構成，工程措施和生態(tài)措施有機結合，對受污染來水進行多重凈化，投資省、效果好，具有顯著的經濟效益和生態(tài)效益。劉培斌[17]探討的北方低溫地區(qū)潛流人工濕地冬季運行方法，進水管為地埋管，以不凍冰為宜，引取冰下水溫高的水源；濕地單元內高密度種植蘆葦，蘆葦品種選擇桿高粗壯的品種，蘆葦生長后形成的高密度蘆葦蕩冬季不收割，利用蘆葦桿擋風，蘆葦自然凋落形成覆蓋層保溫；濕地單元出水處設置水位調節(jié)井，井內設水位調節(jié)管，改善了在冬季將濕地單元內的蘆葦割除的傳統(tǒng)做法，利用蘆葦葉和蘆葦桿保溫，既保證了濕地在冬季度的正常運行，不會造成二次污染，生態(tài)效果顯著。周有[18]研究的高緯度寒冷地區(qū)人工濕地污水處理生態(tài)系統(tǒng)，潛流池及表流式濕地中的人工介質填料層各層均選用自然材料，無需攪拌，曝氣也更節(jié)省能源，整個處理系統(tǒng)結構簡單、操作方便，運行費用低；還包括表流式濕地，在凈化污水的同時還生長濕地生物，使自然環(huán)境中的生物多樣并起到美化環(huán)境的作用。

4 結語

綜上所述，人工濕地在我國的應用已取得了長足的進步，目前在我國北京、沈陽、哈爾濱等北方地區(qū)，均有大量應用于污水處理的人工濕地系統(tǒng)。但仍然存在很多問題，在北方表現(xiàn)最突出的是運行穩(wěn)定性、堵塞，溫度（特別是冬季）等問題。在我國北方地區(qū)，冬季氣候寒冷，低溫會造成濕地系統(tǒng)管道發(fā)生破裂，濕地植物休眠，根系微生物代謝減緩甚至停止等現(xiàn)象；冬季人工濕地對TP的去除率比夏季低15%左右，這說明人工濕地處理效率在冬季會大幅度下降。

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