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人工濕地作為一種新型生態污水處理技術,歷經近百年的研究和發展,在全世界范圍內得到越來越廣泛的應用。國內外學者已在人工濕地污水處理技術的理論研究及推廣應用方面開展了大量工作,主要集中于人工濕地的去污過程與機制、環境功能與效應研究等方面。
人工濕地是一個復雜的生態系統,其對污染物的去除是人工濕地各組成部分共同作用的結果,并受各種因素的影響。目前,人工濕地污水處理技術的污染物去除過程研究主要集中在人工濕地關鍵組成因子的作用、人工濕地影響因素及人工濕地效果強化技術研究等方面。
1人工濕地關鍵組成因子的作用
(1)濕地植物
濕地植物是一類廣泛分布在江河湖泊等水域中的高等植物。濕地植物作為人工濕地的主要組成部分,在人工濕地水質凈化過程中發揮著重要作用。
①污染物吸收與富集作用
在各種生態系統中,濕地系統具有最高的初級生產力,其生產力甚至超過最集約的農業系統,例如在自然濕地中香蒲的年產量可達70t/hm2。由于污水中含有豐富的營養元素,使得人工濕地中的生物量遠遠超過自然濕地系統。
濕地植物作為人工濕地污水處理系統的主要初級生產者,可吸收利用污水中的氮、憐等營養物質,供其生長繁殖。植物可從污水中直接吸收無機氮、無機憐,將其合成植物自身蛋白質等有機氮和ATP、DNA、RNA等物質轉化成生物量,污水中的有機物在通過植物根區時被吸收,也可轉化或保存在生物量中,最后通過植物的收割而除去。研究發現,種植濕地植物的人工濕地系統中基質氮、磷含量分別比無植物系統基質含量低18%~28%和20%~31%,可見植物吸收利用了污水中部分的氮、磷物質。不同季節植物的生長代謝活動不同,因而植物吸收和利用氮、憐等物質的能力存在著顯著差異。有研究者構建表面流人工濕地研究了一個生長周期內濕地植物氮、磷吸收能力,結果表明,植物同化吸收氮、碟的能力分別為8.46~30.98g/m2和0.46~2.13g/m2,且在不同生長期內,各植物的氮、憐富集能力不同。植物體不同的部位其吸收能力亦不相同。研究表明,氮元素在植物體各部分中的含量變化為葉>凋落物>地上莖>地下莖>根,磷元素為葉>凋落物>根>地上莖>地下莖;即氮、磷主要積累在植物的地上部,所以通過對植物地上部分的收割就可有效地從污水中去除氮、磷物質。蔣躍平等研究發現,人工濕地處理輕度富營養化水時,植物吸收對氮、磷去除的貢獻率分別為46.8%和51%,同時,Wu等在應用人工濕地處理污染河水的試驗中,發現植物吸收分別占進水氮、磷負荷的8.40~34.33%~和4.81~22.33%;而其他研究試驗表明,通過植物收割去除的氮、磷占人工濕地總去除量不超過20%。可見,植物在人工濕地去除污染物中的貢獻隨著植物生長期、水力負荷及進水污染物種類和濃度等條件的不同而有所差異。
此外,人工濕地在處理工業、采礦廢水時,植物還能吸附、富集一些有毒有害物質,如某些重金屬(Pb、Cd、Hg、As等),其吸收積累能力為:沉水植物>漂浮植物>挺水植物,不同部位富集作用也不同,一般為:根>莖>葉。
②泌氧與輸氧作用
氧是人工濕地中污染物質生物地球化學循環過程的關鍵因子之一,尤其在人工濕地去除有機物NH4+-N、NO3-N、NO2-N等方面直接或間接地發揮重要作用。濕地系統中的氧氣主要來于大氣復氧和植物輸氧與泌氧。一方面,濕地植物可通過自身發達的通氣組織將大氣中的氧氣輸送到濕地系統,另外,濕地植物還能將光合作用生成的氧氣輸送至植物根系,繼而向植物根區泌氧。有研究表明,濕地植物的泌氧、輸氧速率遠大于大氣復氧速率,但其泌氧、輸氧功能對人工濕地中污染物降解過程的貢獻仍存在爭議。
國內外學者已對濕地植物的氧氣輸導代謝作了較多的研究,包括對植物泌氧、傳輸機制、規律及影響因素等做了不同程度的探討,同時,從形態學、解剖學、植物生理生態等微觀水平上,對濕地植物泌氧能力及其與污染物去除的關系開展了相關研究。
③根系分泌物
濕地植物是人工濕地的核心部分,其根系可分泌各種對根際微生物有益的酶、氨基酸、植物生長調節劑等物質,為根際微生物提供營養和能源,促進其聚集和繁殖,進而對人工濕地系統污染物去除過程產生影響。
植物根系分泌物是在一定的生長條件下,活的且未被擾動的根釋放到根際環境中的有機物的總稱。根分泌物種類繁多,數量各異,不僅有低分子有機化合物、高分子粘膠物質、細胞或組織脫落物溶解產物等有機物質,還有質子、無機離子及一些不知名的代謝物。
④為微生物提供適宜生境
人工濕地中微生物的種類和數量極其豐富,是人工濕地中另一重要組成部分。人工濕地植物發達的根系通常形成一個網絡狀的結構,擴大了可供微生物吸附著生的表面積,此外,濕地植物泌氧作用及其根系分泌物為人工濕地系統微生物提供了適宜的環境,促進與污染物去除相關的微生物的生長和繁殖。
⑤保溫作用
人工濕地的水質凈化作用主要是通過微生物來完成的,而溫度對微生物的生長繁殖以及活性都有顯著影響。在冬季寒冷季節,氣溫較低,濕地植物枯黃,但致密的植物覆蓋在濕地系統表層,可以起到保溫作用,減緩系統去污效率的下降。有研究表明在冬季采用該保溫方法可有效提高系統去污效果。
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