人工湿地植物的作用与影响因素

目前国内生活污水处理普遍采用的工艺有氧化沟法、SBR法、A2/O法等，尽管这些工艺被证明是行之有效的，但投资费用十分高昂。对于经济不够发达的地区，尤其是没有污水处理设施的城镇，需要一种处理效果好且投资运行费用低的污水处理新工艺。人工湿地是20世纪70年代蓬勃兴起的处理污水的方式，并在欧洲得到广泛的应用。它的原理主要是利用湿地中基质、湿地植物和微生物之间的相互作用，通过一系列物理的、化学的以及生物的途径来净化污水。

植物是人工湿地的重要功能单元，通过植物不但可以去除污染物，还能绿化土地，改善小区域气候，促进生态环境的良性循环。

1、人工湿地植物的作用

1.1 吸收作用

植物在生长发育过程中从污水中吸收大量的无机氮、磷等营养物质。污水中氨氮作为植物生长过程中不可缺少的营养物质被植物直接摄取，合成植物蛋白质和有机氮，再通过植物的收割从废水中去除。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和PNA等有机成分，通过植物的收割而从系统中去除。研究宽叶香蒲人工湿地发现，植物不同组织器官对营养元素吸收能力不同，N为嫩叶>凋落物>地上茎>地下茎>根，P为嫩叶>凋落物>根>地上茎>地下茎，K在植物地下茎及嫩叶中含量相当高。

植物还能吸附、富集一些有毒有害物质，如重金属铅、镉、汞、砷等。重金属在一般植物中的积累量为0.1～100μg/g，但也有一些特殊植物能超量积累重金属。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，促进污水重金属的氧化和沉降。植物对有机污染物的吸收通过与微生物的协同作用完成。

1.2输氧作用

1977年德国学者Kickuth提出了湿地净化污水的根区法（Rootzonemethod，RZM）理论，认为在污水渗过湿地的过程中，在植物根区这一特殊的生态环境下，植物根系可对污水中的营养物质进行吸收、富集，而根区附近丰富的微生物群落更可以通过其旺盛的代谢活动将各种营养物质降解、转化。该理论推动了人工湿地净化功能原理的研究。

湿地中生长的芦苇、香蒲等湿生植物的根系有强大的输氧功能，将空气中的氧气通过植物体的疏导组织直接输送到根部。在整个湿地低溶氧的环境下，湿地植物的根区附近能形成局部富氧区域，利于好氧菌的生长代谢。因此，种植于湿地的植物，除了必须适应当地生境，有较长生长期外，还需要生长快速，根茎发达，有较大的地下生物量。

对于人工湿地处理系统来说，能否达到预期的处理效果，1个重要因素就是能否使基质中保持充足的氧分。由于生长在湿地中的挺水植物对氧的运输、释放和扩散作用，将空气中的氧转运到根部，再经过植物根部的扩散，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，达到去除氮和磷的效果。

1.3 湿地植物的其他作用

湿地植物在人工湿地系统中除了具有上述的几个主要作用外，还具有另外一些作用：

①植物的光合作用可以为净化作用提供能量来源，可以减少能源的消耗；

②由于资源竞争的结果，种植适宜的植物还可以抑制杂草的生长，植物及其枯枝败叶层形成了1个自然生物过滤器，有助于控制臭味。冬季枯枝落叶还可以形成一层天然的保温层，有助于地下的基质免受霜冻；

③植物根系可以形成1个天然的过滤器，有助于水中悬浮物的截留，并可以防止系统堵塞；

④植物通过吸收同化污水中的营养物质转化为自身的生物量，再通过定期收割植物，从而去除废水中的营养元素，并且回收的植物还可以用作造纸原料、编织材料、牲畜的饲料或燃料等，实现了能源的回收利用，具有良好的经济效益。另外，有些湿地植物还可作为水体所受污染程度的指示物。

2、影响植物处理效果的因素

2.1水力负荷

湿地植物的生长需要大量的水分，芦苇每形成1g干物质需要消耗579～709g水，这些水分除极少部分（5%以下）参加了物质的合成、水解等反应外，绝大部分都散失到体外去了，这是蒸腾的作用。水分的适量供给，即水力负荷的及时调整是保证湿地植物正常发挥作用的重要因素。人工湿地能够满足湿地植物对水分的需求，干湿交替的运行方式更有利于湿地植物的生长，地上生物量的增加，须根和根毛数量的增加，提高植物的输氧量，改善介质中氧化还原状态以促进有机物的降解和硝化细菌的生长。

2.2温度

气候主要影响湿地植物的生长。在适宜的温度条件下，湿地植物生长良好，对污染物的去除效率高。研究结果表明，在冬季大多数的湿地植物对污水中KN和NH3-N等的去除能力明显低于夏季。人工湿地对磷的去除研究表明，冬季人工湿地出水中的无机磷浓度甚至高于进水。湿地基质的温度对根系吸水的影响是非常明显的，过高或过低对根系吸水都不利。基质温度低，水的粘滞性增大，扩散速度降低，水分子进入根系的速度降低。另一方面使根系的生理活动减弱，降低了根系吸水的速度。基质温度过高，会影响根系生理活动中各种新陈代谢过程之间的协调性。如温度偏高，促进根系细胞分化的进程提前木质化，缩短根毛区和根毛的寿命，降低根系吸水的速度。

2.3植物种类

不同水生植物的净化能力有一定差异，主要原因在于不同的植物根系发达水平不同。所以在选择湿地植物时应选择根系发达的植物。另外，不同植物对不同污染物的去除能力也不同。如芦苇对N、P去除效果好，蒲草对N、P去除效果不佳，但对COD去除好。目前，全球发现的湿地高等植物多达6700余种，而已被用于处理湿地且产生效果的不过几十种，很多植物还未被研究。一般选择的原则是考虑去污能力和抗逆能力强、生长量小、易管理和有一定经济、景观效益的植物。现在研究最多的人工湿地植物主要有芦苇、灯芯草、香蒲、茭草、菖蒲、美人蕉、慈菇等。

3、展望

植物在湿地污水处理中发挥着重要作用，但由于各种原因使人工湿地植物的整体净化效果受到影响，因此有关植物的研究还有待深入。下一阶段的研究方向应考虑如下方面：

（1）根据当地的气候特征、不同的污染物种类和负荷选择合适的植物。如，抗季节变化、抗重金属污染。

（2）湿地环境条件下水生植物的生理生态研究。如，陆生花卉植物美人蕉，现广泛用于人工湿地的污水处理，其在湿生、淹水等不同类型的人工湿地条件下的存活、繁殖机制。

（3）开展湿地植物-微生物界面相互作用以加速污染物降解的研究。如，氮的主要去除方式为微生物的反硝化作用，而植物为微生物的生长提供了合适条件，增强了污染物的降解速率。

（4）湿地系统中不同植物的配置。如将系统的主要功能与植物的植物学特性充分结合起来考虑。在人工湿地建设时，前端工艺部分如强氧化塘、潜流湿地等工艺一般选择耐污染能力强的植物品种。末端工艺如稳定塘和景观塘等处理段中，由于污水浓度降低，因此可以更多考虑植物的景观效果。