人工湿地植物的净化效果研究进展

摘 要：人工湿地是一项新兴的污水净化技术。该文主要总结了人工湿地的类型及特点，其中详细介绍了湿地植物对各种污染物的净化效果，最后规划了下一步的研究方向。

关键词：人工湿地；植物净化；综述

中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）12-0087-04

Abstract：Constructed wetland is a new sewage purification technology.In this paper，the types and characteristics of constructed wetlands are summarized，the purification effect of wetland plants on various pollutants is introduced in detail.Finally，the next step is planned.

Key words：Constructed wetland；Plant purification；Summarize

1953年，德国MaxPlanck研究所Seidel博士在实验中发现了芦苇对去除污水中有机物和无机物的效果较好，开创了利用植物对污水进行净化的研究领域。人工湿地的研究从20世纪70年代开始盛兴，于10a之后被引进中国[1-5]。在人工湿地中，植物有着不可或缺的作用，包括去除污染物（包括解决富营养水体、有机残留、重金属等）、保持湿地环境、制造氧气等功能。本文侧重归纳了人工湿地植物净化效果的研究进展，并探讨了今后的研究方向。

1 人工湿地

1.1 湿地的定义 1979年，湿地的定义被美国一个保护机构首次提出：湿地是位于陆地和水生两大生态系统之间的转换区域，它的地下水位一般可到达或靠近地表或处于浅水淹覆状况，土层非土壤且每年生长季部分时间被水淹没，以水生植物生长为优势[6-11]。

在国内学术界，人工湿地的定义通常指人工构建的、可以控制和工程化的湿地系统，其设计和构建原理是把湿地生态系统各种化合作用进行优化组合之后来进行污水处理。它是一个特别的生态系统，一般由基质和水生植物组成。

1.2 人工湿地的特点 人工湿地具有一些特征：定期或者不定期表面有水，水文情况一般为慢速流域或浅水域，生长的植物一般为能够在水饱和条件下生长的维管束植物。人工湿地的构成：植物，对污染物的转化降解具有重要作用、供给氧气等、损耗营养物；基质，土、砂石和一些沉淀物作为支持物；微生物，实现物质转化和元素交替；动物，无脊椎动物能够利于有机质的处理。

1.3 人工湿地的类型 表面流动式湿地（FWS），也称自由水面湿地。由盆地或者沟渠组成，水面在基质之上，土壤等基质支撑沉水植物生长。表面下流动式湿地（SFS），即潜流湿地。由多孔砾石等基质填充的密闭洼地组成，水流在基质最高点以下。流动路径有横向的和垂直的，据此分为水平流潜流系统和垂直流潜流系统。

1.4 人工湿地植物的种类 人工湿地中的植物一般是指植株部分或全部可以长时间在水体或者含水多的基质中生存的植物，其中最多的为水生草本植物。根据植物在水中的生活习惯，可以把湿地植物分为3个类型：（1）根茎在土壤之中，上面秆茎与叶片均高出水面称为挺水植物。（2）根茎在土壤上方，即漂浮在水面上生长称为浮水植物。（3）根茎在土壤，而整个植株悬浮在水中称为沉水植物。

2 人工湿地植物净化效果

2.1 去氮除磷 湿地植物的根可以对污水中的营养物质进行吸收和转化，对去氮除磷特别重要，而且可以蓄积重金属与有毒物质。有学者研究显示，有植物的人工湿地比无植物的人工湿地硝化作用和去氮效果要好；蒋跃平等认为，当净化轻度富营养化水体的人工湿地时，比较容易除氮的方式是植物的吸收[12]。贺锋等研究表明，氮素积累主要位于植物的上方，所以除氮可以通过收割植物上方的方式进行[13]。崔丽娟等也对经过菖蒲、香蒲、芦苇、茭白植物的不同部位对N、P的积累量进行了研究[14]。赵永军等还对不同植物对于不同C/N比生活污水的净化效果进行研究，得出了菖蒲、千屈菜、水葱、香蒲等能够处理的生活污水的C/N比范围[15]。

2.2 去除有机物 植物和微生物协同作用可以用于净化有机污染物，它的处理方式主要有：转化、结合与分离。在潜流人工湿地系统中，植物生长繁茂的系统可以很好的去除COD，并且旺盛的植物还消除水的深度的影响。贺锋、吴振斌等认为，水葱可以将食品厂废水的COD降低3/4，BOD降低2/3；在茭白和慈姑作用下，城市污水的BOD去除率可达3/4以上，而芦苇、香蒲、眼子菜和凤眼莲等对石油废水的有机物去除率可高达95%以上[16]。桂召龙等研究认为草可以很好地净化采油产生的废水，吸附许多难以处置的有机污染物。曲文杰研究得出了水葫芦、菖蒲、皇冠草人工湿地系统对硝基苯的净化效率依次增加[17]。

2.3 去除有C农药 有机农药的过度使用一直是水体介质污染的重要原因之一，严重的威胁到人类健康及环境，因此如何处理水体中的有机农药很受关注。李咏梅等通过人工湿地对低浓度重金属污水进行处理试验发现菖蒲等有机农药烟嘧磺隆的去除效率达到了80%[18]。

2.4 吸附重金属 水溶性重金属可以通过植物根部吸收，改变根部环境可以改变污染物，从而减少重金属污染物的毒性。陈明利等认为，种植凤眼莲和水蕹的湿地和对照组相比，对Cd2+、Zn2+的去除率都有增加[19]。施雪黎还分析得出了当Cd2+和Pb2+在西湖景区自然土壤和人工添加重金属的盆栽土壤中浓度无明显差异时，黄营蒲和睡莲等在两个条件下对Cd2+和Pb2+的积累能力无明显差异[20]。

3 影响人工湿地植物净化效果主要因素

3.1 水力负荷 水力负荷对湿地植物的净化效果影响较大，一般来说，在承载范围内，随着水力负荷的增大，植物对污染物的去除率逐步减少，但总去除效果在增加。李咏梅研究结果表明，当水力负荷逐渐增大时，人工湿地对烟嘧磺隆的去除率逐渐减小[18]；凌祯得到了6种不同植物的FWS人工湿地的最佳HL、最佳去除率[21]。武俊梅等得出不同填料对COD的去除能力也有不同，在垂直流人工湿地中，针对水质特性可以选择最佳的填料，比如在高水力负荷条件下处理效果更好的有沸石与无烟煤等[22]。

3.2 污染物类型及浓度 氮、磷、有机物、有机农药和重金属等是影响人工湿地去除效果的主要因素。徐治国等研究表明：营养物质的长时间积累，使湿地植物地上生物量和相对密度均有下降，地上生物量和相对密度之间呈现为微弱的单峰变化关系[23]。李欲如等通过研究发现低污染水中水蕹菜比美人蕉能更好的去除氮磷；中污染水中水蕹菜比美人蕉去除NH3-N的效果好；高污染水中，水蕹菜对全部指标的净化效果都比美人蕉差[24]。王全金等认为pH、水力负荷、碳氮比等因素对潜流人工湿地氨氮的去除率影响很大，各个因素影响程度顺序为：水力负荷、碳氮比>pH>湿地植物[25]。

3.3 植物串联级数 在人工湿地中，植物的串联级数越多去除效果越好，但植物的串联级数受到成本的限制。严立等研究发酵，三级人工湿地可以逐级净化景观水体中的有机物、氮和磷等污染，对出水氨臭现象也可适当减轻。三级湿地的脱氮除磷效果比单级湿地好，对TP的去除率比TN好[26]。周h等发现多种湿地植物组合比单种湿地植物对水体的净化作用强[27]。宋英伟等发现茭白单一植物湿地与鸢尾+菖蒲混合植物湿地对污染物的去除率相差很小；人工湿地有植物比无植物时对TN、TP的去除率都要更好，植物对污染物的去除有重要作用[28]。

3.4 湿地植物的水平、垂直分布 不同的人工湿地的分布对于不同的水体有着不同的影响。舒柳研究发现4种不同的人工湿地对CODcr的去除效果有较大差别，其中垂直流人工湿地>水平流和表面流人工湿地>沟渠型人工湿地。对于出水水质稳定性，垂直流人工湿地>水平流和表面流>沟渠型人工湿地[29]。余波平发现当水力负荷为1000～2000mm/d时，两个系统的平均去除率分别为磷酸盐：20.1%和34.8%，TP：27.3%和49.1%[30]。

3.5 pH 水体的pH通过影响植物的生长以及水体中污染物的形态等影响植物去除效果。胡绵好等发现利用在不同pH下处理6d后，植物系统在pH为8.9时对各污染物的去除效果最好，对TP和Chla的去除效果分别在pH为6.7与5.0下最佳。另外变换不同pH条件处理时，对水体中含氮污染物的去除效果在pH偏碱时较好[31]。付春平等认为当pH越低时，TN的最大释放量越大，pH处于3.98～10.07的范围内，TP的最大释放量基本一致，pH处于10.07～11.94范围内，TP的最大释放量迅速增加[32]。张迎颖等发现水葫芦和紫根水葫芦对水体氮磷浓度处理效果不稳定，但在碱度较大条件下，二者的净化能力均减弱[33]。

3.6 季节与温度 人工湿地植物受到温度和季节的影响是显著的。罗固源等认为温度对生态浮床系统的影响显著，净化氮、磷时，其影响呈抛物线型。当水温为2～29℃时，生态浮床对氮和磷的去除率与温度呈正相关；当水温大于29℃时，系统对氮和磷的去除率与温度呈负相关的趋势[34]。舒柳通过实验得出人工湿地对污水去除率随季节的变化呈"V"形变化，基本趋势为秋季>夏季≈冬季>春季。

3.7 植物种类 不同的植物由于其自身生理特性与不同的污染物有着不用的影响。蔡冬蓉等认为青萍对磷有很好的亲和力，比较适合用来净化轻度污染水体；紫萍对磷吸收速度较快，适合修复重度污染水体；而根少的紫萍吸收速度缓慢，生长迟缓，基本不用来修复生态[35-36]。

4 研究方向的l展趋势

4.1 继续研究植物净化最佳组合 植物之所以重要是因为在人工湿地中，生态系统的主要合理选择是物种与群落配置，其可以加快处理效率、提升系统的稳定性与景观美观，不但可以很快形成群体，还可以很好的净化污染物[37]。构成人工湿地的植物种类不同，其对污水的净化效果也有很大差异[38]。

4.2 研究湿地植物配置的生态效益评估 植物对污染物的去除能力不仅与其自身有关，还与环境因素有关，可以通过深入分析植物自身、环境因素之间的关系，然后从理论上找出原因。对现在的人工湿地的污染物去除效果、生态价值等进行分析后，探讨出一套完整、系统科学的评价体系，对现有的人工湿地植物进行客观、科学地生态评价，使得环巢湖人工湿地的环境、经济、景观等生态服务功能得到合理使用[39-43]。

4.3 研究湿地植物的生态安全性 湿地植物均具有一定的生态适应性，通常具有很高的整体应用价值，但有些因素会限制它们的应用范围，例如凤眼莲在一些地区可能会造成生物入侵的现象，另外紫萍、浮萍等生长不易被控制，亦会形成生物入侵。

4.4 研究湿地植物的繁殖生长行为 通过研究植物在污水中的抗逆性研究，尤其是研究其越冬期去污能力下降的问题以及春夏的复苏性，便于选择的植物能够更好的适应人工湿地环境，并维持湿地的去污能力[44-45]。

4.5 研究湿地中植物与微生物、基质的协作作用 人工湿地作为处理污水的一种生态技术，因为基质、植物、微生物可以形成微环境中，它们相互协同合作，使污染物被高效净化。可以加大力度探索人工湿地植物根系对污水的适应性。湿地植物根系可以有效改善土壤微环境，通过对根系的微生物和酶产生影响，从而改变对污水的处理效果。

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