專家：細數植物在人工濕地污水處理中的作用

時間：2021-01-27 11:01:11 來源：中國給水排水 作者：Jan Vymazal

02 植物在人工濕地中的作用

大型水生植物的存在是人工濕地最顯著的特征之一，也是人工濕地有別于天然的土壤過濾器或泄湖的主要原因。植物本身所具有的許多性質與污染物的去除有著密切的聯系，因此在設計人工濕地時，必須要考慮植物的部分。在不同類型的濕地結構中植物所起的作用如表2所示，植物在人工濕地系統中的多重功能如圖1所示。

表2 植物對不同類型人工濕地的作用

圖1 植物在人工濕地中的作用示意

2.1 遮光作用

對于自由表面流人工濕地來說，植物對光線的衰減起到了很大的作用，而對于潛流人工濕地的影響較小。浮游生物作為懸浮固體的指示生物，光線的減弱會抑制其生長，然而，浮游植物是水中氧氣的主要生產者，因此光衰減抑制浮游植物的生長的同時，也使得水中含氧量降低。這一點尤其體現在自由表面流人工濕地中的鳳眼蓮（水葫蘆）或浮萍屬（浮萍）。

2.2 保溫作用

在寒冷條件下，尤其是溫帶和寒冷氣候的地區，植物對人工濕地濾床的保溫作用非常明顯。即使在北緯68°的挪威地區，同時利用植物和雪層，對人工濕地系統也會有很好的保溫作用。一般在春天霜重或深秋時收割植物，收割后的濕地植物覆蓋在濕地表面對其填料基質起到了保溫效果。這樣才能保證人工濕地全年時間對污染物去除效果和運行的穩定性。許多人研究了垂直流人工濕地一整年的處理性能，其中還有些對氨氮和總氮處理性能的研究，這些研究分別來自于瑞士、挪威、德國、捷克、美國和韓國。

2.3減弱風速

種植密集的大型水生植物可以大大降低濕地表面的風速。這種作用在垂直流人工濕地中尤為重要，因為它為懸浮固體的沉積創造了適宜的條件，并防止其因為風吹再次懸浮，從而提高了懸浮固體的去除率。密集種植的漂浮植物如鳳眼蓮便可以達到類似的效果。

2.4去除氮、磷等營養物質

濕地植物的成長和繁殖均需要營養物質，有根的大型水生植物主要靠根系來攝取營養。由于濕地植物生長密集且生物量大，故其生物量中營養物質所占比重是相當大。物質在特定隔室中的總儲存稱為“蘊藏量”，通常將植物組織中的營養物濃度乘以每單位面積的植物生物量進行計算，并以單位面積質量（通常為g/m2或kg/hm2）表示，計算植被中的養分積累量。人工濕地植物營養物質的蘊藏量與自然濕地相似。對于常見的蘆葦和寬葉香蒲等體型高大的挺水植物來說，其地上氮含量通常為30~50 g/m2，磷含量通常為2~5 g/ m2。然而，植物體的地上營養物質蘊含量即使達到最高，但相對于每年流入人工濕地系統的市政污水的負荷量來說也是微不足道的，濕地植物的生物量中所螯合的營養物質含量還不到進水氮負荷的10％、磷負荷的5％。Vymazal和Kröpfelová的研究表明，水平流人工濕地進水的氮和磷平均負荷分別為1158 gN/m2和262 gP/m2。當然，在熱帶和亞熱帶地區，濕地植物每年可收割多次，通過多次收割植物便可以去除大部分的進水污染物負荷。在低負荷人工濕地中，植物本身螯合所需要的營養物質量便可以去除水中大部分負荷。如果濕地中碳源不足，那么植物生物量中的營養物質被分解再返回到水中。在地上生物量分解過程中，所釋放的有機化合物可作為反硝化的碳源。特別是在低負荷人工濕地系統中，這種碳源也許就顯得尤為重要。

2.5去除懸浮固體

在水平流人工濕地中，較大粒徑的懸浮固體會被大型挺水植物的莖葉過濾掉，而小粒徑的懸浮固體則會附著在周叢生物（附著在水生植物體表或水底各種基質表面上的微型生物群落）或濕地基質的生物膜上。有些水平流人工濕地表面有漂浮植物，如鳳眼蓮或者可以形成漂浮在水面上的草墊型的挺水植物，這些漂浮植物密集的根系便可以過濾掉固體懸浮物。在潛流人工濕地系統中，當污（廢）水從植物根部流過時，根系會過濾掉其中的懸浮固體。

2.6產氧作用

由于水面以下的濕地基質中缺乏氧氣，生長在基質中的植物的根和根莖必須通過植物體的氣腔從其空中器官中獲得氧氣。從解剖學上看，濕地植物的主要特征是就是其具有發達的氣腔組織，即“通氣組織”。在植物的葉，莖，根部等不同部位，都有通氣組織的存在，約占植物總組織體積的60％。濕地植物的生長形態本身傾向于盡量減少根際的氧氣損失，但是根部的通氣組織仍然會從根部釋放氧氣。在一些文獻中，已經給出了不同植物的氧釋放速率。蘆葦屬植物為0.02~12 gO2 /（m2•d），沉水植物為0.5~5.2 gO2 /(m2•d)，漂浮植物為0.25~9.6 gO2 /（m2 •d）。氧氣的釋放范圍具體是由于物種差異、季節變化以及研究中使用的不同實驗技術共同決定。但是，可氧化區域卻僅限于與根相鄰的薄土壤層中。

2.7分泌有機物

植物的根系不僅能釋放氧氣，還能產生一些其他物質。常見的為有機化合物，例如厭氧代謝產物、有機酸、植物營養素、肽（比如植物螯合素）、生物堿以及酚類、萜類化合物和類固醇。這些物質具體能釋放出多少的比例至今還未有研究結果，但有報告給出了大致范圍，通常在光合固定碳的5%~25％以內。由植物根系產生的這種有機碳可以作為脫氮劑的碳源，從而增加硝酸鹽去除效果。雖然根系產物有很多種類和功能，但是在人工濕地污水處理系統中，最重要的有可能是抗菌化合物，例如單寧酸和沒食子酸的釋放以及參與重金屬循環與去除的植物營養素和植物螯合素。

2.8用作微生物生長載體

大型水生植物浸沒在水下的莖和葉為生物膜的形成提供了巨大的表面積。沉水植物的組織為固著生物如光合藻類、細菌和原生動物提供生長載體。 一方面，藻類可氧化水體吸收營養物質，細菌分解有機物；而另一方面，由于植物組織上聚集了大量其他生物，這些密集的生物可能會吸收光合有效輻射，導致植物葉子表面缺乏光照作用，從而限制了沉水植物的生長，甚至導致植物生長衰退。

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