人工濕地處理廢水中的植物和基質選擇

高志勇，謝恒星，王志平，劉史力

(1.渭南師范學院 化學與材料學院，陜西 渭南 714099；2.陜西省河流濕地生態與環境重點實驗室，陜西 渭南 714099)

【現代應用技術研究】

人工濕地處理廢水中的植物和基質選擇

高志勇1，2，謝恒星1，2，王志平1，2，劉史力1

(1.渭南師范學院 化學與材料學院，陜西 渭南 714099；2.陜西省河流濕地生態與環境重點實驗室，陜西 渭南 714099)

人工濕地是指通過模擬天然濕地的結構與功能，選擇一定的地理位置與地形，根據需要人為設計與建造的濕地。濕地植物和基質是人工濕地處理廢水中最為關鍵的兩要素。植物能吸收、降解污染物(氮、磷、重金屬等)、調節濕地生態環境、傳輸氧氣并維持根區微生物生長等?；|中進行了濕地凈化過程的大部分物理、化學和生物反應。文章主要對人工濕地中植物使用的種類、不同植物對廢水環境的忍耐性和植物對不同污染物的凈化效果做了討論，同時對人工濕地中基質的種類、不同基質凈化廢水的表現和混合基質應用的美好前景進行了綜述，對人工濕地研究的進一步發展進行了展望。

人工濕地；濕地植物；基質；廢水

隨著城市化和工業化步伐的加快，我國水體受到了嚴重的污染，污水排放量與日俱增，且大部分未經處理。[1]透過污水處理發展的歷史來看，傳統的集中式污水處理系統雖然被成功地應用于大多數國家的污水控制[2]，但活性污泥工藝、膜生物反應器、膜分離技術等污水處理技術費用昂貴，且不能完全適用于農村地區[3]。此外，當面臨更為嚴格的污水處理標準時，這類技術有其內在的局限性和不足。[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Max Planck研究所采用人工濕地凈化污水[5]之后，人工濕地的應用越來越廣泛，不僅能有效地控制面源污染，還可用來處理城市污水、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計、可操作性和性能，并證實人工濕地可以高效地處理多種類型的廢水污染物，如有機污染物、富營養成分、重金屬、醫藥污染物、病原體等。[7]然而，實現人工濕地處理廢水的長期有效性和易操作性依舊是一個巨大的挑戰。其中，植物種類和基質類型是影響人工濕地性能的主要因素，因為污染物處理過程主要發生在生物反應中。[8]

雖然當前關于人工濕地處理廢水的研究已經有了很大的進展，但距持續性凈化水質的目標還有一定差距。另一方面，目前關于人工濕地處理廢水的研究工作越來越龐雜。因此，對人工濕地設計中的植物選取和基質選擇進行綜述，將會對這方面的研究與應用有較大的幫助。

1 人工濕地的定義與分類

人工濕地是指通過模擬天然濕地的結構與功能，選擇一定的地理位置與地形，根據需要人為設計與建造的濕地。[9]

根據水文學，用于處理廢水的人工濕地可以分為兩種類型：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似，具有花費少、操作簡單等優點，但占地面積較大，水力負荷較小且效果有限。[10]潛流式人工濕地中，廢水水平或垂直流過基質的效率較高[11]，但操作復雜度高。還有一類人工濕地組合了各類不同的人工濕地系統，被稱為混合人工濕地，其設計通常包括兩種串行的人工濕地的處理過程，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程中有許多優良的特性，是人工濕地中至關重要的一部分。濕地植物在污水處理方面有如下特點：(1)通過光合作用為其凈化功能提供能量；(2)美觀、觀賞性強；(3)可收割再利用；(4)可作為污染程度的指示物；(5)為根區好氧微生物輸送氧氣，提高其降解污染物的能力；(6)增強維持介質的水力傳輸。[14]然而，只有少量植物在人工濕地中被廣泛應用。[15]因此，植物選取是可持續性人工濕地設計的前景。[16]人工濕地選擇植物的原則有：(1)適地適種；(2)耐污能力強；(3)凈化能力強；(4)根系發達；(5)具有較高的經濟和觀賞價值；(6)保證物種間的合理搭配。[17]

(1)植物對廢水的忍耐性。廢水的極端環境有可能超出植物的忍耐性，從而限制植物的生長和凈化能力。[18]實際上，植物所處的高濃度廢水環境會弱化植物的生存，從而降低人工濕地的可持續性。環境壓力還可能直接對植物產生傷害，如富營養化會抑制植物生長甚至導致植物滅亡,同時水中過量的氨含量會損害植物的生理功能，從而降低植物對營養的吸收，導致萎黃病、生長緩慢、生物量降低等結果，進而抑制植物體內的過氧化物酶和過氧化氫酶的催化作用，增加了氧化壓力。[19]

針對上述情況，學者就植物對不同程度廢水污染物濃度的忍耐性做了研究。有結果顯示，香蒲可以承受160～170 mg/L的氨污染物濃度，而水蔥可以承受最惡劣的條件。[18]類似地，通過研究蘆葦在廢水中不同化學需氧量(COD)下的生理反應，發現高的COD(≥200 mg/L)會擾亂植物正常的新陳代謝。[19]尚克春等對高鹽廢水環境下的6種耐鹽濕地植物進行了研究，實驗結果表明用人工濕地處理高鹽廢水有顯著優勢。[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 Hg、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn 6 種重金屬的適應性，發現美人蕉和水葫蘆適應性最強。[21]最近，許多實驗研究展現了不同植物對不同污染物的忍耐性(見表1)。對這些植物的評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計中選擇合適的植物。

表1 不同植物對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，植物通過直接利用氮、磷等營養物和其消除過程，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，如重金屬和抗生素等。通過對4種挺水濕地植物進行研究，發現其凈吸收能力為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配置、停留時間、廢水類型和氣候等條件的變化而改變。[7]在潛流人工濕地系統中，植物生長越茂盛的系統對化學需氧量(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可直接降解污染物且降解速度非?？?。人工濕地對于一些新興的污染物移除也有突出的效果，例如，濕地植物對卡馬西平、磺胺類藥物和甲氧芐啶等具有積極的吸收效果。[29]對卡馬西平的吸收率為原始濃度的56%～82%(0.5～2.0 mg/L)。對于重金屬的吸收，包宏評估了6種濕地植物對廢水中重金屬(Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni)的富集能力，結果表明辣蓼、茭筍富集能力最強。[30]近些年來，許多學者對不同植物凈化不同污染物的能力進行了實驗和評估(見表2)。從表2中可見，不同的植物對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向效果。

表2 不同植物對不同污染物的凈化能力

(3)人工濕地中使用的植物。據統計，全球發現的濕地高等植物多達6 700余種，但已被用于處理污水且效果明顯的不過幾十種。[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，具有氣囊等適應漂浮的特殊組織結構。其適宜在集水池、初沉池中種植以發揮其凈化效果。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。這類植物的根系發達、生物量大、輸氧能力強，適宜于處理大規模污水。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。這類植物生態適應性廣、繁殖快、再生能力強，受破壞后恢復時間短，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的挺水植物，對于污染河流，應組合以耐污能力強、不易瘋長的植物。

3 人工濕地中的基質選擇

基質對于人工濕地的設計至關重要，尤其是潛流式人工濕地。這是由于基質可以提供合適的植物生長環境，并且能促進廢水的流動。[13]另外，大部分物理、化學和生物反應等都在基質中進行?；|對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)基質的凈化能力。人工濕地基質在為植物和微生物提供營養的同時，還通過吸附、沉淀、過濾等作用直接去除污染物。[6]基質的凈化能力主要取決于基質本身的物理化學性質，另外，還受液壓和污染物負載的影響。[38]由于生活污水中氮磷含量較高且基質對其凈化能力較強，所以當前的研究主要集中于濕地基質對氮、磷污染物的凈化能力。早期有研究評估了丹麥13種沙子的脫磷效率和其物理化學特性，結果表明沙子鈣含量的多少對其脫磷率至關重要。Xu等調研了9種基質的脫磷能力，發現不同種類沙子的脫磷能力在0.13～0.29 g/kg的范圍之間。[39]對于基質在脫氮、降低生化需氧量(BOD)、化學需氧量(COD)方面，也有許多工作對此進行了探索(見表3)。

表3 不同植物對不同污染物的凈化能力

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

(2)人工濕地中使用的基質?；|的選擇取決于其水力滲透性和吸收污染物的能力。低水力滲透性會導致系統堵塞，極大地降低系統的效率；弱吸收能力會影響人工濕地長期的凈化性能。[47]傳統的人工濕地基質主要包括土壤、砂、礫石等，近年來包括沸石、石灰石、頁巖、塑料、陶瓷等在內具有優秀性能的材料，也用作人工濕地的基質。[48]許多研究聚焦于不同基質的脫磷過程，如自然材料、工業副產品和人工產品，包括礫石、沙子、黏土、方解石、大理石、蛭石、礦渣、粉煤灰、膨潤土、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、巖石等對人工濕地長期脫磷不利；另一方面，人工和工業產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]劉國等以豬場沼液為研究對象，通過靜態吸附試驗研究沸石、硅藻土、煤渣、鐵粉、石英砂4種基質對磷的等溫吸附特征，發現沸石—垂直流人工濕地效果最好。[50]在表面水體氮濃度較低的環境下，襯底礫石、蛭石、陶粒和硅酸鈣水合物組成的復合基質也有較好的表現。[2]這些混合基質不僅為微生物在其表面附著提供了合適的環境，也提高了人工濕地的滲透系數，從而避免了其內部堵塞。[11]受經濟和地域條件限制，目前潛流型人工濕地大多使用當地的河砂和礫石作為基質材料，表面流型人工濕地多采用當地土壤作為基質材料。

4 結語

人工濕地的作用，與植物和基質的選擇有著緊密的關系。對濕地植物使用現狀、凈化能力以及基質的使用情況和凈化效果的研究結果表明，濕地植物及基質的合理選擇依舊是人工濕地設計的關鍵，因此，應對這方面有更加深入的研究。

目前對于單一植物凈化能力的研究較為充足，下一步應研究不同植物種群配置對人工濕地凈化能力的影響，構建一個完整合適的人工濕地植物生態系統，發揮喬灌木結合及暖、冷季植物套種的優勢。另外，還應對植物根際的化學和生物學特性進行研究，探索其與氮磷、重金屬等污染物的關系。

人工濕地基質的研究可以從以下幾個方面進行：首先，應繼續聚焦于新型材料的研究，追求更為高效低廉的基質材料；其次，關注多種基質材料的合理搭配，通過互補效應整體提高人工濕地基質層的去污能力；最后，基質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研究計劃項目：渭南濕地植物的調查與開發利用研究(16JS031)；渭南師范學院理工類人才基金項目：渭南地區濕地植物調查與保護生物學研究(2015ZRRC02)；渭南師范學院科研計劃項目：秦東渭河濕地水質調查與評價(15YKF003)

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