人工湿地中污染物去除的数学模型

Abstract：Regression equation ,First dynamic models and Ecosystem kinetic models of artificial wetlands are discussed in this paper ,their histories ,applications ,characteristic ,theories ,structures and building method are presented. Artificial wetlands are dynamic ecosystems for which is not yet completely understood and which we generally have poor predictive capabilities. Ecosystem kinetic models provide us with a useful tool for understanding wetland function and structure ,testing hypothsis and making prediction.
Key words：Artificial Wetland,,Mathematic Model,Dynamic Model
　　 人工湿地作为一种新型生态污水处理技术,具有投资和运行费用低(仅为传统二级污水厂的1/10 至1/2) 、抗冲击负荷、处理效果稳定、出水水质好,芦苇可以利用(作为造纸原料) 等诸多优点,特别是其在脱氮、降磷方面的应用逐步为人们所重视,因此在我国经济尚欠发达、地理条件相对宽裕的广大中小城镇、居民小区具有很广阔的应用前景^〔1〕。特别是表面流人工湿地在外观形式和功能结构上都十分类似于自然湿地系统,污水中的营养元素可以促进植物生长,有机污染物可以通过微生物的分解利用后,通过食物链的传递为各种动物提供食物,从而使其成为一个经过人工强化的、生物多样性及其丰富的自然生态系统,可以为迁徙过冬的鸟类和各种湿地生物提供充足的食物和生活空间^〔2〕
　　而目前天然沼泽、河湖岸带湿地退化严重,自然湿地面积大幅减少,而利用这些资源以及各种荒滩地重建、改建为人工湿地处理生活污水,既可为退化湿地提供稳定的水源和营养元素,又可为自然湿地的保护和退化湿地的恢复、重建提供一个新的方案,并能为城市居民提供一个良好的休闲娱乐场所。
1 　人工湿地综合利用的自然与社会价值
　　人工湿地除具有滞留营养物质、保护河湖海洋岸带免受自然力破坏、蓄洪调流等自然湿地的生态功能外,在经过人工的强化和精心的特殊设计改造,还能发挥更多的自然与社会价值。
　　首先,在各种生态系统中,湿地系统具有最高的初级生产力,其生产力甚至超过最集约的农业系统,例如在自然湿地中纸莎草的年产量可达100t/hm² ,香蒲为70t/hm² ,由于污水中含有丰富的营养元素,使得人工湿地中的生物量远远超过自然湿地系统。另外,人工湿地系统中还具有相当丰富的植物资源,在美国的湿地系统中有超过800 种的大型植物,693 种挺水草本植物,36 种水生漂浮植物,12种潜水植物,55 种乔木和18 种攀缘植物,而在用于污水处理的人工湿地中就生长有593 种,可见其植物多样性是相当丰富的。而且在相当多不被污染的自然湿地中,由于营养元素不充足、土壤溶解氧低、水位变动频繁等严酷的自然条件,往往也只是某一种或几种植物能够适应环境占主导地位,植物系统相当单位调^〔3〕。植物的多样性必然会产生动物的多样性, 美国的人工湿地系统中发现超过1400 种的野生动物,其中有824 中无脊椎动物,78
种鱼类,21 种两栖动物,31 种爬行动物,412 种鸟类和40 种哺乳动物^〔4〕。
　　由于具有强大的初级生产力和生物多样性,湿地系统内往往有着丰富的泥炭、木材、水果、肉类(如鱼类和鸟类) 、树脂、药材和建草屋、编席和造纸用的芦苇等资源。据1982 年调查,已查明中国沼泽中的泥炭资源有3.3 亿t 。我国芦苇面积已由50 年代初的103.4 万hm²减少到1979 年的33.7 万hm² ,其中大面积的芦苇基地有4.7 万hm²,每年收割芦苇量为170 万t ,用于造纸业的160 万t/a 。三江平原湿地小叶樟草场的产草量360万t/ a ,载畜量可达119 万头(牛单位) 。沼泽中冷杉、落叶松、赤杨都是很好的木材,药用植物有200 余种,含有各种葡萄糖、糖苷、鞣质、生物碱、乙醚油和其它生物活性物质^〔3〕。
　　此外,经过精心设计的人工湿地还可为人们提供一个良好的休闲场所,供人们进行散步、锻炼、垂钓、狩猎、野餐、度假、科普科教基地等活动的场所,促进当地旅游业的发展^〔4〕。另外,人工湿地也为研究人员提供了一个进行湿地生态系统、生态过程与动态、湿地保护与管理、湿地环境发育演化、湿地生态系统健康、湿地评价、湿地生态工程模式与管理技术等研究的环境和对象^〔5〕
2 　人工湿地综合利用时存在的一些问题^〔6〕
　　由于人工湿地主要是用于接纳并净化城市生活污水,污水中的有机污染物在人工湿地中净化分解过程中会消耗水中大量的溶解氧,导致在入口处的湿地环境恶化,并散发出难闻的臭气,孳生蚊蝇。而且污水中可能还含有有毒重金属和难降解的有机化合物。完全去除这些物质的零排放想法是不现实的,既便是在不接纳无污水的自然湿地中,由于干湿沉降也会接纳一定量的有毒有害物质,因此有必要对进入人工湿地进行一定的预处理,使得污水中含有的有毒物质降低到生物可接受的水平。同时去除部分有机物和氨氮,以便能有效地控制致病菌和蚊蝇的生长,以及通过蚊蝇传播的疾病。
　　另外,一些有毒的昆虫、蛇类等动物可能会对人们造成潜在的伤害,在深水区还可能发生溺水事件,因此在设计时也应加以注意。
3 　人工湿地综合利用中应当考虑的一些注意事项^〔6〕
　　鉴于人工湿地蕴藏着巨大的生态和社会价值,以及综合利用时存在的一些问题,在设计时应当对以下一些建议加以重视。
　　在进水水质方面,应当在预处理中去除城市生活污水有毒重金属和难降解有机物,以及过量的有机物和氨氮负荷,控制人工湿地有机物负荷,设计足够的开阔水面以使表覆水能够完成与大气氧气交换,保证人工湿地处于好氧状态,以免散发臭气,孳生蚊蝇,传播疾病。实践证明,设计开阔的水面、分散交错的植物系统、生长鱼类等捕食动物,能够很好地控制孑孓在水中的生长。
　　同时设置灵活的水位控制系统,可以对人工湿地中植物的生长和出水水质进行调节。保持人工湿地系统中植物的多样性,包括水平空间上的多样性和垂直空间上的变化,在湿地中采用不断变化的水深(避免在岸边设计深水区,以免发生溺水事件) ,从而为不同的动物提供各自适宜的生活环境,达到生物多样性的目的。构建水中小岛,为鸟类和两栖动物提供栖息场所。
　　修建步行栈道和休闲场所,以及必要的安全保护设施以满足公众在人工湿地中散步、观光、垂钓、野营、野餐等的需要,而不应将公众的介入视为对人工湿地运行的干扰。为了吸引公众的参与,应加强对公众宣传,建设科教科普中心,定期招募志愿者活动或中小学生的科教活动,以加强公众的参与意识,并征集公众建议以改进人工湿地中的公共设施设计来满足人们的休闲娱乐要求。同时为科学研究提供必要的场所和条件。
4 　结论
　　目前,对人工湿地的设计和应用还仅仅着眼于污水处理,对人工湿地系统的综合利用尚处于起步阶段,随着人们对人工湿地系统潜在功能发现和认识的不断深入和完善,经过精心设计,使得人工湿地系统发挥净化污水、生态保护、休闲旅游、教育科研等多重功能,为人工湿地这一高效低耗的污水处理工艺得到更广泛的应用。

参考文献
1. 王薇,俞燕,王世和. 人工湿地污水处理工艺与设计[J ] . 城市环境与城市生态,2001 ,14 (1) :59～62.
2. Mc Allister LS. Habitat quality assessment of two wetland treatment systems in the Arid West - polit study[ R] . EPA/ 600/ R - 93/ 117 , US EPA ,Environmet Research Laboratory ,Corvallis ,OR. 1993.
3. 姜文来,袁军. 湿地[M] . 北京:气象出版社,2000.
4. Knight RL ,Clarke J r RA and Bastian RK. Surface flow treatment wetlands as a habitat for wild life and humans.
5. 杨永兴. 国际湿地科学研究的主要特点、进展与展望[J ] . 地理科学进展,2002 ,21 (2) :111～120.
6. knight RL. Wildlife habitat and public use benefits of treatment wetlands[J ] . Wat . Cci. Tech. ,1997 ,35 (5) :35～43.