湿地净化技术机理及其应用未来发展前景

    湿地能改善水质，为多种水污染提供了一个有效、廉价的治理场所。人工湿地作为近20年来发展起来的一种传统的污水处理技术已越来越受到各国的重视。系统的阐述了湿地土壤、植物、微生物在污水净化中的作用及机理，并展望了湿地未来发展前景。

    关键词：湿地；污水净化；机理

    1引言

    湿地是陆地与水生系统之间的过渡地带，其地表为浅水所覆盖或者其水位在地表附近变化。湿地不仅是人类重要的生存环境，也是众多野生动物、植物的重要生存环境之一，生物多样性极为丰富，并且由于湿地在水分和化学循环中所表现出来的功能及其处于水陆交错带可对流经其的水流及其携带的营养物质起到过滤净化作用，而被誉为“自然之肾”。

    湿地系统作为宝贵的自然资源，很早就已为人们所重视。近年来，对其在污水处理方面的研究不断深入，自然湿地系统和人工湿地系统的应用范围也在不断拓宽，国内外许多研究工作已经涉及到河流[1]、湖泊治理[2]、工业废水处理[3-4]、城市暴雨径流污染[5]，农业面源污染控制[6-7]等众多领域，特别是在河湖治理方面，由于物理、化学方法的有限性以及工厂化生物处理的局限性，对湿地的研究就具有更加突出的现实意义。湿地土壤（基质）、水生植物和微生物是湿地的主要组成部分。多年的研究表明，湿地能够利用土壤—微生物—植物这个复合生态系统的物理、化学和生物三重协调作用来实现对废水的高效净化。本文系统分析了有关湿地土壤（基质）、湿地植物和微生物对于污水净化的作用和机理，并对其今后的应用进行了展望。

    2湿地植物在污水降解中的作用及机理

    2.1植物对污水的吸收利用、吸附和富集作用

    植物在生长过程中能吸收污水中的无机氮、磷等营养物质，供其生长发育。污水中氨氮可以被植物直接摄取，合成植物有机氮，然后通过收割植物去除。而污水中的有机氮多通过系统中微生物的降解来达到去除的目的。污水中无机磷在植物吸收及同化作用下可转化为植物的ATP、DNA、PNA等有机成分，然后通过植物的收割而从系统中去除[8]。目前，通常的污水二级处理工艺对污水中氮、磷的去除效率不高，仅能达到20％～40％[9]，而用于污水处理的湿地植物通常都具有生长快、生物量大和吸收能力强的特点，因此它们在生长的过程中可以通过吸收而去除大量的氮、磷等营养元素，从而成为去除污水中氮磷等营养元素的一个简单有效且费用低廉的工具[10]。如巴西的皮拉西卡巴的Engenho湿地对磷、硝酸盐和铵的去除率分别达到93％、78％和50％[11]。Chescheir[12]等通过模型研究表明湿地可以净化79％的总氮、82％的硝酸盐氮、81％的总磷。研究表明香蒲每年每公顷可吸收2630kg氮、403kg磷和4570kg钾[13]。Rosenberg[14]等估计，每减少1kg进入波罗地海的氮，利用沿海湿地需要0．6美元，用补救的农业措施需1.9～53．4美元，而通过污水处理厂减少城市废水中75％的氮需要15．6～31．2美元。

    除营养元素外,大型水生植物还可吸收铅、镉、砷、汞和铬等重金属，以金属螯合物的形式蓄积于植物体内的某些部位，达到对污水和受污染土壤的生物修复。凤眼莲可以富集铜、铅、镉、铬、汞、锌和银[15]。李柳川等[16]研究发现，香蒲对铅、锌、铜、镉吸收的绝对量分别为128、1375、28、120mg/kg。垂直流人工湿地处理低浓度重金属污水的试验表明，风车草能吸收富集水体中30％的铜和锰，对锌、镉、铅的富集也在5％～15％[17]。湿地植物可以将重金属积累在植物组织内。重金属在一般植物中的积累量为0.1～100μg/g[18]，但也有一些特殊植物超量积累重金属。植物对污水中重金属的去除作用还表现在植物的产氧作用使根区含氧量增加，促进了污水重金属的氧化和沉降。

    2.2为根区好氧微生物输送氧气

    污染物中有机物和氮的降解所需的两个重要因素是微生物和氧，生长在湿地中的挺水植物能够对氧进行运输、释放和扩散作用。植物可将空气中的氧转运到根部，在植物根区周围的微环境中依次出现好氧区、兼氧区和厌氧区，有利于硝化、反硝化反应和微生物对磷的过量积累作用，达到除氮、磷的效果，另一方面通过在厌氧条件下有机物的降解、或开环、或断成简单分子、小分子，提高对生物难降解有机物的去除效果。赵可夫等[19]对芦苇床系统研究表明，存在于石子支持培养基上和芦苇根际中的微生物较没有种植芦苇的石子培养基上的微生物要大2～3个数量级，显示了植物的重要性。李科德、胡正嘉[20]对芦苇床内水体中的溶解氧在一天内的变化动态进行研究表明，芦苇进行光合作用产生的氧向地下部分运输，通过根状茎和不定根向水体扩散，使水体中的溶解氧增加；溶解氧在水体中具有累积效应，到天黑时累积量达最大值。夜间氧被芦苇根系的呼吸作用和微生物的代谢活动消耗，水体中的溶解氧又减少。

    2.3增强和维持介质的水力传输

    人工湿地运行过程中内部会出现堵塞的问题，由于植物的根和根系对介质的穿透作用，减小了介质的封闭性，增强了介质的疏松度，使介质的水力传输得到加强和维持，提高了土壤的渗透率。近年来，湿地植物根孔引起了研究者们的广泛关注，他们认为湿地植物根系或根孔是湿地生态系统中物质传输不为人见的“高速公路”，这些根孔具有土壤大孔隙的一般功能，如产生优先水流;提高土壤的渗透性;氧气输入和甲烷排放提供优先路等[21-22]。据报道，即使较板结的土壤，在2～5a之内，经过植物根系的穿透作用，其水力传输能力可与砾石、碎石相当[23]。

    另外，湿地植物还具有过滤和抑藻等效应[24]。湿地植物的这些独特作用使得它对污水中许多污染物都有很好的去除效果，针对不同的污染物种类其去除机理也不尽相同。

    2.4湿地植物对污染物的去除机理

    湿地植物对氮的去除作用主要是：氨的挥发作用、NH4+的阳离子交换作用、吸收、硝化和反硝化作用等。科学家研究认为通过植物根部根毛周围充满氧气的液体薄膜中的好氧微生物的硝化作用，可将NH4+转化成气体，释放到大气中。除此之外，植物本身也可以吸收一部分NH4+，NH4+进入植物后通过氨化反应将其去除，消除其对植物的毒害作用。湿地植物对磷化物的处理除作为营养成分吸收外，还可以通过在苗床基质中的吸附、络合和沉淀反应来去除。一般认为人工湿地系统对磷的去除途径主要是基质的吸附沉淀作用。Reddy[25]在研究中也发现人工湿地系统中7%～87%的磷是通过基质的吸附沉淀作用而被去除的。湿地植物主要通过吸收积累非毒性代谢物、强化根际的矿化作用、以及氧化－还原反应、水解反应等去除有机污染物。而对重金属的作用机理除植物稳定、生物富集、摄取吸收外，还可通过植物挥发、甲基化等作用达到目的。

    3湿地土壤（基质）净化污水中的作用及机理

    3.1土壤是土壤生物生活的“基质”

    湿地土壤（基质）是湿地植物的直接支撑者，湿地土壤的类型、结构和肥力状况直接决定湿地植物的类型、数量和质量，并通过食物链影响湿地动物的类群、生长和发育，最终影响湿地生态系统的物质生产。同时湿地土壤（基质）也是湿地微生物、湿地土壤动物的生活场所，是土壤微生物和土壤动物生活的“基质”。湿地土壤（基质）通过影响植物和微生物来影响污水的净化。

    3.2湿地土壤（基质）具有“养分库”的作用

    湿地土壤的类型、结构和肥力状况同样会对湿地土壤微生物和动物的类群、数量产生深刻的影响。湿地土壤具有“养分库”功能，它可以提供湿地植物生长发育所需要的全部养分元素。不仅如此，湿地土壤和其土(泥)水界面的物理化学反应机制影响养分元素的形态和数量。研究表明，湿地土壤缺氧具有不均一性，在与含氧水相接触的几毫米表层中氧的浓度仍较高，表层中的化学和微生物状况类似于好气土壤，而表层下面氧的浓度几乎为零。氧化表层中Fe3+和Mn4+氢氧化物的存在，意味着湿地土壤能吸收和保留存在于表面水中或从还原层下面扩散到表层中的磷酸盐、二氧化硅、锰、钴、镍和锌。因此，氧化层累积有磷、硅、锰、钴、镍和锌。反之，含硫化氢的永久还原性的湿地土壤趋于积累铜、汞、铀、钼和磷灰石。可见，湿地土壤“养分库”在提供和蓄留某些养分元素的功能方面具有极其重要的生态意义。

    3.3湿地土壤（基质）净化污水的机理

    湿地土壤是湿地化学物质转化的介质，也是湿地植物营养物质的储存库。湿地土壤的有机质含量很高，有较高的离子交换能力，因此，土壤可通过离子交换转化一些污染物，并且可以通过提供能源和适宜的厌氧条件加强氮的转化。对于磷而言，土壤颗粒对磷酸盐的吸收是一个重要的转化过程，吸收能力依赖于黏土矿物中铁、铝、钙的表现或对土壤有机质的束缚。除了吸收过程外，磷酸盐也可以同铁、铝和土壤组分一起沉降，这些过程包括磷酸盐在黏土矿物中的固定以及磷酸盐同金属的复合。湿地土壤对有毒物质的“净化”机理，主要是通过沉淀作用、吸附与吸收作用、离子交换作用、氧化还原作用和代谢分解作用等途径实现的。

    人工湿地中的基质又称填料、滤料,一般由土壤、细砂、粗砂、砾石、碎瓦片、粉煤灰、泥炭、页岩、铝矾土、膨润土、沸石等介质的一种或几种所构成。人工湿地基质在为植物和微生物提供营养的同时，还通过吸附、沉淀、过滤等作用直接去除污染物。人工湿地模拟研究表明，在不考虑植物因素的条件下，经过湿地处理的模拟生活污水的COD、BOD5、TSS、总氮、总磷等污染物质浓度下降，水质改善，另外，研究还表明，选择合适的人工湿地基质材料，是构建人工湿地，提高人工湿地净化能力的关键措施[26]。

    4湿地中的微生物

    湿地微生物主要有菌类、藻类、原生动物和病毒。湿地中的微生物是其生态系统中的重要组成部分。它不但扮演着维持生态平衡的角色，还在净化污染物方面发挥着重要的作用。人工湿地处理污水时，有机物的降解和转化主要是由湿地微生物活动来完成的，人工湿地中微生物的活动是废水中有机物降解的基础机制，丰富的微生物资源为湿地污水处理系统提供了足够的分解者。经相关性分析发现[27]，湿地植物根区的细菌总数与BOD5去除率之间存在显著相关性;氨氮的去除率与根际硝化细菌和反硝化细菌数量的相关性极显著。湿地微生物具有吸附作用，在微生物生长过程中，常常要吸收一些营养元素和重金属元素以保证微生物的生长和代谢，它们能分泌高分子聚合物，对重金属有较强的络合力。如曲霉属生物体可有效地吸附Au，枯草杆菌可有效地吸附Au、Ag和Ss等。有些微生物是重金属污染物的良好吸附剂。同时可以查看中国污水处理工程网更多技术文档。

    5结语

    总之，人工湿地净化污水是基质、植物、微生物共同作用的结果。许多研究表明它对污水处理具有较好的效果。作为一种经济有效的污水处理技术，人工湿地污水净化系统已获得愈来愈多的应用。目前，世界各国都投入大量精力以改良人工湿地技术，研究将一些传统的污水处理技术引入人工湿地，利用湿地净化污水具有较好的推广应用前景。然而人工湿地对污水的净化也存在或多或少的问题。如人工湿地占地面积大、处理时间长。冬季的管理，人工湿地植物和基质填料的选取，以及植物吸收污染物后的生长规律和生物量的资源化利用，这一系列问题与怎样提高人工湿地污水净化效率相结合，都是今后要考虑研究的问题。

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