人工濕地研究現(xiàn)狀及對(duì)磷的去除機(jī)理

趙偉偉　方旭東

摘 要 人工濕地技術(shù)是一種生物-生態(tài)水環(huán)境修復(fù)技術(shù)，現(xiàn)逐漸應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化水環(huán)境治理以及河流水質(zhì)的維護(hù)，文章總結(jié)了人工濕地中的磷去除機(jī)理，包括土壤對(duì)磷的吸附、植物對(duì)磷的吸收、微生物對(duì)磷的降解以及氣溫、CO2、水體中磷的初始濃度等外界環(huán)境作用對(duì)濕地磷的去除有著重要的影響。

關(guān)鍵詞 人工濕地 磷 去除機(jī)理

濕地是地球上最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，是陸地和水體系統(tǒng)的過渡帶。濕地生態(tài)系統(tǒng)具有具有陸地和水域生態(tài)學(xué)無(wú)法涵蓋的特征和特性，被認(rèn)為是生態(tài)服務(wù)最高的生態(tài)系統(tǒng)之一，主要表現(xiàn)為它的涵養(yǎng)水源、洪水調(diào)控功能，固定二氧化碳和釋放氧氣功能，保護(hù)土壤功能，污染物降解功能等。

磷是地球系統(tǒng)中維系生命的重要元素之一，也是生物生長(zhǎng)和生命繁殖中不可或缺的重要元素。磷在促進(jìn)生物正常生長(zhǎng)、維持生態(tài)平衡方面發(fā)揮著無(wú)可替代的作用。

1人工濕地技術(shù)

人工濕地技術(shù)是主要利用土壤、植被、微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用，處理生活污水、雨水徑流、工廠廢水、農(nóng)田排水等污水污泥。將濕地技術(shù)用于凈化污水，正式進(jìn)入水污染控制領(lǐng)域，成為國(guó)際濕地科學(xué)、受污染水體整治研究中前沿領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界都受到高度重視。當(dāng)前，濕地在河流、湖泊水環(huán)境生態(tài)保護(hù)以及面源污染控制方面的作用是其他技術(shù)不可替代的，在一些水域環(huán)境保護(hù)成效較為顯著的流域，都以流域內(nèi)部濕地生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)較好、濕地功能正常運(yùn)作為特征的。

2人工濕地系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

人工濕地技術(shù)的研究和應(yīng)用最早起源于歐洲。1953年德國(guó)的MxaPlnakc研究所，該研究所的Seidel博士在研究當(dāng)中發(fā)現(xiàn)：蘆葦能去除大量有機(jī)和無(wú)機(jī)物。隨后在1967年，荷蘭建成了第一個(gè)表面流人工濕地，從此開啟了人工濕地技術(shù)處理污水的時(shí)代。20世紀(jì)60年代末，Seidel與Kiekuth合作，并由Kickuth在1972年提出根區(qū)理論。隨后在70年代，北美就開始了對(duì)不同設(shè)計(jì)的人工濕地進(jìn)行廣泛的試驗(yàn)研究，并于1993年出臺(tái)了《濕地處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，這標(biāo)志著人工濕地技術(shù)在美國(guó)迅猛發(fā)展起來(lái)了。1987年，天津環(huán)境保護(hù)局建立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)蘆葦濕地，用來(lái)處理城市生活污水，該工程有著較高的脫氮除磷功能。隨著研究的發(fā)展，人工濕地技術(shù)也逐漸應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化水環(huán)境治理以及河流水質(zhì)的維護(hù)。

3濕地對(duì)磷的去除機(jī)理

濕地主要通過土壤的吸附、植物的吸收、微生物的固定，泥炭的增長(zhǎng)等作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)磷的截留。而不同類型的濕地，由于它們形成演化過程的不同，土壤理化性質(zhì)的不同，植被、水文條件的不同，對(duì)磷的吸收轉(zhuǎn)化能力也各不相同。

3.1土壤對(duì)污水磷的吸附

污水中的磷與土壤基質(zhì)表面分子顆粒相結(jié)合，土壤對(duì)磷通過吸附作用進(jìn)行截留。土壤對(duì)磷的吸附可以分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附是指由吸附質(zhì)和吸附分子間的引力所引起的，其特性表現(xiàn)為結(jié)合力較弱、吸附熱較小，比較容易脫附。化學(xué)吸附則是由吸附質(zhì)與吸附劑之間的化學(xué)鍵所引起的，和化學(xué)反應(yīng)一樣，化學(xué)吸附是不可逆的，其吸附熱通常較大。

3.2植物對(duì)污水磷的吸收

植物是濕地系統(tǒng)的重要組成部分，在對(duì)污水中磷的截留功能中起著重要作用。濕地植物可通過吸收作用吸收污水中的磷，供植物自身的生長(zhǎng)，參與植物體內(nèi)的各種代謝過程。植物對(duì)磷的吸收作用，一方面表現(xiàn)為可通過植物根系直接同化吸收污水中的無(wú)機(jī)磷，并將其轉(zhuǎn)變成自身體內(nèi)的DNA、ATP以及RNA等有機(jī)成分；另一方面還可通過改變植物根區(qū)的微環(huán)境來(lái)間接對(duì)磷的去除，植物為微生物提供了足夠的棲息地和繁殖空間，植物自身通過光合作用為水體輸送氧氣，增加了水體的活性，極大提高了凈化的效果。研究表明，濕地植物的吸收作用直接促進(jìn)了磷的去除。

3.3微生物對(duì)污水中磷的降解

濕地對(duì)磷的另一種凈化途徑是通過微生物對(duì)磷的同化作用吸收來(lái)實(shí)現(xiàn)的。有機(jī)物被好氧菌分解為二氧化碳和水，被厭氧菌分解為二氧化碳和甲烷；通過一系列的分解和轉(zhuǎn)化，污水中的磷一部分被降解同化，另一部分則被轉(zhuǎn)化成無(wú)害的無(wú)機(jī)物，回到自然界。濕地中除了好氧菌、厭氧菌和兼性厭氧菌之外，還存在有原生動(dòng)物、后生動(dòng)物，它們?cè)谀撤N程度上也參與了磷的降解過程。

3.4環(huán)境因素

濕地對(duì)磷的凈化作用不僅與系統(tǒng)本身相關(guān)，還與許多外界環(huán)境因素密切相關(guān)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，影響磷凈化的外界環(huán)境因素有氣溫、CO2、水體中磷的初始濃度等。通常情況下，系統(tǒng)對(duì)磷的凈化率都隨著溫度降低而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這主要因?yàn)闅鉁氐慕档蜁?huì)導(dǎo)致植物和微生物的生理活性減弱，從而不利于磷的去除。許多研究表明，CO2濃度的升高對(duì)根際、根外土壤中微生物的生物量及微生物的總數(shù)量有促進(jìn)作用，同時(shí)與凈化磷密切相關(guān)的微生物種群（如解磷細(xì)菌）的數(shù)量也會(huì)增加，從而使?jié)竦貙?duì)磷的凈化效果有所提高。隨著磷負(fù)荷的增加，濕地對(duì)磷的去除效率會(huì)降低。陳博謙等通過模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)總磷負(fù)荷量由 454 mg/（m2·d）上升到1345 mg/（m2·d）時(shí)，去除率由 67.8%下降至 56.2%，并且磷負(fù)荷與去除率間的關(guān)系隨著季節(jié)的變化而變化。

4前景展望

相較于其他的污水處理系統(tǒng)，人工濕地是一種高效、低耗，具有廣泛應(yīng)用前景的污水處理系統(tǒng)，它在處理工、農(nóng)業(yè)污廢水、垃圾滲濾液、城市暴雨徑流等污染水體方面發(fā)揮了巨大作用。而除磷又是整個(gè)人工濕地核心任務(wù)之一。可以肯定的說(shuō)，人工濕地除磷技術(shù)將是今后研究的一個(gè)熱點(diǎn)，但仍有不少問題需進(jìn)一步研究：

（1） 由于人工濕地除磷涉及機(jī)理比較復(fù)雜，雖然有些機(jī)理研究已經(jīng)得到初步認(rèn)可，但仍有些問題需要進(jìn)一步研究。如磷被基質(zhì)吸附后形態(tài)轉(zhuǎn)化及釋放特征研究較少，去除磷反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型仍未完整建立。

（2） 由于濕地的本地性特征很強(qiáng)，與當(dāng)?shù)氐乃摹⒌乩項(xiàng)l件息息相關(guān)，因此很多研究成果不能照搬，須考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件來(lái)選擇最佳工藝，比如濕地植物的選擇，填料層的選擇等等，同時(shí)需要考慮這些條件的交互作用。

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