人工濕地植物的作用與影響因素

水處理網(wǎng)訊:目前國內(nèi)生活污水處理普遍采用的工藝有氧化溝法、SBR法、A2/O法等，盡管這些工藝被證明是行之有效的，但投資費用十分高昂。對于經(jīng)濟不夠發(fā)達(dá)的地區(qū)，尤其是沒有污水處理設(shè)施的城鎮(zhèn)，需要一種處理效果好且投資運行費用低的污水處理新工藝。人工濕地是20世紀(jì)70年代蓬勃興起的處理污水的方式，并在歐洲得到廣泛的應(yīng)用。它的原理主要是利用濕地中基質(zhì)、濕地植物和微生物之間的相互作用，通過一系列物理的、化學(xué)的以及生物的途徑來凈化污水。

植物是人工濕地的重要功能單元，通過植物不但可以去除污染物，還能綠化土地，改善小區(qū)域氣候，促進生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。

1、人工濕地植物的作用

1.1 吸收作用

植物在生長發(fā)育過程中從污水中吸收大量的無機氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)。污水中氨氮作為植物生長過程中不可缺少的營養(yǎng)物質(zhì)被植物直接攝取，合成植物蛋白質(zhì)和有機氮，再通過植物的收割從廢水中去除。污水中無機磷在植物吸收及同化作用下可轉(zhuǎn)化為植物的ATP、DNA和PNA等有機成分，通過植物的收割而從系統(tǒng)中去除。研究寬葉香蒲人工濕地發(fā)現(xiàn)，植物不同組織器官對營養(yǎng)元素吸收能力不同，N為嫩葉>凋落物>地上莖>地下莖>根，P為嫩葉>凋落物>根>地上莖>地下莖，K在植物地下莖及嫩葉中含量相當(dāng)高。

植物還能吸附、富集一些有毒有害物質(zhì)，如重金屬鉛、鎘、汞、砷等。重金屬在一般植物中的積累量為0.1～100μg/g，但也有一些特殊植物能超量積累重金屬。植物對污水中重金屬的去除作用還表現(xiàn)在植物的產(chǎn)氧作用使根區(qū)含氧量增加，促進污水重金屬的氧化和沉降。植物對有機污染物的吸收通過與微生物的協(xié)同作用完成。

1.2輸氧作用

1977年德國學(xué)者Kickuth提出了濕地凈化污水的根區(qū)法（Rootzonemethod，RZM）理論，認(rèn)為在污水滲過濕地的過程中，在植物根區(qū)這一特殊的生態(tài)環(huán)境下，植物根系可對污水中的營養(yǎng)物質(zhì)進行吸收、富集，而根區(qū)附近豐富的微生物群落更可以通過其旺盛的代謝活動將各種營養(yǎng)物質(zhì)降解、轉(zhuǎn)化。該理論推動了人工濕地凈化功能原理的研究。

濕地中生長的蘆葦、香蒲等濕生植物的根系有強大的輸氧功能，將空氣中的氧氣通過植物體的疏導(dǎo)組織直接輸送到根部。在整個濕地低溶氧的環(huán)境下，濕地植物的根區(qū)附近能形成局部富氧區(qū)域，利于好氧菌的生長代謝。因此，種植于濕地的植物，除了必須適應(yīng)當(dāng)?shù)厣?，有較長生長期外，還需要生長快速，根莖發(fā)達(dá)，有較大的地下生物量。

對于人工濕地處理系統(tǒng)來說，能否達(dá)到預(yù)期的處理效果，1個重要因素就是能否使基質(zhì)中保持充足的氧分。由于生長在濕地中的挺水植物對氧的運輸、釋放和擴散作用，將空氣中的氧轉(zhuǎn)運到根部，再經(jīng)過植物根部的擴散，在植物根區(qū)周圍的微環(huán)境中依次出現(xiàn)好氧區(qū)、兼氧區(qū)和厭氧區(qū)，有利于硝化、反硝化反應(yīng)和微生物對磷的過量積累作用，達(dá)到去除氮和磷的效果。

1.3 濕地植物的其他作用

濕地植物在人工濕地系統(tǒng)中除了具有上述的幾個主要作用外，還具有另外一些作用：

①植物的光合作用可以為凈化作用提供能量來源，可以減少能源的消耗；

②由于資源競爭的結(jié)果，種植適宜的植物還可以抑制雜草的生長，植物及其枯枝敗葉層形成了1個自然生物過濾器，有助于控制臭味。冬季枯枝落葉還可以形成一層天然的保溫層，有助于地下的基質(zhì)免受霜凍；

③植物根系可以形成1個天然的過濾器，有助于水中懸浮物的截留，并可以防止系統(tǒng)堵塞；

④植物通過吸收同化污水中的營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為自身的生物量，再通過定期收割植物，從而去除廢水中的營養(yǎng)元素，并且回收的植物還可以用作造紙原料、編織材料、牲畜的飼料或燃料等，實現(xiàn)了能源的回收利用，具有良好的經(jīng)濟效益。另外，有些濕地植物還可作為水體所受污染程度的指示物。

2、影響植物處理效果的因素

2.1水力負(fù)荷

濕地植物的生長需要大量的水分，蘆葦每形成1g干物質(zhì)需要消耗579～709g水，這些水分除極少部分（5%以下）參加了物質(zhì)的合成、水解等反應(yīng)外，絕大部分都散失到體外去了，這是蒸騰的作用。水分的適量供給，即水力負(fù)荷的及時調(diào)整是保證濕地植物正常發(fā)揮作用的重要因素。人工濕地能夠滿足濕地植物對水分的需求，干濕交替的運行方式更有利于濕地植物的生長，地上生物量的增加，須根和根毛數(shù)量的增加，提高植物的輸氧量，改善介質(zhì)中氧化還原狀態(tài)以促進有機物的降解和硝化細(xì)菌的生長。

2.2溫度

氣候主要影響濕地植物的生長。在適宜的溫度條件下，濕地植物生長良好，對污染物的去除效率高。研究結(jié)果表明，在冬季大多數(shù)的濕地植物對污水中KN和NH3-N等的去除能力明顯低于夏季。人工濕地對磷的去除研究表明，冬季人工濕地出水中的無機磷濃度甚至高于進水。濕地基質(zhì)的溫度對根系吸水的影響是非常明顯的，過高或過低對根系吸水都不利?；|(zhì)溫度低，水的粘滯性增大，擴散速度降低，水分子進入根系的速度降低。另一方面使根系的生理活動減弱，降低了根系吸水的速度?；|(zhì)溫度過高，會影響根系生理活動中各種新陳代謝過程之間的協(xié)調(diào)性。如溫度偏高，促進根系細(xì)胞分化的進程提前木質(zhì)化，縮短根毛區(qū)和根毛的壽命，降低根系吸水的速度。

2.3植物種類

不同水生植物的凈化能力有一定差異，主要原因在于不同的植物根系發(fā)達(dá)水平不同。所以在選擇濕地植物時應(yīng)選擇根系發(fā)達(dá)的植物。另外，不同植物對不同污染物的去除能力也不同。如蘆葦對N、P去除效果好，蒲草對N、P去除效果不佳，但對COD去除好。目前，全球發(fā)現(xiàn)的濕地高等植物多達(dá)6700余種，而已被用于處理濕地且產(chǎn)生效果的不過幾十種，很多植物還未被研究。一般選擇的原則是考慮去污能力和抗逆能力強、生長量小、易管理和有一定經(jīng)濟、景觀效益的植物?，F(xiàn)在研究最多的人工濕地植物主要有蘆葦、燈芯草、香蒲、茭草、菖蒲、美人蕉、慈菇等。

3、展望

植物在濕地污水處理中發(fā)揮著重要作用，但由于各種原因使人工濕地植物的整體凈化效果受到影響，因此有關(guān)植物的研究還有待深入。下一階段的研究方向應(yīng)考慮如下方面：

（1）根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣?、不同的污染物種類和負(fù)荷選擇合適的植物。如，抗季節(jié)變化、抗重金屬污染。

（2）濕地環(huán)境條件下水生植物的生理生態(tài)研究。如，陸生花卉植物美人蕉，現(xiàn)廣泛用于人工濕地的污水處理，其在濕生、淹水等不同類型的人工濕地條件下的存活、繁殖機制。

（3）開展?jié)竦刂参?微生物界面相互作用以加速污染物降解的研究。如，氮的主要去除方式為微生物的反硝化作用，而植物為微生物的生長提供了合適條件，增強了污染物的降解速率。

（4）濕地系統(tǒng)中不同植物的配置。如將系統(tǒng)的主要功能與植物的植物學(xué)特性充分結(jié)合起來考慮。在人工濕地建設(shè)時，前端工藝部分如強氧化塘、潛流濕地等工藝一般選擇耐污染能力強的植物品種。末端工藝如穩(wěn)定塘和景觀塘等處理段中，由于污水濃度降低，因此可以更多考慮植物的景觀效果。