人工湿地（浮床）工程应用的填料配方及植被选取

随着工农业的快速发展，大量的污水被排放到地表径流，湖泊河流的水质开始逐步恶化，严重制约着人类社会的发展。由于地表水占地面积大，分布不集中等特点，无法利用大部分常见的污水处理工艺来净化水体，因此，开发研究针对地表水的原位生态修复工艺成为一项重要课题。

人工湿地污水处理技术作为改善水质提供了一个可行而实用的技术手段。人工湿地是一种模拟天然湿地的一个复杂的人工综合生态系统，是一种人为的将几种填料(如砾石、土壤、砂、煤渣、沸石、石灰石等)按照一定的比例，并有选择的种植植物，以及以后人工湿地基质中生长的微生物组成，人工湿地通过基质、植物和微生物三者复杂的物理、化学和生物作用，协同完成对污水的净化处理。

生态浮床技术是一种适用于地表水体原位修复的技术，利用植物的吸收及根际微生物的作用来去除水体中的污染物。生态浮床，也称之为生态浮岛，是一种能漂浮于水面上并且能利用植物根系及上面附着的微生物来吸收和去除水中污染物的生态技术。由于其能在降解污染物的同时起到修复生态的作用，被普遍应用于河流湖泊等地表水体的治理。它能在降解氮磷等营养物质的同时给附近的鸟类和鱼群提供栖息地，还能起到减小波浪保护湖岸的作用。在浮岛上方种植观赏类植物能起到很好的美化环境的作用，种植经济作物，还能有一定的经济效益。

本文根据多年的工程实验结果，推荐人工湿地(浮床)工程应用的主要填料配方及植被选取，为污水处理工程提供设计参考。

1 填料的最佳配方

1.1部分填料研究进展

土壤、砂、砾石等是传统的人工湿地的经常采用基质填料，目前，国内外正在挑选具有良好污染物吸附性能和微生物附着性能的新型的高效的材料作为湿地的基质填料。每种人工湿地基质填料都有各自性能的优缺点，在对人工湿地填料进行选择时，应该根据人工湿地所要处理污水的性质和经济条件进行选择，充分发挥人工湿地基质填料的作用。目前，人工湿地床通常由多种基质填料组成，以充分发挥基质填料的作用，人工湿地填料的级优配比是十分重要的，决定了污染物质去除效率，选择合适的级优配比的填料，污染物质的去除效果将会明显提高，同时也有效避免堵塞，提高运行周期。

石英砂、煤灰渣和高炉渣按照一定的比例作为人工湿地填料处理化粪池的污水表明石英砂、煤灰渣和高炉渣对CODcr、BOD5和TP都有较好的去除率，对CODcr去除率分别达到71%-88%、47%-57%和36%-49%;BOD5去除率分别为80%-89%、70%-77%和65%-75%;对总磷的去除率为70%-85%、83%-90%和40%-55%，其中石英砂的导水能力最好，具有最高的水力负荷。沸石和石灰石混合作为人工湿地填料时吸附除磷和氮的能力大于它们单独作用时的吸附除磷除氮作用，沸石单独作为人工湿地填料时对氨氮的平均去除率达到85%以上，对氨氮具有较好的去除效果。粉煤灰对氮和磷的去除效果优于常规的二级生化处理，且具有较大的水力负荷，粉煤灰具有价格低廉等优点，所以粉煤灰可以作为一种低廉的人工湿地基质填料。煤渣和草炭的组合对化粪池废水中CODcr、BOD5、NH4-N和TP的去除率分别为76%-87%，88%-92%，75%-85%和77%-91%，且具有较高的水力负荷。蛙石的吸附效果受到温度和pH值的影响，蛙石吸附符合阳离子交换规律且在一定pH值范围内随着溶液浓度的增大吸附量增大。

1.2填料最佳配方实验研究

1.2.1 实验内容

实验研究了沸石、石灰石和柱状碳;沸石、陶粒和锰砂;沸石、粉煤灰和钢渣;陶粒、石灰石和粉煤灰;沸石、陶粒和石灰石;沸石、陶粒和无烟煤;沸石、无烟煤和粉煤灰;陶粒、无烟煤和粉煤灰这八种组合。分别研究了各种组合24小时、48小时和72小时对氨氮和总磷的吸附情况。实验所用废水中氨氮的浓度为25.4mg/L，总磷的浓度为0.76 mg/L。

1.2.2 实验结果

1 单种基质对氨氮和总磷的吸附

(1)单种基质对氨氮的吸附

单种基质对氨氮的吸附，沸石在实验期间对氨氮的吸收率一直处于最好的效果，在最初的24小时吸附效果要好于后来其对氨氮的吸附。其次是在开始的48小时内柱状碳对氨氮的吸附效果比较好，但是到72小时时，柱状碳的吸附效果有所下降，这时陶粒的吸附效果仅次于沸石。

图-1 单种基质对氨氮的吸附效果图

(2)单种基质对总磷的吸附

对总磷的吸附，当在24小时和48小时时石灰石对总磷的吸附效果最佳，但是随着时间的延长，在72小时时沸石对总磷的吸附达到最佳效果，而此时石灰石对总磷的吸附有所下降;其次是粉煤灰对总磷的吸附效果较佳。

图-2 单种基质对总磷的吸附效果图

2 配比组合对氨氮和总磷的吸附

(1)沸石、石灰石和柱状碳组合

图-3 沸石、石灰石和柱状碳组合对氨氮吸附效果图

图-4 沸石、石灰石和柱状碳组合对总磷吸附效果图

沸石、石灰石和柱状碳组合，这一组合对氨氮去除率都随着时间的延长而增大，当组合比例为2：1：1时，吸附时间为72小时时氨氮去除率达到95%以上。而对总磷的去除率是在72小时时达到最佳效果，此时的组合比例为1：2：1。

(2)沸石、陶粒和锰砂组合

图-5 沸石、陶粒和锰砂组合对氨氮吸附图

图6 沸石、陶粒和锰砂组合对总磷吸附图

沸石、陶粒和锰砂组合：这一组合对氨氮去除率都随着时间的延长而增大，但是对氨氮的去除率变化不是很大，当组合比例为2：1：1时，吸附时间为72小时时氨氮去除率同样达到95%以上。而这种组合对总磷的去除率除率随着时间的延长而增大，组合比例为1：1：3时72小时的总磷去除效率最佳。

(3)沸石、粉煤灰和钢渣组合

图-7 沸石、陶粒和锰砂组合对氨氮吸附图

图-8 沸石、陶粒和锰砂组合对总磷吸附图

沸石、粉煤灰和钢渣组合：这一组合对氨氮去除率都随着时间的延长而增大，但是对氨氮的去除率变化不是很明显，24小时的对氨氮的去除率都到达80%以上;在吸附48小时后组合比例为2：1：1时，氨氮的去除率最高为95%以上，但是此组合在72小时时对氨氮的去除率又有所下降;72小时时的最佳氨氮去除组合为3：1：1，去除率达到98%以上。而这种组合对总磷的去除率变化并不是随时间的延长而增加，他们对总磷的去除率有波动的变化，其中组合比例为1：1：2时24小时的总磷去除效率最佳，达到80%以上，但是随着时间的增加这种比例的组合对总磷的吸附率下降;比例为1:2:1的组合对总磷的去除率随时间的延长而增加，当在72小时时达到最大去除率，达到88%以上。

(4)陶粒、石灰石和粉煤灰组合

图-9 沸石、陶粒和锰砂组合对氨氮吸附图

图-10 沸石、陶粒和锰砂组合对总磷吸附图

陶粒、石灰石和粉煤灰组合：这一组合各个比例组合对氨氮的去除也不是很稳定，总的氨氮去除率要差于上面三种物质的组合，当组合比例为1：3：1时，在72小时时氨氮的去除率最高为92%。当组合比例为1：2：1时，在72小时时总磷的去除率最高为81%。

(5)沸石、陶粒和石灰石组合

图-11 沸石、陶粒和锰砂组合对氨氮吸附图

图-12 沸石、陶粒和锰砂组合对总磷吸附图

沸石、陶粒和石灰石组合：这一组合各个比例对氨氮的去除率比较稳定，在各个实验时间时，去除率有所差异，但是在相同的时间内各种组合之间对他们的去除率差异不是很大。他们在48小时和72小时对氨氮的去除率变化不明显，去除率都在80～90%之间。这一组合对总磷的去除率随时间的延长而增大，组合比例为1：3：1时，对总磷的去除率最大达到84%。

(6)沸石、陶粒和无烟煤组合

图-13 沸石、陶粒和锰砂组合对氨氮吸附图

图-14 沸石、陶粒和锰砂组合对总磷吸附图

沸石、陶粒和无烟煤组合：这一组合各个比例对氨氮的去除率比较稳定，在各个实验时间时对氨氮的去除率大体相同，都能够达到80%以上，但是当吸附时间为48小时时的去除效果最佳。这一组合对总磷的吸附也是随着时间的延长而增大，比例为1：2：1是最佳，达到53%。

(7)沸石、无烟煤和粉煤灰组合

图-15 沸石、陶粒和锰砂组合对氨氮吸附图

图-16 沸石、陶粒和锰砂组合对总磷吸附图

沸石、无烟煤和粉煤灰组合：这一组合各个比例对氨氮的去除率在实验时间都能达到90%以上，所以对于这种组合来说增加废水停留时间是没有必要的。这一组合对总磷的去除率 也是随着时间的延长而增大，最大达到72%。

(8)陶粒、无烟煤和粉煤灰组合

图-17 沸石、陶粒和锰砂组合对氨氮吸附图

图18 沸石、陶粒和锰砂组合对总磷吸附图

陶粒、无烟煤和粉煤灰组合：这一组合与上一组合相似，对氨氮的去除都能够达到90%;对总磷的去除是在24小时时，比例为1:1:3,达到56%。

1.2.3 实验总结

从以上数据可以看出最佳的氨氮去除配比和总磷去除配比，至于选择哪一种填料的组合比例，需要根据所要处理的水质要求，达标情况和投资等方面来考虑，以选择最经济最佳处理效果的配比。

1.3 工程案例

填料配比在工程中的应用有：吉林四平人工湿地强化技术;锦州人工湿地强化技术;乌鲁木齐市种苗场人工湿地污水处理工程等。

2 植被的选取2.1复合浮床中植被的选取

2.1.1 实验材料与方法

(1) 实验材料与装置

实验中采用的浮床植物为黄菖蒲、小香蒲以及千屈菜，因为这三种植物是耐寒多年生植物，比较适合北方地区种植。另外，这三种植物对污水的净化效果较好。

小香蒲(Typha minima Funk)：香蒲科草本植物，多年生。主要分布于东北、河南、河北等地区，是暖温性中湿生牧草，是一种低温草地植物，一般生长在潜水沼泽抗旱能力较差。以根茎繁殖为主，一般在每年的4月返青，花期在5、6月份，7-8月结果，主要用途为造纸，花粉也可药用。

黄菖蒲(Iris pseudacorus)：也叫黄花鸢尾，多年生草本，湿生或挺水，花色鲜艳，观赏性较好。适应性较强，耐旱也耐湿，温度在10℃以下开始停止生长，在北京地区，冬季时职业部分枯死，根茎能在地下越冬，及其耐寒。

千屈菜(Lythrum salicaria Linn)：又名水之柳，多年生挺水草本植物，喜光，喜水湿，耐盐碱，较耐寒，在南方和北方均可以在室外越冬，花期在7-8月，小花紫红色，多而密，一般可入药，能有效治疗痢疾和肠炎，同时还具有外伤止血的功效。

选用实验水体驯化过生长较好的植株各4株。长宽高为15cm×15cm×4cm的泡沫4块，泡沫上均匀有4个小孔，长宽为1.5cm×1.5cm。实验用塑料小桶4个，桶直径为25cm，高30cm。一个空白对照，3个实验用桶。

(2)实验方法

浮床植物筛选实验开始时，3个实验桶以及1个对照空白桶内注入12L实验用水，将4株植物通过4个小孔固定在泡沫上，并将泡沫放入小桶内，使植物的根部浸没在水中;空白对照仅在水中放入泡沫。每3天取样检测，定期向桶内补加去离子水保持水位。

(3)实验用水水质

表1 实验用水水质

2.1.2 实验总结

(1)通过考察三种植物在污水中的生长状况得到，在污水中，植物株高的增长量从大到小依次为：千屈菜、小香蒲、黄菖蒲;三种植物根长的增长量从大到小依次为：黄菖蒲、小香蒲、千屈菜。植物平均鲜重的增长量从大到小依次为：黄菖蒲、千屈菜、小香蒲。

(2)通过对三种植物在污水中的生长指标综合分析可以得到，黄菖蒲的生长状况最好最适合作为浮床植物，其次是千屈菜和小香蒲。

(3)对三种植物的去污能力实验结果表明，三种植物对COD的去除效果最好的是千屈菜，其次是小香蒲，最后是黄菖蒲。三种植物对NH4+-N的去除效果最好的是千屈菜，其次是小香蒲，最后是黄菖蒲。三种植物对TP的去除效果最好的是千屈菜，其次是小香蒲，最后是黄菖蒲，且二者相差不大。三种植物对TP的去除效果最好的是黄菖蒲，其次是千屈菜，最后是小香蒲。

(4)总结三种植物对污水中COD、NH4+-N、TP、TN以及浊度的净化效果可以得出，对污水净化效果最好的是千屈菜，其次是小香蒲和黄菖蒲。

(5)综合分析三种植物在污水中的生长状况及对污水的净化效果，最适合作为浮床植物的是千屈菜。

2.1.3 工程案例

工程应用案例有：新凤河南湖路桥至孙村闸河段水质改善研究与工程示范;杭州横一港河道生态治理工程项目等。

2.2“神奇牧草”植物——香根草

2.2.1 香根草简介

香根草( Vetiveria zizanioides) 又名岩兰草，属于禾本科香根草属，最近国外将其归入金须茅属(Chrysopogon zizanioides)，系多年生草本植物。由于它根系发达，且向地下纵深发展，香根草被认为是“世界上具有最长根系的草本植物”。

香根草自二十世纪八十年代以来就受到世界各国的青睐，成为知名的水土保持和斜坡固定植物，被称为“神奇牧草”。香根草技术(vetiver technology, 简称VGT)系指应用香根草进行侵蚀防治和斜坡稳固技术。于2000年在泰国召开的第二届国际香根草会议上，又将香根草技术改名为香根草系统(vetiver system)，特指实用的、价格低廉的、维护简单的水土保持、土地稳固和修复的生物工程技术。它的主要功能是将活体香根草应用于农业和非农业保护，而将其修剪物或干植株作为副产品应用于工艺品编织、食用菌培养、房顶覆盖、动物饲养和草药等等。

近年来，在国际上兴起了“香根草生态工程”，香根草技术被誉为“21 世纪最有价值的生态工程技术”之一。其广泛的用途及项目开发价值不容小视。香根草主要用于农田、坡地、公路、铁路、堤岸及工矿地的工程保护与水土流失控制，并对重金属污染及水体的富营养化有净化作用。也可用作燃料、培养食用菌、造纸及编织工艺品等。

2.2.2 香根草的特性

(1)香根草的生态特性

香根草茎秆丛生，高可达2.5米，直径中空。叶鞘无毛，叶舌短，叶片线形，直伸，扁平，下部对折，无毛，边缘粗糙，顶生叶片较小。圆锥花序大型顶生，主轴粗壮，无柄小穗线状披针形，第一颖革质，背部圆形，第二颖脊上粗糙或具刺毛;第一外稃边缘具丝状毛;第二外稃较短，花期自小穗两侧伸出。8-10月开花结果。

分布于中国江苏、浙江、福建、台湾、广东、海南及四川，热带非洲至印度、斯里兰卡、泰国、缅甸、印度尼西亚爪哇、马来西亚一带广泛种植。

(2) 香根草的生理特性

①耐低pH和锰毒 在pH3.3，土壤中锰含量578mg/kg，植株中Mn的含量达890mg/kg时香根草生长也不受影响。

②耐铝毒 在pH3.8，土壤Al饱和度68%时，适当施P、N肥香根草仍然能很好生长。

③耐盐性 香根草具有较高的耐盐性，当土壤盐渍度ECsc=20ms/cm时，香根草生长量仅减少50%，夏汉平等研究也表明香根草可抗御ECsc=16ms/cm的高盐渍害。部分原因是深根避开土壤表层的高浓度盐分，另一原因是根系中含有根油使其可拒盐。

④耐碱化土壤 在土壤Esp(交换性Na百分比)为33的强碱土，施用N、P可大大提高香根草生长量。

⑤耐重金属 一些实验结果表明香根草耐重金属性极强，如土壤中重金属含量如下：Cr含量120mg/kg Cu含量100mg/kg Cd200-600mg/kg Ni 100mg/kg 。香根草仍能正常生长。表明香根草是某些重金属的排斥者又是其重金属的积累者。

⑥去污净化能力强 香根草生长迅速，生物量大，在净化污染环境时可适时收获，在一定范围内有较好的净化效果。

表3 污水停留第五天不同植物对污水中各污染物的去除效果

2.2.3 香根草人工湿地净化污水

香根草是一种高生物量的两栖植物，也是一种理想的可用于构建人工湿地的植物。

通过建立香根草人工湿地模拟系统，研究香根草人工湿地处理生活污水的效果和系统的耐污能力，为香根草人工湿地应用于生活污水的处理提供了参考和指导。 蒋敏等人的试验研究表明，在水力停留时间为6h 时，香根草人工湿地对低浓度生活污水的TP去除率较高，达到了82.6% ～ 94.0%，对COD 和TN的去除效率一般，分别为52.1% ～ 74.9% 和69.1% ～ 75.7%。因此实际运行过程中香根草人工湿地可作为一级湿地处理，其后可设计二级和三级人工湿地处理以达到排放标准。湿地运行之初，对污染物尤其是COD 的去除主要依靠吸附截留和化学沉淀，生物去除效果不明显，因此刚开始调试的时候，进水负荷不宜过高。根据所处理的污水水质特征，合理选择人工湿地基质、湿地植物以及植物的栽种密度，不但能提高湿地出水水质，还能降低湿地投资成本。

2.2.4工程案例——香根草人工湿地处理猪场废水

(1)湿地植物筛选

湿地被认为是一种最有效的方法降低猪场废水的总量和高营养负载(Truong et al, 2001)。廖新俤(2000)从十二种植物品种中筛选出香根草和风车草，综合评价结果显示，在污染抗性、大生物量、根生长、景观、及管理费用方面，这两种植物适合在华南构建湿地处理猪场废水。试验结果表明，这两种植物能生长在水质指标为：CODcr 825 mg˙L-1, BOD5 500 mg˙L-1, NH4-N 130 mg˙L-1 and TP 23 mg˙L-1猪场废水中，水力停留时间(HRT)4天后，这些指标分别下降64%, 68%, 20% and 18%. 数据结果分析表明，有、无植物时，COD, BOD和TP存在显著差异。

(2)氮、磷和有机物的去除

廖新俤(2002)分别以香根草和风车草为植被，按1.0m×0.5m×0.8m建立湿地，通过四季试验研究其对猪场废水N、P、有机物的净化功能。结果表明：

① 两湿地对NH4-N和S-PO43-去除率受污水停留时间和污水浓度影响较大。香根草或风车草人工湿地在春季对NH4-N和S-PO43-有明显的去除效果：在秋季，二者对去除废水TN均有效果，在去除TP上，香根草湿地效果明显，风车草湿地效果差。

②4个季节香根草或风车草人工湿地对COD和BOD均有较稳定的去除效果，两湿地抗有机负荷冲击能力强。在春季，HRT 1-2d，COD和BOD去除率分别为70%和80%;在夏季，进水COD高达1000-1400 mg˙L-1条件下，COD去除率接近90%;在秋季，HRT 1-2d，COD和BOD去除率分别为50-60%和50%;在冬季，进水COD高达1003 mg˙L-1条件下，COD去除率在70%以上。COD，BOD和固体悬浮物在两湿地间无明显差异。

3 总结

(1) 通过填料配方实验，研究了沸石、石灰石和柱状碳;沸石、陶粒和锰砂;沸石、粉煤灰和钢渣;陶粒、石灰石和粉煤灰;沸石、陶粒和石灰石;沸石、陶粒和无烟煤;沸石、无烟煤和粉煤灰;陶粒、无烟煤和粉煤灰这八种组合。分别研究了各种组合24小时、48小时和72小时对氨氮和总磷的吸附情况。

从数据中可以看出最佳的氨氮去除配比和总磷去除配比，至于选择哪一种填料的组合比例，需要根据所要处理的水质要求，达标情况和投资等方面来考虑，以选择最经济最佳处理效果的配比。

(2) 在复合浮床植物的筛选实验中得出：通过株高、根长和鲜重三个生长指标综合分析得到，三种耐寒植物中，在微污染水体中黄菖蒲的生长状况最好，最适合作为浮床植物，其次是千屈菜和小香蒲。通过对污水中COD、NH4+-N、TP、TN去污能力的综合分析得到，三种植物中，对污水净化效果最好的是千屈菜，其次是小香蒲和黄菖蒲。

综合分析三种植物在污水中的生长状况及对污水的净化效果，最适合作为浮床植物的是千屈菜。

(3) 香根草：香根草人工湿地已展现了较强的净化污水潜力，并获得日益增加的关注。已有的研究为该技术在中国的应用奠定了基础，然而目前这一技术尚处于试验阶段，并需要进一步完善。在中国的一些地区，由于不合适的气候因素，对这一技术了解较少，或缺乏相应的技术及管理人员等原因，在一定程度上，制约了香根草人工湿地在当地的发展应用。

然而随着不断深入的研究，香根草人工湿地，作为一种有希望的、绿色的污水处理技术，将很可能在中国普及应用。

原标题：人工湿地（浮床）工程应用的填料配方及植被选取