人工湿地中植物净化作用及其影响因素
摘 要:阐述了植物在人工湿地污水净化过程中的作用及其对净化效果的影响,提出了人工湿地植物研究中的一些问题。植物在人工湿地中主要作用有:吸收利用和吸附富集污染物质;输送氧气到湿地系统,提供根区微生物生长、繁殖和降解所需的氧;维持和加强人工湿地系统内的水力传输,维持系统稳定等。人工湿地植物存在着枯死衰退、杂草丛生和根系扩展较浅等问题,影响人工湿地的净化功能。通过对人工湿地植物生理生态特性如气体代谢、光合作用、逆境生理等问题研究,筛选出优良植物品种,从而有利于充分发挥湿地植物功能,提高人工湿地污水处理能力。
关键词:人工湿地; 植物; 污水处理; 净化作用
0 前言
人工湿地是人工建造的、可控制的和工程化的湿地系统,其设计和建造原理是通过对湿地自然生态系统中物理、化学和生物作用的优化组合来进行废水处理。人工湿地是一种人为地将石、砂、土壤、煤渣等一种或几种介质按一定的比例构成基质,并有选择性地植入植物的污水处理生态系统。由于人工湿地污水处理系统具有净化效果显著、建设和运行费用低廉、对负荷变化适应能力强、管理方便等优点,近年来越来越受到人们的重视[1 ] 。
1 植物在人工湿地中的作用
植物是人工湿地的主要组成部分,在人工湿地污水处理工程中发挥着很重要的作用: ①植物的存在增加了系统和污水的接触面积,有利于悬浮物和病原菌的吸附、去除; ②植物的存在减少了污水的流动,有利于悬浮物的沉降; ③植物发达的根系使系统不易形成侵蚀沟,稳定了系统,并且植物根系的生长使系统不易被阻塞; ④植物具有输送氧气的作用,其根系还具有分泌功能;另外,植物外形美观具有欣赏性,还可以收割回收以达到一定的经济效益;也可作为介质受污染程度的指示物;在冬季,植物的存在可以防止系统结冰,具有一定的保温作用。
1. 1 植物对污水的吸收利用、吸附和富集作用
植物在污水中吸收大量的无机氮、磷等营养物质,供其生长发育。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,污水中其余的大部分氮通过系统中微生物的降解而除去,最后氮在系统中的残留并不明显;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[2 ] 。生根植物直接从砂土中去除氮磷等营养物质,而浮水植物则在水中去除营养物质。进行城镇污水处理试验中发现:种植水烛和灯心草的人工湿地基质中,氮、磷的含量分别比无植物的对照基质中的含量低18 %～28 %和20 %～31 %[3 ] , 可见水烛和灯心草吸收了污水中部分的氮和磷。窄叶香蒲吸收的氮占进入系统中氮量的43 % ,而当采用定期收获植物方式时,由于总生物量的增加使氮吸收量还要增加,高达46 % ,在一些垂直流人工湿地中,香蒲对氮的去除能力高达85 %。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,其吸收积累能力为:沉水植物〉漂浮植物〉挺水植物,不同部位浓缩作用也不同,一般为:根〉茎〉叶,各器官的累积系数随污水浓度的上升而下降[4～5 ] 。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 %[6 ] ;荠菜根际附着大量的细菌后,能加速硒的富集和挥发;高粱也能利用根际细菌加速硝酸盐、钾和磷酸盐的富集。
大多数植物都可以吸收重金属和中度憎水有机物,并且积累在植物组织内。重金属在一般植物中的积累量为0. 1～100μgPg ,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。宽叶香蒲、芦苇、狗牙根等是人工湿地对铅、锌、铜和锡的超积累优势物,污水中汞和硒可通过植物吸收到体内再转化为气态物质释放到大气中去。
1. 2 植物的输氧作用
湿地环境对很多生物来说是一种严酷的逆境,最严重的情况是湿地土壤缺氧。缺氧条件下,生物不能进行正常的有氧呼吸,还原态的某些元素和有机物的浓度可达到有毒的水平。人工湿地中污染物所需的氧主要来自于大气的自然复氧和植物输氧,植物能将经过光合作用产生的氧气通过气道输送到根区,在植物根区的还原态介质中形成氧化态的微环境[7 ] 。输送过程以及氧在湿地中的分布状态如图1 所示(以芦苇床为例) [8 ] ,这种输氧作用使根毛周围形成一个好氧区域,其中好氧生物膜对氧的利用使离根毛较远的区域呈现缺氧状态,更远的区域为完全缺氧。这样使得根区有氧区域和缺氧区域共同存在,为根区的好氧、兼性和厌氧微生物提供各自适宜的小生境,使不同的微生物各得其所,发挥相辅相成的作用。这种连续呈现好氧、缺氧、厌氧的状态相当于许多串联或并联的APAPO 处理单元,这样植物在为湿地系统输送氧的同时,还可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用使氮、磷从废水中去除。人工湿地中植物的根毛释放氧气也有助于在好氧条件下湿地中物质的传递和变化,如图2所示[8 ] 。因此,植物在人工湿地去除氨、亚硝酸盐、硝酸盐、磷酸盐、SS 和BOD 等方面直接或间接地发挥重要作用。
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1. 3 植物根系分泌作用
植物向土壤环境中释放大量的分泌物,如糖类、醇类、氨基酸等, 其数量约占年光合作用产量的10 %～20 %。细根的迅速腐解也向土壤中补充了有机碳,这些物质为微生物的生长提供了丰富的营养,促进了微生物的生长,植物的存在使系统中的微生物如硝化细菌、反硝化细菌、磷细菌、纤维素分解菌的数量显著增加。微生物是系统中有机物分解的主要“执行者”,把有机物作为丰富的能源,将其转化为营养物质和能源。因此,植物的存在间接加快了有机物的分解速度,植物根系释放到土壤中的酶可以直接降解有机化合物。
芦苇、香蒲等水生植物有发达的通气组织,向植物根际输送氧气,在植物根区形成特殊的好氧厌氧环境,适应各种微生物的生长,间接促进污水中各种污染物的降解。研究表明,有植物的湿地系统,细菌数量显著高于无植物系统,且植物根部的细菌比介质处高1～2 个数量级,植物的根系分泌物还可以促进某些磷、氮细菌的生长,促进氮、磷的释放及转化,从而间接的提高净化率[3 ] 。
1. 4 植物对污水中藻类的抑制作用
藻类是水体中重要的有机制造者,其死亡后,残体留在系统中,藻类制造的有机物就很难通过收割等方式转移出系统。藻类自身吸收的氮、磷等元素又重新回到系统中,这样,藻类就缩短了氮、磷等元素的循环周期,严重地破坏了水体生态系统的平衡和稳定,直接影响污水湿地处理系统的效果。宽叶香蒲,风眼莲等植物对藻类有较好的抑制作用,能减少藻类对污水湿地处理工程的不利影响。
1. 5 各类植物的协同作用
不同植物对于不同污染物的去除效果各异,如:芦苇可分解酚,香蒲能去除污水中的有机物、无机污染物,可吸收铜、钴、镍、锰及氯化烃,根部能分泌天然抗生物质,降低污水中的细菌浓度,去除病原体;捕蝇草和猪笼草叶边有消化腺,为食虫草类植物;大米草可以吸收污水中80 %～90 %的氮、磷;芦苇和香蒲能絮凝胶体,消除病原体,其空心茎有利于空气输送到根部,为微生物提供额外的氧。单一植物的净化能力总是有限的,应选择各物种的合理搭配,发挥各类植物的协调作用。如芦苇通气组织较发达,具有较强的输氧能力,而茭白生长量大,具有较强的吸收氮、磷的能力,芦苇、茭白两种植物混种对污水处理的效果好于种植单一植物。目前,全球发现的湿地高等植物多达6 000 多种,但已被实际利用于污水湿地处理工程的不过几十种,绝大多数植物还没使用过。因此,发挥植物的协同作用的潜在空间还很大。
1. 6 植物维持系统稳定的作用
维持人工湿地系统稳定运行的首要条件是保证湿地系统水力传输,植物在这方面起着重要的作用。植物根及根系对介质具有穿透作用,从而在介质中形成了许多微小的气室或间隙,减小了介质的封闭性,增强了介质的疏松度,使得介质的水力传输得到加强和维持,成水平[9 ] 进行的人工湿地处理污水的试验中发现,经过3～5 个月的污水处理后不同植物的对照土壤介质板结,发生淤积,而种有水烛和灯心草的人工湿地渗透性能好,污水能很快地渗入介质。
据报道,即使较板结的土壤,在2～5 a 内,经过植物根系的穿透作用,其水力传输能力仍可与砂砾、碎石相当[10 ] 。植物的生长能加快天然土壤的水力传输,且当植物成熟时,根区系统的水容量增大,当植物的根和根系腐烂时,剩下许多的空隙和通道,也有利于土壤的水力传输。
2 影响植物净化效果的因素
由于人工湿地工程建在野外,受自然环境的影响很大,因此季节变化对湿地净化功能的有一定的影响,其影响主要是温度变化、季节的突变和植物生长对磷的净化效果。
2. 1 温度变化对人工湿地净化的影响
由于湿地的净化作用主要是通过湿地微生物来完成,而温度对微生物的生长繁殖以及活性都有显著的影响[11 ] 。不同季节植物的生长状况和代谢活动都不同,因而湿地植物吸收和利用有机物质的能力也存在着显著差异。杨昌风[12 ] 等人在模拟人工湿地处理污水的实验研究中发现气温在22～32 ℃范围内,池杉系统对氮的去除率随着温度的升高而增大。不过,也有人发现短期的温度变化对氮磷的去除影响不大,但如果长期的温度变化将会导致营养物质的去除率发生变化,据分析可能是因为短期温度变化中湿地中的微生物种群并没有发生变化,但温度变化的时间相对长一些,如几个星期,则人工湿地中的微生物群落将会由于适应新的环境而导致数目和种类的改变,从而影响了人工湿地对污水中营养物质的去除效果[13 ] 。梁威[14 ] 等人在人工湿地中植物根区微生物与净化效果的季节变化的实验研究中发现夏秋两季的根区微生物数量有显著的变化,秋季其根区细菌数量较夏季有明显的增加,同时还发现除香蒲湿地系统外,其他湿地系统秋季对KN的去除率较夏季有明显的增加。
2. 2 气候突变的影响
气候突变对湿地植物影响主要表现在低温对植物的影响。因为植物长期生长在营养物质充分、温度适宜的环境下,抗寒能力较弱,突变急剧降温和大风会造成寒害。在相同的环境因素下,不同的植物和相同植物的不同生长阶段表现了不同的抗寒能力,其原因是植物的抗寒能力与细胞含水密切相关,寒害过程也是原生质脱水的黏稠化的过程,即植物细胞的抗脱水能力越强就越抗寒。从生物化学角度看,抗寒性强的植物组织内含有较多的亲水化合物,可以保证原生质在低温环境下具有较大的稳定性。植物要栽种在它的适宜气候条件下,在不同的季节内生长其生长情况和处理效果也会不同,植物在移栽时也应注意多样性和稳定性。湿地植物在不同季节生长情况表现出明显的差异,如在沙田人工湿地中栽种热带或温带植物,其生长情况如表1 所示:
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2. 3 植物生长状况对湿地磷净化效果的影响
人工湿地对污水中磷的去除主要是通过基质的吸附、植物吸收及微生物富集等途径来完成[16 ] 。如同无机氮一样,污水中的无机磷在植物吸收及同化作用下,可变成植物的有机成分(如ATP、DNA、RNA等) 。吴振斌等[17 ] 通过对芦苇、茭白以及对照人工湿地系统对污水磷的净化效果的研究中发现,有无植物系统在磷的去除方面影响很大,有植物的系统比无植物的系统具有更高的去除率,系统在各阶段的净化效果及稳定性均比无植物系统好。此外,在不同的季节,磷的净化效果也不同,春夏较秋冬季节高。梁威[17 ] 等在人工湿地植物根区微生物与净化效果的季节变化的实验中也发现了相似的规律,夏季芦苇、菱白和香蒲湿地系统对总磷的去除率分别为58. 3 % ,36 %和66. 2 % ,无植物的对照系统对总磷基本没有去除效果,芦苇等系统秋季磷的净化效果较夏季显著降低,而香蒲系统的总磷去除率也只有26. 5 %。由此可见,有无植物以及植物的生长状况对总磷的去除有很大关系。因此,为了提高系统的总磷去除率,应对湿地植物定期进行收割,以防植物残体腐烂以及营养物质重新释放进入人工湿地废水处理系统;如果湿地用于净化重金属以及某些难降解的有机和无机污染物,对湿地植物也应该及时处理,以防对环境造成二次污染。
3 湿地中植物存在的问题
植物在人工湿地污水净化过程中的作用与其生长状况密切相关,生长越旺盛、根系越发达的植株,其净化污水的能力、输氧和穿透的作用越大。但试验或应用的人工湿地中植物的生长存在一些问题,影响其作用的正常发挥。大多数湿地植物的生长周期是春夏萌芽、秋冬苦死,在人工湿地这个自然或人工生境下,植物生长亦存在着这种现象,由此导致根区法污水处理系统冬季的污水净化效果下降,香蒲人工湿地和芦苇床系统也因在冬季植株地面部分枯黄,对污水中氨氮的去除率明显低于其他季节。衰退是植物的又一问题,除直接损伤、擦伤外,水质和基质的不同组成、水位高低及富营养状态都能引起植物的衰退,以碎石为基质的人工湿地生境不利于灯心草分蘖的生长,重新分蘖的管状茎亦稀疏、弯曲死亡。
Amstrong 等认为植物体腐烂、超负荷有机污染物冲击或富营养化等产生的植物酶素(如有机酸、硫化物等) 在芦苇组织中的富集是引起芦苇衰退的主要原因之一。氮、磷作为营养元素是植物生长发育、繁殖所必需的,但高浓度的氮、磷污水又影响到植物的正常生长。一般在人工湿地中选择一种或几种植物作为优势种栽种,有利于植物的快速生长,但在实际的应用过程中,当人工湿地略为干旱时,杂草便大量地入侵,并抑制栽种植物的生长,因此建议对湿地进行改造,防止杂草的入侵,或人工拔除杂草,提高大型植物的生长速度。不过,对于较大面积的日常运行的人工湿地来说,靠人工经常拔除杂草可能为人工湿地的管理在资金和人力上提出了难题。植物具有庞大的根系使被选为人工湿地植物的主要因素之一,但在试验和应用中往往扩展不利,不能形成庞大的根系,人工湿地的体积得不到充分的利用。
4 人工湿地植物研究的展望
植物是人工湿地污水处理的核心,发挥着重要的作用,但由于各种原因使得人工湿地植物的整体净化效果受到了影响,因此有关植物的研究还有待深入。今后我国人工湿地植物的研究要着重考虑以下几个方面: ①人工湿地植物的生理生态研究; ②人工湿地植物种类的筛选及其适宜生境的研究及创建; ③通过湿地植物种类的选择或对植物的管理来激发新根生长以提高氧的传递; ④培育一些特殊性能的植物,如抗气候突变、抗季节变化等。
参考文献:
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[3]成水平,夏宜. 香蒲、灯心草人工湿地的研究( Ⅲ) :净化污水的机理[J ] . 湖泊科学,1998 ,10 (2) :66 - 71.
[4]吴献花,人工湿地处理污水的机理[J ] . 玉溪师范学院学报,2002 ,28 (1) :103 - 105.
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