人工濕地植物的凈化效果研究進(jìn)展

丁海濤　鐘倫鎖　盧文

摘 要：人工濕地是一項(xiàng)新興的污水凈化技術(shù)。該文主要總結(jié)了人工濕地的類型及特點(diǎn)，其中詳細(xì)介紹了濕地植物對(duì)各種污染物的凈化效果，最后規(guī)劃了下一步的研究方向。

關(guān)鍵詞：人工濕地；植物凈化；綜述

中圖分類號(hào) X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）12-0087-04

Abstract：Constructed wetland is a new sewage purification technology.In this paper，the types and characteristics of constructed wetlands are summarized，the purification effect of wetland plants on various pollutants is introduced in detail.Finally，the next step is planned.

Key words：Constructed wetland；Plant purification；Summarize

1953年，德國(guó)MaxPlanck研究所Seidel博士在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了蘆葦對(duì)去除污水中有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的效果較好，開創(chuàng)了利用植物對(duì)污水進(jìn)行凈化的研究領(lǐng)域。人工濕地的研究從20世紀(jì)70年代開始盛興，于10a之后被引進(jìn)中國(guó)[1-5]。在人工濕地中，植物有著不可或缺的作用，包括去除污染物（包括解決富營(yíng)養(yǎng)水體、有機(jī)殘留、重金屬等）、保持濕地環(huán)境、制造氧氣等功能。本文側(cè)重歸納了人工濕地植物凈化效果的研究進(jìn)展，并探討了今后的研究方向。

1 人工濕地

1.1 濕地的定義 1979年，濕地的定義被美國(guó)一個(gè)保護(hù)機(jī)構(gòu)首次提出：濕地是位于陸地和水生兩大生態(tài)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換區(qū)域，它的地下水位一般可到達(dá)或靠近地表或處于淺水淹覆狀況，土層非土壤且每年生長(zhǎng)季部分時(shí)間被水淹沒(méi)，以水生植物生長(zhǎng)為優(yōu)勢(shì)[6-11]。

在國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界，人工濕地的定義通常指人工構(gòu)建的、可以控制和工程化的濕地系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)和構(gòu)建原理是把濕地生態(tài)系統(tǒng)各種化合作用進(jìn)行優(yōu)化組合之后來(lái)進(jìn)行污水處理。它是一個(gè)特別的生態(tài)系統(tǒng)，一般由基質(zhì)和水生植物組成。

1.2 人工濕地的特點(diǎn) 人工濕地具有一些特征：定期或者不定期表面有水，水文情況一般為慢速流域或淺水域，生長(zhǎng)的植物一般為能夠在水飽和條件下生長(zhǎng)的維管束植物。人工濕地的構(gòu)成：植物，對(duì)污染物的轉(zhuǎn)化降解具有重要作用、供給氧氣等、損耗營(yíng)養(yǎng)物；基質(zhì)，土、砂石和一些沉淀物作為支持物；微生物，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化和元素交替；動(dòng)物，無(wú)脊椎動(dòng)物能夠利于有機(jī)質(zhì)的處理。

1.3 人工濕地的類型 表面流動(dòng)式濕地（FWS），也稱自由水面濕地。由盆地或者溝渠組成，水面在基質(zhì)之上，土壤等基質(zhì)支撐沉水植物生長(zhǎng)。表面下流動(dòng)式濕地（SFS），即潛流濕地。由多孔礫石等基質(zhì)填充的密閉洼地組成，水流在基質(zhì)最高點(diǎn)以下。流動(dòng)路徑有橫向的和垂直的，據(jù)此分為水平流潛流系統(tǒng)和垂直流潛流系統(tǒng)。

1.4 人工濕地植物的種類 人工濕地中的植物一般是指植株部分或全部可以長(zhǎng)時(shí)間在水體或者含水多的基質(zhì)中生存的植物，其中最多的為水生草本植物。根據(jù)植物在水中的生活習(xí)慣，可以把濕地植物分為3個(gè)類型：（1）根莖在土壤之中，上面稈莖與葉片均高出水面稱為挺水植物。（2）根莖在土壤上方，即漂浮在水面上生長(zhǎng)稱為浮水植物。（3）根莖在土壤，而整個(gè)植株懸浮在水中稱為沉水植物。

2 人工濕地植物凈化效果

2.1 去氮除磷 濕地植物的根可以對(duì)污水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行吸收和轉(zhuǎn)化，對(duì)去氮除磷特別重要，而且可以蓄積重金屬與有毒物質(zhì)。有學(xué)者研究顯示，有植物的人工濕地比無(wú)植物的人工濕地硝化作用和去氮效果要好；蔣躍平等認(rèn)為，當(dāng)凈化輕度富營(yíng)養(yǎng)化水體的人工濕地時(shí)，比較容易除氮的方式是植物的吸收[12]。賀鋒等研究表明，氮素積累主要位于植物的上方，所以除氮可以通過(guò)收割植物上方的方式進(jìn)行[13]。崔麗娟等也對(duì)經(jīng)過(guò)菖蒲、香蒲、蘆葦、茭白植物的不同部位對(duì)N、P的積累量進(jìn)行了研究[14]。趙永軍等還對(duì)不同植物對(duì)于不同C/N比生活污水的凈化效果進(jìn)行研究，得出了菖蒲、千屈菜、水蔥、香蒲等能夠處理的生活污水的C/N比范圍[15]。

2.2 去除有機(jī)物 植物和微生物協(xié)同作用可以用于凈化有機(jī)污染物，它的處理方式主要有：轉(zhuǎn)化、結(jié)合與分離。在潛流人工濕地系統(tǒng)中，植物生長(zhǎng)繁茂的系統(tǒng)可以很好的去除COD，并且旺盛的植物還消除水的深度的影響。賀鋒、吳振斌等認(rèn)為，水蔥可以將食品廠廢水的COD降低3/4，BOD降低2/3；在茭白和慈姑作用下，城市污水的BOD去除率可達(dá)3/4以上，而蘆葦、香蒲、眼子菜和鳳眼蓮等對(duì)石油廢水的有機(jī)物去除率可高達(dá)95%以上[16]。桂召龍等研究認(rèn)為藨草可以很好地凈化采油產(chǎn)生的廢水，吸附許多難以處置的有機(jī)污染物。曲文杰研究得出了水葫蘆、菖蒲、皇冠草人工濕地系統(tǒng)對(duì)硝基苯的凈化效率依次增加[17]。

2.3 去除有機(jī)農(nóng)藥 有機(jī)農(nóng)藥的過(guò)度使用一直是水體介質(zhì)污染的重要原因之一，嚴(yán)重的威脅到人類健康及環(huán)境，因此如何處理水體中的有機(jī)農(nóng)藥很受關(guān)注。李詠梅等通過(guò)人工濕地對(duì)低濃度重金屬污水進(jìn)行處理試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)菖蒲等有機(jī)農(nóng)藥煙嘧磺隆的去除效率達(dá)到了80%[18]。

2.4 吸附重金屬 水溶性重金屬可以通過(guò)植物根部吸收，改變根部環(huán)境可以改變污染物，從而減少重金屬污染物的毒性。陳明利等認(rèn)為，種植鳳眼蓮和水蕹的濕地和對(duì)照組相比，對(duì)Cd2+、Zn2+的去除率都有增加[19]。施雪黎還分析得出了當(dāng)Cd2+和Pb2+在西湖景區(qū)自然土壤和人工添加重金屬的盆栽土壤中濃度無(wú)明顯差異時(shí)，黃營(yíng)蒲和睡蓮等在兩個(gè)條件下對(duì)Cd2+和Pb2+的積累能力無(wú)明顯差異[20]。

3 影響人工濕地植物凈化效果主要因素

3.1 水力負(fù)荷 水力負(fù)荷對(duì)濕地植物的凈化效果影響較大，一般來(lái)說(shuō)，在承載范圍內(nèi)，隨著水力負(fù)荷的增大，植物對(duì)污染物的去除率逐步減少，但總?cè)コЧ谠黾?。李詠梅研究結(jié)果表明，當(dāng)水力負(fù)荷逐漸增大時(shí)，人工濕地對(duì)煙嘧磺隆的去除率逐漸減小[18]；凌禎得到了6種不同植物的FWS人工濕地的最佳HL、最佳去除率[21]。武俊梅等得出不同填料對(duì)COD的去除能力也有不同，在垂直流人工濕地中，針對(duì)水質(zhì)特性可以選擇最佳的填料，比如在高水力負(fù)荷條件下處理效果更好的有沸石與無(wú)煙煤等[22]。

3.2 污染物類型及濃度 氮、磷、有機(jī)物、有機(jī)農(nóng)藥和重金屬等是影響人工濕地去除效果的主要因素。徐治國(guó)等研究表明：營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的長(zhǎng)時(shí)間積累，使?jié)竦刂参锏厣仙锪亢拖鄬?duì)密度均有下降，地上生物量和相對(duì)密度之間呈現(xiàn)為微弱的單峰變化關(guān)系[23]。李欲如等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)低污染水中水蕹菜比美人蕉能更好的去除氮磷；中污染水中水蕹菜比美人蕉去除NH3-N的效果好；高污染水中，水蕹菜對(duì)全部指標(biāo)的凈化效果都比美人蕉差[24]。王全金等認(rèn)為pH、水力負(fù)荷、碳氮比等因素對(duì)潛流人工濕地氨氮的去除率影響很大，各個(gè)因素影響程度順序?yàn)椋核ω?fù)荷、碳氮比>pH>濕地植物[25]。

3.3 植物串聯(lián)級(jí)數(shù) 在人工濕地中，植物的串聯(lián)級(jí)數(shù)越多去除效果越好，但植物的串聯(lián)級(jí)數(shù)受到成本的限制。嚴(yán)立等研究發(fā)酵，三級(jí)人工濕地可以逐級(jí)凈化景觀水體中的有機(jī)物、氮和磷等污染，對(duì)出水氨臭現(xiàn)象也可適當(dāng)減輕。三級(jí)濕地的脫氮除磷效果比單級(jí)濕地好，對(duì)TP的去除率比TN好[26]。周玥等發(fā)現(xiàn)多種濕地植物組合比單種濕地植物對(duì)水體的凈化作用強(qiáng)[27]。宋英偉等發(fā)現(xiàn)茭白單一植物濕地與鳶尾+菖蒲混合植物濕地對(duì)污染物的去除率相差很??；人工濕地有植物比無(wú)植物時(shí)對(duì)TN、TP的去除率都要更好，植物對(duì)污染物的去除有重要作用[28]。

3.4 濕地植物的水平、垂直分布 不同的人工濕地的分布對(duì)于不同的水體有著不同的影響。舒柳研究發(fā)現(xiàn)4種不同的人工濕地對(duì)CODcr的去除效果有較大差別，其中垂直流人工濕地>水平流和表面流人工濕地>溝渠型人工濕地。對(duì)于出水水質(zhì)穩(wěn)定性，垂直流人工濕地>水平流和表面流>溝渠型人工濕地[29]。余波平發(fā)現(xiàn)當(dāng)水力負(fù)荷為1000～2000mm/d時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)的平均去除率分別為磷酸鹽：20.1%和34.8%，TP：27.3%和49.1%[30]。

3.5 pH 水體的pH通過(guò)影響植物的生長(zhǎng)以及水體中污染物的形態(tài)等影響植物去除效果。胡綿好等發(fā)現(xiàn)利用在不同pH下處理6d后，植物系統(tǒng)在pH為8.9時(shí)對(duì)各污染物的去除效果最好，對(duì)TP和Chla的去除效果分別在pH為6.7與5.0下最佳。另外變換不同pH條件處理時(shí)，對(duì)水體中含氮污染物的去除效果在pH偏堿時(shí)較好[31]。付春平等認(rèn)為當(dāng)pH越低時(shí)，TN的最大釋放量越大，pH處于3.98～10.07的范圍內(nèi)，TP的最大釋放量基本一致，pH處于10.07～11.94范圍內(nèi)，TP的最大釋放量迅速增加[32]。張迎穎等發(fā)現(xiàn)水葫蘆和紫根水葫蘆對(duì)水體氮磷濃度處理效果不穩(wěn)定，但在堿度較大條件下，二者的凈化能力均減弱[33]。

3.6 季節(jié)與溫度 人工濕地植物受到溫度和季節(jié)的影響是顯著的。羅固源等認(rèn)為溫度對(duì)生態(tài)浮床系統(tǒng)的影響顯著，凈化氮、磷時(shí)，其影響呈拋物線型。當(dāng)水溫為2～29℃時(shí)，生態(tài)浮床對(duì)氮和磷的去除率與溫度呈正相關(guān)；當(dāng)水溫大于29℃時(shí)，系統(tǒng)對(duì)氮和磷的去除率與溫度呈負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)[34]。舒柳通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出人工濕地對(duì)污水去除率隨季節(jié)的變化呈"V"形變化，基本趨勢(shì)為秋季>夏季≈冬季>春季。

3.7 植物種類 不同的植物由于其自身生理特性與不同的污染物有著不用的影響。蔡冬蓉等認(rèn)為青萍對(duì)磷有很好的親和力，比較適合用來(lái)凈化輕度污染水體；紫萍對(duì)磷吸收速度較快，適合修復(fù)重度污染水體；而根少的紫萍吸收速度緩慢，生長(zhǎng)遲緩，基本不用來(lái)修復(fù)生態(tài)[35-36]。

4 研究方向的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 繼續(xù)研究植物凈化最佳組合 植物之所以重要是因?yàn)樵谌斯竦刂?，生態(tài)系統(tǒng)的主要合理選擇是物種與群落配置，其可以加快處理效率、提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性與景觀美觀，不但可以很快形成群體，還可以很好的凈化污染物[37]。構(gòu)成人工濕地的植物種類不同，其對(duì)污水的凈化效果也有很大差異[38]。

4.2 研究濕地植物配置的生態(tài)效益評(píng)估 植物對(duì)污染物的去除能力不僅與其自身有關(guān)，還與環(huán)境因素有關(guān)，可以通過(guò)深入分析植物自身、環(huán)境因素之間的關(guān)系，然后從理論上找出原因。對(duì)現(xiàn)在的人工濕地的污染物去除效果、生態(tài)價(jià)值等進(jìn)行分析后，探討出一套完整、系統(tǒng)科學(xué)的評(píng)價(jià)體系，對(duì)現(xiàn)有的人工濕地植物進(jìn)行客觀、科學(xué)地生態(tài)評(píng)價(jià)，使得環(huán)巢湖人工濕地的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、景觀等生態(tài)服務(wù)功能得到合理使用[39-43]。

4.3 研究濕地植物的生態(tài)安全性 濕地植物均具有一定的生態(tài)適應(yīng)性，通常具有很高的整體應(yīng)用價(jià)值，但有些因素會(huì)限制它們的應(yīng)用范圍，例如鳳眼蓮在一些地區(qū)可能會(huì)造成生物入侵的現(xiàn)象，另外紫萍、浮萍等生長(zhǎng)不易被控制，亦會(huì)形成生物入侵。

4.4 研究濕地植物的繁殖生長(zhǎng)行為 通過(guò)研究植物在污水中的抗逆性研究，尤其是研究其越冬期去污能力下降的問(wèn)題以及春夏的復(fù)蘇性，便于選擇的植物能夠更好的適應(yīng)人工濕地環(huán)境，并維持濕地的去污能力[44-45]。

4.5 研究濕地中植物與微生物、基質(zhì)的協(xié)作作用 人工濕地作為處理污水的一種生態(tài)技術(shù)，因?yàn)榛|(zhì)、植物、微生物可以形成微環(huán)境中，它們相互協(xié)同合作，使污染物被高效凈化?？梢约哟罅Χ忍剿魅斯竦刂参锔祵?duì)污水的適應(yīng)性。濕地植物根系可以有效改善土壤微環(huán)境，通過(guò)對(duì)根系的微生物和酶產(chǎn)生影響，從而改變對(duì)污水的處理效果。

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