濕地凈化污水作用及其機理研究進展
濕地是陸地與水生系統之間的過渡地帶，其地表為淺水所覆蓋或者其水位在地表附近變化。濕地不僅是人類重要的生存環境，也是眾多野生動物、植物的重要生存環境之一，生物多樣性極為豐富，并且由于濕地在水分和化學循環中所表現出來的功能及其處于水陸交錯帶可對流經其的水流及其攜帶的營養物質起到過濾凈化作用，而被譽為“自然之腎”。
濕地系統作為寶貴的自然資源，很早就已為人們所重視。近年來，對其在污水處理方面的研究不斷深入，自然濕地系統和人工濕地系統的應用范圍也在不斷拓寬，國內外許多研究工作已經涉及到河流[1]、湖泊治理[2]、工業廢水處理[3-4]、城市暴雨徑流污染[5]，農業面源污染控制[6-7]等眾多領域，特別是在河湖治理方面，由于物理、化學方法的有限性以及工廠化生物處理的局限性，對濕地的研究就具有更加突出的現實意義。濕地土壤（基質）、水生植物和微生物是濕地的主要組成部分。多年的研究表明，濕地能夠利用土壤—微生物—植物這個復合生態系統的物理、化學和生物三重協調作用來實現對廢水的高效凈化。本文系統分析了有關濕地土壤（基質）、濕地植物和微生物對于污水凈化的作用和機理，并對其今后的應用進行了展望。
2濕地植物在污水降解中的作用及機理
2.1植物對污水的吸收利用、吸附和富集作用
植物在生長過程中能吸收污水中的無機氮、磷等營養物質，供其生長發育。污水中氨氮可以被植物直接攝取，合成植物有機氮，然后通過收割植物去除。而污水中的有機氮多通過系統中微生物的降解來達到去除的目的。污水中無機磷在植物吸收及同化作用下可轉化為植物的ATP、DNA、PNA等有機成分，然后通過植物的收割而從系統中去除[8]。目前，通常的污水二級處理工藝對污水中氮、磷的去除效率不高，僅能達到20%～40%[9]，而用于污水處理的濕地植物通常都具有生長快、生物量大和吸收能力強的特點，因此它們在生長的過程中可以通過吸收而去除大量的氮、磷等營養元素，從而成為去除污水中氮磷等營養元素的一個簡單有效且費用低廉的工具[10]。如巴西的皮拉西卡巴的Engenho濕地對磷、硝酸鹽和銨的去除率分別達到93%、78%和50%[11]。Chescheir[12]等通過模型研究表明濕地可以凈化79%的總氮、82%的硝酸鹽氮、81%的總磷。研究表明香蒲每年每公頃可吸收2630kg氮、403kg磷和4570kg鉀[13]。Rosenberg[14]等估計，每減少1kg進入波羅地海的氮，利用沿海濕地需要0．6美元，用補救的農業措施需1.9～53．4美元，而通過污水處理廠減少城市廢水中75%的氮需要15．6～31．2美元。
除營養元素外，大型水生植物還可吸收鉛、鎘、砷、汞和鉻等重金屬，以金屬螯合物的形式蓄積于植物體內的某些部位，達到對污水和受污染土壤的生物修復。鳳眼蓮可以富集銅、鉛、鎘、鉻、汞、鋅和銀[15]。李柳川等[16]研究發現，香蒲對鉛、鋅、銅、鎘吸收的絕對量分別為128、1375、28、120mg/kg。垂直流人工濕地處理低濃度重金屬污水的試驗表明，風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%[17]。濕地植物可以將重金屬積累在植物組織內。重金屬在一般植物中的積累量為0.1～100μg/g[18]，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在植物的產氧作用使根區含氧量增加，促進了污水重金屬的氧化和沉降。
2.2為根區好氧微生物輸送氧氣
污染物中有機物和氮的降解所需的兩個重要因素是微生物和氧，生長在濕地中的挺水植物能夠對氧進行運輸、釋放和擴散作用。植物可將空氣中的氧轉運到根部，在植物根區周圍的微環境中依次出現好氧區、兼氧區和厭氧區，有利于硝化、反硝化反應和微生物對磷的過量積累作用，達到除氮、磷的效果，另一方面通過在厭氧條件下有機物的降解、或開環、或斷成簡單分子、小分子，提高對生物難降解有機物的去除效果。趙可夫等[19]對蘆葦床系統研究表明，存在于石子支持培養基上和蘆葦根際中的微生物較沒有種植蘆葦的石子培養基上的微生物要大2～3個數量級，顯示了植物的重要性。李科德、胡正嘉[20]對蘆葦床內水體中的溶解氧在一天內的變化動態進行研究表明，蘆葦進行光合作用產生的氧向地下部分運輸，通過根狀莖和不定根向水體擴散，使水體中的溶解氧增加；溶解氧在水體中具有累積效應，到天黑時累積量達最大值。夜間氧被蘆葦根系的呼吸作用和微生物的代謝活動消耗，水體中的溶解氧又減少。
2.3增強和維持介質的水力傳輸
人工濕地運行過程中內部會出現堵塞的問題，由于植物的根和根系對介質的穿透作用，減小了介質的封閉性，增強了介質的疏松度，使介質的水力傳輸得到加強和維持，提高了土壤的滲透率。近年來，濕地植物根孔引起了研究者們的廣泛關注，他們認為濕地植物根系或根孔是濕地生態系統中物質傳輸不為人見的“高速公路”，這些根孔具有土壤大孔隙的一般功能，如產生優先水流；提高土壤的滲透性；氧氣輸入和甲烷排放提供優先路等[21-22]。據報道，即使較板結的土壤，在2～5a之內，經過植物根系的穿透作用，其水力傳輸能力可與礫石、碎石相當[23]。
另外，濕地植物還具有過濾和抑藻等效應[24]。濕地植物的這些獨特作用使得它對污水中許多污染物都有很好的去除效果，針對不同的污染物種類其去除機理也不盡相同。
2.4濕地植物對污染物的去除機理
濕地植物對氮的去除作用主要是：氨的揮發作用、NH4+的陽離子交換作用、吸收、硝化和反硝化作用等。科學家研究認為通過植物根部根毛周圍充滿氧氣的液體薄膜中的好氧微生物的硝化作用，可將NH4+轉化成氣體，釋放到大氣中。除此之外，植物本身也可以吸收一部分NH4+，NH4+進入植物后通過氨化反應將其去除，消除其對植物的毒害作用。濕地植物對磷化物的處理除作為營養成分吸收外，還可以通過在苗床基質中的吸附、絡合和沉淀反應來去除。一般認為人工濕地系統對磷的去除途徑主要是基質的吸附沉淀作用。Reddy[25]在研究中也發現人工濕地系統中7%～87%的磷是通過基質的吸附沉淀作用而被去除的。濕地植物主要通過吸收積累非毒性代謝物、強化根際的礦化作用、以及氧化－還原反應、水解反應等去除有機污染物。而對重金屬的作用機理除植物穩定、生物富集、攝取吸收外，還可通過植物揮發、甲基化等作用達到目的。
3濕地土壤（基質）凈化污水中的作用及機理
3.1土壤是土壤生物生活的“基質”
濕地土壤（基質）是濕地植物的直接支撐者，濕地土壤的類型、結構和肥力狀況直接決定濕地植物的類型、數量和質量，并通過食物鏈影響濕地動物的類群、生長和發育，最終影響濕地生態系統的物質生產。同時濕地土壤（基質）也是濕地微生物、濕地土壤動物的生活場所，是土壤微生物和土壤動物生活的“基質”。濕地土壤（基質）通過影響植物和微生物來影響污水的凈化。
3.2濕地土壤（基質）具有“養分庫”的作用
濕地土壤的類型、結構和肥力狀況同樣會對濕地土壤微生物和動物的類群、數量產生深刻的影響。濕地土壤具有“養分庫”功能，它可以提供濕地植物生長發育所需要的全部養分元素。不僅如此，濕地土壤和其土(泥)水界面的物理化學反應機制影響養分元素的形態和數量。研究表明，濕地土壤缺氧具有不均一性，在與含氧水相接觸的幾毫米表層中氧的濃度仍較高，表層中的化學和微生物狀況類似于好氣土壤，而表層下面氧的濃度幾乎為零。氧化表層中Fe3+和Mn4+氫氧化物的存在，意味著濕地土壤能吸收和保留存在于表面水中或從還原層下面擴散到表層中的磷酸鹽、二氧化硅、錳、鈷、鎳和鋅。因此，氧化層累積有磷、硅、錳、鈷、鎳和鋅。反之，含硫化氫的永久還原性的濕地土壤趨于積累銅、汞、鈾、鉬和磷灰石。可見，濕地土壤“養分庫”在提供和蓄留某些養分元素的功能方面具有極其重要的生態意義。
3.3濕地土壤（基質）凈化污水的機理
濕地土壤是濕地化學物質轉化的介質，也是濕地植物營養物質的儲存庫。濕地土壤的有機質含量很高，有較高的離子交換能力，因此，土壤可通過離子交換轉化一些污染物，并且可以通過提供能源和適宜的厭氧條件加強氮的轉化。對于磷而言，土壤顆粒對磷酸鹽的吸收是一個重要的轉化過程，吸收能力依賴于黏土礦物中鐵、鋁、鈣的表現或對土壤有機質的束縛。除了吸收過程外，磷酸鹽也可以同鐵、鋁和土壤組分一起沉降，這些過程包括磷酸鹽在黏土礦物中的固定以及磷酸鹽同金屬的復合。濕地土壤對有毒物質的“凈化”機理，主要是通過沉淀作用、吸附與吸收作用、離子交換作用、氧化還原作用和代謝分解作用等途徑實現的。
人工濕地中的基質又稱填料、濾料，一般由土壤、細砂、粗砂、礫石、碎瓦片、粉煤灰、泥炭、頁巖、鋁礬土、膨潤土、沸石等介質的一種或幾種所構成。人工濕地基質在為植物和微生物提供營養的同時，還通過吸附、沉淀、過濾等作用直接去除污染物。人工濕地模擬研究表明，在不考慮植物因素的條件下，經過濕地處理的模擬生活污水的COD、BOD5、TSS、總氮、總磷等污染物質濃度下降，水質改善，另外，研究還表明，選擇合適的人工濕地基質材料，是構建人工濕地，提高人工濕地凈化能力的關鍵措施[26]。
4濕地中的微生物
濕地微生物主要有菌類、藻類、原生動物和病毒。濕地中的微生物是其生態系統中的重要組成部分。它不但扮演著維持生態平衡的角色，還在凈化污染物方面發揮著重要的作用。人工濕地處理污水時，有機物的降解和轉化主要是由濕地微生物活動來完成的，人工濕地中微生物的活動是廢水中有機物降解的基礎機制，豐富的微生物資源為濕地污水處理系統提供了足夠的分解者。經相關性分析發現[27]，濕地植物根區的細菌總數與BOD5去除率之間存在顯著相關性；氨氮的去除率與根際硝化細菌和反硝化細菌數量的相關性極顯著。濕地微生物具有吸附作用，在微生物生長過程中，常常要吸收一些營養元素和重金屬元素以保證微生物的生長和代謝，它們能分泌高分子聚合物，對重金屬有較強的絡合力。如曲霉屬生物體可有效地吸附Au，枯草桿菌可有效地吸附Au、Ag和Ss等。有些微生物是重金屬污染物的良好吸附劑。
5結語
總之，人工濕地凈化污水是基質、植物、微生物共同作用的結果。許多研究表明它對污水處理具有較好的效果。作為一種經濟有效的污水處理技術，人工濕地污水凈化系統已獲得愈來愈多的應用。目前，世界各國都投入大量精力以改良人工濕地技術，研究將一些傳統的污水處理技術引入人工濕地，利用濕地凈化污水具有較好的推廣應用前景。然而人工濕地對污水的凈化也存在或多或少的問題。如人工濕地占地面積大、處理時間長。冬季的管理，人工濕地植物和基質填料的選取，以及植物吸收污染物后的生長規律和生物量的資源化利用，這一系列問題與怎樣提高人工濕地污水凈化效率相結合，都是今后要考慮研究的問題。
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