人工湿地污水净化机理及植物的应用研究
摘要
人工湿地因在污水处理系统中去污效果好，建造运行费用低，已经成为人们竞相研究的热点，本文通过对人工湿地的分类、去除污染物的作用机理、湿地植物的功能和选择原理等方面的研究进展，分析了氮磷、有机物和重金属等有机物的去除机理，探讨了湿地植物的分类和对不同类型人工湿地的去除效果，最后对人工湿地后续应加强研究的几个方面进行展望。 关键词：人工湿地；净化机理；湿地植物 中图分类号：X703 文献标识码：A
随着社会的发展和水资源短缺问题的加剧，人类对水环境要求不断提高，我国对水质的排放标准也越来越严格。近几十年来，全国各地兴建大量污水处理厂，对我们水质的提高起到巨大的改善作用。早期污水处理厂普遍采用的二级生物处理工艺虽然可以很大幅度的降低污染物浓度，但处理后的水质仍然无法满足新的排放标准。同时对于已被污染和自净能力较低的受纳水体来说，只能延缓水环境污染的发展趋势，排放水体中污染物浓度仍较高[1]，此类水体无法作为景观园林等需要的回用水体。另外，二级处理工艺因受到自身条件制约，现有的污染物去除水平已不能再大幅提高[2]。
被誉为“地球之肾”的湿地，是陆生生态与水生生态之间的过渡地带，能够环境自净、调节气候、维持生态平衡的生态系统[3]，其在地球上治理污染方面起到不可替代的作用。但目前许多自然湿地的净化能力已逐渐饱和，许多地区采取积极措施保护自然湿地，同时不断地开发新型人工湿地来模拟自然湿地进行水质的改善，补充修复已污染受纳水体[4]。因此人工湿地的研究和应用领域得到广泛的扩展。
1.人工湿地的种类
人工湿地生态系统通过人工建造和控制管理的地面系统，通常首先在具有一定长宽比和坡度的洼地底部铺垫粘土或不透水材料，再以特定粒径的砂土和卵石填充，最后种植能起到吸附污染物质的水生植物，发挥净化水体的作用。
通过从污水厂流出污水的水流形式可以把人工湿地生态系统分为3种[5]表面流人工湿地（SFW如图1.1）、水平潜流人工湿地（SSFW如图1.2）[6]和立式流人工湿地（VFW如图1.3）[7]。
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图1.1 表面流人工湿地（SFW）
图1.2 水平潜流人工湿地（SSFW）
图1.3 立式流湿地(VFW)
2.污染物去除机理
人工湿地净化水体中污染物的作用机理十分复杂，一般情况认为是在物理作用、化学作用和生物作用的相互协同作用下去除污染物质[8]。
2.1氮磷的去除
污水中的无机氮可以在植物的生长过程中被摄取利用，转化成植物蛋白等有
[9]机氮的形式其从水体中去除。除了植物的吸收作用，有机氮主要是被微生物分解去除，由填料和植物根茎中生长的微生物在好样和厌氧交替状态下通过硝化和反硝化作用最终变成氮气去除，这类似于多个串并联的A/A/O 处理单元，但经济方面节省许多[10-11]。人工湿地中磷元素的去除主要包括植物的直接吸收、微生物作用及物理化学反应的协同作用。污水中的无机磷通过植物的吸收和利用转化成植物生长所需的营养物质。微生物作用方面是利用湿地中生长的聚磷菌吸收水体中多余的磷元素，通过对同化和过量积累作用去除磷元素。R.Bhamidimarri 等
2 [12]的研究过程表明：在进水总磷浓度为2.6-5.9mg/L时，人工湿地对磷的去除率能够达到90%。
2.2 有机物的去除
首先通过湿地填料的共沉淀、拦截去除SS等不溶性有机物；可溶性有机物在湿地中随污水的流动过程中通过生物膜的分解代谢等作用被去除，最终被转化成CO
2、H2O和微生物，最终从系统中去除。人工湿地对BOD的去除率可以达到60%-96%，符合我国二级排放标准。
2.3 重金属的去除
人工湿地去除重金属是通过填料的截留和植物的吸收等作用完成，在植物吸收重金属后体内分泌络合物质与重金属产生螯合作用，去除重金属。例如凤眼莲的根系十分发达且生长更新速度快, 能够吸收降解水体中的酚、氰等物质, 将其转换成自身所需的营养物质。
3.人工湿地植物的研究
3.1 人工湿地植物种类
1953 年，德国Max Planck 研究所Seidel博士在实验中发现芦苇能对污水中的污染物有良好的去除作用[13]，然后设计开发出Max-planck Institute Proce系统。而后提出了“根区理论”[14]，该理论标志着人工湿地系统作为独具特色的新型污水处理工艺正式进入水污染控制领域。人工湿地的核心是植物，不同种类的植物可以去除特定的污染物，同时能够绿化美观土地，调节气候，平衡生态系统。
应用在人工湿地中的水生维管束植物可分为湿生植物、挺水植物、浮叶植物、漂浮植物和沉水植物。按生活作用类型，湿地植物可分为灌木、乔木和草本植物。人工湿地系统应用较多的是利用草本植物(尤其是挺水植物)来净化污水, 如被广泛应用的芦苇、宽叶香蒲等。
3.2 人工湿地植物功能 （1） 净化功能
人工湿地植物是利用自身的根系吸附和利用受污染水体中的氮磷和有机物等营养物质，并且对重金属等有害物质也具有有效的去除能力。贺锋等[15]通过实验证明，主要是植物的地上茎叶部分对氮元素进行积累，所以对植物的地上部分进行收割能够有效地去除污水中的氮。相关研究表明，种植了水生植物的人工湿地在硝化作用方面远强于未种植的人工湿地，具有较强的脱氮除磷能力[16]。水葱应用在食品厂废水中COD和BOD的去除中，COD去除率可达到70%-80%，BOD去除率达到60%-90%，而茭白和慈姑对城市污水中的BOD 去除率高达80% 以上。陈明利等[17]实验证明，种植凤眼莲和水蕹的湿地与未种植的相比，去除Cd2+的效率能够提高65.3%，去除Zn2+的效率提高43.7%。 （2）保持湿地环境
被种植在人工湿地中的水生植物通过降低污水水流的速度，使得悬浮物更容易沉淀,降低再次悬浮的风险，同时大幅度增加植物根茎和污水的接触时间，提高污染物的去除效果。冬季北方较冷地区会使表面流人工湿地表面结冰，水生植物可以起到支撑冰面的作用，已经枯萎的植物残体被冰雪覆盖，保护，避免湿地填料冻坏，因此使得人工湿地在严寒冬季也能发挥净化水质的作用。此外，植物能够适当的调节湿地周围的气候条件，并对景观起到美化的作用，为各种野生动物提供生长繁殖的地方，还能够阻滞沙尘、净化空气，为人们提供更舒适的生活环境。
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3.3 人工湿地植物的选择 （1）根据地区的环境选择
需要建造人工湿地的不同地区环境背景不同，气候条件、地形和景观环境等存在差异和特定性，这些因素都是在选择人工湿地植物时需要充分考虑的方面，做到因地制宜、适地适种十分重要。比如，具有根系生长向土性的植物（更加适合种植在表面流人工湿地里，更加有利于根系的生长；喜好无土环境生长的一些原本生长在湖泊、沼泽等地的水生植物（藨草、香蒲、茭白）等更加适合潜流式人工湿地。
（2） 根据植物的抗逆性选择
人工湿地种植抗逆性较强的植物对湿地系统稳定性的提高有很大作用。植物的抗逆性包括抗盐、抗低温、抗高温、抗细菌、抗污染等。保证植物能够在恶劣的背景环境下也能发挥良好的去除污染物的能力，抗逆性较差的植物会影响对污染水体的净化作用
（3） 根据植物的净化能力选择
不同的植物种类对不同的污染物具有较好的去除能力。比如有实验证明，芦苇能够有效去除污水中的氮元素，鸢尾能够有效去除污水中的磷元素。花叶芦竹对NH4+、TN 和TP 的去除率分别高达93%、88% 和98%。
4.研究展望
目前，对人工湿地的各方面研究数量很多，但是人工湿地所具有的“黑箱效应”使人们重点放在人工湿地的工程应用和实效方面，认识内部污染物的去除机理和过程不够充分，为了加强认识人工湿地净化机理，提高其净化效果，我们今后的研究重点分以下几个方面： （1） 进一步加强对人工湿地所种植物生长过程的研究。人工湿地容易受到人为操作和管理的影响，湿地运行中植物的光合作用等代谢过程都会受不同程度的影响。比如，美人蕉在湿地系统的生长繁殖与陆地的种类相比的研究较少。因此，加强对治污生长环境因子的研究能够使人工湿地的处理效能得到有效提高。 （2） 加强人工湿地内部微生物和植物的相互协调作用研究。发达的根系有利于微生物的生长和繁殖，同时有些种类的分泌物能够刺激微生物的分解作用。部分植物根际细菌具有特定的酶途径，能够降解特定的有机物。因此，进一步加强植物-微生物界面协同作用对污水处理具有良好的促进作用。 （3） 继续进行人工湿地植物种类的选择和植物资源化的研究。不同类型的植物根系的生长程度、氧气的输送能力、吸收营养的恩呢管理等都存在各方面的差异，同时需要加强各植物种类之间的相互搭配，使人工湿地系统具有稳定高效的运行状态，提高污水净化能力。最后，需要加强现在已经建成的人工湿地的后续可持续性研究。
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