濕地凈化技術(shù)機(jī)理及其應(yīng)用
摘要：濕地能改善水質(zhì)，為多種水污染提供了一個(gè)有效、廉價(jià)的治理場所。人工濕地作為近20年來發(fā)展起來的一種傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)已越來越受到各國的重視。系統(tǒng)的闡述了濕地土壤、植物、微生物在污水凈化中的作用及機(jī)理，并展望了濕地未來發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：濕地；污水凈化；機(jī)理
1 引 言
濕地是陸地與水生系統(tǒng)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(huán)境，也是眾多野生動(dòng)物、植物的重要生存環(huán)境之一，生物多樣性極為豐富，并且由于濕地在水分和化學(xué)循環(huán)中所表現(xiàn)出來的功能及其處于水陸交錯(cuò)帶可對流經(jīng)其的水流及其攜帶的營養(yǎng)物質(zhì)起到過濾凈化作用，而被譽(yù)為“自然之腎”。
濕地系統(tǒng)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(tǒng)和人工濕地系統(tǒng)的應(yīng)用范圍也在不斷拓寬，國內(nèi)外許多研究工作已經(jīng)涉及到河流[1]、湖泊治理[2]、工業(yè)廢水處理[3-4]、城市暴雨徑流污染[5]，農(nóng)業(yè)面源污染控制[6-7]等眾多領(lǐng)域，特別是在河湖治理方面，由于物理、化學(xué)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(xiàn)實(shí)意義。濕地土壤（基質(zhì)）、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(gè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物三重協(xié)調(diào)作用來實(shí)現(xiàn)對廢水的高效凈化。本文系統(tǒng)分析了有關(guān)濕地土壤（基質(zhì)）、濕地植物和微生物對于污水凈化的作用和機(jī)理，并對其今后的應(yīng)用進(jìn)行了展望。
2 濕地植物在污水降解中的作用及機(jī)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(jī)氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，供其生長發(fā)育。污水中氨氮可以被植物直接攝取，合成植物有機(jī)氮，然后通過收割植物去除。而污水中的有機(jī)氮多通過系統(tǒng)中微生物的降解來達(dá)到去除的目的。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[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(dá)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(qiáng)的特點(diǎn)，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(yǎng)元素，從而成為去除污水中氮磷等營養(yǎng)元素的一個(gè)簡單有效且費(fèi)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(dá)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2 630 kg氮、403 kg磷和4 570 kg 鉀[13] 。Rosenberg[14]等估計(jì)，每減少1 kg進(jìn)入波羅地海的氮，利用沿海濕地需要0．6 美元，用補(bǔ)救的農(nóng)業(yè)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(yǎng)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(nèi)的某些部位，達(dá)到對污水和受污染土壤的生物修復(fù)。鳳眼蓮可以富集銅、鉛、鎘、鉻、汞、鋅和銀[15]。李柳川等[16]研究發(fā)現(xiàn)，香蒲對鉛、鋅、銅、鎘吸收的絕對量分別為128、1 375、28、120 mg/kg。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％[17]。濕地植物可以將重金屬積累在植物組織內(nèi)。重金屬在一般植物中的積累量為0.1～100 μg/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(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。
2.2 為根區(qū)好氧微生物輸送氧氣
污染物中有機(jī)物和氮的降解所需的兩個(gè)重要因素是微生物和氧，生長在濕地中的挺水植物能夠?qū)ρ踹M(jìn)行運(yùn)輸、釋放和擴(kuò)散作用。植物可將空氣中的氧轉(zhuǎn)運(yùn)到根部，在植物根區(qū)周圍的微環(huán)境中依次出現(xiàn)好氧區(qū)、兼氧區(qū)和厭氧區(qū)，有利于硝化、反硝化反應(yīng)和微生物對磷的過量積累作用 ，達(dá)到除氮、磷的效果，另一方面通過在厭氧條件下有機(jī)物的降解、或開環(huán)、或斷成簡單分子、小分子，提高對生物難降解有機(jī)物的去除效果。趙可夫等[19]對蘆葦床系統(tǒng)研究表明，存在于石子支持培養(yǎng)基上和蘆葦根際中的微生物較沒有種植蘆葦?shù)氖优囵B(yǎng)基上的微生物要大2～3個(gè)數(shù)量級，顯示了植物的重要性。李科德、胡正嘉[20]對蘆葦床內(nèi)水體中的溶解氧在一天內(nèi)的變化動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究表明，蘆葦進(jìn)行光合作用產(chǎn)生的氧向地下部分運(yùn)輸，通過根狀莖和不定根向水體擴(kuò)散，使水體中的溶解氧增加；溶解氧在水體中具有累積效應(yīng)，到天黑時(shí)累積量達(dá)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(dòng)消耗，水體中的溶解氧又減少。
2.3 增強(qiáng)和維持介質(zhì)的水力傳輸
人工濕地運(yùn)行過程中內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)堵塞的問題，由于植物的根和根系對介質(zhì)的穿透作用，減小了介質(zhì)的封閉性，增強(qiáng)了介質(zhì)的疏松度，使介質(zhì)的水力傳輸?shù)玫郊訌?qiáng)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(guān)注，他們認(rèn)為濕地植物根系或根孔是濕地生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)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(chǎn)生優(yōu)先水流; 提高土壤的滲透性; 氧氣輸入和甲烷排放提供優(yōu)先路等[21-22]。據(jù)報(bào)道，即使較板結(jié)的土壤，在2～5 a之內(nèi)，經(jīng)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(dāng)[23]。
另外，濕地植物還具有過濾和抑藻等效應(yīng)[24]。濕地植物的這些獨(dú)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(jī)理也不盡相同。
2.4 濕地植物對污染物的去除機(jī)理
濕地植物對氮的去除作用主要是：氨的揮發(fā)作用、NH4+的陽離子交換作用、吸收、硝化和反硝化作用等。科學(xué)家研究認(rèn)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(zhuǎn)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(jìn)入植物后通過氨化反應(yīng)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(yǎng)成分吸收外，還可以通過在苗床基質(zhì)中的吸附、絡(luò)合和沉淀反應(yīng)來去除。一般認(rèn)為人工濕地系統(tǒng)對磷的去除途徑主要是基質(zhì)的吸附沉淀作用。Reddy[25]在研究中也發(fā)現(xiàn)人工濕地系統(tǒng)中7%～87%的磷是通過基質(zhì)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(qiáng)化根際的礦化作用、以及氧化－還原反應(yīng)、水解反應(yīng)等去除有機(jī)污染物。而對重金屬的作用機(jī)理除植物穩(wěn)定、生物富集、攝取吸收外，還可通過植物揮發(fā)、甲基化等作用達(dá)到目的。
3 濕地土壤（基質(zhì)）凈化污水中的作用及機(jī)理
3.1 土壤是土壤生物生活的“基質(zhì)”
濕地土壤（基質(zhì)）是濕地植物的直接支撐者，濕地土壤的類型、結(jié)構(gòu)和肥力狀況直接決定濕地植物的類型、數(shù)量和質(zhì)量，并通過食物鏈影響濕地動(dòng)物的類群、生長和發(fā)育，最終影響濕地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)生產(chǎn)。同時(shí)濕地土壤（基質(zhì)）也是濕地微生物、濕地土壤動(dòng)物的生活場所，是土壤微生物和土壤動(dòng)物生活的“基質(zhì)”。濕地土壤（基質(zhì)）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(zhì)）具有“養(yǎng)分庫”的作用
濕地土壤的類型、結(jié)構(gòu)和肥力狀況同樣會(huì)對濕地土壤微生物和動(dòng)物的類群、數(shù)量產(chǎn)生深刻的影響。濕地土壤具有“養(yǎng)分庫”功能，它可以提供濕地植物生長發(fā)育所需要的全部養(yǎng)分元素。不僅如此，濕地土壤和其土(泥) 水界面的物理化學(xué)反應(yīng)機(jī)制影響?zhàn)B分元素的形態(tài)和數(shù)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(xué)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(kuò)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(yǎng)分庫”在提供和蓄留某些養(yǎng)分元素的功能方面具有極其重要的生態(tài)意義。
3.3 濕地土壤（基質(zhì)）凈化污水的機(jī)理
濕地土壤是濕地化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的介質(zhì)，也是濕地植物營養(yǎng)物質(zhì)的儲(chǔ)存庫。濕地土壤的有機(jī)質(zhì)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(zhuǎn)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(qiáng)氮的轉(zhuǎn)化。對于磷而言，土壤顆粒對磷酸鹽的吸收是一個(gè)重要的轉(zhuǎn)化過程，吸收能力依賴于黏土礦物中鐵、鋁、鈣的表現(xiàn)或?qū)ν寥烙袡C(jī)質(zhì)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(fù)合。濕地土壤對有毒物質(zhì)的“凈化”機(jī)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(shí)現(xiàn)的。
人工濕地中的基質(zhì)又稱填料、濾料,一般由土壤、細(xì)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(zhì)的一種或幾種所構(gòu)成。人工濕地基質(zhì)在為植物和微生物提供營養(yǎng)的同時(shí)，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(jīng)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(zhì)濃度下降，水質(zhì)改善，另外，研究還表明，選擇合適的人工濕地基質(zhì)材料，是構(gòu)建人工濕地，提高人工濕地凈化能力的關(guān)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(dòng)物和病毒。濕地中的微生物是其生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分。它不但扮演著維持生態(tài)平衡的角色，還在凈化污染物方面發(fā)揮著重要的作用。人工濕地處理污水時(shí)，有機(jī)物的降解和轉(zhuǎn)化主要是由濕地微生物活動(dòng)來完成的，人工濕地中微生物的活動(dòng)是廢水中有機(jī)物降解的基礎(chǔ)機(jī)制，豐富的微生物資源為濕地污水處理系統(tǒng)提供了足夠的分解者。經(jīng)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)[27]，濕地植物根區(qū)的細(xì)菌總數(shù)與BOD5 去除率之間存在顯著相關(guān)性; 氨氮的去除率與根際硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量的相關(guān)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(yǎng)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(qiáng)的絡(luò)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(jié) 語
總之，人工濕地凈化污水是基質(zhì)、植物、微生物共同作用的結(jié)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(jīng)濟(jì)有效的污水處理技術(shù)，人工濕地污水凈化系統(tǒng)已獲得愈來愈多的應(yīng)用。目前，世界各國都投入大量精力以改良人工濕地技術(shù)，研究將一些傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)引入人工濕地，利用濕地凈化污水具有較好的推廣應(yīng)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(shí)間長。冬季的管理，人工濕地植物和基質(zhì)填料的選取，以及植物吸收污染物后的生長規(guī)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(jié)合，都是今后要考慮研究的問題。
參考文獻(xiàn)：
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