专家：细数植物在人工湿地污水处理中的作用

时间：2021-01-27 11:01:11 来源：中国给水排水 作者：Jan Vymazal

02 植物在人工湿地中的作用

大型水生植物的存在是人工湿地最显著的特征之一，也是人工湿地有别于天然的土壤过滤器或泄湖的主要原因。植物本身所具有的许多性质与污染物的去除有着密切的联系，因此在设计人工湿地时，必须要考虑植物的部分。在不同类型的湿地结构中植物所起的作用如表2所示，植物在人工湿地系统中的多重功能如图1所示。

表2 植物对不同类型人工湿地的作用

图1 植物在人工湿地中的作用示意

2.1 遮光作用

对于自由表面流人工湿地来说，植物对光线的衰减起到了很大的作用，而对于潜流人工湿地的影响较小。浮游生物作为悬浮固体的指示生物，光线的减弱会抑制其生长，然而，浮游植物是水中氧气的主要生产者，因此光衰减抑制浮游植物的生长的同时，也使得水中含氧量降低。这一点尤其体现在自由表面流人工湿地中的凤眼莲（水葫芦）或浮萍属（浮萍）。

2.2 保温作用

在寒冷条件下，尤其是温带和寒冷气候的地区，植物对人工湿地滤床的保温作用非常明显。即使在北纬68°的挪威地区，同时利用植物和雪层，对人工湿地系统也会有很好的保温作用。一般在春天霜重或深秋时收割植物，收割后的湿地植物覆盖在湿地表面对其填料基质起到了保温效果。这样才能保证人工湿地全年时间对污染物去除效果和运行的稳定性。许多人研究了垂直流人工湿地一整年的处理性能，其中还有些对氨氮和总氮处理性能的研究，这些研究分别来自于瑞士、挪威、德国、捷克、美国和韩国。

2.3减弱风速

种植密集的大型水生植物可以大大降低湿地表面的风速。这种作用在垂直流人工湿地中尤为重要，因为它为悬浮固体的沉积创造了适宜的条件，并防止其因为风吹再次悬浮，从而提高了悬浮固体的去除率。密集种植的漂浮植物如凤眼莲便可以达到类似的效果。

2.4去除氮、磷等营养物质

湿地植物的成长和繁殖均需要营养物质，有根的大型水生植物主要靠根系来摄取营养。由于湿地植物生长密集且生物量大，故其生物量中营养物质所占比重是相当大。物质在特定隔室中的总储存称为“蕴藏量”，通常将植物组织中的营养物浓度乘以每单位面积的植物生物量进行计算，并以单位面积质量（通常为g/m2或kg/hm2）表示，计算植被中的养分积累量。人工湿地植物营养物质的蕴藏量与自然湿地相似。对于常见的芦苇和宽叶香蒲等体型高大的挺水植物来说，其地上氮含量通常为30~50 g/m2，磷含量通常为2~5 g/ m2。然而，植物体的地上营养物质蕴含量即使达到最高，但相对于每年流入人工湿地系统的市政污水的负荷量来说也是微不足道的，湿地植物的生物量中所螯合的营养物质含量还不到进水氮负荷的10％、磷负荷的5％。Vymazal和Kröpfelová的研究表明，水平流人工湿地进水的氮和磷平均负荷分别为1158 gN/m2和262 gP/m2。当然，在热带和亚热带地区，湿地植物每年可收割多次，通过多次收割植物便可以去除大部分的进水污染物负荷。在低负荷人工湿地中，植物本身螯合所需要的营养物质量便可以去除水中大部分负荷。如果湿地中碳源不足，那么植物生物量中的营养物质被分解再返回到水中。在地上生物量分解过程中，所释放的有机化合物可作为反硝化的碳源。特别是在低负荷人工湿地系统中，这种碳源也许就显得尤为重要。

2.5去除悬浮固体

在水平流人工湿地中，较大粒径的悬浮固体会被大型挺水植物的茎叶过滤掉，而小粒径的悬浮固体则会附着在周丛生物（附着在水生植物体表或水底各种基质表面上的微型生物群落）或湿地基质的生物膜上。有些水平流人工湿地表面有漂浮植物，如凤眼莲或者可以形成漂浮在水面上的草垫型的挺水植物，这些漂浮植物密集的根系便可以过滤掉固体悬浮物。在潜流人工湿地系统中，当污（废）水从植物根部流过时，根系会过滤掉其中的悬浮固体。

2.6产氧作用

由于水面以下的湿地基质中缺乏氧气，生长在基质中的植物的根和根茎必须通过植物体的气腔从其空中器官中获得氧气。从解剖学上看，湿地植物的主要特征是就是其具有发达的气腔组织，即“通气组织”。在植物的叶，茎，根部等不同部位，都有通气组织的存在，约占植物总组织体积的60％。湿地植物的生长形态本身倾向于尽量减少根际的氧气损失，但是根部的通气组织仍然会从根部释放氧气。在一些文献中，已经给出了不同植物的氧释放速率。芦苇属植物为0.02~12 gO2 /（m2•d），沉水植物为0.5~5.2 gO2 /(m2•d)，漂浮植物为0.25~9.6 gO2 /（m2 •d）。氧气的释放范围具体是由于物种差异、季节变化以及研究中使用的不同实验技术共同决定。但是，可氧化区域却仅限于与根相邻的薄土壤层中。

2.7分泌有机物

植物的根系不仅能释放氧气，还能产生一些其他物质。常见的为有机化合物，例如厌氧代谢产物、有机酸、植物营养素、肽（比如植物螯合素）、生物碱以及酚类、萜类化合物和类固醇。这些物质具体能释放出多少的比例至今还未有研究结果，但有报告给出了大致范围，通常在光合固定碳的5%~25％以内。由植物根系产生的这种有机碳可以作为脱氮剂的碳源，从而增加硝酸盐去除效果。虽然根系产物有很多种类和功能，但是在人工湿地污水处理系统中，最重要的有可能是抗菌化合物，例如单宁酸和没食子酸的释放以及参与重金属循环与去除的植物营养素和植物螯合素。

2.8用作微生物生长载体

大型水生植物浸没在水下的茎和叶为生物膜的形成提供了巨大的表面积。沉水植物的组织为固着生物如光合藻类、细菌和原生动物提供生长载体。 一方面，藻类可氧化水体吸收营养物质，细菌分解有机物；而另一方面，由于植物组织上聚集了大量其他生物，这些密集的生物可能会吸收光合有效辐射，导致植物叶子表面缺乏光照作用，从而限制了沉水植物的生长，甚至导致植物生长衰退。

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