人工濕地處理廢水中的植物和基質(zhì)選擇

高志勇，謝恒星，王志平，劉史力

(1.渭南師范學(xué)院 化學(xué)與材料學(xué)院，陜西 渭南 714099；2.陜西省河流濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 渭南 714099)

【現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)研究】

人工濕地處理廢水中的植物和基質(zhì)選擇

高志勇1，2，謝恒星1，2，王志平1，2，劉史力1

(1.渭南師范學(xué)院 化學(xué)與材料學(xué)院，陜西 渭南 714099；2.陜西省河流濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 渭南 714099)

人工濕地是指通過(guò)模擬天然濕地的結(jié)構(gòu)與功能，選擇一定的地理位置與地形，根據(jù)需要人為設(shè)計(jì)與建造的濕地。濕地植物和基質(zhì)是人工濕地處理廢水中最為關(guān)鍵的兩要素。植物能吸收、降解污染物(氮、磷、重金屬等)、調(diào)節(jié)濕地生態(tài)環(huán)境、傳輸氧氣并維持根區(qū)微生物生長(zhǎng)等。基質(zhì)中進(jìn)行了濕地凈化過(guò)程的大部分物理、化學(xué)和生物反應(yīng)。文章主要對(duì)人工濕地中植物使用的種類(lèi)、不同植物對(duì)廢水環(huán)境的忍耐性和植物對(duì)不同污染物的凈化效果做了討論，同時(shí)對(duì)人工濕地中基質(zhì)的種類(lèi)、不同基質(zhì)凈化廢水的表現(xiàn)和混合基質(zhì)應(yīng)用的美好前景進(jìn)行了綜述，對(duì)人工濕地研究的進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)行了展望。

人工濕地；濕地植物；基質(zhì)；廢水

隨著城市化和工業(yè)化步伐的加快，我國(guó)水體受到了嚴(yán)重的污染，污水排放量與日俱增，且大部分未經(jīng)處理。[1]透過(guò)污水處理發(fā)展的歷史來(lái)看，傳統(tǒng)的集中式污水處理系統(tǒng)雖然被成功地應(yīng)用于大多數(shù)國(guó)家的污水控制[2]，但活性污泥工藝、膜生物反應(yīng)器、膜分離技術(shù)等污水處理技術(shù)費(fèi)用昂貴，且不能完全適用于農(nóng)村地區(qū)[3]。此外，當(dāng)面臨更為嚴(yán)格的污水處理標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，這類(lèi)技術(shù)有其內(nèi)在的局限性和不足。[4]而采用人工濕地處理廢水，具有低能耗、低成本、高效率和易管理等特征，使人工濕地逐漸成了處理廢水的有效選擇。

從1953年德國(guó)Max Planck研究所采用人工濕地凈化污水[5]之后，人工濕地的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，不僅能有效地控制面源污染，還可用來(lái)處理城市污水、礦山污水和家禽污水等[6]。大量的研究聚焦于人工濕地的設(shè)計(jì)、可操作性和性能，并證實(shí)人工濕地可以高效地處理多種類(lèi)型的廢水污染物，如有機(jī)污染物、富營(yíng)養(yǎng)成分、重金屬、醫(yī)藥污染物、病原體等。[7]然而，實(shí)現(xiàn)人工濕地處理廢水的長(zhǎng)期有效性和易操作性依舊是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。其中，植物種類(lèi)和基質(zhì)類(lèi)型是影響人工濕地性能的主要因素，因?yàn)槲廴疚锾幚磉^(guò)程主要發(fā)生在生物反應(yīng)中。[8]

雖然當(dāng)前關(guān)于人工濕地處理廢水的研究已經(jīng)有了很大的進(jìn)展，但距持續(xù)性?xún)艋|(zhì)的目標(biāo)還有一定差距。另一方面，目前關(guān)于人工濕地處理廢水的研究工作越來(lái)越龐雜。因此，對(duì)人工濕地設(shè)計(jì)中的植物選取和基質(zhì)選擇進(jìn)行綜述，將會(huì)對(duì)這方面的研究與應(yīng)用有較大的幫助。

1 人工濕地的定義與分類(lèi)

人工濕地是指通過(guò)模擬天然濕地的結(jié)構(gòu)與功能，選擇一定的地理位置與地形，根據(jù)需要人為設(shè)計(jì)與建造的濕地。[9]

根據(jù)水文學(xué)，用于處理廢水的人工濕地可以分為兩種類(lèi)型：自由表面流(FWS)人工濕地和潛流式(SSF)人工濕地。其中潛流式人工濕地又可分為水平潛流(HF)人工濕地和垂直潛流(VF)人工濕地。自由表面流人工濕地與自然濕地類(lèi)似，具有花費(fèi)少、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但占地面積較大，水力負(fù)荷較小且效果有限。[10]潛流式人工濕地中，廢水水平或垂直流過(guò)基質(zhì)的效率較高[11]，但操作復(fù)雜度高。還有一類(lèi)人工濕地組合了各類(lèi)不同的人工濕地系統(tǒng)，被稱(chēng)為混合人工濕地，其設(shè)計(jì)通常包括兩種串行的人工濕地的處理過(guò)程，如VF-HF人工濕地、HF-VF人工濕地、HF-FWS人工濕地和FWS-HF人工濕地。[12]另外，也有使用高于兩階段的多階段人工濕地和其他增強(qiáng)型人工濕地等。[13]

2 人工濕地中的植物選擇

濕地植物在廢水處理過(guò)程中有許多優(yōu)良的特性，是人工濕地中至關(guān)重要的一部分。濕地植物在污水處理方面有如下特點(diǎn)：(1)通過(guò)光合作用為其凈化功能提供能量；(2)美觀、觀賞性強(qiáng)；(3)可收割再利用；(4)可作為污染程度的指示物；(5)為根區(qū)好氧微生物輸送氧氣，提高其降解污染物的能力；(6)增強(qiáng)維持介質(zhì)的水力傳輸。[14]然而，只有少量植物在人工濕地中被廣泛應(yīng)用。[15]因此，植物選取是可持續(xù)性人工濕地設(shè)計(jì)的前景。[16]人工濕地選擇植物的原則有：(1)適地適種；(2)耐污能力強(qiáng)；(3)凈化能力強(qiáng)；(4)根系發(fā)達(dá)；(5)具有較高的經(jīng)濟(jì)和觀賞價(jià)值；(6)保證物種間的合理搭配。[17]

(1)植物對(duì)廢水的忍耐性。廢水的極端環(huán)境有可能超出植物的忍耐性，從而限制植物的生長(zhǎng)和凈化能力。[18]實(shí)際上，植物所處的高濃度廢水環(huán)境會(huì)弱化植物的生存，從而降低人工濕地的可持續(xù)性。環(huán)境壓力還可能直接對(duì)植物產(chǎn)生傷害，如富營(yíng)養(yǎng)化會(huì)抑制植物生長(zhǎng)甚至導(dǎo)致植物滅亡,同時(shí)水中過(guò)量的氨含量會(huì)損害植物的生理功能，從而降低植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收，導(dǎo)致萎黃病、生長(zhǎng)緩慢、生物量降低等結(jié)果，進(jìn)而抑制植物體內(nèi)的過(guò)氧化物酶和過(guò)氧化氫酶的催化作用，增加了氧化壓力。[19]

針對(duì)上述情況，學(xué)者就植物對(duì)不同程度廢水污染物濃度的忍耐性做了研究。有結(jié)果顯示，香蒲可以承受160～170 mg/L的氨污染物濃度，而水蔥可以承受最?lèi)毫拥臈l件。[18]類(lèi)似地，通過(guò)研究蘆葦在廢水中不同化學(xué)需氧量(COD)下的生理反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)高的COD(≥200 mg/L)會(huì)擾亂植物正常的新陳代謝。[19]尚克春等對(duì)高鹽廢水環(huán)境下的6種耐鹽濕地植物進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明用人工濕地處理高鹽廢水有顯著優(yōu)勢(shì)。[20]王忠全等采用蕹菜、油菜、美人蕉、水葫蘆、水花生、水浮蓮6種植物，在水培情況下研究了它們對(duì) Hg、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn 6 種重金屬的適應(yīng)性，發(fā)現(xiàn)美人蕉和水葫蘆適應(yīng)性最強(qiáng)。[21]最近，許多實(shí)驗(yàn)研究展現(xiàn)了不同植物對(duì)不同污染物的忍耐性(見(jiàn)表1)。對(duì)這些植物的評(píng)估不僅有利于我們研究濕地植物，還有助于在人工濕地的設(shè)計(jì)中選擇合適的植物。

表1 不同植物對(duì)不同污染物的忍耐性

(2)植物凈化污染物的能力。作為人工濕地中主要的生物成分，植物通過(guò)直接利用氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物和其消除過(guò)程，成為了廢水凈化的中間媒介。[26-27]另外，植物可以積累廢水中的有毒物質(zhì)，如重金屬和抗生素等。通過(guò)對(duì)4種挺水濕地植物進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其凈吸收能力為6.50～26.57 g·N/m2和0.27～1.48 g·P/m2。[4]植物的吸收能力隨系統(tǒng)配置、停留時(shí)間、廢水類(lèi)型和氣候等條件的變化而改變。[7]在潛流人工濕地系統(tǒng)中，植物生長(zhǎng)越茂盛的系統(tǒng)對(duì)化學(xué)需氧量(COD)的去除率越高，茂盛的植物還消除了由于水深引起的 COD。[28]另一方面,植物根系釋放到土壤中的酶等物質(zhì)可直接降解污染物且降解速度非常快。人工濕地對(duì)于一些新興的污染物移除也有突出的效果，例如，濕地植物對(duì)卡馬西平、磺胺類(lèi)藥物和甲氧芐啶等具有積極的吸收效果。[29]對(duì)卡馬西平的吸收率為原始濃度的56%～82%(0.5～2.0 mg/L)。對(duì)于重金屬的吸收，包宏評(píng)估了6種濕地植物對(duì)廢水中重金屬(Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni)的富集能力，結(jié)果表明辣蓼、茭筍富集能力最強(qiáng)。[30]近些年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)不同植物凈化不同污染物的能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和評(píng)估(見(jiàn)表2)。從表2中可見(jiàn)，不同的植物對(duì)污染物的凈化能力有所不同，甚至有些植物在凈化污染物方面存在負(fù)向效果。

表2 不同植物對(duì)不同污染物的凈化能力

(3)人工濕地中使用的植物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球發(fā)現(xiàn)的濕地高等植物多達(dá)6 700余種，但已被用于處理污水且效果明顯的不過(guò)幾十種。[35]人工濕地中最常用的濕地植物有：(1)漂浮植物，如水葫蘆、水芹菜、浮萍、豆瓣菜等；(2)具根莖、球莖的植物，如睡蓮、荷花、馬蹄蓮、慈姑、菱角、薏米、芡等；(3)挺水草木植物，如蘆葦、茭草、香蒲、水蔥、皇竹草、旱傘竹、水莎草等；(4)沉水植物，如黑藻等。[36]在這些濕地植物中,漂浮植物的植物體完全漂浮于水面，具有氣囊等適應(yīng)漂浮的特殊組織結(jié)構(gòu)。其適宜在集水池、初沉池中種植以發(fā)揮其凈化效果。挺水草木植物和具根莖、球莖植物的根莖生于淤泥中，植物體上部挺出水面。這類(lèi)植物的根系發(fā)達(dá)、生物量大、輸氧能力強(qiáng)，適宜于處理大規(guī)模污水。沉水植物的植物體基本完全沉于水氣界面以下，根扎于底泥或漂浮。這類(lèi)植物生態(tài)適應(yīng)性廣、繁殖快、再生能力強(qiáng)，受破壞后恢復(fù)時(shí)間短，所以常用于重建水生植被。但其生物量一般較小，處理污水的能力較低。在潛流濕地中一般可以種植生物量大且凈化能力強(qiáng)的挺水植物，對(duì)于污染河流，應(yīng)組合以耐污能力強(qiáng)、不易瘋長(zhǎng)的植物。

3 人工濕地中的基質(zhì)選擇

基質(zhì)對(duì)于人工濕地的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，尤其是潛流式人工濕地。這是由于基質(zhì)可以提供合適的植物生長(zhǎng)環(huán)境，并且能促進(jìn)廢水的流動(dòng)。[13]另外，大部分物理、化學(xué)和生物反應(yīng)等都在基質(zhì)中進(jìn)行?；|(zhì)對(duì)于凈化污水中的污染物,特別是磷素污染物有著重要的作用。[37]

(1)基質(zhì)的凈化能力。人工濕地基質(zhì)在為植物和微生物提供營(yíng)養(yǎng)的同時(shí)，還通過(guò)吸附、沉淀、過(guò)濾等作用直接去除污染物。[6]基質(zhì)的凈化能力主要取決于基質(zhì)本身的物理化學(xué)性質(zhì)，另外，還受液壓和污染物負(fù)載的影響。[38]由于生活污水中氮磷含量較高且基質(zhì)對(duì)其凈化能力較強(qiáng)，所以當(dāng)前的研究主要集中于濕地基質(zhì)對(duì)氮、磷污染物的凈化能力。早期有研究評(píng)估了丹麥13種沙子的脫磷效率和其物理化學(xué)特性，結(jié)果表明沙子鈣含量的多少對(duì)其脫磷率至關(guān)重要。Xu等調(diào)研了9種基質(zhì)的脫磷能力，發(fā)現(xiàn)不同種類(lèi)沙子的脫磷能力在0.13～0.29 g/kg的范圍之間。[39]對(duì)于基質(zhì)在脫氮、降低生化需氧量(BOD)、化學(xué)需氧量(COD)方面，也有許多工作對(duì)此進(jìn)行了探索(見(jiàn)表3)。

表3 不同植物對(duì)不同污染物的凈化能力

另外，關(guān)于混合基質(zhì)的性能評(píng)估也有很多成果。VF人工濕地中使用的河沙與白云石混合基質(zhì)(10∶1，w/w)的磷富集率范圍為6.5%～18%，最大脫磷估計(jì)量為124 mg·P/kg。[44]Ren等分析了4種基質(zhì)(粉煤灰、空心磚屑、煤渣和活性炭顆粒)，發(fā)現(xiàn)混合基質(zhì)的性能優(yōu)于單獨(dú)基質(zhì)。[45]徐麗花等研究了三種填料的凈化能力，發(fā)現(xiàn)沸石和石灰石混合使用不會(huì)降低沸石吸附氨氮的能力，并且由于沸石和石灰石發(fā)生了協(xié)同作用，對(duì)氮、磷的吸收效果均好于其單獨(dú)使用。[46]

(2)人工濕地中使用的基質(zhì)。基質(zhì)的選擇取決于其水力滲透性和吸收污染物的能力。低水力滲透性會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)堵塞，極大地降低系統(tǒng)的效率；弱吸收能力會(huì)影響人工濕地長(zhǎng)期的凈化性能。[47]傳統(tǒng)的人工濕地基質(zhì)主要包括土壤、砂、礫石等，近年來(lái)包括沸石、石灰石、頁(yè)巖、塑料、陶瓷等在內(nèi)具有優(yōu)秀性能的材料，也用作人工濕地的基質(zhì)。[48]許多研究聚焦于不同基質(zhì)的脫磷過(guò)程，如自然材料、工業(yè)副產(chǎn)品和人工產(chǎn)品，包括礫石、沙子、黏土、方解石、大理石、蛭石、礦渣、粉煤灰、膨潤(rùn)土、白云石、輕骨料、沸石、石灰石、貝殼、硅灰石、性炭等。這些研究表明礫石、沙子、巖石等對(duì)人工濕地長(zhǎng)期脫磷不利；另一方面，人工和工業(yè)產(chǎn)品有著良好的水力滲透性和脫磷能力，適合在人工濕地中使用。[49]劉國(guó)等以豬場(chǎng)沼液為研究對(duì)象，通過(guò)靜態(tài)吸附試驗(yàn)研究沸石、硅藻土、煤渣、鐵粉、石英砂4種基質(zhì)對(duì)磷的等溫吸附特征，發(fā)現(xiàn)沸石—垂直流人工濕地效果最好。[50]在表面水體氮濃度較低的環(huán)境下，襯底礫石、蛭石、陶粒和硅酸鈣水合物組成的復(fù)合基質(zhì)也有較好的表現(xiàn)。[2]這些混合基質(zhì)不僅為微生物在其表面附著提供了合適的環(huán)境，也提高了人工濕地的滲透系數(shù)，從而避免了其內(nèi)部堵塞。[11]受經(jīng)濟(jì)和地域條件限制，目前潛流型人工濕地大多使用當(dāng)?shù)氐暮由昂偷[石作為基質(zhì)材料，表面流型人工濕地多采用當(dāng)?shù)赝寥雷鳛榛|(zhì)材料。

4 結(jié)語(yǔ)

人工濕地的作用，與植物和基質(zhì)的選擇有著緊密的關(guān)系。對(duì)濕地植物使用現(xiàn)狀、凈化能力以及基質(zhì)的使用情況和凈化效果的研究結(jié)果表明，濕地植物及基質(zhì)的合理選擇依舊是人工濕地設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因此，應(yīng)對(duì)這方面有更加深入的研究。

目前對(duì)于單一植物凈化能力的研究較為充足，下一步應(yīng)研究不同植物種群配置對(duì)人工濕地凈化能力的影響，構(gòu)建一個(gè)完整合適的人工濕地植物生態(tài)系統(tǒng)，發(fā)揮喬灌木結(jié)合及暖、冷季植物套種的優(yōu)勢(shì)。另外，還應(yīng)對(duì)植物根際的化學(xué)和生物學(xué)特性進(jìn)行研究，探索其與氮磷、重金屬等污染物的關(guān)系。

人工濕地基質(zhì)的研究可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：首先，應(yīng)繼續(xù)聚焦于新型材料的研究，追求更為高效低廉的基質(zhì)材料；其次，關(guān)注多種基質(zhì)材料的合理搭配，通過(guò)互補(bǔ)效應(yīng)整體提高人工濕地基質(zhì)層的去污能力；最后，基質(zhì)與植物的有效組合方式依舊是提高人工濕地凈化性能的突破口。

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【責(zé)任編輯 馬小俠】

Plant and Substrate in Constructed Wetlands for Treating Wastewater

GAO Zhi-yong1，2,XIE Heng-xing1，2,WANG Zhi-ping1，2,LIU Shi-li1

(1.School of Chemistry and Materials，Weinan Normal University，Weinan 714099，China; 2.Key Laboratory for Ecology and Environment of River Wetlands in Shaanxi Province，Weinan 714099，China)

Constructed wetland is an artificial design and constructed wetland in accordance with the needs of human，which is constructed by simulating the structure and function of natural wetland and selecting a certain geographical position and topography.Wetland plants and substrates are crucial to constructed wetlands (CWs) for treating wastewater.On one hand，wetland plants are able to absorb and degrade a variety of pollutants (such as nitrogen，phosphorus，heavy metals，etc.)，adjusting the ecological environment of CWs.Those plants also transport oxygen to maintain the root zone for microbial growth.On the other hand，most of the physical，chemical and biological reactions happened during wetland purification processes in substrate.This paper focuses on the use of wetland plant species，different plant tolerance to wastewater and various purification effect of different pollutants.Meanwhile we summarize the different substrates used in CWs and their performance，including the advantage of mixed substrates.Finally，further research on the development of CWs is given.

constructed wetland; wetland plants; substrate; wastewater

S476

A

1009-5128(2017)08-0062-06

2016-09-22

陜西省教育廳自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目：渭南濕地植物的調(diào)查與開(kāi)發(fā)利用研究(16JS031)；渭南師范學(xué)院理工類(lèi)人才基金項(xiàng)目：渭南地區(qū)濕地植物調(diào)查與保護(hù)生物學(xué)研究(2015ZRRC02)；渭南師范學(xué)院科研計(jì)劃項(xiàng)目：秦東渭河濕地水質(zhì)調(diào)查與評(píng)價(jià)(15YKF003)

高志勇(1966—)，男，山東濟(jì)寧人，渭南師范學(xué)院化學(xué)與材料學(xué)院副教授，理學(xué)博士，主要從事植物生物學(xué)研究。