人工湿地的构建与应用
湿地是由水陆相互作用而形成的具有特殊功能的自然综合体，是重要的国土资源和自然资源，是生物重要的生存环境，与人类的生存和发展息息相关，也是自然界最富有生物多样性的生态景观 [1] 。目前，基于学术和管理两个层面，约有湿地定义60余种 [2,3] 。基于学术层面，主要从水文学、植物学、泥炭地质学和景观学等几个角度给出了湿地定义 [4] ；由于研究者从不同学科出发，研究的区域及对象不同，给出的定义也有差异。基于管理层面，被广泛认可的当属《湿地公约》中的湿地定义： “湿地系指不论其为天然或人工、长久或暂时之沼泽地、泥炭地或水域地带，带有或静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水水体者，包括低潮时水深不超过6 m的水域。”[5] 。湿地是富有生物多样性和生态功能的生态系统，被誉为“生物超市”、“自然之肾”、 “物种基因库”和“文明的发源地”[6] 。
中国是世界上湿地资源最丰富的国家之一，其面积仅次于加拿大、俄罗斯和美国 [7] 。近几十年来，由于盲目开垦湿地、过度耗用水资源、任意排放污染物以及气候暖干化、河流天然水量减少、泥沙淤积严重等因素使得中国湿地不断退化、面积急剧减少 [8,9] ，为了保护湿地，各地除建立湿地自然保护区对自然湿地进行保护外，还积极模拟天然湿地，构建和发展人工湿地，以利用其造福人类。
1 人工湿地的发展
人工湿地(constructed wetland)是人工设计与建造的由饱和基质、挺水与沉水植被、动物和水体组成的复合体 [10] 。在20世纪70年代，人工湿地处理系统大多利用原有的天然湿地，将天然湿地系统与人工建造的氧化塘处理系统结合起来，既保持了天然湿地的原有结构，又提高了氧化塘系统的处理效果；80年代以后，人工湿地发展为由人工建造的、以不同粒径的砾石等为填料基质，并种植有一定去污能力植物的处理系统，这样的构建模式使得人工湿地进入了规模性的应用阶段 [11] 。国外对人工湿地污水处理技术研究开展较早，最早可以追溯到1903年建在英国约克郡Earby的湿地系统，它持续运行到1992年；1953年，德国Seidel在研究中发现，芦苇(Phragmites australis)通过其根区产生微生物活性的区域作为生化反应器来转化、降解有机物，可以去除污染物 [12] 。1990年7月在中国深圳成功建立了第一个人工湿地污水处理工程 — —白泥坑人工湿地污水处理系统 [13] 。
2 人工湿地的构建与结构优化
人工湿地的一般工艺流程包括预处理、水生植物池和集水排水3大部分 [14] ，如：原污水→格栅→污水集水池→植物池A→植物池B→集水池→回用或排放水体 [15] ，其中起主要净化作用的是水生植物池，因此几乎所有的研究都是在水生植物池中进行。人工湿地构建者为了使湿地具有更好的去污效率，常常根据污染物组分的不同和主要污染物的含量，来构建不同类型的人工湿地，选择适宜的填充基质、水生植物、水力停留时间(hy-draulic retention time，HRT)和水力负荷度(load ofhydraulic power，LHP)等，来提高不同人工湿地净化受污染水的效果。
2.1 人工湿地的类型
根据污水在湿地床中流动的方式，可将人工湿地分为 3 种类型[16] ：垂直流人工湿地(verticalflow constructed wetland，VFCW)、潜流式人工湿地(subsurface flow constructed wetland，SSFCW)和表面流人工湿地(surface flow constructed wetland，SFCW)。
垂直流人工湿地主要用于处理氨氮含量高的污水，污水从湿地表面纵向流向填料床的底部；其对磷的去除效率差异很大 [17~19] ，且体积负荷较小，对介质要求较高，水流容易堵塞 [20,21] ，不利于推广使用，但与表面流、潜流式人工湿地相比，垂直流人工湿地具有较强的去除有机物和氮的能力 [22,23] ，且有很高的稳定性及抗冲击负荷能力 [24] 。龚琴红等研究认为，垂直流人工湿地填料在磷的去除中起主要作用 [25] ；Sun G等利用垂直流人工湿地的回流技术处理农业污水，发现其对化学需氧量(COD Cr )、五日生化需氧量(BOD 5 )、固体悬浮物(SS)和氮的去除率明显提高 [26] 。复合垂直流人工湿地系统处理效果相当稳定，但对总氮去除效果较差 [27] 。潜流式人工湿地由一个或多个填料床组成，污水从一端水平流过填料床到另一端。与表面流湿地相比，其对BOD 5 、COD Cr 、SS和重金属的去除效果较好，同时，处理过程中减少了臭气的散发和臭味的产生，而且床体可以对污水保温，这种工艺在国际上有较多的研究和应用，用于处理生活污水 [28] 、工业废水 [29] 、医疗废水 [30] 、暴雨径流 [31] 、矿山废水 [32,33] 、石油开采废水 [29,34~36] 、垃圾场渗滤液 [37] 等污水，但潜流式人工湿地容易发生堵塞现象 [38,39] 。表面流人工湿地的水力路径以地表推流为主，在污水处理过程中，主要是通过植物茎叶的拦截、土壤的吸附过滤和污染物的自然沉降来达到去除污染物的目的。表面流人工湿地的去污能力高于天然湿地处理系统，但与垂直流、潜流式人工湿地相比，其去污效果相对较差。
聂志丹等研究发现，垂直流人工湿地对氨氮、总氮和总磷的去除效果最好，潜流人工湿地对高锰酸盐指数和叶绿素a的去除效果最好 [40] 。有研究表明，表面流湿地对总氮的去除效果较好 [41] ，但在运行过程中容易产生异味，孳养蚊蝇，造成局部环境恶劣，也不适合在寒冷地区应用 [42] 。而表面流人工湿地与潜流人工湿地组合，则具有污水处理效果稳定、水力负荷大等特点 [43] 。除此之外，还有很多以上述人工湿地为基础进行改良设计的人工湿地污水处理系统，如波式潜流人工湿地 [44] 、潜流型厌氧处理湿地 [45] 、推流床湿地、下行流湿地、上行流湿地、好氧塘和兼性塘的不同组合工艺 [46]等，去污效果各有利弊。
2.2 人工湿地的基质
目前，用于人工湿地的基质主要有石块、砾石、砂粒、细砂、砂土和土壤 [47~49] ，还有矿渣、煤渣和活性炭等 [50] 。这些基质可以为微生物的生长提供稳定的依附表面，除此之外，基质还可以为水生植物提供支持载体和生长所需的营养物质，当这些营养物质通过污水流经人工湿地时，基质通过一些物理、化学途径(如吸附、吸收、过滤、络合反应和离子交换等)净化污水中的氮、磷等营养物质及其他污染物 [51] ，基质对有机污染物的去除主要体现在对磷的吸附上 [52] 。魏成等研究发现，沙土混合基质对污染物总氮、总磷、COD Cr 和BOD 5 的去除率最高，小粒径基质比大粒径基质效果更好，并能够保持更稳定的净化效率 [53] 。有学者分别研究了钢铁厂废渣、沸石、砂子、蛭石、黄褐土、下蜀黄土、粉煤灰、矿渣、钢渣、页岩、砾石和棕色土壤等人工湿地填料对磷的吸附特性 [54~57] ，都发现人工土配方的混合基质的吸附能力和净化水质能力均高于原料基质。
人工湿地土壤类型的不同对污水处理效果也有很大的影响 [58,59] 。杨昌凤等认为，这与土壤里的微生物、土壤的离子交换能力有关 [60] 。本文作者认为，在实际处理污水时，除了考虑土壤的静态处理效果外，还要考虑土壤的透水性，兼顾两方面因素，所建的人工湿地才能有较好的污水处理效果。
2.3 人工湿地的植物
湿地植物种类很多，其生长易受到介质、气候条件等的影响，植物吸收污染物的能力也随生长与生理活动的状态而变化，因而其污水净化效果也不一样。人工湿地选择的植物必须适应当地的土壤和气候条件。因各种湿地植物对不同污染物的去除效果各有差异，所以多种植物组合使用时，将有利于植物之间取长补短，从而提高湿地系统的污水净化效率 [61] 。目前人工湿地植物研究的重点已从凤眼莲(水葫芦) (Eichhornia crassipes)转移到芦苇和香蒲(Typha orientalis)上 [62] ，芦苇和香蒲在人工湿地中被广泛使用，它们既是中国北方与南方的常见物种，也是国际公认的最佳湿地植物 [63] 。湿地植物能有效促进湿地的氮元素转化过程，显著缩短无机氮在湿地中的寄宿时间 [64] ，但湿地植物对重金属(如Cu [65] 、Zn [66] 等)的吸收积累能力主要取决于植物体的生物量。湿地植物能有效提高水体透明度和水体观感，但并不能明显提高人工湿地对COD Cr 和DO的净化效果 [67] 。
王德科等在杭州发现，金鱼藻(Ceratophyllum demersum)、狐尾藻(Myriophyllum verticillatum)、微齿眼子菜(Pota?mogeton mackianus)、马 来 眼 子 菜 (Potamogetonmalaianus)、凤眼莲和苦草(Vallisneria spiralis) 6种水生植物对水中总氮、总磷和硝态氮都有较好的去除效果，尤其以狐尾藻和微齿眼子菜两种植物的效果最好 [66] 。王庆海等在北京以各种水生植物的越冬成活率、功能期、总生物量、植株平均氮、磷含量和氮、磷累积量为指标进行聚类分析表明，供试的8种植物按照净化能力可明显分为3类：水生鸢尾(Iris pseudacorus)的生物量大，氮、磷含量和氮、磷累积量高，对水中氮、磷污染物的去除能力强；菖蒲(Acorus calamus)、香蒲、荻(Triarrherca sac?chariflora)和芦竹(Arundo donax)的生物量较大，氮、磷含量和氮、磷累积量较高，对水中氮、磷污染物的去除能力也较强；扁秆藨草(Scirpus planicul?mis)、千屈菜(Lythrum salicaria)和芦苇的生物量较低，对氮、磷的综合去除能力较弱 [68] 。
陈永华等在长沙根据湿地植物实际各项单一指标的比较情况，建立了净化潜力的综合评价体系 [69] ，把17种植物按照净化能力分为3大类，第1大类为具有较强净化能力的植物：芦苇、千屈菜、美人蕉(Canna indica)、风车草(Cyperus ahemifo?lius)、水葱(Scirpus validus)、再力花(Thalia dealbata)和花叶美人蕉(Variegated canna)；第2大类为具有中等净化能力的植物：菖蒲、芦竹、香蒲和梭鱼草(Pontederia cordata)；第3大类为具有较弱净化能力的植物：鸢尾、野芋(Colocasia antiquorum)、灯心草(Juncus effusus)、葱兰(Zephyranthes candida)、泽泻(Alisma plantago)和花菖蒲(Iris ensata)。从以上几个典型例证可以看出，在不同的地域用相同的湿地植物对同一种污染物的净化效果是不同的。因此，应该因地制宜，寻找适合本地自然环境的湿地植物，在人工湿地中加以应用。
3 人工湿地的应用
作为20世纪70年代发展起来的一种新型污水处理生态系统，人工湿地以其建设运营成本低、去污能力强、使用寿命长、工艺简单、组合多样化等优势，近年来在世界各地得到了广泛的应用 [70~73] ，其应用范围主要集中在褐煤热解 [74] 、油砂废水 [75] 、矿山废水 [76] 、奶品加工 [77] 、食品工业 [78] 、造纸废水 [79] 、烃类废水 [80] 和垃圾场渗滤液 [81] 净化处理等方面，但应用人工湿地对农田污水灌溉前的净化处理的报道却少见。中国在这些方面的研究起步较晚，人工湿地规模较小，在处理技术和管理上还相对比较落后。以上人工湿地污水净化处理的典型应用实例见表1。
4 建 议
人工湿地系统是一个半开放、半封闭的生态系统，它形成了良好的内部循环，投资低、处理污水效果明显，操作简单、维护和运行费用低廉，在处理污水的同时还可以种草、养鱼，增加收益，节约资源，具有较好的经济效益和生态效益，在大、中、小城市和乡村缺少专业管理和技术人员的条件下均能使用，具有极其广阔的应用前景。但中国南北气候差异较大，要在全国范围内统一推广人工湿地污水处理系统困难较大，为此提出以下建议。
第一，加强人工湿地基础理论研究。目前关于人工湿地的研究大多集中在对湿地类型、填充基质和水生植物的选择与评价方面，而有关构建人工湿地时湿地面积、水流深度、湿地植物的种植密度、尤其是最佳水力负荷的设定等方面的研究报道很少，研究工作缺乏系统性和针对性。建议进一步探究人工湿地的去污机制，优化设计参数，为人工湿地的构建提供可靠的理论依据。
第二，加大人工湿地的推广与应用力度。目前，有关利用人工湿地进行污水处理的研究大多数都处于实验性阶段，污水制备和人工湿地构建也多数停留在实验室模拟阶段，不同地区、不同类型的人工湿地在现实生活当中运行时，往往难以达到预期的理想效果，还需进一步结合不同地域的环境条件和不同的应用目的开展研究和进行技术推广。
参考文献
[1] 吕宪国, 刘晓辉. 中国湿地研究进展[J]. 地理科学, 2008, 28(3):301~308.
[2]杨永兴. 国际湿地科学研究的主要特点、进展与展望[J]. 地理科学进展, 2002, 21(2): 111~120.
[3]CHEN Hongjun, WANG Guoping, LU Xianguo. Wetland Defini-tions: Creation, Evolution and Application[J]. 湿地科学, 2010, 8(3): 293~304.
[4]王国平, 刘景双, 汤 洁. 沼泽沉积与环境演变研究进展[J]. 地球科学进展, 2005, 20(3): 304~311.
[5]李禄康. 湿地与湿地公约[J]. 世界林业研究, 2001, 14(1): 1~7.
[6]贾 萍, 宫辉力, 赵文吉, 等. 我国湿地研究的现状与发展趋势[J]. 首都师范大学学报, 2003, 24(3): 84~88.
[7]江春波, 惠二青, 孔庆蓉, 等. 天然湿地生态系统评价技术研究进展[J]. 生态环境, 2007, 16(4): 1 304~1 309.
[8]罗新正, 朱 坦, 孙广友, 等. 松嫩平原湿地荒漠化现状、成因和对策[J]. 中国沙漠, 2003, 23(4): 373~378.
[9]Nicholls R J, Hoozemans F M J, Marchand M. Increasing floodrisk and wetland losses due to global sea level rise[J]. Global Envi-ron. Change, 1999, 9: 69-87.
[10]夏汉平. 人工湿地处理污水的机理与效率[J]. 生态学杂志,2002, 21(4): 51~59.