论文综述雁鸣湖生态文明示范区湿地系统概述[材料]_湿地综述论文

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雁鸣湖生态文明示范区湿地系统概述

雁鸣湖生态文明示范区湿地系统概述

摘要： 雁鸣湖生态文明示范区人工湿地中，共有五种人工湿地类型，包括半潜流式净化型、保育型湿地、景观型湿地、溪流型湿地和塘湿地，大型挺水植物以菖蒲、香蒲、芦苇、茭白为主，人工湿地湿地利用化粪池处理后的出水的污水排入人工湿地进行生态改造，进而建立平衡的湿地生态系统，带动了环境绿化迅速恢复原有的野生生态群落。

关键词：人工湿地/半潜流型湿地/芦苇/脱氮除磷/吸附

1人工湿地系统应用现状

人工湿地是一种由人工建造和管理的综合生态系统。迄今为止，各地区已经把人工湿地技术充分地应用到了污水处理中，并且对于污水处理的对象已经由生活污水、农业污水拓展到处理污染物含量较为复杂的工业废水，使得生态、经济、社会效益的有效提升。目前，在美国约有600多座人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水，在丹麦、德国、英国每个国家也都至少有200个地下潜流湿地系统在运行，新西兰也有80多个人工湿地系统被投入使用[1]。根据人工湿地的运行经验，正常情况下湿地的出水水质可达到农业灌溉水质要求，湿地系统为水禽提供了舒适的沼泽栖息地，并且对于湿地植物收割后，对湿地基本无破坏，湿地的运行维护管理费用低廉。因此，人工湿地的出水一般用于控制农村面源污染或灌溉工程；在挪威，正探索采用人工湿地处理高浓度难降解废水的研究，虽然稳定性和出水指标正在进行着研究，但对污染物的处理效果特别是COD、BOD、TP和TN的去除率都达到了较优的效果；英国提出的有关人工湿地可持续排水系统方案，将人工湿地成功应用于住宅、商业区、工业区、公路和机场等地，用于给排水；澳大利还采用人工湿地取代传统的雨水调蓄池净化合流制溢流污水，并积累了大量相关工程经验。

我国对于人工湿地生态去污技术的研究以在中小城镇构筑节约型人工湿地为主，成本低廉且运行效果也很好；同时，结合人工湿地技术利用荒漠化的土地对污水进行物理、化学和植物处理，不仅使污水的处理效果有了大大提升，也使荒漠化土地有了可持续利用的价值，在人工湿地构筑的过程中，可以建立大片的生态湿地，对小环境有着良好的作用。

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目前，国内研究主要针对于人工湿地各个组成成分对TN、TP的去除效果进行研究和分析，并得到了不同湿地构成、不同污染物浓度、不同植物配置对污染物去除率的影响，并得到了人工湿地最优的配置体系。

2环境背景

雁鸣湖生态文明示范区位于中牟县北部和东北部黄河冲积平原，地形西北高，东南低，地面高程83.5至76米。气候特征属温带半湿润、半干旱大陆性季风气候，温度适中，四季分明，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季湿润凉爽，冬季寒冷干燥。多年平均气温14.4℃，多年平均降水量611.9mm，多年平均水面蒸发量为1492.6mm，全年无霜期多年平均213天，日照2115.4h，平均风速2.2m/s，多年最大积雪厚度50cm，多年最大冻土深度25cm。受季风气候影响，中牟县降水量年内分布不均，年际间变化幅度较大，根据中牟县气象局1957年至2000年连续44年降水统计资料分析，中牟县多年平均降水量为611.9mm，年内6、7、8、9四个月多年平均降水量为403.6mm，占全年平均降水量66%。中牟县平均气温14.2℃，一年中七月份最热，月平均气温27.3℃，一月最冷平均气温-0.2℃，月相差27.5℃。东季主导风向以东北风为主，夏季主导风向以东南风为主。春季平均风速为2.4m/s，夏季平均风速2.1m/s，秋季平均风速为1.7m/s，冬季平均风速2.6m/s。

雁鸣湖生态文明示范区人工湿地中，共有五种人工湿地类型，包括半潜流式净化型、保育型湿地、景观型湿地、溪流型湿地和塘湿地，大型挺水植物以菖蒲、香蒲、芦苇、茭白为主，人工湿地湿地利用化粪池处理后的出水的污水排入人工湿地进行生态改造，进而建立平衡的湿地生态系统，带动了环境绿化迅速恢复原有的野生生态群落。

论文在研究生态去污的基础上，结合水土保持专业涵盖的植物学、分析化学等课程进行人工湿地植物配置的研究，得出植物对人工湿地中污染物的脱除作用，并结合园林工程、土壤学等课程对景观湿地的作用进行分析。最后通过计量方法对该地区人工湿地的现状和生命周期进行评估。

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3人工湿地的组成、净化机理及工艺流程

3.1 雁鸣湖生态文明示范区人工湿地的组成与结构

雁鸣湖生态文明示范区人工湿地为多元生态湿地系统由五个具有不同生态功能的湿地组成，分别是净化型生态湿地、保育型生态湿地、溪流型生态湿地、景观型生态湿地、塘生态湿地。

水体流向为：沉淀池--净化型生态湿地--保育型生态湿地--溪流型生态湿地--景观型生态湿地--塘生态湿地。水流依次经过北湖、中湖、东湖和南湖。

其中净化型湿地属于半潜流型湿地，是水质净化主要部分，由植物床和沟壕串联而成。填料基质为粘土、砾石等，亚粘土层和砂土层用于提供湿地植物生长所必须的营养物质，并能通过密实的物理结构过滤污水中的污泥等有机污染物。植物床顶部种植大型挺水植物，如菖蒲、香蒲、芦苇、茭白等。

保育型湿地由浅水水生生物区、深水区、扩展保育区和原有保育区，为水深0.2-0.4m表面流湿地。植物主要为芦苇荡。浅水区和表面流湿地具有净化水质功能。

景观型湿地是由一系列相互配置的植物群落组成的，主要是湖心岛、近岸浅水区和湖心深水区。湿地中种植多样景观植物，既营造景观效果又实现了生物多样性。

3.2 人工湿地的净化机理

人工湿地生态系统由相互联系的三类要素组成：人工基质、水生植物和微生物。人工基质为微生物的生长提供稳定的依附表面，为水生植物提供载体和营养物质；水生植物除直接吸收利用污水中的营养物质及吸附、富集一些有毒有害物质外，还有输送氧气到植物根部和维持水力传输的作用；而微生物通过代谢作用降解污水中的有机污染物。

雁鸣湖生态文明示范区净化型人工湿地拥有两种形式的湿地，它们分别具有不同的污水处理作用和价值。其中半潜流式人工湿地是污水处理中心的核心处理单元。水生植物与在水中、填料中生存的动物和微生物形成利于污水净化的生态环境。当污水流经构筑人工湿地的同时，生物系统与填料系统共同作用，通过过滤、吸附、沉淀、植物吸收和微生物分解，实现对污水的高效率净化处理；景观湿地由3个人工湖、2条溪流和各种植物群落组成，典型植物包括杨树、柳树、银杏、火炬树等乔木，杏、李、樱桃、山楂等果树，四

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季玫瑰、锦带、丁香、连翘、木绣球等观花灌木，福禄考、景天、月季等花卉，苔草、荇菜、泽泻、菖蒲等溪边植物。建设植物群落通过疏密和高低错落的树种、花卉特点配置出形状多样，层次分明，色彩丰富的湿地园林绿地景观。以常绿树种作用背景，依据各种灌木和草本花卉的生长条件和特性，因地制宜地点缀其中，在春季有万花争春，在夏季供动物飞鸟及人类休憩，秋季有果实成熟，冬季的银装素裹更为雁鸣湖生态文明示范区增添了景观效果。景观湿地将处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 有机物去除机理

废水中有机物种类繁多，但对于主要含烃类、脂肪、蛋白质以及挥发性物质（如乙醇、丙酮等），对不溶性有机物的去除主要依靠人工湿地中填料的吸附、过滤作用和自身的沉淀功能。有资料表明：如不溶性SS，可在进水的10m以内去除90%[2]。但对于浓度过高的污水，需要通过一定的停留时间来进行过滤和沉降。

可溶性有机物则主要依靠湿地中植物的吸收作用。湿地植物的根系通过动力将可溶性有机物运送并固定，也可利用根系生物膜的吸附作用达到吸收净化效果。同时湿地中的微生物则利用分解代谢作用除去了污染物。由于本人工湿地的来水中主要有机物有甲苯、淀粉、油脂等物质，微生物先将污染物水解成小分子有机物后，通过同化作用吸收。

3.2.2 氮的去除机理

污水中的氮元素主要是通过植物对含氮化合物的吸收利用作用，主要是NH4-N；填料和植物根部对含氮化合物吸附、过滤作用；微生物的硝化与反硝化的分解作用以及氨自身的物理挥发。

雁鸣湖生态文明示范区人工湿地主要针对生活污水的处理，污水中的NH4-N含量较多，主要采用植物和微生物去氮，无机氮作为营养元素被供给植物生长，后经过收割完成去除过程；流经人工湿地的污水中含有丰富的碳源，当碳源和系统压力发生变化时，可发生以下微生物反应：

1）存在于土壤中的微生物在压力平衡的条件下进行呼吸作用：

CH2OO2CO2H2O

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2）当压力降低和压力升高时，分别进行硝化反应和反硝化反应：

NH42O2NO-3H2O2H

;5CH2O4NO-34H5CO27H2O2N2

此时，微生物将NH4-N转化成氨，生成的氨在有氧状态时通过硝化作用，亚硝酸氧化细菌将氨氧化成亚硝酸，或硝酸氧化细菌将亚硝酸氧化成硝酸，生成的产物可以直接被植物利用。同时发生另一种反应的可能性增加，这就是氨的氧化反应：

5NHNH43NO-2-34N29H2O2H;4NON22H2O

而另一部分没有被植物吸收利用的氨在水体中的循环，其中的一部分还可以与土壤中的阳离子发生反应，但生成的化学物质都比较活泼，这样氨又有可能被再次释放到水体中，造成了氨的循环。从上述反应式和叙述的氨元素转化过程可以看出，参加反应的氨被转化成有机物吸收到植物体内或成为N2、N2O气体从人工湿地排放出去。

3.2.3 磷的去除机理

对于生活污水，P的含量也是不容忽视的。P元素过多易导致水体富营养化。与去除N元素相似，雁鸣湖生态文明示范区人工湿地对P元素的去除主要也是通过植物、填料以及微生物的共同作用来完成的。有研究者指出上述三者对磷的去除速度以填料最快，水生植物最慢[2]。由于雁鸣湖生态文明示范区人工湿地采用的填料是由土壤、砂和砾石组成，砾石和土壤对PO43-的最大吸附量分别为0.107mg/g和1.11mg/g[3]。人工基质密实的结构可通过吸附、过滤、沉淀和离子交换作用将不可溶的大分子P去除；可溶性的磷化物在污水中与一些金属离子如铝、镁等发生离子交换反应，从而生成不溶性磷化物。不溶性的磷化物将被人工基质吸附、沉淀，后通过水压对磷化堆积物的冲刷，将这些污染物以污泥的方式排除湿地。浮水植物对P元素的去除主要是通过自身的吸附作用，依据经验芦苇、茭白的除去能力较其他品种的植物强，实验证实，植物根部的吸收能力大于茎部，叶片和茎对N、P的积累量最大。

3.2.4 有害微生物的去除机理

有害微生物可通过物理、化学和生物的综合作用被去除。在人工湿地的环境下，去除有害微生物的物理因素包括过滤、沉淀、富集和紫外辐射作用；也可通过氧化及其他植物

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或微生物产生的抗生素、噬菌体等生物化学作用使有害微生物自然死亡或被吸收消化。

4人工湿地中植物对污染物的去除作用

植物是人工湿地的重要组成部分之一，植物通过自身生理代谢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，促进水体中的氧气平衡；而且还能利用水中的N、P元素作为生长原料，向土壤环境中释放大量的分泌物，如糖类、醇类、氨基酸等，这些物质为微生物的生长提供了丰富的营养，促进硝化细菌、反硝化细菌、磷细菌、纤维素分解菌等微生物的生长，促进氮、磷的释放及转化，从而间接的提高对污水的净化率。植物同时还能改良土壤，绿化土地，改善区域小气候，促进生态环境的良性循环。

根据半潜流湿地的来水特点，考虑了地带性、地域性种类，并结合经济价值和湿地园林化建设的要求，雁鸣湖生态文明示范区人工湿地植物以挺水植物为主，如芦苇和茭白，其中芦苇居多，并配有一定数量的香蒲、菖蒲等，这种挺水类型的植物根系发达，可通过根系向基质输送氧分，使基质中形成多种类型的需氧小区，有利于微生物的生存繁殖，以便增加污染物的降解途径。不同植物对不同污染物的处理效果各异，芦苇是多年生草本禾本科，具有长而粗壮的匍匐根状茎，可滞留沉积物、有害有毒物质和富营养物质，不仅能吸收富营养有机物，还能通过纵横交织的根和地下茎将含高矿物质的水通过沉淀和脱氧作用从水中排出，减少地下水的污染。芦苇是半水生半陆生的过渡性植物，可有效分解酚物质，防止土壤的次生盐渍化，并能以有机质的形式贮存碳元素，进而调整区域温度，减少温室气体的排放。

芦苇是C3植物，根系较浅但比较发达。栽植于与水体隔开并抽干的土壤基质上，等间距为40～60cm，一般情况下早春3月下旬芦苇开始返青，随后芦苇开始生长，生长曲线呈单峰式，生物量极大值出现在10月底11月初。由于芦苇栽植后无需人工管理，且通过根茎繁殖在1年内即可达到一定密度，所以芦苇作为污水处理中抑制水体富营养化、净化水质的主要植物。

茭白是禾本科植物，菰属，多年生挺水型水生植物，具有很大的生长量并有较强的吸收氮磷的能力。茭白出苗在4月初左右，此时的萌芽期生长期的水位不宜过高，但在分蘖后期可适当上水，这时处理污水所发挥的作用达到最大。而在冬季可保持浅水状态，雁鸣湖生态文明示范区湿地系统概述

土壤保持湿润避免干旱。茭白的生长周期可分为四个阶段：萌芽期、分蘖期、孕茭期和休眠期。试验开始时，本地茭白正处于休眠期，地上部分已全部枯死，地下部分保持养分并配有分蘖芽和分株芽休眠

香蒲能去除污水中的有机物如氯化烷烃，并可吸收钴、镍、锰，其根部能分泌天然抗生物质，降低污水中的有害微生物含量；其空心茎有利于空气的输送，为微生物提供额外的氧分。茭白生长量大，具有较强的吸收N、P的能力。

5半潜流中基质对污染物的去除作用

5.1 基质吸附理论介绍

由于冬季植物的污染物去除作用达不到要求，因此冬季半潜流去除污染物的形式基本上等同于人工湿地系统运行的初期，即污染物主要是通过填料的物理截留[4]。主要基质组成就是砾石，首层基质为粘土，因此吸附作用以粘土为例进行分析。

由于粘土一般由硅酸盐矿物组成，含有SiO2、Al2O3、矿物质和有机物质，其中的SiO2、Al2O3对污水中的有害有机物和金属离子有吸附能力。研究粘土矿物中主要含有高岭土、蒙脱土、海泡石。

5.1.1 粘土的活化与离子交换

粘土的物理活化一般可利用热处理；而化学活化一般用20%H2SO4和HCl，利用氧化和提高酸性的方法去除污水中的金属离子。

对于粘土中的主要组分SiO2、Al2O3，根据化学反应的顺序可以得出粘土中氧化物对生活污水中的重要阳离子交换顺序：

SiO2：K+>Na+>Li+；Ca2+>Mg2+ Al2O3：K+>Na+>Li+；Mg2+> Ca2+>Ba2+

5.1.2 对NH4+和金属阳离子的吸附

粘土上因离子交换作用而置换上H+，从而形成了酸中心，酸中心失去电子后负离子被吸附在带正电的粘土表面上，形成了化学吸附过程将阳离子NH4+和金属阳离子吸附。

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粘土中的高岭土无吸附能力，而蒙脱土具备层片结构，因此论及粘土的吸附作用时以蒙脱土为例，蒙脱土晶间层可吸附阳离子，当粘土与含有一、二价阳离子的溶液达到平衡时，用一价或二价阳离子占据的表面分数来判断粘土对阳离子的吸附作用：在含有0.005mol/L的一价阳离子和0.0025mol/L的二价阳离子不同组合的混合液中，蒙脱土中一价阳离子的覆盖度（%）为NH4+-Mg2+（0.32）、NH4+-Ca2+（0.27）、NH4+-Ba2+（0.20）[5]。

5.1.3 对有机污染物的吸附

粘土中的蒙脱土和海泡石对有机物有一定的吸附能力，以1kg的土粒样本溶液为单位，当土粒的吸附作用达到稳定平衡时所吸附的有机物的量记为平衡吸附量。根据生活污水中含有的主要污染物的成分，以芳烃为例，粘土对各种芳烃的平衡吸附量见表5-1[6]：

表5-1 粘土对芳烃的吸附量 Table.5-1 Clay on the adsorption of aromatic 项目

平衡吸附量mg·L-1 芳烃 苯 70

甲苯 133

乙苯 350

邻二甲苯 146 8

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参考文献

[1] 白晓慧,王宝贞,余敏,聂梅生.人工湿地技术发展及应用[J].哈尔滨建筑大学学报,1999,32(6)：88～92.[2] 陆琳琳.人工湿地组合工艺处理污染河水研究:[D].江苏省南京:河海大学,2007.[3] 钟成华,李杰,邓春光.人工湿地废水处理中氮、磷去除机理研究[J].重庆建筑大学学报,2008,30（4）：141～146.[4] 刘其霞.人工湿地植物营养元素积累及其生态化学计量学研究:[D].浙江省杭州市:浙江大学，2006.[5] Anderson M A,Rubin A J(eds).Adsorption of Inorganics at Solid-Liquid Interfaces[M].Michi-gan:Ann Arbor Sci,1989.[6] 赵振国.吸附作用应用原理[M].第1版.北京:化学工业出版社,2005.