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;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;維持和加強人工濕地系統(tǒng)內的水力傳輸,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),其設計和建造原理是通過對濕地自然生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學和生物作用的優(yōu)化組合來進行廢水處理。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按一定的比例構成基質,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、建設和運行費用低廉、對負荷變化適應能力強、管理方便等優(yōu)點,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到一定的經濟效益;也可作為介質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氮、磷等營養(yǎng)物質,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)物質被植物直接攝取,合成植物蛋白質和有機氮,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(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,而浮水植物則在水中去除營養(yǎng)物質。進行城鎮(zhèn)污水處理試驗中發(fā)現:種植水燭和燈心草的人工濕地基質中,氮、磷的含量分別比無植物的對照基質中的含量低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入系統(tǒng)中氮量的43 % ,而當采用定期收獲植物方式時,由于總生物量的增加使氮吸收量還要增加,高達46 % ,在一些垂直流人工濕地中,香蒲對氮的去除能力高達85 %。植物還能吸附、富集一些有毒有害物質,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 %[6 ] ;薺菜根際附著大量的細菌后,能加速硒的富集和揮發(fā);高粱也能利用根際細菌加速硝酸鹽、鉀和磷酸鹽的富集。
大多數植物都可以吸收重金屬和中度憎水有機物,并且積累在植物組織內。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在植物的產氧作用使根區(qū)含氧量增加,促進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再轉化為氣態(tài)物質釋放到大氣中去。
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酷的逆境,最嚴重的情況是濕地土壤缺氧。缺氧條件下,生物不能進行正常的有氧呼吸,還原態(tài)的某些元素和有機物的濃度可達到有毒的水平。人工濕地中污染物所需的氧主要來自于大氣的自然復氧和植物輸氧,植物能將經過光合作用產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好氧區(qū)域,其中好氧生物膜對氧的利用使離根毛較遠的區(qū)域呈現缺氧狀態(tài),更遠的區(qū)域為完全缺氧。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)呈現好氧、缺氧、厭氧的狀態(tài)相當于許多串聯或并聯的APAPO 處理單元,這樣植物在為濕地系統(tǒng)輸送氧的同時,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。
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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, 其數量約占年光合作用產量的10 %～20 %。細根的迅速腐解也向土壤中補充了有機碳,這些物質為微生物的生長提供了豐富的營養(yǎng),促進了微生物的生長,植物的存在使系統(tǒng)中的微生物如硝化細菌、反硝化細菌、磷細菌、纖維素分解菌的數量顯著增加。微生物是系統(tǒng)中有機物分解的主要“執(zhí)行者”,把有機物作為豐富的能源,將其轉化為營養(yǎng)物質和能源。因此,植物的存在間接加快了有機物的分解速度,植物根系釋放到土壤中的酶可以直接降解有機化合物。
蘆葦、香蒲等水生植物有發(fā)達的通氣組織,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,適應各種微生物的生長,間接促進污水中各種污染物的降解。研究表明,有植物的濕地系統(tǒng),細菌數量顯著高于無植物系統(tǒng),且植物根部的細菌比介質處高1～2 個數量級,植物的根系分泌物還可以促進某些磷、氮細菌的生長,促進氮、磷的釋放及轉化,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制造者,其死亡后,殘體留在系統(tǒng)中,藻類制造的有機物就很難通過收割等方式轉移出系統(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物、無機污染物,可吸收銅、鈷、鎳、錳及氯化烴,根部能分泌天然抗生物質,降低污水中的細菌濃度,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,應選擇各物種的合理搭配,發(fā)揮各類植物的協(xié)調作用。如蘆葦通氣組織較發(fā)達,具有較強的輸氧能力,而茭白生長量大,具有較強的吸收氮、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)現的濕地高等植物多達6 000 多種,但已被實際利用于污水濕地處理工程的不過幾十種,絕大多數植物還沒使用過。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具有穿透作用,從而在介質中形成了許多微小的氣室或間隙,減小了介質的封閉性,增強了介質的疏松度,使得介質的水力傳輸得到加強和維持,成水平[9 ] 進行的人工濕地處理污水的試驗中發(fā)現,經過3～5 個月的污水處理后不同植物的對照土壤介質板結,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。
據報道,即使較板結的土壤,在2～5 a 內,經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[10 ] 。植物的生長能加快天然土壤的水力傳輸,且當植物成熟時,根區(qū)系統(tǒng)的水容量增大,當植物的根和根系腐爛時,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物質的能力也存在著顯著差異。楊昌風[12 ] 等人在模擬人工濕地處理污水的實驗研究中發(fā)現氣溫在22～32 ℃范圍內,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致營養(yǎng)物質的去除率發(fā)生變化,據分析可能是因為短期溫度變化中濕地中的微生物種群并沒有發(fā)生變化,但溫度變化的時間相對長一些,如幾個星期,則人工濕地中的微生物群落將會由于適應新的環(huán)境而導致數目和種類的改變,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)變化的實驗研究中發(fā)現夏秋兩季的根區(qū)微生物數量有顯著的變化,秋季其根區(qū)細菌數量較夏季有明顯的增加,同時還發(fā)現除香蒲濕地系統(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在低溫對植物的影響。因為植物長期生長在營養(yǎng)物質充分、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了不同的抗寒能力,其原因是植物的抗寒能力與細胞含水密切相關,寒害過程也是原生質脫水的黏稠化的過程,即植物細胞的抗脫水能力越強就越抗寒。從生物化學角度看,抗寒性強的植物組織內含有較多的親水化合物,可以保證原生質在低溫環(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)內生長其生長情況和處理效果也會不同,植物在移栽時也應注意多樣性和穩(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:
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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的吸附、植物吸收及微生物富集等途徑來完成[16 ] 。如同無機氮一樣,污水中的無機磷在植物吸收及同化作用下,可變成植物的有機成分(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,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)變化的實驗中也發(fā)現了相似的規(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,蘆葦等系統(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系。因此,為了提高系統(tǒng)的總磷去除率,應對濕地植物定期進行收割,以防植物殘體腐爛以及營養(yǎng)物質重新釋放進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和無機污染物,對濕地植物也應該及時處理,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,生長越旺盛、根系越發(fā)達的植株,其凈化污水的能力、輸氧和穿透的作用越大。但試驗或應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,在人工濕地這個自然或人工生境下,植物生長亦存在著這種現象,由此導致根區(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,水質和基質的不同組成、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 等認為植物體腐爛、超負荷有機污染物沖擊或富營養(yǎng)化等產生的植物酶素(如有機酸、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,但在實際的應用過程中,當人工濕地略為干旱時,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行的人工濕地來說,靠人工經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,但在試驗和應用中往往擴展不利,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對植物的管理來激發(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。
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