摘　要:闡述了植物在人工濕地污水凈化過程中的作用及其對凈化效果的影響,提出了人工濕地植物研究中的一些問題。植物在人工濕地中主要作用有:吸收利用和吸附富集污染物質(zhì);輸送氧氣到濕地系統(tǒng),提供根區(qū)微生物生長、繁殖和降解所需的氧;維持和加強(qiáng)人工濕地系統(tǒng)內(nèi)的水力傳輸,維持系統(tǒng)穩(wěn)定等。人工濕地植物存在著枯死衰退、雜草叢生和根系擴(kuò)展較淺等問題,影響人工濕地的凈化功能。通過對人工濕地植物生理生態(tài)特性如氣體代謝、光合作用、逆境生理等問題研究,篩選出優(yōu)良植物品種,從而有利于充分發(fā)揮濕地植物功能,提高人工濕地污水處理能力。

關(guān)鍵詞:人工濕地; 植物; 污水處理; 凈化作用

0 　前言

人工濕地是人工建造的、可控制的和工程化的濕地系統(tǒng),其設(shè)計(jì)和建造原理是通過對濕地自然生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)和生物作用的優(yōu)化組合來進(jìn)行廢水處理。人工濕地是一種人為地將石、砂、土壤、煤渣等一種或幾種介質(zhì)按一定的比例構(gòu)成基質(zhì),并有選擇性地植入植物的污水處理生態(tài)系統(tǒng)。由于人工濕地污水處理系統(tǒng)具有凈化效果顯著、建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用低廉、對負(fù)荷變化適應(yīng)能力強(qiáng)、管理方便等優(yōu)點(diǎn),近年來越來越受到人們的重視[1 ] 。

1 　植物在人工濕地中的作用

植物是人工濕地的主要組成部分,在人工濕地污水處理工程中發(fā)揮著很重要的作用: ①植物的存在增加了系統(tǒng)和污水的接觸面積,有利于懸浮物和病原菌的吸附、去除; ②植物的存在減少了污水的流動,有利于懸浮物的沉降; ③植物發(fā)達(dá)的根系使系統(tǒng)不易形成侵蝕溝,穩(wěn)定了系統(tǒng),并且植物根系的生長使系統(tǒng)不易被阻塞; ④植物具有輸送氧氣的作用,其根系還具有分泌功能;另外,植物外形美觀具有欣賞性,還可以收割回收以達(dá)到一定的經(jīng)濟(jì)效益;也可作為介質(zhì)受污染程度的指示物;在冬季,植物的存在可以防止系統(tǒng)結(jié)冰,具有一定的保溫作用。

1. 1 　植物對污水的吸收利用、吸附和富集作用

植物在污水中吸收大量的無機(jī)氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì),供其生長發(fā)育。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(jī)氮,再通過植物的收割從廢水中去除,污水中其余的大部分氮通過系統(tǒng)中微生物的降解而除去,最后氮在系統(tǒng)中的殘留并不明顯;污水中無機(jī)磷在植物吸收及同化作用下可轉(zhuǎn)化為植物的ATP、DNA、PNA 等有機(jī)成分,然后通過植物的收割而從系統(tǒng)中去除[2 ] 。生根植物直接從砂土中去除氮磷等營養(yǎng)物質(zhì),而浮水植物則在水中去除營養(yǎng)物質(zhì)。進(jìn)行城鎮(zhèn)污水處理試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):種植水燭和燈心草的人工濕地基質(zhì)中,氮、磷的含量分別比無植物的對照基質(zhì)中的含量低18 %～28 %和20 %～31 %[3 ] , 可見水燭和燈心草吸收了污水中部分的氮和磷。窄葉香蒲吸收的氮占進(jìn)入系統(tǒng)中氮量的43 % ,而當(dāng)采用定期收獲植物方式時(shí),由于總生物量的增加使氮吸收量還要增加,高達(dá)46 % ,在一些垂直流人工濕地中,香蒲對氮的去除能力高達(dá)85 %。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,其吸收積累能力為:沉水植物〉漂浮植物〉挺水植物,不同部位濃縮作用也不同,一般為:根〉莖〉葉,各器官的累積系數(shù)隨污水濃度的上升而下降[4～5 ] 。垂直流人工濕地處理低濃度重金屬污水的試驗(yàn)表明,風(fēng)車草能吸收富集水體中30 %的銅和錳,對鋅、鎘、鉛的富集也在5 %～15 %[6 ] ;薺菜根際附著大量的細(xì)菌后,能加速硒的富集和揮發(fā);高粱也能利用根際細(xì)菌加速硝酸鹽、鉀和磷酸鹽的富集。

大多數(shù)植物都可以吸收重金屬和中度憎水有機(jī)物,并且積累在植物組織內(nèi)。重金屬在一般植物中的積累量為0. 1～100μgPg ,但也有一些特殊植物超量積累重金屬。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(jìn)了污水重金屬的氧化和沉降。寬葉香蒲、蘆葦、狗牙根等是人工濕地對鉛、鋅、銅和錫的超積累優(yōu)勢物,污水中汞和硒可通過植物吸收到體內(nèi)再轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)釋放到大氣中去。

1. 2 　植物的輸氧作用

濕地環(huán)境對很多生物來說是一種嚴(yán)酷的逆境,最嚴(yán)重的情況是濕地土壤缺氧。缺氧條件下,生物不能進(jìn)行正常的有氧呼吸,還原態(tài)的某些元素和有機(jī)物的濃度可達(dá)到有毒的水平。人工濕地中污染物所需的氧主要來自于大氣的自然復(fù)氧和植物輸氧,植物能將經(jīng)過光合作用產(chǎn)生的氧氣通過氣道輸送到根區(qū),在植物根區(qū)的還原態(tài)介質(zhì)中形成氧化態(tài)的微環(huán)境[7 ] 。輸送過程以及氧在濕地中的分布狀態(tài)如圖1 所示(以蘆葦床為例) [8 ] ,這種輸氧作用使根毛周圍形成一個(gè)好氧區(qū)域,其中好氧生物膜對氧的利用使離根毛較遠(yuǎn)的區(qū)域呈現(xiàn)缺氧狀態(tài),更遠(yuǎn)的區(qū)域?yàn)橥耆�缺氧。這樣使得根區(qū)有氧區(qū)域和缺氧區(qū)域共同存在,為根區(qū)的好氧、兼性和厭氧微生物提供各自適宜的小生境,使不同的微生物各得其所,發(fā)揮相輔相成的作用。這種連續(xù)呈現(xiàn)好氧、缺氧、厭氧的狀態(tài)相當(dāng)于許多串聯(lián)或并聯(lián)的APAPO 處理單元,這樣植物在為濕地系統(tǒng)輸送氧的同時(shí),還可以通過硝化、反硝化作用及微生物對磷的過量積累作用使氮、磷從廢水中去除。人工濕地中植物的根毛釋放氧氣也有助于在好氧條件下濕地中物質(zhì)的傳遞和變化,如圖2所示[8 ] 。因此,植物在人工濕地去除氨、亞硝酸鹽、硝酸鹽、磷酸鹽、SS 和BOD 等方面直接或間接地發(fā)揮重要作用。

1. 3 　植物根系分泌作用

植物向土壤環(huán)境中釋放大量的分泌物,如糖類、醇類、氨基酸等, 其數(shù)量約占年光合作用產(chǎn)量的10 %～20 %。細(xì)根的迅速腐解也向土壤中補(bǔ)充了有機(jī)碳,這些物質(zhì)為微生物的生長提供了豐富的營養(yǎng),促進(jìn)了微生物的生長,植物的存在使系統(tǒng)中的微生物如硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌、磷細(xì)菌、纖維素分解菌的數(shù)量顯著增加。微生物是系統(tǒng)中有機(jī)物分解的主要“執(zhí)行者”,把有機(jī)物作為豐富的能源,將其轉(zhuǎn)化為營養(yǎng)物質(zhì)和能源。因此,植物的存在間接加快了有機(jī)物的分解速度,植物根系釋放到土壤中的酶可以直接降解有機(jī)化合物。

蘆葦、香蒲等水生植物有發(fā)達(dá)的通氣組織,向植物根際輸送氧氣,在植物根區(qū)形成特殊的好氧厭氧環(huán)境,適應(yīng)各種微生物的生長,間接促進(jìn)污水中各種污染物的降解。研究表明,有植物的濕地系統(tǒng),細(xì)菌數(shù)量顯著高于無植物系統(tǒng),且植物根部的細(xì)菌比介質(zhì)處高1～2 個(gè)數(shù)量級,植物的根系分泌物還可以促進(jìn)某些磷、氮細(xì)菌的生長,促進(jìn)氮、磷的釋放及轉(zhuǎn)化,從而間接的提高凈化率[3 ] 。

1. 4 　植物對污水中藻類的抑制作用

藻類是水體中重要的有機(jī)制造者,其死亡后,殘?bào)w留在系統(tǒng)中,藻類制造的有機(jī)物就很難通過收割等方式轉(zhuǎn)移出系統(tǒng)。藻類自身吸收的氮、磷等元素又重新回到系統(tǒng)中,這樣,藻類就縮短了氮、磷等元素的循環(huán)周期,嚴(yán)重地破壞了水體生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定,直接影響污水濕地處理系統(tǒng)的效果。寬葉香蒲,風(fēng)眼蓮等植物對藻類有較好的抑制作用,能減少藻類對污水濕地處理工程的不利影響。

1. 5 　各類植物的協(xié)同作用

不同植物對于不同污染物的去除效果各異,如:蘆葦可分解酚,香蒲能去除污水中的有機(jī)物、無機(jī)污染物,可吸收銅、鈷、鎳、錳及氯化烴,根部能分泌天然抗生物質(zhì),降低污水中的細(xì)菌濃度,去除病原體;捕蠅草和豬籠草葉邊有消化腺,為食蟲草類植物;大米草可以吸收污水中80 %～90 %的氮、磷;蘆葦和香蒲能絮凝膠體,消除病原體,其空心莖有利于空氣輸送到根部,為微生物提供額外的氧。單一植物的凈化能力總是有限的,應(yīng)選擇各物種的合理搭配,發(fā)揮各類植物的協(xié)調(diào)作用。如蘆葦通氣組織較發(fā)達(dá),具有較強(qiáng)的輸氧能力,而茭白生長量大,具有較強(qiáng)的吸收氮、磷的能力,蘆葦、茭白兩種植物混種對污水處理的效果好于種植單一植物。目前,全球發(fā)現(xiàn)的濕地高等植物多達(dá)6 000 多種,但已被實(shí)際利用于污水濕地處理工程的不過幾十種,絕大多數(shù)植物還沒使用過。因此,發(fā)揮植物的協(xié)同作用的潛在空間還很大。

1. 6 　植物維持系統(tǒng)穩(wěn)定的作用

維持人工濕地系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的首要條件是保證濕地系統(tǒng)水力傳輸,植物在這方面起著重要的作用。植物根及根系對介質(zhì)具有穿透作用,從而在介質(zhì)中形成了許多微小的氣室或間隙,減小了介質(zhì)的封閉性,增強(qiáng)了介質(zhì)的疏松度,使得介質(zhì)的水力傳輸?shù)玫郊訌?qiáng)和維持,成水平[9 ] 進(jìn)行的人工濕地處理污水的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),經(jīng)過3～5 個(gè)月的污水處理后不同植物的對照土壤介質(zhì)板結(jié),發(fā)生淤積,而種有水燭和燈心草的人工濕地滲透性能好,污水能很快地滲入介質(zhì)。

據(jù)報(bào)道,即使較板結(jié)的土壤,在2～5 a 內(nèi),經(jīng)過植物根系的穿透作用,其水力傳輸能力仍可與砂礫、碎石相當(dāng)[10 ] 。植物的生長能加快天然土壤的水力傳輸,且當(dāng)植物成熟時(shí),根區(qū)系統(tǒng)的水容量增大,當(dāng)植物的根和根系腐爛時(shí),剩下許多的空隙和通道,也有利于土壤的水力傳輸。

2 　影響植物凈化效果的因素

由于人工濕地工程建在野外,受自然環(huán)境的影響很大,因此季節(jié)變化對濕地凈化功能的有一定的影響,其影響主要是溫度變化、季節(jié)的突變和植物生長對磷的凈化效果。

2. 1 　溫度變化對人工濕地凈化的影響

由于濕地的凈化作用主要是通過濕地微生物來完成,而溫度對微生物的生長繁殖以及活性都有顯著的影響[11 ] 。不同季節(jié)植物的生長狀況和代謝活動都不同,因而濕地植物吸收和利用有機(jī)物質(zhì)的能力也存在著顯著差異。楊昌風(fēng)[12 ] 等人在模擬人工濕地處理污水的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)氣溫在22～32 ℃范圍內(nèi),池杉系統(tǒng)對氮的去除率隨著溫度的升高而增大。不過,也有人發(fā)現(xiàn)短期的溫度變化對氮磷的去除影響不大,但如果長期的溫度變化將會導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)的去除率發(fā)生變化,據(jù)分析可能是因?yàn)槎唐跍囟茸兓�中濕地中的微生物種群并沒有發(fā)生變化,但溫度變化的時(shí)間相對長一些,如幾個(gè)星期,則人工濕地中的微生物群落將會由于適應(yīng)新的環(huán)境而導(dǎo)致數(shù)目和種類的改變,從而影響了人工濕地對污水中營養(yǎng)物質(zhì)的去除效果[13 ] 。梁威[14 ] 等人在人工濕地中植物根區(qū)微生物與凈化效果的季節(jié)變化的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)夏秋兩季的根區(qū)微生物數(shù)量有顯著的變化,秋季其根區(qū)細(xì)菌數(shù)量較夏季有明顯的增加,同時(shí)還發(fā)現(xiàn)除香蒲濕地系統(tǒng)外,其他濕地系統(tǒng)秋季對KN的去除率較夏季有明顯的增加。

2. 2 　氣候突變的影響

氣候突變對濕地植物影響主要表現(xiàn)在低溫對植物的影響。因?yàn)橹参镩L期生長在營養(yǎng)物質(zhì)充分、溫度適宜的環(huán)境下,抗寒能力較弱,突變急劇降溫和大風(fēng)會造成寒害。在相同的環(huán)境因素下,不同的植物和相同植物的不同生長階段表現(xiàn)了不同的抗寒能力,其原因是植物的抗寒能力與細(xì)胞含水密切相關(guān),寒害過程也是原生質(zhì)脫水的黏稠化的過程,即植物細(xì)胞的抗脫水能力越強(qiáng)就越抗寒。從生物化學(xué)角度看,抗寒性強(qiáng)的植物組織內(nèi)含有較多的親水化合物,可以保證原生質(zhì)在低溫環(huán)境下具有較大的穩(wěn)定性。植物要栽種在它的適宜氣候條件下,在不同的季節(jié)內(nèi)生長其生長情況和處理效果也會不同,植物在移栽時(shí)也應(yīng)注意多樣性和穩(wěn)定性。濕地植物在不同季節(jié)生長情況表現(xiàn)出明顯的差異,如在沙田人工濕地中栽種熱帶或溫帶植物,其生長情況如表1 所示:

2. 3 　植物生長狀況對濕地磷凈化效果的影響

人工濕地對污水中磷的去除主要是通過基質(zhì)的吸附、植物吸收及微生物富集等途徑來完成[16 ] 。如同無機(jī)氮一樣,污水中的無機(jī)磷在植物吸收及同化作用下,可變成植物的有機(jī)成分(如ATP、DNA、RNA等) 。吳振斌等[17 ] 通過對蘆葦、茭白以及對照人工濕地系統(tǒng)對污水磷的凈化效果的研究中發(fā)現(xiàn),有無植物系統(tǒng)在磷的去除方面影響很大,有植物的系統(tǒng)比無植物的系統(tǒng)具有更高的去除率,系統(tǒng)在各階段的凈化效果及穩(wěn)定性均比無植物系統(tǒng)好。此外,在不同的季節(jié),磷的凈化效果也不同,春夏較秋冬季節(jié)高。梁威[17 ] 等在人工濕地植物根區(qū)微生物與凈化效果的季節(jié)變化的實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了相似的規(guī)律,夏季蘆葦、菱白和香蒲濕地系統(tǒng)對總磷的去除率分別為58. 3 % ,36 %和66. 2 % ,無植物的對照系統(tǒng)對總磷基本沒有去除效果,蘆葦?shù)认到y(tǒng)秋季磷的凈化效果較夏季顯著降低,而香蒲系統(tǒng)的總磷去除率也只有26. 5 %。由此可見,有無植物以及植物的生長狀況對總磷的去除有很大關(guān)系。因此,為了提高系統(tǒng)的總磷去除率,應(yīng)對濕地植物定期進(jìn)行收割,以防植物殘?bào)w腐爛以及營養(yǎng)物質(zhì)重新釋放進(jìn)入人工濕地廢水處理系統(tǒng);如果濕地用于凈化重金屬以及某些難降解的有機(jī)和無機(jī)污染物,對濕地植物也應(yīng)該及時(shí)處理,以防對環(huán)境造成二次污染。

3 　濕地中植物存在的問題

植物在人工濕地污水凈化過程中的作用與其生長狀況密切相關(guān),生長越旺盛、根系越發(fā)達(dá)的植株,其凈化污水的能力、輸氧和穿透的作用越大。但試驗(yàn)或應(yīng)用的人工濕地中植物的生長存在一些問題,影響其作用的正常發(fā)揮。大多數(shù)濕地植物的生長周期是春夏萌芽、秋冬苦死,在人工濕地這個(gè)自然或人工生境下,植物生長亦存在著這種現(xiàn)象,由此導(dǎo)致根區(qū)法污水處理系統(tǒng)冬季的污水凈化效果下降,香蒲人工濕地和蘆葦床系統(tǒng)也因在冬季植株地面部分枯黃,對污水中氨氮的去除率明顯低于其他季節(jié)。衰退是植物的又一問題,除直接損傷、擦傷外,水質(zhì)和基質(zhì)的不同組成、水位高低及富營養(yǎng)狀態(tài)都能引起植物的衰退,以碎石為基質(zhì)的人工濕地生境不利于燈心草分蘗的生長,重新分蘗的管狀莖亦稀疏、彎曲死亡。
Amstrong 等認(rèn)為植物體腐爛、超負(fù)荷有機(jī)污染物沖擊或富營養(yǎng)化等產(chǎn)生的植物酶素(如有機(jī)酸、硫化物等) 在蘆葦組織中的富集是引起蘆葦衰退的主要原因之一。氮、磷作為營養(yǎng)元素是植物生長發(fā)育、繁殖所必需的,但高濃度的氮、磷污水又影響到植物的正常生長。一般在人工濕地中選擇一種或幾種植物作為優(yōu)勢種栽種,有利于植物的快速生長,但在實(shí)際的應(yīng)用過程中,當(dāng)人工濕地略為干旱時(shí),雜草便大量地入侵,并抑制栽種植物的生長,因此建議對濕地進(jìn)行改造,防止雜草的入侵,或人工拔除雜草,提高大型植物的生長速度。不過,對于較大面積的日常運(yùn)行的人工濕地來說,靠人工經(jīng)常拔除雜草可能為人工濕地的管理在資金和人力上提出了難題。植物具有龐大的根系使被選為人工濕地植物的主要因素之一,但在試驗(yàn)和應(yīng)用中往往擴(kuò)展不利,不能形成龐大的根系,人工濕地的體積得不到充分的利用。

4 　人工濕地植物研究的展望

植物是人工濕地污水處理的核心,發(fā)揮著重要的作用,但由于各種原因使得人工濕地植物的整體凈化效果受到了影響,因此有關(guān)植物的研究還有待深入。今后我國人工濕地植物的研究要著重考慮以下幾個(gè)方面: ①人工濕地植物的生理生態(tài)研究; ②人工濕地植物種類的篩選及其適宜生境的研究及創(chuàng)建; ③通過濕地植物種類的選擇或?qū)χ参锏?span id="hvw2ou77" class=keyword>管理來激發(fā)新根生長以提高氧的傳遞; ④培育一些特殊性能的植物,如抗氣候突變、抗季節(jié)變化等。同時(shí)可以參照中國污水處理工程網(wǎng)其他技術(shù)文檔。

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