地球的人工腎-人工濕地
地球的人工腎——人工濕地
提到濕地（wetland）這個名詞，可能大家對它都不會感到陌生，它常常與“綠色的世界”、“鳥的天堂”聯(lián)系在一起。濕地是與森林、海洋并稱的地球三大生態(tài)系統(tǒng)之一，它維持著地球的生態(tài)平衡，為無數(shù)生物提供了賴以生存的空間，很多珍稀物種在這兒生活和繁殖；同時它也為人類提供大量食物、原料和水資源。而賦予濕地“地球之腎”這一美稱，并不是因為以上提到的各種功能，而是因為濕地在調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、蓄洪防旱、降解污染等方面都起著重要作用。它就像人體的腎一樣，在地球的物質(zhì)與能源的“新陳代謝”中，起著凈化水質(zhì)，降解和去除各種污染物質(zhì)的作用。
各國根據(jù)濕地保護、管理和利用的各種不同目的和需要，對濕地有不同的定義?，F(xiàn)在被普遍引用的是根據(jù)1987年Ramsar公約中對濕地的定義，根據(jù)這個公約，濕地系指天然或人工，長久或暫時性的沼澤地、濕原、泥炭地或水域地帶，帶有靜止或流動，或為淡水、半咸水體者，包含低潮時不超過6米的水域。從形成原因看，濕地可分為天然濕地和人工濕地兩種。一般情況下我們所謂的濕地均指天然濕地，而人工濕地（constructed wetland）這個詞則是從20世紀70年代才開始流行起來的說法，其歷史至今也不過30多年。
那么，什么是人工濕地呢？廣義理解，人工濕地就是人工構(gòu)筑而成的濕地。凡是滿足濕地定義中所描述的各種特征，而同時又以人為因素作為先決條件的濕地都可歸入到人工濕地的范疇。因此在這層含義上，水稻田也屬于一種人工濕地。而狹義上的人工濕地則被定義為從生態(tài)學(xué)原理出發(fā)，模仿自然生態(tài)系統(tǒng)，人為將土壤、沙、石等材料按一定比例組成基質(zhì)，并栽種經(jīng)過選擇的耐污植物，組成類似于自然濕地的新型污水凈化系統(tǒng)。現(xiàn)在廣泛提及的人工濕地都屬于這種狹義上的濕地，而這篇文章在這兒為大家介紹的就是這類人工濕地。以下這幾張就是人工濕地的圖片。
人工濕地全景圖
人工濕地近景
不管是廣義還是狹義，人為控制是人工濕地區(qū)別于天然濕地的決定性因素。介質(zhì)、水生植物和微生物是其基本構(gòu)成,凈化水質(zhì)則是其主要功能。
雖然利用濕地改善水質(zhì)并非一個新發(fā)明，早在古代中國和埃及，這種觀念就貫穿在人們的日常生活中，但是在污水處理過程中通過人工調(diào)控來優(yōu)化處理工藝的人工濕地直到20世紀60年代末期才開始逐漸受到各國有關(guān)領(lǐng)域的研究者們的關(guān)注，此后人工濕地進入實驗室開發(fā)階段。就像工業(yè)革命促使傳統(tǒng)的手工業(yè)通向嶄新的現(xiàn)代工業(yè)紀元一樣，在天然濕地處理廢水的基礎(chǔ)上利用人工調(diào)控實現(xiàn)工藝優(yōu)化也使之實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。隨著科技的不斷進步和提高，科學(xué)家對人工濕地研究的日漸全面和深入，現(xiàn)在的人工濕地已發(fā)展成一種完備和獨立的污水處理技術(shù)。
人工濕地模擬天然濕地，利用植物和微生物處理廢水。首先，我們就來認識和了解一下人工濕地中的水生植物和微生物。
所謂水生植物，就是只能生活在水中或可以長期生活在非常潮濕乃至水達到飽和狀態(tài)的土壤里的維管束植物。按他們在水域中的不同分布，可分為挺水、浮水和沉水植物三種。由于水生植物具有極高的觀賞價值，還具有可收割、便于回收等優(yōu)點，人工濕地在污水處理的領(lǐng)域成為一支獨秀受到越來越多的青睞。人工濕地中的植物作為優(yōu)勢種，最大的功能在于它能直接吸收利用廢水中的營養(yǎng)物質(zhì)，同時還吸附和富集部分水體中的有毒有害物質(zhì)。此外，由于水生植物具有龐大的根系，空氣中的氧通過葉片最終被輸送到植物的根區(qū)，這樣，就為根區(qū)附近的微生物群落提供了生存所需的氧。其在人工濕地中發(fā)揮的作用具體見表1。常見的用于人工濕地的水生植物有蔍草、蘆葦、香蒲、燈心草、菖蒲、莎草、茭草、水花生、田邊草、黑麥草、蘭花草和池杉等。美人蕉雖然屬于濕生植物，但也廣泛應(yīng)用于人工濕地。水生植物能直接吸收利用廢水中的營養(yǎng)物質(zhì)，吸附有毒有害物質(zhì)，那么，微生物在人工濕地中又扮演怎樣的角色呢？簡單來說，它們主要起分解作用?？傮w而言，微生物均靠“攝食”水體中的有機物或一些無機物為生。與人類需要攝取食物，利用氧氣進行體內(nèi)的新陳代謝活動一樣，有些微生物也是需要氧氣的，我們把這類微生物稱為好氧微生物。它們利用被水生植物輸送到根區(qū)的氧分解有機物，最后產(chǎn)生二氧化碳和水，這與人類進行的新陳代謝活動也是類似的。另外還有一些不能在有氧的環(huán)境下生存的微生物即厭氧微生物則在基質(zhì)無氧的區(qū)域分解有機物。不管是哪一種微生物，它們的主要功能都是分解有機物。
總之，人工濕地對污水的處理過程，是物理、化學(xué)及生物作用共同作用的結(jié)果?；|(zhì)、植物、微生物是人工濕地發(fā)揮凈化作用的三個主要因素。在污水通過人工濕地的過程中，基質(zhì)的吸附、過濾，植物的吸收、固定、轉(zhuǎn)化、代謝及濕地微生物的分解、利用、異化等過程綜合作用，互相關(guān)聯(lián)影響著最終的凈化效果。人工濕地的凈化機制見表
人工濕地的凈化機制
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凈化機制 |
去除污染物 |
發(fā)生位置 |
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沉降 |
懸浮物固體 |
慢流水層及砂礫層間 |
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過濾 |
懸浮物固體 |
基質(zhì)或植物體間隙 |
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吸附、離子交換、化學(xué)沉淀沉積 |
磷酸鹽、重金屬 |
底泥、砂礫及植物體表面 |
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微生物礦化作用及轉(zhuǎn)化作用 |
有機質(zhì)、氨氮、亞硝酸鹽及硝酸鹽 |
植物根莖、砂土介質(zhì)表面及底泥 |
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同化作用及攝取作用 |
有機質(zhì)、氮、磷及重金屬 |
微生物、植物 |
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太陽輻射線作用 |
病原菌 |
水表層 |
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掠食作用 |
病原菌 |
水層 |
人工濕地可分為浮水植物系統(tǒng)、挺水植物系統(tǒng)和沉水植物系統(tǒng)三種類型，這與前面所提的植物種類相對應(yīng)，在這兒就不再介紹。除了按濕地植物的種類進行分類外，現(xiàn)在引用最廣泛的還是按水流方式所進行分類的人工濕地的叫法，它將人工濕地處理系統(tǒng)分為表面流濕地（Surface Flow Wetlands, SFW）和潛流濕地（Subsurface Flow Wetlands, SSFW）兩類。下面，我們就具體談?wù)勥@兩種濕地類型。
（1） 表面流濕地（SFW）
又稱自由表面流（free water surface, FWS）。所謂表面流，就是廢水在填料表面漫流，它與自然濕地最為接近；這種人工濕地水位較淺，底部含0.2m至0.3m的土壤或其他介質(zhì)提供水生植物著根，并種植挺水性植物；由水位控制設(shè)施調(diào)整約0.1m至0.6m的水深；進流水在濕地表層開放性流動，水流經(jīng)底部土壤層，并與植物的莖、根部接觸，這種人工濕地的優(yōu)點是設(shè)計簡單，投資少，但缺點是負荷過小，水面冬季易結(jié)冰，夏季易孳生蚊蠅，并且散發(fā)臭氣。由于該種濕地不能充分利用填料及豐富的植物根系，衛(wèi)生條件也不好，現(xiàn)在設(shè)計中一般不采用。這種人工濕地早期主要在美國運用。圖4就是一幅表面流濕地的鳥瞰圖。
（2） 潛流濕地（SSFW）
所謂潛流，就是廢水在填料表面下滲流；這種人工濕地往往在中間填充約0.4m至0.6m厚的可透水性砂土或礫石作為介質(zhì)，以此支持挺水性植物的生長；進流水被迫在表層下的砂土、根系及根系間流動，水在與基質(zhì)和植物根系充分接觸的同時被凈化。由于這種濕地的水流一直在濕地內(nèi)部流動，避免了表面流濕地帶來的蚊蠅、臭氣等弊端，因而衛(wèi)生條件較表面流濕地好；同時，潛流型人工濕地的作用位點多，微生物豐富，占地面積小，處理污水效率高，因此這種濕地被廣泛采用，歐洲等地區(qū)的人工濕地皆以潛流型為主。潛流濕地的實圖和基本流程圖分別見圖5和圖6。
潛流型人工濕地又分為兩種，水平流（horizontal flow）和垂直流（vertical flow）。二者的區(qū)別在于后者運用管道、斜度等特殊設(shè)計使水流在濕地內(nèi)部垂直分布，因此垂直流人工濕地的布水更均勻。由于垂直流人工濕地的發(fā)展比較晚，目前在實際應(yīng)用中，水平流行濕地仍然占主要地位。這兩種類型的濕地簡要結(jié)構(gòu)圖分別見圖7和圖8。
為了更有效地去除水體中的各種污染物，在原有潛流濕地的基礎(chǔ)上，科研人員還研究開發(fā)出了一種新型復(fù)合垂直流人工濕地（見圖9）。它由下行流池和上行流池兩部分組成，較好地解決了現(xiàn)有人工濕地的處理局限，對水體中的常規(guī)污染物均取得了較為理想的處理效果。
說到這兒，可能大部分讀者會認為這就是人工濕地處理廢水的全部，其實不然。一個完整的人工濕地污水處理系統(tǒng)其實由消化池、人工濕地和凈化水再利用池三個基本部分構(gòu)成(見圖10)。
表面流濕地鳥瞰圖
潛流型濕地實圖
潛流型濕地基本流程圖
水平潛流濕地結(jié)構(gòu)圖
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垂直潛流濕地結(jié)構(gòu)圖
復(fù)合垂直流人工濕地結(jié)構(gòu)圖
人工濕地污水處理系統(tǒng)示意圖(內(nèi)布拉斯加州)
污水首先進入消化池中進行預(yù)處理。在消化池中，主要由厭氧細菌分解污水中的有機物，經(jīng)過一段時間后，被分解后的部分物質(zhì)和污水中的顆粒物沉積在池底形成一層污泥層；而比重較輕的油脂類物質(zhì)則浮在池面形成一層浮渣層。中間相對澄清的水則通過輸送管道進入人工濕地進一步處理。由于在很多國家，將這種水直接排放到周圍環(huán)境是違法的，因此經(jīng)人工濕地處理后的凈化水一般并不被直接排放。除非調(diào)查證明周圍的土壤或水體對這種水的凈化在其自凈能力范圍內(nèi)，否則，這種凈化水還需引流到凈化水再利用池中作進一步處理。
與傳統(tǒng)的污水處理工藝相比，人工濕地污水處理技術(shù)除了處理效果顯著外，還具有建造、運行、管理費用低，操作簡便和管理簡單等特點，更重要的是，它模擬了自然生態(tài)系統(tǒng)，因此它們在實現(xiàn)水污染防治功能的同時，為野生動物營造一個良好的棲息地并加強鄰近天然濕地在野生動物保育上的能力。目前，人工濕地除處理城鎮(zhèn)生活污水外，它也被證明能應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、食品、礦山、水產(chǎn)養(yǎng)殖等多方面。雖然人工濕地以最自然的方式在水環(huán)境污染防治方面發(fā)揮著重要作用，但要充分發(fā)揮其各種功能，使水生植物和微生物在處理污水的過程中相得益彰，使人工濕地與周圍的環(huán)境和諧發(fā)展，還有很多的未知的領(lǐng)域有待大家進一步探索。
在人工濕地日漸廣泛地應(yīng)用于各個方面時，我們依稀感覺到人類心中的美好歸屬：回歸自然。因此，在人工濕地頻頻進入大家眼簾的時候，請不要忘了：模擬并不意味著代替。作為在地球生存的人類，我們亟需做的是好好保護周圍的自然環(huán)境，向大自然學(xué)習(xí)，順應(yīng)大自然發(fā)展的規(guī)律，與周圍的環(huán)境和諧發(fā)展，千萬不要等到地球滿目瘡痍時才來想如何為她療傷。否則，就會與它當(dāng)初產(chǎn)生的目的相去甚遠。
