2017, Vol. 32
2. 陕西省河流湿地生态与环境重点实验室，陕西 渭南 714099
2. Key Laboratory for Ecology and Environment of River Wetlands in Shaanxi Province, Weinan 714099, China
随着城市化和工业化步伐的加快，我国水体受到了严重的污染，污水排放量与日俱增，且大部分未经处理。[1]透过污水处理发展的历史来看，传统的集中式污水处理系统虽然被成功地应用于大多数国家的污水控制[2]，但活性污泥工艺、膜生物反应器、膜分离技术等污水处理技术费用昂贵，且不能完全适用于农村地区[3]。此外，当面临更为严格的污水处理标准时，这类技术有其内在的局限性和不足。[4]而采用人工湿地处理废水，具有低能耗、低成本、高效率和易管理等特征，使人工湿地逐渐成了处理废水的有效选择。
从1953年德国Max Planck研究所采用人工湿地净化污水[5]之后，人工湿地的应用越来越广泛，不仅能有效地控制面源污染，还可用来处理城市污水、矿山污水和家禽污水等[6]。大量的研究聚焦于人工湿地的设计、可操作性和性能，并证实人工湿地可以高效地处理多种类型的废水污染物，如有机污染物、富营养成分、重金属、医药污染物、病原体等。[7]然而，实现人工湿地处理废水的长期有效性和易操作性依旧是一个巨大的挑战。其中，植物种类和基质类型是影响人工湿地性能的主要因素，因为污染物处理过程主要发生在生物反应中。[8]
虽然当前关于人工湿地处理废水的研究已经有了很大的进展，但距持续性净化水质的目标还有一定差距。另一方面，目前关于人工湿地处理废水的研究工作越来越庞杂。因此，对人工湿地设计中的植物选取和基质选择进行综述，将会对这方面的研究与应用有较大的帮助。
1 人工湿地的定义与分类人工湿地是指通过模拟天然湿地的结构与功能，选择一定的地理位置与地形，根据需要人为设计与建造的湿地。[9]
根据水文学，用于处理废水的人工湿地可以分为两种类型：自由表面流 (FWS) 人工湿地和潜流式 (SSF) 人工湿地。其中潜流式人工湿地又可分为水平潜流 (HF) 人工湿地和垂直潜流 (VF) 人工湿地。自由表面流人工湿地与自然湿地类似，具有花费少、操作简单等优点，但占地面积较大，水力负荷较小且效果有限。[10]潜流式人工湿地中，废水水平或垂直流过基质的效率较高[11]，但操作复杂度高。还有一类人工湿地组合了各类不同的人工湿地系统，被称为混合人工湿地，其设计通常包括两种串行的人工湿地的处理过程，如VF-HF人工湿地、HF-VF人工湿地、HF-FWS人工湿地和FWS-HF人工湿地。[12]另外，也有使用高于两阶段的多阶段人工湿地和其他增强型人工湿地等。[13]
2 人工湿地中的植物选择湿地植物在废水处理过程中有许多优良的特性，是人工湿地中至关重要的一部分。湿地植物在污水处理方面有如下特点：(1) 通过光合作用为其净化功能提供能量；(2) 美观、观赏性强；(3) 可收割再利用；(4) 可作为污染程度的指示物；(5) 为根区好氧微生物输送氧气，提高其降解污染物的能力；(6) 增强维持介质的水力传输。[14]然而，只有少量植物在人工湿地中被广泛应用。[15]因此，植物选取是可持续性人工湿地设计的前景。[16]人工湿地选择植物的原则有：(1) 适地适种；(2) 耐污能力强；(3) 净化能力强；(4) 根系发达；(5) 具有较高的经济和观赏价值；(6) 保证物种间的合理搭配。[17]
(1) 植物对废水的忍耐性。废水的极端环境有可能超出植物的忍耐性，从而限制植物的生长和净化能力。[18]实际上，植物所处的高浓度废水环境会弱化植物的生存，从而降低人工湿地的可持续性。环境压力还可能直接对植物产生伤害，如富营养化会抑制植物生长甚至导致植物灭亡, 同时水中过量的氨含量会损害植物的生理功能，从而降低植物对营养的吸收，导致萎黄病、生长缓慢、生物量降低等结果，进而抑制植物体内的过氧化物酶和过氧化氢酶的催化作用，增加了氧化压力。[19]
针对上述情况，学者就植物对不同程度废水污染物浓度的忍耐性做了研究。有结果显示，香蒲可以承受160~170 mg/L的氨污染物浓度，而水葱可以承受最恶劣的条件。[18]类似地，通过研究芦苇在废水中不同化学需氧量 (COD) 下的生理反应，发现高的COD (≥200 mg/L) 会扰乱植物正常的新陈代谢。[19]尚克春等对高盐废水环境下的6种耐盐湿地植物进行了研究，实验结果表明用人工湿地处理高盐废水有显著优势。[20]王忠全等采用蕹菜、油菜、美人蕉、水葫芦、水花生、水浮莲6种植物，在水培情况下研究了它们对Hg、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn 6种重金属的适应性，发现美人蕉和水葫芦适应性最强。[21]最近，许多实验研究展现了不同植物对不同污染物的忍耐性 (见表 1)。对这些植物的评估不仅有利于我们研究湿地植物，还有助于在人工湿地的设计中选择合适的植物。
|
表 1 不同植物对不同污染物的忍耐性 |
(2) 植物净化污染物的能力。作为人工湿地中主要的生物成分，植物通过直接利用氮、磷等营养物和其消除过程，成为了废水净化的中间媒介。[26-27]另外，植物可以积累废水中的有毒物质，如重金属和抗生素等。通过对4种挺水湿地植物进行研究，发现其净吸收能力为6.50~26.57 g·N/m2和0.27~1.48 g·P/m2。[4]植物的吸收能力随系统配置、停留时间、废水类型和气候等条件的变化而改变。[7]在潜流人工湿地系统中，植物生长越茂盛的系统对化学需氧量 (COD) 的去除率越高，茂盛的植物还消除了由于水深引起的COD。[28]另一方面, 植物根系释放到土壤中的酶等物质可直接降解污染物且降解速度非常快。人工湿地对于一些新兴的污染物移除也有突出的效果，例如，湿地植物对卡马西平、磺胺类药物和甲氧苄啶等具有积极的吸收效果。[29]对卡马西平的吸收率为原始浓度的56%~82%(0.5~2.0 mg/L)。对于重金属的吸收，包宏评估了6种湿地植物对废水中重金属 (Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni) 的富集能力，结果表明辣蓼、茭笋富集能力最强。[30]近些年来，许多学者对不同植物净化不同污染物的能力进行了实验和评估 (见表 2)。从表 2中可见，不同的植物对污染物的净化能力有所不同，甚至有些植物在净化污染物方面存在负向效果。
|
|
表 2 不同植物对不同污染物的净化能力 |
(3) 人工湿地中使用的植物。据统计，全球发现的湿地高等植物多达6 700余种，但已被用于处理污水且效果明显的不过几十种。[35]人工湿地中最常用的湿地植物有：(1) 漂浮植物，如水葫芦、水芹菜、浮萍、豆瓣菜等；(2) 具根茎、球茎的植物，如睡莲、荷花、马蹄莲、慈姑、菱角、薏米、芡等；(3) 挺水草木植物，如芦苇、茭草、香蒲、水葱、皇竹草、旱伞竹、水莎草等；(4) 沉水植物，如黑藻等。[36]在这些湿地植物中, 漂浮植物的植物体完全漂浮于水面，具有气囊等适应漂浮的特殊组织结构。其适宜在集水池、初沉池中种植以发挥其净化效果。挺水草木植物和具根茎、球茎植物的根茎生于淤泥中，植物体上部挺出水面。这类植物的根系发达、生物量大、输氧能力强，适宜于处理大规模污水。沉水植物的植物体基本完全沉于水气界面以下，根扎于底泥或漂浮。这类植物生态适应性广、繁殖快、再生能力强，受破坏后恢复时间短，所以常用于重建水生植被。但其生物量一般较小，处理污水的能力较低。在潜流湿地中一般可以种植生物量大且净化能力强的挺水植物，对于污染河流，应组合以耐污能力强、不易疯长的植物。
3 人工湿地中的基质选择基质对于人工湿地的设计至关重要，尤其是潜流式人工湿地。这是由于基质可以提供合适的植物生长环境，并且能促进废水的流动。[13]另外，大部分物理、化学和生物反应等都在基质中进行。基质对于净化污水中的污染物, 特别是磷素污染物有着重要的作用。[37]
(1) 基质的净化能力。人工湿地基质在为植物和微生物提供营养的同时，还通过吸附、沉淀、过滤等作用直接去除污染物。[6]基质的净化能力主要取决于基质本身的物理化学性质，另外，还受液压和污染物负载的影响。[38]由于生活污水中氮磷含量较高且基质对其净化能力较强，所以当前的研究主要集中于湿地基质对氮、磷污染物的净化能力。早期有研究评估了丹麦13种沙子的脱磷效率和其物理化学特性，结果表明沙子钙含量的多少对其脱磷率至关重要。Xu等调研了9种基质的脱磷能力，发现不同种类沙子的脱磷能力在0.13~0.29 g/kg的范围之间。[39]对于基质在脱氮、降低生化需氧量 (BOD)、化学需氧量 (COD) 方面，也有许多工作对此进行了探索 (见表 3)。
|
|
表 3 不同植物对不同污染物的净化能力 |
另外，关于混合基质的性能评估也有很多成果。VF人工湿地中使用的河沙与白云石混合基质 (10:1，w/w) 的磷富集率范围为6.5%~18%，最大脱磷估计量为124 mg·P/kg。[44]Ren等分析了4种基质 (粉煤灰、空心砖屑、煤渣和活性炭颗粒)，发现混合基质的性能优于单独基质。[45]徐丽花等研究了三种填料的净化能力，发现沸石和石灰石混合使用不会降低沸石吸附氨氮的能力，并且由于沸石和石灰石发生了协同作用，对氮、磷的吸收效果均好于其单独使用。[46]
(2) 人工湿地中使用的基质。基质的选择取决于其水力渗透性和吸收污染物的能力。低水力渗透性会导致系统堵塞，极大地降低系统的效率；弱吸收能力会影响人工湿地长期的净化性能。[47]传统的人工湿地基质主要包括土壤、砂、砾石等，近年来包括沸石、石灰石、页岩、塑料、陶瓷等在内具有优秀性能的材料，也用作人工湿地的基质。[48]许多研究聚焦于不同基质的脱磷过程，如自然材料、工业副产品和人工产品，包括砾石、沙子、黏土、方解石、大理石、蛭石、矿渣、粉煤灰、膨润土、白云石、轻骨料、沸石、石灰石、贝壳、硅灰石、性炭等。这些研究表明砾石、沙子、岩石等对人工湿地长期脱磷不利；另一方面，人工和工业产品有着良好的水力渗透性和脱磷能力，适合在人工湿地中使用。[49]刘国等以猪场沼液为研究对象，通过静态吸附试验研究沸石、硅藻土、煤渣、铁粉、石英砂4种基质对磷的等温吸附特征，发现沸石-垂直流人工湿地效果最好。[50]在表面水体氮浓度较低的环境下，衬底砾石、蛭石、陶粒和硅酸钙水合物组成的复合基质也有较好的表现。[2]这些混合基质不仅为微生物在其表面附着提供了合适的环境，也提高了人工湿地的渗透系数，从而避免了其内部堵塞。[11]受经济和地域条件限制，目前潜流型人工湿地大多使用当地的河砂和砾石作为基质材料，表面流型人工湿地多采用当地土壤作为基质材料。
4 结语人工湿地的作用，与植物和基质的选择有着紧密的关系。对湿地植物使用现状、净化能力以及基质的使用情况和净化效果的研究结果表明，湿地植物及基质的合理选择依旧是人工湿地设计的关键，因此，应对这方面有更加深入的研究。
目前对于单一植物净化能力的研究较为充足，下一步应研究不同植物种群配置对人工湿地净化能力的影响，构建一个完整合适的人工湿地植物生态系统，发挥乔灌木结合及暖、冷季植物套种的优势。另外，还应对植物根际的化学和生物学特性进行研究，探索其与氮磷、重金属等污染物的关系。
人工湿地基质的研究可以从以下几个方面进行：首先，应继续聚焦于新型材料的研究，追求更为高效低廉的基质材料；其次，关注多种基质材料的合理搭配，通过互补效应整体提高人工湿地基质层的去污能力；最后，基质与植物的有效组合方式依旧是提高人工湿地净化性能的突破口。
| [1] | 袁东海, 任全进, 高士祥, 等. 几种湿地植物净化生活污水COD、总氮效果比较[J]. 应用生态学报, 2004(12): 2337–2341. DOI:10.3321/j.issn:1001-9332.2004.12.027 |
| [2] | LI Y, ZHU G, NG W J, et al. A review on removing pharmaceutical contaminants from wastewater by constructed wetlands:design, performance and mechanism[J]. Science of the Total Environment, 2014, 468: 908–932. |
| [3] | CHEN Y, WEN Y, ZHOU Q, et al. Effects of plant biomass on denitrifying genes in subsurface-flow constructed wetlands[J]. Bioresource technology, 2014, 157: 341–345. DOI:10.1016/j.biortech.2014.01.137 |
| [4] | WU H, ZHANG J, LI C, et al. Mass Balance Study on Phosphorus Removal in Constructed Wetland Microcosms Treating Polluted River Water[J]. CLEAN-Soil, Air, Water, 2013, 41(9): 844–850. DOI:10.1002/clen.v41.9 |
| [5] | HOUSE C, BERGMANN B, STOMP A, et al. Combining constructed wetlands and aquatic and soil filters for reclamation and reuse of water[J]. Ecological Engineering, 1999, 12(1): 27–38. |
| [6] | 徐德福, 李映雪. 用于污水处理的人工湿地的基质、植物及其配置[J]. 湿地科学, 2007(1): 32–38. |
| [7] | SAEED T, SUN G. A review on nitrogen and organics removal mechanisms in subsurface flow constructed wetlands:Dependency on environmental parameters, operating conditions and supporting media[J]. Journal of environmental management, 2012, 112: 429–448. DOI:10.1016/j.jenvman.2012.08.011 |
| [8] | ARIAS C, DEL BUBBA M, BRIX H. Phosphorus removal by sands for use as media in subsurface flow constructed reed beds[J]. Water research, 2001, 35(5): 1159–1168. DOI:10.1016/S0043-1354(00)00368-7 |
| [9] | 夏汉平. 人工湿地处理污水的机理与效率[J]. 生态学杂志, 2002(4): 52–59. |
| [10] | 籍国东, 孙铁珩, 李顺. 人工湿地及其在工业废水处理中的应用[J]. 应用生态学报, 2002(2): 224–228. |
| [11] | WU H, ZHANG J, NGO H H, et al. A review on the sustainability of constructed wetlands for wastewater treatment:Design and operation[J]. Bioresource technology, 2015, 175: 594–601. DOI:10.1016/j.biortech.2014.10.068 |
| [12] | VYMAZAL J. The use of hybrid constructed wetlands for wastewater treatment with special attention to nitrogen removal:a review of a recent development[J]. Water research, 2013, 47(14): 4795–4811. DOI:10.1016/j.watres.2013.05.029 |
| [13] | KADLEC R H, WALLACE S. Treatment wetlands[M]. Florida: USA, CRC press, 2008: 1-11. |
| [14] | 成水平, 吴振斌, 况琪军. 人工湿地植物研究[J]. 湖泊科学, 2002(2): 179–184. DOI:10.18307/2002.0213 |
| [15] | VYMAZAL J. Emergent plants used in free water surface constructed wetlands:a review[J]. Ecological Engineering, 2013, 61: 582–592. DOI:10.1016/j.ecoleng.2013.06.023 |
| [16] | VYMAZAL J. Plants used in constructed wetlands with horizontal subsurface flow:a review[J]. Hydrobiologia, 2011, 674(1): 133–156. DOI:10.1007/s10750-011-0738-9 |
| [17] | 王圣瑞, 年跃刚, 侯文华, 等. 人工湿地植物的选择[J]. 湖泊科学, 2004(1): 91–96. DOI:10.18307/2004.0115 |
| [18] | SURRENCY D. Evaluation of aquatic plants for constructed wetlands[M]. Florida: USA, CRC Press, Lewis Publishers, Boca Raton, FL, 1993: 2-9. |
| [19] | XU J, ZHANG J, XIE H, et al. Physiological responses of Phragmites australis to wastewater with different chemical oxygen demands[J]. Ecological Engineering, 2010, 36(10): 1341–1347. DOI:10.1016/j.ecoleng.2010.06.010 |
| [20] | 尚克春, 刘宪斌, 陈晓英. 高盐废水人工湿地处理中耐盐植物的筛选[J]. 农业资源与环境学报, 2014(1): 74–78. |
| [21] | 王忠全, 温琰茂, 黄兆霆, 等. 几种植物处理含重金属废水的适应性研究[J]. 生态环境, 2005(4): 540–544. |
| [22] | 颜素珠, 梁东. 8种水生植物对污水中重金属—铜的抗性及净化能力的探讨[J]. 中国环境科学, 1990, 10(3): 166–170. |
| [23] | LONG X, YANG X, YE Z, et al. Differences of uptake and accumulation of zinc in four species f sedum[J]. Acta Botanica Sinica, 2001, 44(2): 152–157. |
| [24] | 李锋民, 熊治廷, 郑振华. 7种高等植物对铅的耐性及其生物蓄积研究[J]. 农业环境保护, 1999(16): 246–250. |
| [25] | 杨明杰, 林咸永, 杨肖娥. Cd对不同种类植物生长和养分积累的影响[J]. 应用生态学报, 1998(1): 89–94. |
| [26] | LIU W-J, ZENG F-X, JIANG H, et al. Total recovery of nitrogen and phosphorus from three wetland plants by fast pyrolysis technology[J]. Bioresource technology, 2011, 102(3): 3471–3479. DOI:10.1016/j.biortech.2010.10.135 |
| [27] | ONG S-A, UCHIYAMA K, INADAMA D, et al. Performance evaluation of laboratory scale up-flow constructed wetlands with different designs and emergent plants[J]. Bioresource technology, 2010, 101(19): 7239–7244. DOI:10.1016/j.biortech.2010.04.032 |
| [28] | VILLASENOR J, MENA J, FERN NDEZ F J, et al. Kinetics of domestic wastewater COD removal by subsurface flow constructed wetlands using different plant species in temperate period[J]. International Journal of Environmental and Analytical Chemistry, 2011, 91(7-8): 693–707. DOI:10.1080/03067319.2010.497918 |
| [29] | DAN A, YANG Y, DAI Y-N, et al. Removal and factors influencing removal of sulfonamides and trimethoprim from domestic sewage in constructed wetlands[J]. Bioresource technology, 2013, 146: 363–370. DOI:10.1016/j.biortech.2013.07.050 |
| [30] | 包宏. 6种湿地植物对废水中重金属富集能力的比较[J]. 污染防治技术, 2013(1): 15–19. |
| [31] | DORNELAS F L, BOECHAT MACHADO M, SPERLING M V. Performance evaluation of planted and unplanted subsurface-flow constructed wetlands for the post-treatment of UASB reactor effluents[J]. Water Science & Technology, 2009, 60(12): 3025–3033. |
| [32] | DE LUCAS A, VILLASE OR J, G MEZ R, et al.Influence of polyphenols in winery wastewater wetland treatment with different plant species[C].Proceedings of 10th International Conference on Wetland Systems for Water Pollution Control, Lisboa, Portugal, 2006:1677-1685. |
| [33] | MALTAIS-LANDRY G, MARANGER R, BRISSON J. Effect of artificial aeration and macrophyte species on nitrogen cycling and gas flux in constructed wetlands[J]. Ecological Engineering, 2009, 35(2): 221–229. DOI:10.1016/j.ecoleng.2008.03.003 |
| [34] | EL HAFIANE F, EL HAMOURI B.Subsurface-horizontal flow constructed wetland for polishing high rate ponds effluent[C].International Conference on Wetland Systems and Waste Stabilization Ponds Communications of Common Interest.Lyon, France, 2004:141-146. |
| [35] | REILLEY K, BANKS M, SCHWAB A. Dissipation of polycyclic aromatic hydrocarbons in the rhizosphere[J]. Journal of Environmental Quality, 1996, 25(2): 212–219. |
| [36] | 郎惠卿, 赵魁义, 陈克林. 中国湿地植被[M]. 北京: 科学出版社, 1999: 3-20. |
| [37] | DRIZO A, FROST C, GRACE J, et al. Physico-chemical screening of phosphate-removing substrates for use in constructed wetland systems[J]. Water Research, 1999, 33(17): 3595–3602. DOI:10.1016/S0043-1354(99)00082-2 |
| [38] | LAI D Y, LAM K C. Phosphorus sorption by sediments in a subtropical constructed wetland receiving stormwater runoff[J]. Ecological engineering, 2009, 35(5): 735–743. DOI:10.1016/j.ecoleng.2008.11.009 |
| [39] | XU D, XU J, WU J, et al. Studies on the phosphorus sorption capacity of substrates used in constructed wetland systems[J]. Chemosphere, 2006, 63(2): 344–352. DOI:10.1016/j.chemosphere.2005.08.036 |
| [40] | ZHAO Y J, HUI Z, CHAO X, et al. Efficiency of two-stage combinations of subsurface vertical down-flow and up-flow constructed wetland systems for treating variation in influent C/N ratios of domestic wastewater[J]. Ecological Engineering, 2011, 37(10): 1546–1554. DOI:10.1016/j.ecoleng.2011.06.005 |
| [41] | SAEED T, SUN G. Enhanced denitrification and organics removal in hybrid wetland columns:comparative experiments[J]. Bioresource technology, 2011, 102(2): 967–974. DOI:10.1016/j.biortech.2010.09.056 |
| [42] | ASLAM M M, MALIK M, BAIG M, et al. Treatment performances of compost-based and gravel-based vertical flow wetlands operated identically for refinery wastewater treatment in Pakistan[J]. Ecological engineering, 2007, 30(1): 34–42. DOI:10.1016/j.ecoleng.2007.01.002 |
| [43] | TEE H-C, LIM P-E, SENG C-E, et al. Newly developed baffled subsurface-flow constructed wetland for the enhancement of nitrogen removal[J]. Bioresource technology, 2012, 104: 235–242. DOI:10.1016/j.biortech.2011.11.032 |
| [44] | PROCHASKA C, ZOUBOULIS A. Removal of phosphates by pilot vertical-flow constructed wetlands using a mixture of sand and dolomite as substrate[J]. Ecological Engineering, 2006, 26(3): 293–303. DOI:10.1016/j.ecoleng.2005.10.009 |
| [45] | REN Y, ZHANG B, LIU Z, et al. Optimization of four kinds of constructed wetlands substrate combination treating domestic sewage[J]. Wuhan University Journal of Natural Sciences, 2007, 12(6): 1136–1142. DOI:10.1007/s11859-007-0085-x |
| [46] | 徐丽花, 周琪. 不同填料人工湿地处理系统的净化能力研究[J]. 上海环境科学, 2002(10): 603–605. |
| [47] | WANG R, KORBOULEWSKY N, PRUDENT P, et al. Feasibility of using an organic substrate in a wetland system treating sewage sludge:Impact of plant species[J]. Bioresource technology, 2010, 101(1): 51–57. DOI:10.1016/j.biortech.2009.07.080 |
| [48] | ZHU W L, CUI L H, OUYANG Y, et al. Kinetic adsorption of ammonium nitrogen by substrate materials for constructed wetlands[J]. Pedosphere, 2011, 21(4): 454–463. DOI:10.1016/S1002-0160(11)60147-1 |
| [49] | BABATUNDE A, ZHAO Y, ZHAO X. Alum sludge-based constructed wetland system for enhanced removal of P and OM from wastewater:Concept, design and performance analysis[J]. Bioresource technology, 2010, 101(16): 6576–6579. DOI:10.1016/j.biortech.2010.03.066 |
| [50] | 刘国, 刘国国, 胡凤妹, 等. 不同基质的人工湿地去除猪场沼液中磷的性能[J]. 环境工程, 2014(10): 55–60. |