關鍵詞：濕地；污水凈化；機理

    1引言

    濕地是陸地與水生系統之間的過渡地帶，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境，也是眾多野生動物、植物的重要生存環境之一，生物多樣性極為豐富，并且由于濕地在水分和化學循環中所表現出來的功能及其處于水陸交錯帶可對流經其的水流及其攜帶的營養物質起到過濾凈化作用，而被譽為“自然之腎”。

    濕地系統作為寶貴的自然資源，很早就已為人們所重視。近年來，對其在污水處理方面的研究不斷深入，自然濕地系統和人工濕地系統的應用范圍也在不斷拓寬，國內外許多研究工作已經涉及到河流[1]、湖泊治理[2]、工業廢水處理[3-4]、城市暴雨徑流污染[5]，農業面源污染控制[6-7]等眾多領域，特別是在河湖治理方面，由于物理、化學方法的有限性以及工廠化生物處理的局限性，對濕地的研究就具有更加突出的現實意義。濕地土壤（基質）、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—植物這個復合生態系統的物理、化學和生物三重協調作用來實現對廢水的高效凈化。本文系統分析了有關濕地土壤（基質）、濕地植物和微生物對于污水凈化的作用和機理，并對其今后的應用進行了展望。

    2濕地植物在污水降解中的作用及機理

    2.1植物對污水的吸收利用、吸附和富集作用

    植物在生長過程中能吸收污水中的無機氮、磷等營養物質，供其生長發育。污水中氨氮可以被植物直接攝取，合成植物有機氮，然后通過收割植物去除。而污水中的有機氮多通過系統中微生物的降解來達到去除的目的。污水中無機磷在植物吸收及同化作用下可轉化為植物的ATP、DNA、PNA等有機成分，然后通過植物的收割而從系統中去除[8]。目前，通常的污水二級處理工藝對污水中氮、磷的去除效率不高，僅能達到20％～40％[9]，而用于污水處理的濕地植物通常都具有生長快、生物量大和吸收能力強的特點，因此它們在生長的過程中可以通過吸收而去除大量的氮、磷等營養元素，從而成為去除污水中氮磷等營養元素的一個簡單有效且費用低廉的工具[10]。如巴西的皮拉西卡巴的Engenho濕地對磷、硝酸鹽和銨的去除率分別達到93％、78％和50％[11]。Chescheir[12]等通過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2630kg氮、403kg磷和4570kg鉀[13]。Rosenberg[14]等估計，每減少1kg進入波羅地海的氮，利用沿海濕地需要0．6美元，用補救的農業措施需1.9～53．4美元，而通過污水處理廠減少城市廢水中75％的氮需要15．6～31．2美元。

    除營養元素外,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的某些部位，達到對污水和受污染土壤的生物修復。鳳眼蓮可以富集銅、鉛、鎘、鉻、汞、鋅和銀[15]。李柳川等[16]研究發現，香蒲對鉛、鋅、銅、鎘吸收的絕對量分別為128、1375、28、120mg/kg。垂直流人工濕地處理低濃度重金屬污水的試驗表明，風車草能吸收富集水體中30％的銅和錳，對鋅、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。重金屬在一般植物中的積累量為0.1～100μg/g[18]，但也有一些特殊植物超量積累重金屬。植物對污水中重金屬的去除作用還表現在植物的產氧作用使根區含氧量增加，促進了污水重金屬的氧化和沉降。

    2.2為根區好氧微生物輸送氧氣

    污染物中有機物和氮的降解所需的兩個重要因素是微生物和氧，生長在濕地中的挺水植物能夠對氧進行運輸、釋放和擴散作用。植物可將空氣中的氧轉運到根部，在植物根區周圍的微環境中依次出現好氧區、兼氧區和厭氧區，有利于硝化、反硝化反應和微生物對磷的過量積累作用，達到除氮、磷的效果，另一方面通過在厭氧條件下有機物的降解、或開環、或斷成簡單分子、小分子，提高對生物難降解有機物的去除效果。趙可夫等[19]對蘆葦床系統研究表明，存在于石子支持培養基上和蘆葦根際中的微生物較沒有種植蘆葦的石子培養基上的微生物要大2～3個數量級，顯示了植物的重要性。李科德、胡正嘉[20]對蘆葦床內水體中的溶解氧在一天內的變化動態進行研究表明，蘆葦進行光合作用產生的氧向地下部分運輸，通過根狀莖和不定根向水體擴散，使水體中的溶解氧增加；溶解氧在水體中具有累積效應，到天黑時累積量達最大值。夜間氧被蘆葦根系的呼吸作用和微生物的代謝活動消耗，水體中的溶解氧又減少。

    2.3增強和維持介質的水力傳輸

    人工濕地運行過程中內部會出現堵塞的問題，由于植物的根和根系對介質的穿透作用，減小了介質的封閉性，增強了介質的疏松度，使介質的水力傳輸得到加強和維持，提高了土壤的滲透率。近年來，濕地植物根孔引起了研究者們的廣泛關注，他們認為濕地植物根系或根孔是濕地生態系統中物質傳輸不為人見的“高速公路”，這些根孔具有土壤大孔隙的一般功能，如產生優先水流;提高土壤的滲透性;氧氣輸入和甲烷排放提供優先路等[21-22]。據報道，即使較板結的土壤，在2～5a之內，經過植物根系的穿透作用，其水力傳輸能力可與礫石、碎石相當[23]。

    另外，濕地植物還具有過濾和抑藻等效應[24]。濕地植物的這些獨特作用使得它對污水中許多污染物都有很好的去除效果，針對不同的污染物種類其去除機理也不盡相同。

摘要：濕地能改善水質，為多種水污染提供了一個有效、廉價的治理場所。人工濕地作為近20年來發展起來的一種傳統的污水處理技術已越來越受到各國的重視。系統的闡述了濕地土壤、植物、微生物在污水凈化中的作用及機理，并展望了濕地未來發展前景。

    關鍵詞：濕地；污水凈化；機理

    1引言

    濕地是陸地與水生系統之間的過渡地帶，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境，也是眾多野生動物、植物的重要生存環境之一，生物多樣性極為豐富，并且由于濕地在水分和化學循環中所表現出來的功能及其處于水陸交錯帶可對流經其的水流及其攜帶的營養物質起到過濾凈化作用，而被譽為“自然之腎”。

    濕地系統作為寶貴的自然資源，很早就已為人們所重視。近年來，對其在污水處理方面的研究不斷深入，自然濕地系統和人工濕地系統的應用范圍也在不斷拓寬，國內外許多研究工作已經涉及到河流[1]、湖泊治理[2]、工業廢水處理[3-4]、城市暴雨徑流污染[5]，農業面源污染控制[6-7]等眾多領域，特別是在河湖治理方面，由于物理、化學方法的有限性以及工廠化生物處理的局限性，對濕地的研究就具有更加突出的現實意義。濕地土壤（基質）、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—植物這個復合生態系統的物理、化學和生物三重協調作用來實現對廢水的高效凈化。本文系統分析了有關濕地土壤（基質）、濕地植物和微生物對于污水凈化的作用和機理，并對其今后的應用進行了展望。

    2濕地植物在污水降解中的作用及機理

    2.1植物對污水的吸收利用、吸附和富集作用

    植物在生長過程中能吸收污水中的無機氮、磷等營養物質，供其生長發育。污水中氨氮可以被植物直接攝取，合成植物有機氮，然后通過收割植物去除。而污水中的有機氮多通過系統中微生物的降解來達到去除的目的。污水中無機磷在植物吸收及同化作用下可轉化為植物的ATP、DNA、PNA等有機成分，然后通過植物的收割而從系統中去除[8]。目前，通常的污水二級處理工藝對污水中氮、磷的去除效率不高，僅能達到20％～40％[9]，而用于污水處理的濕地植物通常都具有生長快、生物量大和吸收能力強的特點，因此它們在生長的過程中可以通過吸收而去除大量的氮、磷等營養元素，從而成為去除污水中氮磷等營養元素的一個簡單有效且費用低廉的工具[10]。如巴西的皮拉西卡巴的Engenho濕地對磷、硝酸鹽和銨的去除率分別達到93％、78％和50％[11]。Chescheir[12]等通過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2630kg氮、403kg磷和4570kg鉀[13]。Rosenberg[14]等估計，每減少1kg進入波羅地海的氮，利用沿海濕地需要0．6美元，用補救的農業措施需1.9～53．4美元，而通過污水處理廠減少城市廢水中75％的氮需要15．6～31．2美元。

    除營養元素外,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的某些部位，達到對污水和受污染土壤的生物修復。鳳眼蓮可以富集銅、鉛、鎘、鉻、汞、鋅和銀[15]。李柳川等[16]研究發現，香蒲對鉛、鋅、銅、鎘吸收的絕對量分別為128、1375、28、120mg/kg。垂直流人工濕地處理低濃度重金屬污水的試驗表明，風車草能吸收富集水體中30％的銅和錳，對鋅、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。重金屬在一般植物中的積累量為0.1～100μg/g[18]，但也有一些特殊植物超量積累重金屬。植物對污水中重金屬的去除作用還表現在植物的產氧作用使根區含氧量增加，促進了污水重金屬的氧化和沉降。

    2.2為根區好氧微生物輸送氧氣

    污染物中有機物和氮的降解所需的兩個重要因素是微生物和氧，生長在濕地中的挺水植物能夠對氧進行運輸、釋放和擴散作用。植物可將空氣中的氧轉運到根部，在植物根區周圍的微環境中依次出現好氧區、兼氧區和厭氧區，有利于硝化、反硝化反應和微生物對磷的過量積累作用，達到除氮、磷的效果，另一方面通過在厭氧條件下有機物的降解、或開環、或斷成簡單分子、小分子，提高對生物難降解有機物的去除效果。趙可夫等[19]對蘆葦床系統研究表明，存在于石子支持培養基上和蘆葦根際中的微生物較沒有種植蘆葦的石子培養基上的微生物要大2～3個數量級，顯示了植物的重要性。李科德、胡正嘉[20]對蘆葦床內水體中的溶解氧在一天內的變化動態進行研究表明，蘆葦進行光合作用產生的氧向地下部分運輸，通過根狀莖和不定根向水體擴散，使水體中的溶解氧增加；溶解氧在水體中具有累積效應，到天黑時累積量達最大值。夜間氧被蘆葦根系的呼吸作用和微生物的代謝活動消耗，水體中的溶解氧又減少。

    2.3增強和維持介質的水力傳輸

    人工濕地運行過程中內部會出現堵塞的問題，由于植物的根和根系對介質的穿透作用，減小了介質的封閉性，增強了介質的疏松度，使介質的水力傳輸得到加強和維持，提高了土壤的滲透率。近年來，濕地植物根孔引起了研究者們的廣泛關注，他們認為濕地植物根系或根孔是濕地生態系統中物質傳輸不為人見的“高速公路”，這些根孔具有土壤大孔隙的一般功能，如產生優先水流;提高土壤的滲透性;氧氣輸入和甲烷排放提供優先路等[21-22]。據報道，即使較板結的土壤，在2～5a之內，經過植物根系的穿透作用，其水力傳輸能力可與礫石、碎石相當[23]。

    另外，濕地植物還具有過濾和抑藻等效應[24]。濕地植物的這些獨特作用使得它對污水中許多污染物都有很好的去除效果，針對不同的污染物種類其去除機理也不盡相同。