1、雁鳴湖生態文明示范區濕地系統概述摘要： 雁鳴湖生態文明示范區人工濕地中，共有五種人工濕地類型，包括半潛流式凈化型、保育型濕地、景觀型濕地、溪流型濕地和塘濕地，大型挺水植物以菖蒲、香蒲、蘆葦、茭白為主，人工濕地濕地利用化糞池處理后的出水的污水排入人工濕地進行生態改造，進而建立平衡的濕地生態系統，帶動了環境綠化迅速恢復原有的野生生態群落。關鍵詞：人工濕地/半潛流型濕地/蘆葦/脫氮除磷/吸附1人工濕地系統應用現狀人工濕地是一種由人工建造和管理的綜合生態系統。迄今為止，各地區已經把人工濕地技術充分地應用到了污水處理中，并且對于污水處理的對象已經由生活污水、農業污水拓展到處理污染物含量較為復雜的工業廢水

2、，使得生態、經濟、社會效益的有效提升。目前，在美國約有600多座人工濕地工程用于處理市政、工業和農業廢水，在丹麥、德國、英國每個國家也都至少有200個地下潛流濕地系統在運行，新西蘭也有80多個人工濕地系統被投入使用1。根據人工濕地的運行經驗，正常情況下濕地的出水水質可達到農業灌溉水質要求，濕地系統為水禽提供了舒適的沼澤棲息地，并且對于濕地植物收割后，對濕地基本無破壞，濕地的運行維護管理費用低廉。因此，人工濕地的出水一般用于控制農村面源污染或灌溉工程；在挪威，正探索采用人工濕地處理高濃度難降解廢水的研究，雖然穩定性和出水指標正在進行著研究，但對污染物的處理效果特別是COD、BOD、TP和TN的去

3、除率都達到了較優的效果；英國提出的有關人工濕地可持續排水系統方案，將人工濕地成功應用于住宅、商業區、工業區、公路和機場等地，用于給排水；澳大利還采用人工濕地取代傳統的雨水調蓄池凈化合流制溢流污水，并積累了大量相關工程經驗。我國對于人工濕地生態去污技術的研究以在中小城鎮構筑節約型人工濕地為主，成本低廉且運行效果也很好；同時，結合人工濕地技術利用荒漠化的土地對污水進行物理、化學和植物處理，不僅使污水的處理效果有了大大提升，也使荒漠化土地有了可持續利用的價值，在人工濕地構筑的過程中，可以建立大片的生態濕地，對小環境有著良好的作用。目前，國內研究主要針對于人工濕地各個組成成分對TN、TP的去除效果進行

4、研究和分析，并得到了不同濕地構成、不同污染物濃度、不同植物配置對污染物去除率的影響，并得到了人工濕地最優的配置體系。2環境背景雁鳴湖生態文明示范區位于中牟縣北部和東北部黃河沖積平原，地形西北高，東南低，地面高程83.5至76米。氣候特征屬溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風氣候，溫度適中，四季分明，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季濕潤涼爽，冬季寒冷干燥。多年平均氣溫14.4，多年平均降水量611.9mm，多年平均水面蒸發量為1492.6mm，全年無霜期多年平均213天，日照2115.4h，平均風速2.2m/s，多年最大積雪厚度50cm，多年最大凍土深度25cm。受季風氣候影響，中牟縣降水量年內分布不均

5、，年際間變化幅度較大，根據中牟縣氣象局1957年至2000年連續44年降水統計資料分析，中牟縣多年平均降水量為611.9mm，年內6、7、8、9四個月多年平均降水量為403.6mm，占全年平均降水量66%。中牟縣平均氣溫14.2，一年中七月份最熱，月平均氣溫27.3，一月最冷平均氣溫-0.2，月相差27.5。東季主導風向以東北風為主，夏季主導風向以東南風為主。春季平均風速為2.4m/s，夏季平均風速2.1m/s，秋季平均風速為1.7m/s，冬季平均風速2.6m/s。雁鳴湖生態文明示范區人工濕地中，共有五種人工濕地類型，包括半潛流式凈化型、保育型濕地、景觀型濕地、溪流型濕地和塘濕地，大型挺水植物

6、以菖蒲、香蒲、蘆葦、茭白為主，人工濕地濕地利用化糞池處理后的出水的污水排入人工濕地進行生態改造，進而建立平衡的濕地生態系統，帶動了環境綠化迅速恢復原有的野生生態群落。論文在研究生態去污的基礎上，結合水土保持專業涵蓋的植物學、分析化學等課程進行人工濕地植物配置的研究，得出植物對人工濕地中污染物的脫除作用，并結合園林工程、土壤學等課程對景觀濕地的作用進行分析。最后通過計量方法對該地區人工濕地的現狀和生命周期進行評估。3人工濕地的組成、凈化機理及工藝流程3.1 雁鳴湖生態文明示范區人工濕地的組成與結構雁鳴湖生態文明示范區人工濕地為多元生態濕地系統由五個具有不同生態功能的濕地組成，分別是凈化型生態濕地

7、、保育型生態濕地、 溪流型生態濕地、景觀型生態濕地、塘生態濕地。水體流向為：沉淀池-凈化型生態濕地-保育型生態濕地-溪流型生態濕地-景觀型生態濕地-塘生態濕地。水流依次經過北湖、中湖、東湖和南湖。其中凈化型濕地屬于半潛流型濕地，是水質凈化主要部分，由植物床和溝壕串聯而成。填料基質為粘土、礫石等，亞粘土層和砂土層用于提供濕地植物生長所必須的營養物質，并能通過密實的物理結構過濾污水中的污泥等有機污染物。植物床頂部種植大型挺水植物，如菖蒲、香蒲、蘆葦、茭白等。保育型濕地由淺水水生生物區、深水區、擴展保育區和原有保育區，為水深0.2-0.4m表面流濕地。植物主要為蘆葦蕩。淺水區和表面流濕地具有凈化水質

8、功能。 景觀型濕地是由一系列相互配置的植物群落組成的，主要是湖心島、近岸淺水區和湖心深水區。濕地中種植多樣景觀植物，既營造景觀效果又實現了生物多樣性。3.2 人工濕地的凈化機理人工濕地生態系統由相互聯系的三類要素組成：人工基質、水生植物和微生物。人工基質為微生物的生長提供穩定的依附表面，為水生植物提供載體和營養物質；水生植物除直接吸收利用污水中的營養物質及吸附、富集一些有毒有害物質外，還有輸送氧氣到植物根部和維持水力傳輸的作用；而微生物通過代謝作用降解污水中的有機污染物。雁鳴湖生態文明示范區凈化型人工濕地擁有兩種形式的濕地，它們分別具有不同的污水處理作用和價值。其中半潛流式人工濕地是污水處理中

9、心的核心處理單元。水生植物與在水中、填料中生存的動物和微生物形成利于污水凈化的生態環境。當污水流經構筑人工濕地的同時，生物系統與填料系統共同作用，通過過濾、吸附、沉淀、植物吸收和微生物分解，實現對污水的高效率凈化處理；景觀濕地由3個人工湖、2條溪流和各種植物群落組成，典型植物包括楊樹、柳樹、銀杏、火炬樹等喬木，杏、李、櫻桃、山楂等果樹，四季玫瑰、錦帶、丁香、連翹、木繡球等觀花灌木，福祿考、景天、月季等花卉，苔草、荇菜、澤瀉、菖蒲等溪邊植物。建設植物群落通過疏密和高低錯落的樹種、花卉特點配置出形狀多樣，層次分明，色彩豐富的濕地園林綠地景觀。以常綠樹種作用背景，依據各種灌木和草本花卉的生長條件和特

10、性，因地制宜地點綴其中，在春季有萬花爭春，在夏季供動物飛鳥及人類休憩，秋季有果實成熟，冬季的銀裝素裹更為雁鳴湖生態文明示范區增添了景觀效果。景觀濕地將處理后的污水再次深加工，效果成倍增加，排入下流后，降低了原被污染的河流的有害污染物的含量。3.2.1 有機物去除機理廢水中有機物種類繁多，但對于主要含烴類、脂肪、蛋白質以及揮發性物質（如乙醇、丙酮等），對不溶性有機物的去除主要依靠人工濕地中填料的吸附、過濾作用和自身的沉淀功能。有資料表明：如不溶性SS，可在進水的10m以內去除90%2。但對于濃度過高的污水，需要通過一定的停留時間來進行過濾和沉降。可溶性有機物則主要依靠濕地中植物的吸收作用。濕地植

11、物的根系通過動力將可溶性有機物運送并固定，也可利用根系生物膜的吸附作用達到吸收凈化效果。同時濕地中的微生物則利用分解代謝作用除去了污染物。由于本人工濕地的來水中主要有機物有甲苯、淀粉、油脂等物質，微生物先將污染物水解成小分子有機物后，通過同化作用吸收。3.2.2 氮的去除機理污水中的氮元素主要是通過植物對含氮化合物的吸收利用作用，主要是NH4-N；填料和植物根部對含氮化合物吸附、過濾作用；微生物的硝化與反硝化的分解作用以及氨自身的物理揮發。雁鳴湖生態文明示范區人工濕地主要針對生活污水的處理，污水中的NH4-N含量較多，主要采用植物和微生物去氮，無機氮作為營養元素被供給植物生長，后經過收割完成去

12、除過程；流經人工濕地的污水中含有豐富的碳源，當碳源和系統壓力發生變化時，可發生以下微生物反應：1）存在于土壤中的微生物在壓力平衡的條件下進行呼吸作用：2）當壓力降低和壓力升高時，分別進行硝化反應和反硝化反應： ; 此時，微生物將NH4-N轉化成氨，生成的氨在有氧狀態時通過硝化作用，亞硝酸氧化細菌將氨氧化成亞硝酸，或硝酸氧化細菌將亞硝酸氧化成硝酸，生成的產物可以直接被植物利用。同時發生另一種反應的可能性增加，這就是氨的氧化反應：;而另一部分沒有被植物吸收利用的氨在水體中的循環，其中的一部分還可以與土壤中的陽離子發生反應，但生成的化學物質都比較活潑，這樣氨又有可能被再次釋放到水體中，造成了氨的循環

13、。從上述反應式和敘述的氨元素轉化過程可以看出，參加反應的氨被轉化成有機物吸收到植物體內或成為N2、N2O氣體從人工濕地排放出去。3.2.3 磷的去除機理對于生活污水，P的含量也是不容忽視的。P元素過多易導致水體富營養化。與去除N元素相似，雁鳴湖生態文明示范區人工濕地對P元素的去除主要也是通過植物、填料以及微生物的共同作用來完成的。有研究者指出上述三者對磷的去除速度以填料最快，水生植物最慢2。由于雁鳴湖生態文明示范區人工濕地采用的填料是由土壤、砂和礫石組成，礫石和土壤對PO43-的最大吸附量分別為0.107mg/g和1.11mg/g3。人工基質密實的結構可通過吸附、過濾、沉淀和離子交換作用將不可

14、溶的大分子P去除；可溶性的磷化物在污水中與一些金屬離子如鋁、鎂等發生離子交換反應，從而生成不溶性磷化物。不溶性的磷化物將被人工基質吸附、沉淀，后通過水壓對磷化堆積物的沖刷，將這些污染物以污泥的方式排除濕地。浮水植物對P元素的去除主要是通過自身的吸附作用，依據經驗蘆葦、茭白的除去能力較其他品種的植物強，實驗證實，植物根部的吸收能力大于莖部，葉片和莖對N、P的積累量最大。3.2.4 有害微生物的去除機理有害微生物可通過物理、化學和生物的綜合作用被去除。在人工濕地的環境下，去除有害微生物的物理因素包括過濾、沉淀、富集和紫外輻射作用；也可通過氧化及其他植物或微生物產生的抗生素、噬菌體等生物化學作用使有

15、害微生物自然死亡或被吸收消化。4人工濕地中植物對污染物的去除作用植物是人工濕地的重要組成部分之一，植物通過自身生理代謝作用不但可以分解和吸收污水中的部分污染元素，使之毒害作用大幅度降低，促進水體中的氧氣平衡；而且還能利用水中的N、P元素作為生長原料，向土壤環境中釋放大量的分泌物，如糖類、醇類、氨基酸等，這些物質為微生物的生長提供了豐富的營養，促進硝化細菌、反硝化細菌、磷細菌、纖維素分解菌等微生物的生長，促進氮、磷的釋放及轉化，從而間接的提高對污水的凈化率。植物同時還能改良土壤，綠化土地，改善區域小氣候，促進生態環境的良性循環。根據半潛流濕地的來水特點，考慮了地帶性、地域性種類，并結合經濟價值和

16、濕地園林化建設的要求，雁鳴湖生態文明示范區人工濕地植物以挺水植物為主，如蘆葦和茭白，其中蘆葦居多，并配有一定數量的香蒲、菖蒲等，這種挺水類型的植物根系發達，可通過根系向基質輸送氧分，使基質中形成多種類型的需氧小區，有利于微生物的生存繁殖，以便增加污染物的降解途徑。不同植物對不同污染物的處理效果各異，蘆葦是多年生草本禾本科，具有長而粗壯的匍匐根狀莖，可滯留沉積物、有害有毒物質和富營養物質，不僅能吸收富營養有機物，還能通過縱橫交織的根和地下莖將含高礦物質的水通過沉淀和脫氧作用從水中排出，減少地下水的污染。蘆葦是半水生半陸生的過渡性植物，可有效分解酚物質，防止土壤的次生鹽漬化，并能以有機質的形式貯存

17、碳元素，進而調整區域溫度，減少溫室氣體的排放。蘆葦是C3植物，根系較淺但比較發達。栽植于與水體隔開并抽干的土壤基質上，等間距為4060cm，一般情況下早春3月下旬蘆葦開始返青，隨后蘆葦開始生長，生長曲線呈單峰式，生物量極大值出現在10月底11月初。由于蘆葦栽植后無需人工管理，且通過根莖繁殖在1年內即可達到一定密度，所以蘆葦作為污水處理中抑制水體富營養化、凈化水質的主要植物。茭白是禾本科植物，菰屬，多年生挺水型水生植物，具有很大的生長量并有較強的吸收氮磷的能力。茭白出苗在4月初左右，此時的萌芽期生長期的水位不宜過高，但在分蘗后期可適當上水，這時處理污水所發揮的作用達到最大。而在冬季可保持淺水狀態

18、，土壤保持濕潤避免干旱。茭白的生長周期可分為四個階段：萌芽期、分蘗期、孕茭期和休眠期。試驗開始時，本地茭白正處于休眠期，地上部分已全部枯死，地下部分保持養分并配有分蘗芽和分株芽休眠香蒲能去除污水中的有機物如氯化烷烴，并可吸收鈷、鎳、錳，其根部能分泌天然抗生物質，降低污水中的有害微生物含量；其空心莖有利于空氣的輸送，為微生物提供額外的氧分。茭白生長量大，具有較強的吸收N、P的能力。5半潛流中基質對污染物的去除作用5.1 基質吸附理論介紹由于冬季植物的污染物去除作用達不到要求，因此冬季半潛流去除污染物的形式基本上等同于人工濕地系統運行的初期，即污染物主要是通過填料的物理截留4。主要基質組成就是礫石

19、，首層基質為粘土，因此吸附作用以粘土為例進行分析。由于粘土一般由硅酸鹽礦物組成，含有SiO2、Al2O3、礦物質和有機物質，其中的SiO2、Al2O3對污水中的有害有機物和金屬離子有吸附能力。研究粘土礦物中主要含有高嶺土、蒙脫土、海泡石。5.1.1 粘土的活化與離子交換粘土的物理活化一般可利用熱處理；而化學活化一般用20%H2SO4和HCl，利用氧化和提高酸性的方法去除污水中的金屬離子。對于粘土中的主要組分SiO2、Al2O3，根據化學反應的順序可以得出粘土中氧化物對生活污水中的重要陽離子交換順序：SiO2：K+>Na+>Li+；Ca2+>Mg2+Al2O3：K+>Na+>Li+；Mg2+> Ca2+>Ba2+5.1.2 對NH4+和金屬陽離子的吸附粘土上因離子交換作用而置換上H+，從而形成了酸中心，酸中心失去電子后負離子被吸附在帶正電的粘土表面上，形成了化學吸附過程將陽離子NH4+和金屬陽離子吸附。粘土中的高嶺土無吸附能力，而蒙脫土具備層片結構，因此論及粘土的吸附作用時以蒙脫土為例，蒙脫土晶間層可吸附陽離子，當粘土與含有一、二價陽離子的溶液達到平衡時，用一價或二價陽離子占據的表面分數來判斷粘土對陽離子的吸附作用：在含有0.005mol/L的一價陽離子和0.0025mol/L的二價陽離子不