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植物在人工湿地中的作用及研究进展

来源: 作者: 发布时间:2011-10-25  

湿地植物、微生物和基质是人工湿地的主要组成部分。在植物根际,植物、微生物、基质和污染物之间发生着一系列的物理化学作用和生物作用,因此湿地植物的根际又被看作是人工湿地的活性反应区。

本文对人工湿地的作用机理,尤其是植物在污水净化过程中的作用进行了深入探讨,旨在为人工湿地的进一步研究和应用指明方向。

1 基质与植物的关系

人工湿地主要以砂砾、沙土、土壤、石块为基质,这些基质一方面为微生物的生长提供稳定依附表面,同时也为水生植物提供了载体和营养物质。当污水流经人工湿地时,基质通过一些物理和化学的途径(如吸收、吸附、过滤、离子交换、络合反应等)来净化去除污水中的NP等营养物质。

人工湿地系统中70%~80%的磷通过沉淀或吸附作用存留在土壤中,留存于植物体和调落叶中的很少。基质对无机磷的去除作用因填料不同而存在差异,若土壤中含有较多的铁、铝氧化物,有利于生成溶解度很低的磷酸铁或磷酸铝,使土壤固磷作用大大增加;若以砾石为填料,砾石中的钙可以生成不溶性磷酸钙而沉淀;花岗石和粘性土壤为主要介质的人工湿地对污水中磷的去除率达90%以上。因此,如何选择合适的基质类型对去除污水中的磷显得十分重要。磷并非永久沉积在土壤中,至少部分是可逆的。当污水中磷浓度较低时,部分磷又可重新释放到水中。基质的作用在某种程度上是作为一个磷缓冲器来调节水中磷的浓度,吸附磷最少的土壤最容易释放磷。

影响湿地水力学特征的主要参数是基质粒径分配。德国的运行经验和一些长期研究表明,砂和砾石基质在水力学条件和污染物去除方面均能获得良好的效果。垂直流人工湿地的有效粒径约为0.06~0.1 mm,水平流人工湿地的有效粒径约为0.1 mm。大于0.06 mm的粒径可使渗透系数大于10-5 m/s,为生物膜生长提供足够的表面积。

2 湿地植物的作用

沼生植物最适合于人工湿地污水处理系统,这是因为人工湿地根际条件相对较为苛刻,如:

1)湿地较高的还原环境(Eh<-200mV,水平潜流系统尤为明显)极易形成H2SCH4;(2)处理的废水或酸或碱,需要植物有一定的pH适应能力;

3)处理的废水有时是有毒废水,如含酚、表面活性剂、生物杀灭剂、重金属废水等;

4)废水具有一定的盐度。而沼生植物具有特殊的生长生理学特性,这种特性可以使他们在条件苛刻的根际条件下生存。

植物除直接吸收利用污水中的营养物质及吸附、富集一些有毒有害物质外,还有输送氧气到根区和维持水力传输的作用。

1)根的生长对基质的影响

根部的生长影响着基质的物理特性。一方面,根部和微生物量将基质孔隙堵塞;另一方面,根部的生长和微生物对枯萎根部的降解形成了新的基质孔隙。根部的生长理论上可以提高湿地水力条件,但目前在实践中还没有得到证实。有资料表明,芦苇根部可以在表层土壤区域生长到20~30 cm

2)植物的气体输送及其在根际的氧气释放

在间歇进水的垂直流人工湿地中,氧气随水流向下流动的过程而被输送至基质中。而水平潜流系统中,氧气则主要通过沼生植物输送至基质中。

植物中气体的输送是由扩散作用或强对流引起的高低压驱动的。每种植物因其类型和组成机制不同而不同。例如,香蒲和芦苇中就存在非常强的对流气体输送。这种对流是由植物氧气消耗部分产生的低压和叶面产生的高压引起的。当不同浓度的氧气被用于恢复并形成二氧化碳时,此时容易产生低压;而叶面形成的高压则使气体流经植物体,输送速率可达到10 mL气体/min。导致高压的主要原因之一是热渗透作用。

研究表明,根际的氧化还原状态对不同沼生植物根系氧气释放的强度有着重要的影响。例如,在还原态下,芦苇和灯芯草的氧气释放强度主要取决于介质中的氧化还原态。在-250 mV<Eh<-150 mV下,氧气释放速率最高;当Eh<-250 mVEh>-150 mV时,释放强度要相对较低。氧气释放时,芦苇的电位要比灯芯草的电位更高一些。

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