生根植物直接从砂土中去除氮、磷等营养物质， 而浮水植物则在水中去除营养物质。许多根系不 发达的沉水植物，例如金鱼藻属也能直接从水中 吸收营养物质。 大型挺水植物的茎和叶以及浮水植物的根还可以 用来减缓水流速度，以达到过滤和沉淀颗粒物质 的作用。有人在城镇污水处理试验中发现，种植 水烛和灯芯草的人工湿地基质中氮、磷的含量分 别比无植物的对照基质中的含量低18％ ～28％ 和 20％ ～3l％ ，可见水烛和灯芯草吸收利用了污水 中部分的氮和磷物质 。
第6讲 人工湿地
Constructed wetland


内容：人工湿地的分类与构造，人工湿地中的植物， 人工湿地去除污染物的机理，人工湿地系统设计， 人工湿地的建设和运行管理 Classification and structure of the wetland system, characteristics of plants in constructed wetland, removal mechanism of pollutants using constructed wetland system, design parameters of the constructed wetland system，construction and operation management of the constructed wetland system. 重点：人工湿地去除污染物的机理，人工湿地系统 设计 Rremoval mechanism of pollutants using constructed wetland system, design parameters of the constructed wetland system

通常认为潜流人工湿地中，植物可以传输足够的 氧，但在很多情况下，植物释放的氧并不能满足 硝化反应的需要，而且不同的植物氧传递的能力 也有很大的差别。持续淹水区域芦苇的传氧能力 明显弱于非淹水区域 。这就说明在潜流湿地中保 持基质中水表面与湿地表层覆盖物之间有足够的 空气间隙能增加氧的传输 。
植物的根系过浅或生长大量的非湿地植物也会影 响氧气的扩散，要想提高氧分在湿地中的传递必须做 好以下几步：
6.2 人工湿地中的植物
植物在污水控制方面的优势： 通过光合作用为净化作用提供能量来源； 具有美观可欣赏性，能改善景观生态环境； 可以收割回收资源； 可作为介质所受污染程度的指示物； 能固定土壤中的水分，圈定污染区，防止污染源 的进一步扩散； 植物庞大的根系为细菌提供了多样的生境，根区 的细菌群落可降解许多种污染物； 能输送氧气至根区,有利于微生物的好氧呼吸。

(4) 加强水力传导和维持通气状况的作用

由于植物根和根系对介质的穿透作用,在介质中形 成了许多微小的气室或间隙，减小了介质的封闭 性，增强了介质的疏松度,从而使得介质的水力传 输得到加强和维持。 成水平进行的人工湿地处理 污水的试验中发现，经过3 - 5 个月的污水处理后， 不种植物的对照土壤介质板结，发生淤积；而种 有水烛和灯心草的人工湿地渗虑性能好，污水能 很快地渗入介质。

有植物与无植物系统基质中细菌群落有明显差异， 而不同植物的系统基质中细菌群落并没有明显差异， 这也可以说明植物的输氧功能为根区微生物的生长 提供了必要条件，
研究还发现离根毛较远的区域呈现缺氧状态，更远 的区域则完全处于厌氧状态，厌氧区里富含枯枝碎 屑及底质层，其中含有大量可利用的碳源，这又提 供了反硝化条件。从而硝化细菌、反硝化细菌就可 以通过硝化作用、反硝化作用将有机氮磷等营养物 转化为铵离子、硝酸根离子、磷酸根离子等无机盐 形式被植物吸收或生成沉淀 ，这也是有植物系统 净化污水效果优于无植物系统的重要因素。
1. 人工湿地中植物作用 在人工湿地净化污水过程中，植物作用可以归纳为 四个重要的方面：
直接吸收利用污水中可利用态的营养物质、吸附 和富集重金属和一些有毒有害物质；

为根区好氧微生物输送氧气; 增强和维持介质的水力传输。
为微生物提供栖息地；
(1) 湿地植物对废水中营养物质及有害物质的去除作用


由于人类的不合理开发， 湿地资源在我国受到很 大破坏。在特殊时期和环境条件下，研究和建立 人工湿地生态系统是对自然湿地生态系统的适度 补充，也是对其功能退化的恢复性建设。人工湿 地是一种由人工建造和监督控制的，与沼泽地类 似的地面。 湿地能净化污水，是自然环境中自净能力很强的 区域之一。它利用自然生态系统中的物理、化学 和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、共沉、 离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水 的高效净化。

人工湿地中微生物的种类和数量是极其丰富的， 因为人工湿地水生植物的根系常形成一个网络状 的结构，并在植物根系附近形成好氧、缺氧和厌 氧的不同环境，为各种不同微生物的吸附和代谢 提供了良好的生存环境，也为人工湿地污水处理 系统提供了足够的分解者。研究表明，有植物的 湿地系统，细菌数量显著高于无植物系统，且植 物根部的细菌比介质处高1~2个数量级，植物的根 系分泌物还可以促进某些嗜磷、氮细菌的生长， 促进氮、磷释放、转化，从而间接提高净化率。
(2) 氧的传输功能


对于人工湿地处理系统来说，能否达到预期的处理 效果，一个重要因素就是能否使基质中保持充足的 氧分。人工湿地系统中植物可以代替传统工艺中的 曝气机输氧。 根据德国学者 1977提出的根区法理论，由于生长 在湿地中的挺水植物对氧的运输、释放、扩散作用， 将空气中的氧转运到根部，再经过植物根部的扩散， 在植物根区周围的微环境中依次出现好氧区、兼氧 区和厌氧区，有利于硝化、反硝化反应和微生物对 磷的过量积累作用 ，达到除氮、磷的效果，另一 方面通过在厌氧条件下有机物的降解、或开环、或 断成简单分子、小分子，提高对生物难降解有机物 的去除效果 。
6.1 人工湿地的分类与构造
1. 湿地、人工湿地概念

湿地：不问其为自然或人工、长久或暂时之沼泽地、 湿原、泥炭地或水域地带；带有或静止或流动，或 为淡水，半咸水或为咸水水体者，包括低潮时水深 不超过6m 的水域。

湿地是陆地与水体之间的过渡地带，是一种高功能 的生态系统，具有独特的生态结构和功能。对于保 护生物多样性、 改善自然环境具有重要作用。
尽量减少非湿地植物而用标准的本土湿地植物，这
些植物能适应在经常处于水饱和状态的基质中生长；
当移植入一种新植物的时候要保持较低的水面以使 植物的根扎的更深；
移植初期植物根系要与水面之间保留一个空气隔离
层；
要及时地去除杂草和植物残骸，保证基质中水面与
空气的接触面积。这里主要针对潜流型湿地。
(3) 为微生物提供栖息地

水生植物还能吸附、富集一些有毒有害物质，如 重金属铅、镉、汞、砷、钙、铬、镍、铜、铁、 锰、锌等，其吸收积累能力为：沉水植物>飘浮 植物>挺水植物，不同植物以及同一植物的不同 部位浓缩作用也不同，一般为：根>茎>叶，各器 官的累积系数随污水浓度的上升而下降 。一般认 为，植物对有毒有害物质的吸收以被动吸收为主， 增加植物和废水的接触时间，可增强植物对其的 去除率。


基质（土壤、砂、砾石）：为植物提供物理支持； 为各种复杂离子、化合物提供反应界面；为微生 物提供附着。 水体：为动植物、微生物提供营养物质。
3. 人工湿地污水处理系统

人工湿地污水处理系统由预处理单元和人工湿地 单元组成。通过合理设计可将BOD5 、SS、营养 盐、原生动物、金属离子和其它物质处理达到二 级和高级处理水平。预处理主要去除粗颗粒和降 低有机负荷。构筑物包括双层沉淀池、化粪池、 稳定塘或初沉池。人工湿地单元中的流态采用推 流式、阶梯进水式、回流式或综合式。见图1。


湿地植物具有三个作用： 显著增加微生物的附着 (植物的根茎叶) ； 湿地中植物可将大气氧传输至 根部，使根在厌氧环境中生长； 增加或稳定土壤 的透水性。 植物通气系统可向地下部分输氧, 根和根状茎向基 质中输氧， 因此可向根际中好氧和兼氧微生物提 供良好环境。植物的数量对土壤导水性有很大影 响， 芦苇的根可松动土壤， 死后可留下相互连通 的孔道和有机物。不管土壤最初的孔隙率如何， 大型植物可稳定根际的导水性相当于粗砂2～5年。
耐污能力强：不同植物耐污能力相差较大，所以 构建人工湿地选择物种时要选择耐污能力强的植 物，可以保证植物的正常生长，而且也有利于提 高人工湿地的污染物净化能力。 净化能力强：即单位面积的污染物去除率要高， 主要从两方面考虑：一方面是植物的生物量较大； 另一方面是植物体内污染物的浓度较高。

阶梯进水可避免处理床前部堵塞，使植物长势均 匀，有利于后部的硝化脱氮作用； 回流式可对进水进行一定的稀释，增加水中的溶 解氧并减少出水中可能出现的臭味。出水回流还 可促进填料床中的硝化和反硝化作用，采用低扬 程水泵，通过水力喷射或跌水等方式进行充氧。


综合式则一方面设置出水回流，另一方面还将进 水分布至填料床的中部，以减轻填料床前端的负 荷。

氮的含量为叶>凋落物>地上茎>地下茎>根；
磷为叶>凋落物>根>地上茎>地下茎； 钾在地下茎及叶中的含量相当高。

也有试验表明植物的氮磷积累量主要集中在植物 的地上部，所以通过对植物地上部分的收割就可 有效地将氮磷从污水和湿地系统中去除。

值得注意的一点是，在植物的生长后期进行收割 (比如在10月份)可以提高氮和磷的去除率，因为这 样避免了成熟的植物由于种子的掉落以及营养元 素从茎叶又传输到根部等原因，致使营养元素的 回流导致去除率降低。
4. 人工湿地污水处理系统的特点
人工湿地系统具有如下优点:

建造和运行费用便宜； 易于维护， 技术含量低；


可进行有效可靠的废水处理；