湿地净化技术机理及其应用未来发展前景
摘要：湿地能改善水质，为多种水污染提供了一个有效、廉价的治理场所。人工湿地作为近20年来发展起来的一种传统的污水处理技术已越来越受到各国的重视。系统的阐述了湿地土壤、植物、微生物在污水净化中的作用及机理，并展望了湿地未来发展前景。
关键词：湿地；污水净化；机理
1引言
湿地是陆地与水生系统之间的过渡地带，其地表为浅水所覆盖或者其水位在地表附近变化。湿地不仅是人类重要的生存环境，也是众多野生动物、植物的重要生存环境之一，生物多样性极为丰富，并且由于湿地在水分和化学循环中所表现出来的功能及其处于水陆交错带可对流经其的水流及其携带的营养物质起到过滤净化作用，而被誉为“自然之肾”。
湿地系统作为宝贵的自然资源，很早就已为人们所重视。近年来，对其在污水处理方面的研究不断深入，自然湿地系统和人工湿地系统的应用范围也在不断拓宽，国内外许多研究工作已经涉及到河流[1]、湖泊治理[2]、工业废水处理[3-4]、城市暴雨径流污染[5]，农业面源污染控制[6-7]等众多领域，特别是在河湖治理方面，由于物理、化学方法的有限性以及工厂化生物处理的局限性，对湿地的研究就具有更加突出的现实意义。湿地土壤（基质）、水生植物和微生物是湿地的主要组成部分。多年的研究表明，湿地能够利用土壤—微生物—植物这个复合生态系统的物理、化学和生物三重协调作用来实现对废水的高效净化。本文系统分析了有关湿地土壤（基质）、湿地植物和微生物对于污水净化的作用和机理，并对其今后的应用进行了展望。
2湿地植物在污水降解中的作用及机理
2.1植物对污水的吸收利用、吸附和富集作用
植物在生长过程中能吸收污水中的无机氮、磷等营养物质，供其生长发育。污水中氨氮可以被植物直接摄取，合成植物有机氮，然后通过收割植物去除。而污水中的有机氮多通过系统中微生物的降解来达到去除的目的。污水中无机磷在植物吸收及同化作用下可转化为植物的ATP、DNA、PNA等有机成分，然后通过植物的收割而从系统中去除[8]。目前，通常的污水二级处理工艺对污水中氮、磷的去除效率不高，仅能达到20％～40％[9]，而用于污水处理的湿地植物通常都具有生长快、生物量大和吸收能力强的特点，因此它们在生长的过程中可以通过吸收而去除大量的氮、磷等营养元素，从而成为去除污水中氮磷等营养元素的一个简单有效且费用低廉的工具[10]。如巴西的皮拉西卡巴的Engenho湿地对磷、硝酸盐和铵的去除率分别达到93％、78％和50％[11]。Chescheir[12]等通过模型研究表明湿地可以净化79％的总氮、82％的硝酸盐氮、81％的总磷。研究表明香蒲每年每公顷可吸收2630kg氮、403kg磷和4570kg钾[13]。Rosenberg[14]等估计，每减少1kg进入波罗地海的氮，利用沿海湿地需要0．6美元，用补救的农业措施需1.9～53．4美元，而通过污水处理厂减少城市废水中75％的氮需要15．6～31．2美元。
除营养元素外,大型水生植物还可吸收铅、镉、砷、汞和铬等重金属，以金属螯合物的形式蓄积于植物体内的某些部位，达到对污水和受污染土壤的生物修复。凤眼莲可以富集铜、铅、镉、铬、汞、锌和银[15]。李柳川等[16]研究发现，香蒲对铅、锌、铜、镉吸收的绝对量分别为128、1375、28、120mg/kg。垂直流人工湿地处理低浓度重金属污水的试验表明，风车草能吸收富集水体中30％的铜和锰，对锌、镉、铅的富集也在5％～15％[17]。湿地植物可以将重金属积累在植物组织内。重金属在一般植物中的积累量为0.1～100μg/g[18]，但也有一些特殊植物超量积累重金属。植物对污水中重金属的去除作用还表现在植物的产氧作用使根区含氧量增加，促进了污水重金属的氧化和沉降。
2.2为根区好氧微生物输送氧气
污染物中有机物和氮的降解所需的两个重要因素是微生物和氧，生长在湿地中的挺水植物能够对氧进行运输、释放和扩散作用。植物可将空气中的氧转运到根部，在植物根区周围的微环境中依次出现好氧区、兼氧区和厌氧区，有利于硝化、反硝化反应和微生物对磷的过量积累作用，达到除氮、磷的效果，另一方面通过在厌氧条件下有机物的降解、或开环、或断成简单分子、小分子，提高对生物难降解有机物的去除效果。赵可夫等[19]对芦苇床系统研究表明，存在于石子支持培养基上和芦苇根际中的微生物较没有种植芦苇的石子培养基上的微生物要大2～3个数量级，显示了植物的重要性。李科德、胡正嘉[20]对芦苇床内水体中的溶解氧在一天内的变化动态进行研究表明，芦苇进行光合作用产生的氧向地下部分运输，通过根状茎和不定根向水体扩散，使水体中的溶解氧增加；溶解氧在水体中具有累积效应，到天黑时累积量达最大值。夜间氧被芦苇根系的呼吸作用和微生物的代谢活动消耗，水体中的溶解氧又减少。
2.3增强和维持介质的水力传输
人工湿地运行过程中内部会出现堵塞的问题，由于植物的根和根系对介质的穿透作用，减小了介质的封闭性，增强了介质的疏松度，使介质的水力传输得到加强和维持，提高了土壤的渗透率。近年来，湿地植物根孔引起了研究者们的广泛关注，他们认为湿地植物根系或根孔是湿地生态系统中物质传输不为人见的“高速公路”，这些根孔具有土壤大孔隙的一般功能，如产生优先水流;提高土壤的渗透性;氧气输入和甲烷排放提供优先路等[21-22]。据报道，即使较板结的土壤，在2～5a之内，经过植物根系的穿透作用，其水力传输能力可与砾石、碎石相当[23]。
另外，湿地植物还具有过滤和抑藻等效应[24]。湿地植物的这些独特作用使得它对污水中许多污染物都有很好的去除效果，针对不同的污染物种类其去除机理也不尽相同。
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延伸阅读
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