人工濕地中植物凈化作用及其影響因素

摘　要:闡述了植物在人工濕地污水凈化過(guò)程中的作用及其對(duì)凈化效果的影響,提出了人工濕地植物研究中的一些問(wèn)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(zhǎng)、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(wèn)題,影響人工濕地的凈化功能。通過(guò)對(duì)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(wèn)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(guò)對(duì)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(lái)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(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)能力強(qiáng)、管理方便等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)越來(lái)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(dòng),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(zhǎng)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(duì)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(wú)機(jī)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),供其生長(zhǎng)發(fā)育。污水中氨氮作為植物生長(zhǎng)過(guò)程中不可缺少的營(yíng)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(guò)植物的收割從廢水中去除,污水中其余的大部分氮通過(guò)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(wú)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(guò)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì),而浮水植物則在水中去除營(yíng)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(wú)植物的對(duì)照基質(zhì)中的含量低18 %～28 %和20 %～31 %[3 ] , 可見(jiàn)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)鉛、鋅、銅和錫的超積累優(yōu)勢(shì)物,污水中汞和硒可通過(guò)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(duì)很多生物來(lái)說(shuō)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(lái)自于大氣的自然復(fù)氧和植物輸氧,植物能將經(jīng)過(guò)光合作用產(chǎn)生的氧氣通過(guò)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(guò)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(duì)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(guò)硝化、反硝化作用及微生物對(duì)磷的過(guò)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(zhǎng)提供了豐富的營(yíng)養(yǎng),促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng),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(yíng)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(zhǎng),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(wú)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(jí),植物的根系分泌物還可以促進(jìn)某些磷、氮細(xì)菌的生長(zhǎng),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(duì)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(guò)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(duì)藻類有較好的抑制作用,能減少藻類對(duì)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(duì)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(wú)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(zhǎng)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(duì)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(guò)幾十種,絕大多數(shù)植物還沒(méi)使用過(guò)。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(duì)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(guò)3～5 個(gè)月的污水處理后不同植物的對(duì)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(guò)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)對(duì)磷的凈化效果。

2. 1 　溫度變化對(duì)人工濕地凈化的影響

由于濕地的凈化作用主要是通過(guò)濕地微生物來(lái)完成,而溫度對(duì)微生物的生長(zhǎng)繁殖以及活性都有顯著的影響[11 ] 。不同季節(jié)植物的生長(zhǎng)狀況和代謝活動(dòng)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(duì)氮的去除率隨著溫度的升高而增大。不過(guò),也有人發(fā)現(xiàn)短期的溫度變化對(duì)氮磷的去除影響不大,但如果長(zhǎng)期的溫度變化將會(huì)導(dǎo)致?tīng)I(yíng)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(méi)有發(fā)生變化,但溫度變化的時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)一些,如幾個(gè)星期,則人工濕地中的微生物群落將會(huì)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(duì)污水中營(yíng)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(duì)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(duì)濕地植物影響主要表現(xiàn)在低溫對(duì)植物的影響。因?yàn)橹参镩L(zhǎng)期生長(zhǎng)在營(yíng)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(huì)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(zhǎng)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(guò)程也是原生質(zhì)脫水的黏稠化的過(guò)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(zhǎng)其生長(zhǎng)情況和處理效果也會(huì)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(zhǎng)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(zhǎng)情況如表1 所示:

2. 3 　植物生長(zhǎng)狀況對(duì)濕地磷凈化效果的影響

人工濕地對(duì)污水中磷的去除主要是通過(guò)基質(zhì)的吸附、植物吸收及微生物富集等途徑來(lái)完成[16 ] 。如同無(wú)機(jī)氮一樣,污水中的無(wú)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(guò)對(duì)蘆葦、茭白以及對(duì)照人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水磷的凈化效果的研究中發(fā)現(xiàn),有無(wú)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(wú)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(wú)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(duì)總磷的去除率分別為58. 3 % ,36 %和66. 2 % ,無(wú)植物的對(duì)照系統(tǒng)對(duì)總磷基本沒(méi)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(jiàn),有無(wú)植物以及植物的生長(zhǎng)狀況對(duì)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(duì)濕地植物定期進(jìn)行收割,以防植物殘?bào)w腐爛以及營(yíng)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(wú)機(jī)污染物,對(duì)濕地植物也應(yīng)該及時(shí)處理,以防對(duì)環(huán)境造成二次污染。

3 　濕地中植物存在的問(wèn)題

植物在人工濕地污水凈化過(guò)程中的作用與其生長(zhǎng)狀況密切相關(guān),生長(zhǎng)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(zhǎng)存在一些問(wèn)題,影響其作用的正常發(fā)揮。大多數(shù)濕地植物的生長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(wèn)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(yíng)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(zhǎng),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(yíng)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(yíng)養(yǎng)元素是植物生長(zhǎng)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(zhǎng)。一般在人工濕地中選擇一種或幾種植物作為優(yōu)勢(shì)種栽種,有利于植物的快速生長(zhǎng),但在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)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(zhǎng),因此建議對(duì)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(zhǎng)速度。不過(guò),對(duì)于較大面積的日常運(yùn)行的人工濕地來(lái)說(shuō),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(guó)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(guò)濕地植物種類的選擇或?qū)χ参锏?span id="02quoqc" class=keyword>管理來(lái)激發(fā)新根生長(zhǎng)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(guó)污水處理工程網(wǎng)其他技術(shù)文檔。

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