隨著工農業的快速發展，大量的污水被排放到地表徑流，湖泊河流的水質開始逐步惡化，嚴重制約著人類社會的發展。由于地表水占地面積大，分布不集中等特點，無法利用大部分常見的污水處理工藝來凈化水體，因此，開發研究針對地表水的原位生態修復工藝成為一項重要課題。

人工濕地污水處理技術作為改善水質提供了一個可行而實用的技術手段。人工濕地是一種模擬天然濕地的一個復雜的人工綜合生態系統，是一種人為的將幾種填料(如礫石、土壤、砂、煤渣、沸石、石灰石等)按照一定的比例，并有選擇的種植植物，以及以后人工濕地基質中生長的微生物組成，人工濕地通過基質、植物和微生物三者復雜的物理、化學和生物作用，協同完成對污水的凈化處理。

生態浮床技術是一種適用于地表水體原位修復的技術，利用植物的吸收及根際微生物的作用來去除水體中的污染物。生態浮床，也稱之為生態浮島，是一種能漂浮于水面上并且能利用植物根系及上面附著的微生物來吸收和去除水中污染物的生態技術。由于其能在降解污染物的同時起到修復生態的作用，被普遍應用于河流湖泊等地表水體的治理。它能在降解氮磷等營養物質的同時給附近的鳥類和魚群提供棲息地，還能起到減小波浪保護湖岸的作用。在浮島上方種植觀賞類植物能起到很好的美化環境的作用，種植經濟作物，還能有一定的經濟效益。

本文根據多年的工程實驗結果，推薦人工濕地(浮床)工程應用的主要填料配方及植被選取，為污水處理工程提供設計參考。

1填料的最佳配方

1.1部分填料研究進展

土壤、砂、礫石等是傳統的人工濕地的經常采用基質填料，目前，國內外正在挑選具有良好污染物吸附性能和微生物附著性能的新型的高效的材料作為濕地的基質填料。每種人工濕地基質填料都有各自性能的優缺點，在對人工濕地填料進行選擇時，應該根據人工濕地所要處理污水的性質和經濟條件進行選擇，充分發揮人工濕地基質填料的作用。目前，人工濕地床通常由多種基質填料組成，以充分發揮基質填料的作用，人工濕地填料的級優配比是十分重要的，決定了污染物質去除效率，選擇合適的級優配比的填料，污染物質的去除效果將會明顯提高，同時也有效避免堵塞，提高運行周期。

石英砂、煤灰渣和高爐渣按照一定的比例作為人工濕地填料處理化糞池的污水表明石英砂、煤灰渣和高爐渣對CODcr、BOD5和TP都有較好的去除率，對CODcr去除率分別達到71%-88%、47%-57%和36%-49%;BOD5去除率分別為80%-89%、70%-77%和65%-75%;對總磷的去除率為70%-85%、83%-90%和40%-55%，其中石英砂的導水能力最好，具有最高的水力負荷。沸石和石灰石混合作為人工濕地填料時吸附除磷和氮的能力大于它們單獨作用時的吸附除磷除氮作用，沸石單獨作為人工濕地填料時對氨氮的平均去除率達到85%以上，對氨氮具有較好的去除效果。粉煤灰對氮和磷的去除效果優于常規的二級生化處理，且具有較大的水力負荷，粉煤灰具有價格低廉等優點，所以粉煤灰可以作為一種低廉的人工濕地基質填料。煤渣和草炭的組合對化糞池廢水中CODcr、BOD5、NH4-N和TP的去除率分別為76%-87%，88%-92%，75%-85%和77%-91%，且具有較高的水力負荷。蛙石的吸附效果受到溫度和pH值的影響，蛙石吸附符合陽離子交換規律且在一定pH值范圍內隨著溶液濃度的增大吸附量增大。

1.2填料最佳配方實驗研究

1.2.1實驗內容

實驗研究了沸石、石灰石和柱狀碳;沸石、陶粒和錳砂;沸石、粉煤灰和鋼渣;陶粒、石灰石和粉煤灰;沸石、陶粒和石灰石;沸石、陶粒和無煙煤;沸石、無煙煤和粉煤灰;陶粒、無煙煤和粉煤灰這八種組合。分別研究了各種組合24小時、48小時和72小時對氨氮和總磷的吸附情況。實驗所用廢水中氨氮的濃度為25.4mg/L，總磷的濃度為0.76mg/L。

1.2.2實驗結果

1單種基質對氨氮和總磷的吸附

(1)單種基質對氨氮的吸附

單種基質對氨氮的吸附，沸石在實驗期間對氨氮的吸收率一直處于最好的效果，在最初的24小時吸附效果要好于后來其對氨氮的吸附。其次是在開始的48小時內柱狀碳對氨氮的吸附效果比較好，但是到72小時時，柱狀碳的吸附效果有所下降，這時陶粒的吸附效果僅次于沸石。

圖-1單種基質對氨氮的吸附效果圖

(2)單種基質對總磷的吸附

對總磷的吸附，當在24小時和48小時時石灰石對總磷的吸附效果最佳，但是隨著時間的延長，在72小時時沸石對總磷的吸附達到最佳效果，而此時石灰石對總磷的吸附有所下降;其次是粉煤灰對總磷的吸附效果較佳。

圖-2單種基質對總磷的吸附效果圖

2配比組合對氨氮和總磷的吸附

(1)沸石、石灰石和柱狀碳組合

圖-3沸石、石灰石和柱狀碳組合對氨氮吸附效果圖

 

圖-4沸石、石灰石和柱狀碳組合對總磷吸附效果圖

沸石、石灰石和柱狀碳組合，這一組合對氨氮去除率都隨著時間的延長而增大，當組合比例為2：1：1時，吸附時間為72小時時氨氮去除率達到95%以上。而對總磷的去除率是在72小時時達到最佳效果，此時的組合比例為1：2：1。

(2)沸石、陶粒和錳砂組合

 

圖-5沸石、陶粒和錳砂組合對氨氮吸附圖

 

圖6沸石、陶粒和錳砂組合對總磷吸附圖

沸石、陶粒和錳砂組合：這一組合對氨氮去除率都隨著時間的延長而增大，但是對氨氮的去除率變化不是很大，當組合比例為2：1：1時，吸附時間為72小時時氨氮去除率同樣達到95%以上。而這種組合對總磷的去除率除率隨著時間的延長而增大，組合比例為1：1：3時72小時的總磷去除效率最佳。

(3)沸石、粉煤灰和鋼渣組合

圖-7沸石、陶粒和錳砂組合對氨氮吸附圖

 

圖-8沸石、陶粒和錳砂組合對總磷吸附圖

沸石、粉煤灰和鋼渣組合：這一組合對氨氮去除率都隨著時間的延長而增大，但是對氨氮的去除率變化不是很明顯，24小時的對氨氮的去除率都到達80%以上;在吸附48小時后組合比例為2：1：1時，氨氮的去除率最高為95%以上，但是此組合在72小時時對氨氮的去除率又有所下降;72小時時的最佳氨氮去除組合為3：1：1，去除率達到98%以上。而這種組合對總磷的去除率變化并不是隨時間的延長而增加，他們對總磷的去除率有波動的變化，其中組合比例為1：1：2時24小時的總磷去除效率最佳，達到80%以上，但是隨著時間的增加這種比例的組合對總磷的吸附率下降;比例為1:2:1的組合對總磷的去除率隨時間的延長而增加，當在72小時時達到最大去除率，達到88%以上。

(4)陶粒、石灰石和粉煤灰組合

 

圖-9沸石、陶粒和錳砂組合對氨氮吸附圖

 

圖-10沸石、陶粒和錳砂組合對總磷吸附圖

陶粒、石灰石和粉煤灰組合：這一組合各個比例組合對氨氮的去除也不是很穩定，總的氨氮去除率要差于上面三種物質的組合，當組合比例為1：3：1時，在72小時時氨氮的去除率最高為92%。當組合比例為1：2：1時，在72小時時總磷的去除率最高為81%。

(5)沸石、陶粒和石灰石組合

 

圖-11沸石、陶粒和錳砂組合對氨氮吸附圖

 

圖-12沸石、陶粒和錳砂組合對總磷吸附圖

沸石、陶粒和石灰石組合：這一組合各個比例對氨氮的去除率比較穩定，在各個實驗時間時，去除率有所差異，但是在相同的時間內各種組合之間對他們的去除率差異不是很大。他們在48小時和72小時對氨氮的去除率變化不明顯，去除率都在80～90%之間。這一組合對總磷的去除率隨時間的延長而增大，組合比例為1：3：1時，對總磷的去除率最大達到84%。

(6)沸石、陶粒和無煙煤組合

圖-13沸石、陶粒和錳砂組合對氨氮吸附圖

 

圖-14沸石、陶粒和錳砂組合對總磷吸附圖

沸石、陶粒和無煙煤組合：這一組合各個比例對氨氮的去除率比較穩定，在各個實驗時間時對氨氮的去除率大體相同，都能夠達到80%以上，但是當吸附時間為48小時時的去除效果最佳。這一組合對總磷的吸附也是隨著時間的延長而增大，比例為1：2：1是最佳，達到53%。

(7)沸石、無煙煤和粉煤灰組合

 

圖-15沸石、陶粒和錳砂組合對氨氮吸附圖

 

圖-16沸石、陶粒和錳砂組合對總磷吸附圖

沸石、無煙煤和粉煤灰組合：這一組合各個比例對氨氮的去除率在實驗時間都能達到90%以上，所以對于這種組合來說增加廢水停留時間是沒有必要的。這一組合對總磷的去除率也是隨著時間的延長而增大，最大達到72%。

(8)陶粒、無煙煤和粉煤灰組合

 

圖-17沸石、陶粒和錳砂組合對氨氮吸附圖

 

圖18沸石、陶粒和錳砂組合對總磷吸附圖

陶粒、無煙煤和粉煤灰組合：這一組合與上一組合相似，對氨氮的去除都能夠達到90%;對總磷的去除是在24小時時，比例為1:1:3,達到56%。

1.2.3實驗總結

從以上數據可以看出最佳的氨氮去除配比和總磷去除配比，至于選擇哪一種填料的組合比例，需要根據所要處理的水質要求，達標情況和投資等方面來考慮，以選擇最經濟最佳處理效果的配比。

1.3工程案例

填料配比在工程中的應用有：吉林四平人工濕地強化技術;錦州人工濕地強化技術;烏魯木齊市種苗場人工濕地污水處理工程等。

2植被的選取2.1復合浮床中植被的選取

2.1.1實驗材料與方法

(1)實驗材料與裝置

實驗中采用的浮床植物為黃菖蒲、小香蒲以及千屈菜，因為這三種植物是耐寒多年生植物，比較適合北方地區種植。另外，這三種植物對污水的凈化效果較好。

小香蒲(TyphaminimaFunk)：香蒲科草本植物，多年生。主要分布于東北、河南、河北等地區，是暖溫性中濕生牧草，是一種低溫草地植物，一般生長在潛水沼澤抗旱能力較差。以根莖繁殖為主，一般在每年的4月返青，花期在5、6月份，7-8月結果，主要用途為造紙，花粉也可藥用。

黃菖蒲(Irispseudacorus)：也叫黃花鳶尾，多年生草本，濕生或挺水，花色鮮艷，觀賞性較好。適應性較強，耐旱也耐濕，溫度在10℃以下開始停止生長，在北京地區，冬季時職業部分枯死，根莖能在地下越冬，及其耐寒。

千屈菜(LythrumsalicariaLinn)：又名水之柳，多年生挺水草本植物，喜光，喜水濕，耐鹽堿，較耐寒，在南方和北方均可以在室外越冬，花期在7-8月，小花紫紅色，多而密，一般可入藥，能有效治療痢疾和腸炎，同時還具有外傷止血的功效。

選用實驗水體馴化過生長較好的植株各4株。長寬高為15cm×15cm×4cm的泡沫4塊，泡沫上均勻有4個小孔，長寬為1.5cm×1.5cm。實驗用塑料小桶4個，桶直徑為25cm，高30cm。一個空白對照，3個實驗用桶。

(2)實驗方法

浮床植物篩選實驗開始時，3個實驗桶以及1個對照空白桶內注入12L實驗用水，將4株植物通過4個小孔固定在泡沫上，并將泡沫放入小桶內，使植物的根部浸沒在水中;空白對照僅在水中放入泡沫。每3天取樣檢測，定期向桶內補加去離子水保持水位。

(3)實驗用水水質

表1實驗用水水質

 

(4)分析測定項目及辦法

 

表2物化指標分析指標和測定方法

 

2.1.2實驗總結

(1)通過考察三種植物在污水中的生長狀況得到，在污水中，植物株高的增長量從大到小依次為：千屈菜、小香蒲、黃菖蒲;三種植物根長的增長量從大到小依次為：黃菖蒲、小香蒲、千屈菜。植物平均鮮重的增長量從大到小依次為：黃菖蒲、千屈菜、小香蒲。

(2)通過對三種植物在污水中的生長指標綜合分析可以得到，黃菖蒲的生長狀況最好最適合作為浮床植物，其次是千屈菜和小香蒲。

(3)對三種植物的去污能力實驗結果表明，三種植物對COD的去除效果最好的是千屈菜，其次是小香蒲，最后是黃菖蒲。三種植物對NH4+-N的去除效果最好的是千屈菜，其次是小香蒲，最后是黃菖蒲。三種植物對TP的去除效果最好的是千屈菜，其次是小香蒲，最后是黃菖蒲，且二者相差不大。三種植物對TP的去除效果最好的是黃菖蒲，其次是千屈菜，最后是小香蒲。

(4)總結三種植物對污水中COD、NH4+-N、TP、TN以及濁度的凈化效果可以得出，對污水凈化效果最好的是千屈菜，其次是小香蒲和黃菖蒲。

(5)綜合分析三種植物在污水中的生長狀況及對污水的凈化效果，最適合作為浮床植物的是千屈菜。

2.1.3工程案例

工程應用案例有：新鳳河南湖路橋至孫村閘河段水質改善研究與工程示范;杭州橫一港河道生態治理工程項目等。

2.2“神奇牧草”植物——香根草

2.2.1香根草簡介

香根草(Vetiveriazizanioides)又名巖蘭草，屬于禾本科香根草屬，最近國外將其歸入金須茅屬(Chrysopogonzizanioides)，系多年生草本植物。由于它根系發達，且向地下縱深發展，香根草被認為是“世界上具有最長根系的草本植物”。

香根草自二十世紀八十年代以來就受到世界各國的青睞，成為知名的水土保持和斜坡固定植物，被稱為“神奇牧草”。香根草技術(vetivertechnology,簡稱VGT)系指應用香根草進行侵蝕防治和斜坡穩固技術。于2000年在泰國召開的第二屆國際香根草會議上，又將香根草技術改名為香根草系統(vetiversystem)，特指實用的、價格低廉的、維護簡單的水土保持、土地穩固和修復的生物工程技術。它的主要功能是將活體香根草應用于農業和非農業保護，而將其修剪物或干植株作為副產品應用于工藝品編織、食用菌培養、房頂覆蓋、動物飼養和草藥等等。

近年來，在國際上興起了“香根草生態工程”，香根草技術被譽為“21世紀最有價值的生態工程技術”之一。其廣泛的用途及項目開發價值不容小視。香根草主要用于農田、坡地、公路、鐵路、堤岸及工礦地的工程保護與水土流失控制，并對重金屬污染及水體的富營養化有凈化作用。也可用作燃料、培養食用菌、造紙及編織工藝品等。

2.2.2香根草的特性

(1)香根草的生態特性

香根草莖稈叢生，高可達2.5米，直徑中空。葉鞘無毛，葉舌短，葉片線形，直伸，扁平，下部對折，無毛，邊緣粗糙，頂生葉片較小。圓錐花序大型頂生，主軸粗壯，無柄小穗線狀披針形，第一穎革質，背部圓形，第二穎脊上粗糙或具刺毛;第一外稃邊緣具絲狀毛;第二外稃較短，花期自小穗兩側伸出。8-10月開花結果。

分布于中國江蘇、浙江、福建、臺灣、廣東、海南及四川，熱帶非洲至印度、斯里蘭卡、泰國、緬甸、印度尼西亞爪哇、馬來西亞一帶廣泛種植。

(2)香根草的生理特性

①耐低pH和錳毒在pH3.3，土壤中錳含量578mg/kg，植株中Mn的含量達890mg/kg時香根草生長也不受影響。

②耐鋁毒在pH3.8，土壤Al飽和度68%時，適當施P、N肥香根草仍然能很好生長。

③耐鹽性香根草具有較高的耐鹽性，當土壤鹽漬度ECsc=20ms/cm時，香根草生長量僅減少50%，夏漢平等研究也表明香根草可抗御ECsc=16ms/cm的高鹽漬害。部分原因是深根避開土壤表層的高濃度鹽分，另一原因是根系中含有根油使其可拒鹽。

④耐堿化土壤在土壤Esp(交換性Na百分比)為33的強堿土，施用N、P可大大提高香根草生長量。

⑤耐重金屬一些實驗結果表明香根草耐重金屬性極強，如土壤中重金屬含量如下：Cr含量120mg/kgCu含量100mg/kgCd200-600mg/kgNi100mg/kg。香根草仍能正常生長。表明香根草是某些重金屬的排斥者又是其重金屬的積累者。

⑥去污凈化能力強香根草生長迅速，生物量大，在凈化污染環境時可適時收獲，在一定范圍內有較好的凈化效果。

表3污水停留第五天不同植物對污水中各污染物的去除效果

2.2.3香根草人工濕地凈化污水

香根草是一種高生物量的兩棲植物，也是一種理想的可用于構建人工濕地的植物。

通過建立香根草人工濕地模擬系統，研究香根草人工濕地處理生活污水的效果和系統的耐污能力，為香根草人工濕地應用于生活污水的處理提供了參考和指導。蔣敏等人的試驗研究表明，在水力停留時間為6h時，香根草人工濕地對低濃度生活污水的TP去除率較高，達到了82.6%～94.0%，對COD和TN的去除效率一般，分別為52.1%～74.9%和69.1%～75.7%。因此實際運行過程中香根草人工濕地可作為一級濕地處理，其后可設計二級和三級人工濕地處理以達到排放標準。濕地運行之初，對污染物尤其是COD的去除主要依靠吸附截留和化學沉淀，生物去除效果不明顯，因此剛開始調試的時候，進水負荷不宜過高。根據所處理的污水水質特征，合理選擇人工濕地基質、濕地植物以及植物的栽種密度，不但能提高濕地出水水質，還能降低濕地投資成本。

2.2.4工程案例——香根草人工濕地處理豬場廢水

(1)濕地植物篩選

濕地被認為是一種最有效的方法降低豬場廢水的總量和高營養負載(Truongetal,2001)。廖新俤(2000)從十二種植物品種中篩選出香根草和風車草，綜合評價結果顯示，在污染抗性、大生物量、根生長、景觀、及管理費用方面，這兩種植物適合在華南構建濕地處理豬場廢水。試驗結果表明，這兩種植物能生長在水質指標為：CODcr825mg˙L-1,BOD5500mg˙L-1,NH4-N130mg˙L-1andTP23mg˙L-1豬場廢水中，水力停留時間(HRT)4天后，這些指標分別下降64%,68%,20%and18%.數據結果分析表明，有、無植物時，COD,BOD和TP存在顯著差異。

(2)氮、磷和有機物的去除

廖新俤(2002)分別以香根草和風車草為植被，按1.0m×0.5m×0.8m建立濕地，通過四季試驗研究其對豬場廢水N、P、有機物的凈化功能。結果表明：

①兩濕地對NH4-N和S-PO43-去除率受污水停留時間和污水濃度影響較大。香根草或風車草人工濕地在春季對NH4-N和S-PO43-有明顯的去除效果：在秋季，二者對去除廢水TN均有效果，在去除TP上，香根草濕地效果明顯，風車草濕地效果差。

②4個季節香根草或風車草人工濕地對COD和BOD均有較穩定的去除效果，兩濕地抗有機負荷沖擊能力強。在春季，HRT1-2d，COD和BOD去除率分別為70%和80%;在夏季，進水COD高達1000-1400mg˙L-1條件下，COD去除率接近90%;在秋季，HRT1-2d，COD和BOD去除率分別為50-60%和50%;在冬季，進水COD高達1003mg˙L-1條件下，COD去除率在70%以上。COD，BOD和固體懸浮物在兩濕地間無明顯差異。

3總結

(1)通過填料配方實驗，研究了沸石、石灰石和柱狀碳;沸石、陶粒和錳砂;沸石、粉煤灰和鋼渣;陶粒、石灰石和粉煤灰;沸石、陶粒和石灰石;沸石、陶粒和無煙煤;沸石、無煙煤和粉煤灰;陶粒、無煙煤和粉煤灰這八種組合。分別研究了各種組合24小時、48小時和72小時對氨氮和總磷的吸附情況。

從數據中可以看出最佳的氨氮去除配比和總磷去除配比，至于選擇哪一種填料的組合比例，需要根據所要處理的水質要求，達標情況和投資等方面來考慮，以選擇最經濟最佳處理效果的配比。

(2)在復合浮床植物的篩選實驗中得出：通過株高、根長和鮮重三個生長指標綜合分析得到，三種耐寒植物中，在微污染水體中黃菖蒲的生長狀況最好，最適合作為浮床植物，其次是千屈菜和小香蒲。通過對污水中COD、NH4+-N、TP、TN去污能力的綜合分析得到，三種植物中，對污水凈化效果最好的是千屈菜，其次是小香蒲和黃菖蒲。

綜合分析三種植物在污水中的生長狀況及對污水的凈化效果，最適合作為浮床植物的是千屈菜。

(3)香根草：香根草人工濕地已展現了較強的凈化污水潛力，并獲得日益增加的關注。已有的研究為該技術在中國的應用奠定了基礎，然而目前這一技術尚處于試驗階段，并需要進一步完善。在中國的一些地區，由于不合適的氣候因素，對這一技術了解較少，或缺乏相應的技術及管理人員等原因，在一定程度上，制約了香根草人工濕地在當地的發展應用。

然而隨著不斷深入的研究，香根草人工濕地，作為一種有希望的、綠色的污水處理技術，將很可能在中國普及應用。(來源:中國給水排水)

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