摘要：濕地能改善水質(zhì)，為多種水污染提供了一個(gè)有效、廉價(jià)的治理場(chǎng)所。人工濕地作為近20年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)已越來(lái)越受到各國(guó)的重視。系統(tǒng)的闡述了濕地土壤、植物、微生物在污水凈化中的作用及機(jī)理，并展望了濕地未來(lái)發(fā)展前景。
 
關(guān)鍵詞：濕地；污水凈化；機(jī)理

1 引 言
 
濕地是陸地與水生系統(tǒng)之間的過(guò)渡地帶，其地表為淺水所覆蓋或者其水位在地表附近變化。濕地不僅是人類重要的生存環(huán)境，也是眾多野生動(dòng)物、植物的重要生存環(huán)境之一，生物多樣性極為豐富，并且由于濕地在水分和化學(xué)循環(huán)中所表現(xiàn)出來(lái)的功能及其處于水陸交錯(cuò)帶可對(duì)流經(jīng)其的水流及其攜帶的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)起到過(guò)濾凈化作用，而被譽(yù)為“自然之腎”。
濕地系統(tǒng)作為寶貴的自然資源，很早就已為人們所重視。近年來(lái)，對(duì)其在污水處理方面的研究不斷深入，自然濕地系統(tǒng)和人工濕地系統(tǒng)的應(yīng)用范圍也在不斷拓寬，國(guó)內(nèi)外許多研究工作已經(jīng)涉及到河流[1]、湖泊治理[2]、工業(yè)廢水處理[3-4]、城市暴雨徑流污染[5]，農(nóng)業(yè)面源污染控制[6-7]等眾多領(lǐng)域，特別是在河湖治理方面，由于物理、化學(xué)方法的有限性以及工廠化生物處理的局限性，對(duì)濕地的研究就具有更加突出的現(xiàn)實(shí)意義。濕地土壤（基質(zhì)）、水生植物和微生物是濕地的主要組成部分。多年的研究表明，濕地能夠利用土壤—微生物—植物這個(gè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物三重協(xié)調(diào)作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水的高效凈化。本文系統(tǒng)分析了有關(guān)濕地土壤（基質(zhì)）、濕地植物和微生物對(duì)于污水凈化的作用和機(jī)理，并對(duì)其今后的應(yīng)用進(jìn)行了展望。
 
2 濕地植物在污水降解中的作用及機(jī)理
 
2.1 植物對(duì)污水的吸收利用、吸附和富集作用

植物在生長(zhǎng)過(guò)程中能吸收污水中的無(wú)機(jī)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，供其生長(zhǎng)發(fā)育。污水中氨氮可以被植物直接攝取，合成植物有機(jī)氮，然后通過(guò)收割植物去除。而污水中的有機(jī)氮多通過(guò)系統(tǒng)中微生物的降解來(lái)達(dá)到去除的目的。污水中無(wú)機(jī)磷在植物吸收及同化作用下可轉(zhuǎn)化為植物的ATP、DNA、PNA 等有機(jī)成分，然后通過(guò)植物的收割而從系統(tǒng)中去除[8]。目前，通常的污水二級(jí)處理工藝對(duì)污水中氮、磷的去除效率不高，僅能達(dá)到20％～40％[9]，而用于污水處理的濕地植物通常都具有生長(zhǎng)快、生物量大和吸收能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此它們?cè)谏�長(zhǎng)的過(guò)程中可以通過(guò)吸收而去除大量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素，從而成為去除污水中氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素的一個(gè)簡(jiǎn)單有效且費(fèi)用低廉的工具[10]。如巴西的皮拉西卡巴的Engenho濕地對(duì)磷、硝酸鹽和銨的去除率分別達(dá)到93％、78％和50％[11]。Chescheir[12]等通過(guò)模型研究表明濕地可以凈化79％的總氮、82％的硝酸鹽氮、81％的總磷。研究表明香蒲每年每公頃可吸收2 630 kg氮、403 kg磷和4 570 kg 鉀[13] 。Rosenberg[14]等估計(jì)，每減少1 kg進(jìn)入波羅地海的氮，利用沿海濕地需要0．6 美元，用補(bǔ)救的農(nóng)業(yè)措施需1.9～53．4 美元，而通過(guò)污水處理廠減少城市廢水中75％的氮需要15．6～31．2美元。
除營(yíng)養(yǎng)元素外,大型水生植物還可吸收鉛、鎘、砷、汞和鉻等重金屬，以金屬螯合物的形式蓄積于植物體內(nèi)的某些部位，達(dá)到對(duì)污水和受污染土壤的生物修復(fù)。鳳眼蓮可以富集銅、鉛、鎘、鉻、汞、鋅和銀[15]。李柳川等[16]研究發(fā)現(xiàn)，香蒲對(duì)鉛、鋅、銅、鎘吸收的絕對(duì)量分別為128、1 375、28、120 mg/kg。垂直流人工濕地處理低濃度重金屬污水的試驗(yàn)表明，風(fēng)車草能吸收富集水體中30％的銅和錳，對(duì)鋅、鎘、鉛的富集也在5％～15％[17]。濕地植物可以將重金屬積累在植物組織內(nèi)。重金屬在一般植物中的積累量為0.1～100 μg/g[18]，但也有一些特殊植物超量積累重金屬。植物對(duì)污水中重金屬的去除作用還表現(xiàn)在植物的產(chǎn)氧作用使根區(qū)含氧量增加，促進(jìn)了污水重金屬的氧化和沉降。
 
2.2 為根區(qū)好氧微生物輸送氧氣
 
污染物中有機(jī)物和氮的降解所需的兩個(gè)重要因素是微生物和氧，生長(zhǎng)在濕地中的挺水植物能夠?qū)ρ踹M(jìn)行運(yùn)輸、釋放和擴(kuò)散作用。植物可將空氣中的氧轉(zhuǎn)運(yùn)到根部，在植物根區(qū)周圍的微環(huán)境中依次出現(xiàn)好氧區(qū)、兼氧區(qū)和厭氧區(qū)，有利于硝化、反硝化反應(yīng)和微生物對(duì)磷的過(guò)量積累作用 ，達(dá)到除氮、磷的效果，另一方面通過(guò)在厭氧條件下有機(jī)物的降解、或開(kāi)環(huán)、或斷成簡(jiǎn)單分子、小分子，提高對(duì)生物難降解有機(jī)物的去除效果。趙可夫等[19]對(duì)蘆葦床系統(tǒng)研究表明，存在于石子支持培養(yǎng)基上和蘆葦根際中的微生物較沒(méi)有種植蘆葦?shù)氖�子培養(yǎng)基上的微生物要大2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，顯示了植物的重要性。李科德、胡正嘉[20]對(duì)蘆葦床內(nèi)水體中的溶解氧在一天內(nèi)的變化動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究表明，蘆葦進(jìn)行光合作用產(chǎn)生的氧向地下部分運(yùn)輸，通過(guò)根狀莖和不定根向水體擴(kuò)散，使水體中的溶解氧增加；溶解氧在水體中具有累積效應(yīng)，到天黑時(shí)累積量達(dá)最大值。夜間氧被蘆葦根系的呼吸作用和微生物的代謝活動(dòng)消耗，水體中的溶解氧又減少。

2.3 增強(qiáng)和維持介質(zhì)的水力傳輸

人工濕地運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)堵塞的問(wèn)題，由于植物的根和根系對(duì)介質(zhì)的穿透作用，減小了介質(zhì)的封閉性，增強(qiáng)了介質(zhì)的疏松度，使介質(zhì)的水力傳輸?shù)玫郊訌?qiáng)和維持，提高了土壤的滲透率。近年來(lái)，濕地植物根孔引起了研究者們的廣泛關(guān)注，他們認(rèn)為濕地植物根系或根孔是濕地生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)傳輸不為人見(jiàn)的“高速公路”，這些根孔具有土壤大孔隙的一般功能， 如產(chǎn)生優(yōu)先水流; 提高土壤的滲透性; 氧氣輸入和甲烷排放提供優(yōu)先路等[21-22]。據(jù)報(bào)道，即使較板結(jié)的土壤，在2～5 a之內(nèi)，經(jīng)過(guò)植物根系的穿透作用，其水力傳輸能力可與礫石、碎石相當(dāng)[23]。

另外，濕地植物還具有過(guò)濾和抑藻等效應(yīng)[24]。濕地植物的這些獨(dú)特作用使得它對(duì)污水中許多污染物都有很好的去除效果，針對(duì)不同的污染物種類其去除機(jī)理也不盡相同。
 
2.4 濕地植物對(duì)污染物的去除機(jī)理

濕地植物對(duì)氮的去除作用主要是：氨的揮發(fā)作用、NH4+的陽(yáng)離子交換作用、吸收、硝化和反硝化作用等。科學(xué)家研究認(rèn)為通過(guò)植物根部根毛周圍充滿氧氣的液體薄膜中的好氧微生物的硝化作用，可將NH4+轉(zhuǎn)化成氣體，釋放到大氣中。除此之外，植物本身也可以吸收一部分NH4+，NH4+進(jìn)入植物后通過(guò)氨化反應(yīng)將其去除，消除其對(duì)植物的毒害作用 。濕地植物對(duì)磷化物的處理除作為營(yíng)養(yǎng)成分吸收外，還可以通過(guò)在苗床基質(zhì)中的吸附、絡(luò)合和沉淀反應(yīng)來(lái)去除。一般認(rèn)為人工濕地系統(tǒng)對(duì)磷的去除途徑主要是基質(zhì)的吸附沉淀作用。Reddy[25]在研究中也發(fā)現(xiàn)人工濕地系統(tǒng)中7%～87%的磷是通過(guò)基質(zhì)的吸附沉淀作用而被去除的。濕地植物主要通過(guò)吸收積累非毒性代謝物、強(qiáng)化根際的礦化作用、以及氧化－還原反應(yīng)、水解反應(yīng)等去除有機(jī)污染物。而對(duì)重金屬的作用機(jī)理除植物穩(wěn)定、生物富集、攝取吸收外，還可通過(guò)植物揮發(fā)、甲基化等作用達(dá)到目的。
 
3 濕地土壤（基質(zhì)）凈化污水中的作用及機(jī)理
 
3.1 土壤是土壤生物生活的“基質(zhì)”

濕地土壤（基質(zhì)）是濕地植物的直接支撐者，濕地土壤的類型、結(jié)構(gòu)和肥力狀況直接決定濕地植物的類型、數(shù)量和質(zhì)量，并通過(guò)食物鏈影響濕地動(dòng)物的類群、生長(zhǎng)和發(fā)育，最終影響濕地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)生產(chǎn)。同時(shí)濕地土壤（基質(zhì)）也是濕地微生物、濕地土壤動(dòng)物的生活場(chǎng)所，是土壤微生物和土壤動(dòng)物生活的“基質(zhì)”。濕地土壤（基質(zhì)）通過(guò)影響植物和微生物來(lái)影響污水的凈化。
 
3.2 濕地土壤（基質(zhì)）具有“養(yǎng)分庫(kù)”的作用

濕地土壤的類型、結(jié)構(gòu)和肥力狀況同樣會(huì)對(duì)濕地土壤微生物和動(dòng)物的類群、數(shù)量產(chǎn)生深刻的影響。濕地土壤具有“養(yǎng)分庫(kù)”功能，它可以提供濕地植物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的全部養(yǎng)分元素。不僅如此，濕地土壤和其土(泥) 水界面的物理化學(xué)反應(yīng)機(jī)制影響?zhàn)B分元素的形態(tài)和數(shù)量。研究表明，濕地土壤缺氧具有不均一性，在與含氧水相接觸的幾毫米表層中氧的濃度仍較高，表層中的化學(xué)和微生物狀況類似于好氣土壤，而表層下面氧的濃度幾乎為零。氧化表層中Fe3+和Mn4+氫氧化物的存在，意味著濕地土壤能吸收和保留存在于表面水中或從還原層下面擴(kuò)散到表層中的磷酸鹽、二氧化硅、錳、鈷、鎳和鋅。因此，氧化層累積有磷、硅、錳、鈷、鎳和鋅。反之，含硫化氫的永久還原性的濕地土壤趨于積累銅、汞、鈾、鉬和磷灰石�？梢�(jiàn)，濕地土壤“養(yǎng)分庫(kù)”在提供和蓄留某些養(yǎng)分元素的功能方面具有極其重要的生態(tài)意義。

3.3 濕地土壤（基質(zhì)）凈化污水的機(jī)理

濕地土壤是濕地化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的介質(zhì)，也是濕地植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的儲(chǔ)存庫(kù)。濕地土壤的有機(jī)質(zhì)含量很高，有較高的離子交換能力，因此，土壤可通過(guò)離子交換轉(zhuǎn)化一些污染物，并且可以通過(guò)提供能源和適宜的厭氧條件加強(qiáng)氮的轉(zhuǎn)化。對(duì)于磷而言，土壤顆粒對(duì)磷酸鹽的吸收是一個(gè)重要的轉(zhuǎn)化過(guò)程，吸收能力依賴于黏土礦物中鐵、鋁、鈣的表現(xiàn)或?qū)ν寥烙袡C(jī)質(zhì)的束縛。除了吸收過(guò)程外，磷酸鹽也可以同鐵、鋁和土壤組分一起沉降，這些過(guò)程包括磷酸鹽在黏土礦物中的固定以及磷酸鹽同金屬的復(fù)合。濕地土壤對(duì)有毒物質(zhì)的“凈化”機(jī)理，主要是通過(guò)沉淀作用、吸附與吸收作用、離子交換作用、氧化還原作用和代謝分解作用等途徑實(shí)現(xiàn)的。
 
人工濕地中的基質(zhì)又稱填料、濾料,一般由土壤、細(xì)砂、粗砂、礫石、碎瓦片、粉煤灰、泥炭、頁(yè)巖、鋁礬土、膨潤(rùn)土、沸石等介質(zhì)的一種或幾種所構(gòu)成。人工濕地基質(zhì)在為植物和微生物提供營(yíng)養(yǎng)的同時(shí)，還通過(guò)吸附、沉淀、過(guò)濾等作用直接去除污染物。人工濕地模擬研究表明，在不考慮植物因素的條件下，經(jīng)過(guò)濕地處理的模擬生活污水的COD、BOD5、TSS、總氮、總磷等污染物質(zhì)濃度下降，水質(zhì)改善，另外，研究還表明，選擇合適的人工濕地基質(zhì)材料，是構(gòu)建人工濕地，提高人工濕地凈化能力的關(guān)鍵措施[26]。
 
4 濕地中的微生物
 
濕地微生物主要有菌類、藻類、原生動(dòng)物和病毒。濕地中的微生物是其生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分。它不但扮演著維持生態(tài)平衡的角色，還在凈化污染物方面發(fā)揮著重要的作用。人工濕地處理污水時(shí)，有機(jī)物的降解和轉(zhuǎn)化主要是由濕地微生物活動(dòng)來(lái)完成的，人工濕地中微生物的活動(dòng)是廢水中有機(jī)物降解的基礎(chǔ)機(jī)制，豐富的微生物資源為濕地污水處理系統(tǒng)提供了足夠的分解者。經(jīng)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)[27]，濕地植物根區(qū)的細(xì)菌總數(shù)與BOD5 去除率之間存在顯著相關(guān)性; 氨氮的去除率與根際硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量的相關(guān)性極顯著。濕地微生物具有吸附作用，在微生物生長(zhǎng)過(guò)程中，常常要吸收一些營(yíng)養(yǎng)元素和重金屬元素以保證微生物的生長(zhǎng)和代謝，它們能分泌高分子聚合物，對(duì)重金屬有較強(qiáng)的絡(luò)合力。如曲霉屬生物體可有效地吸附Au，枯草桿菌可有效地吸附Au、Ag 和Ss 等。有些微生物是重金屬污染物的良好吸附劑。同時(shí)可以查看中國(guó)污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。
 
5 結(jié) 語(yǔ)
 
總之，人工濕地凈化污水是基質(zhì)、植物、微生物共同作用的結(jié)果。許多研究表明它對(duì)污水處理具有較好的效果。作為一種經(jīng)濟(jì)有效的污水處理技術(shù)，人工濕地污水凈化系統(tǒng)已獲得愈來(lái)愈多的應(yīng)用。目前，世界各國(guó)都投入大量精力以改良人工濕地技術(shù)，研究將一些傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)引入人工濕地，利用濕地凈化污水具有較好的推廣應(yīng)用前景。然而人工濕地對(duì)污水的凈化也存在或多或少的問(wèn)題。如人工濕地占地面積大、處理時(shí)間長(zhǎng)。冬季的管理，人工濕地植物和基質(zhì)填料的選取，以及植物吸收污染物后的生長(zhǎng)規(guī)律和生物量的資源化利用，這一系列問(wèn)題與怎樣提高人工濕地污水凈化效率相結(jié)合，都是今后要考慮研究的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：
［1］ 王 超,王沛芳,唐勁松,等.河道沿岸蘆葦帶對(duì)銨氮的削減特性研究［J］.水科學(xué)進(jìn)展, 2003,14(3):311-317.
［2］ 王國(guó)祥,濮培民,張圣照，等.人工復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)對(duì)太湖局部水域的凈化作用［J］.中國(guó)環(huán)境科學(xué),1998,l8(5):4l0-414 來(lái)源：谷騰水網(wǎng)