湿地植物在人工湿地脱氮中的应用及研究进展

目前水体富营养化问题日趋严重，从水体中脱除氮素已成为水处理领域的研究热点。人工湿地作为一种生态化、低成本的水处理技术，在国内外已广泛用于污废水的脱氮处理[1]。人工湿地对氮的净化主要通过基质吸附、植物吸收和微生物的硝化-反硝化作用实现，其中硝化-反硝化是最主要的脱氮过程[2]。研究表明，人工湿地系统平均可以去除86%～98%的氨氮，大于99%的亚硝态氮，82%～99%的硝态氮和95%～98%的总无机氮[3-4]。湿地植物是人工湿地的核心部分之一，也是人工湿地作为生态处理的特点所在[5]。植物在人工湿地脱氮过程中发挥着重要的作用：一方面通过自身组织吸收直接去除污染水体中的氮，另一方面植物根系释氧作用使根际周围形成好氧、缺氧及厌氧区域，有利于微生物的硝化-反硝化作用，促进氮的转化去除[6-7]。研究湿地植物的脱氮效果对提高人工湿地脱氮效率意义重大。本文对人工湿地中常见的植物进行了分类描述，对比了不同植物的脱氮效果，重点论述了人工湿地中植物的配置原则和影响植物脱氮的主要因素，并对今后的相关研究方向进行了展望。植物通过生物量增长从湿地中吸收氮素被认为是湿地净化机制的重要途径之一。植物吸收的氮素主要是硝态氮和氨态氮，也包括一些小分子含氮有机物如尿素和氨基酸等，通过同化作用转化为自身组织的一部分[8-10]。通过对人工湿地中植物的收割和管理，最终使污染物从人工湿地系统中去除。此外，人工湿地中植物的光合作用及植物茎、根系对氧的输送和释放，使根系周围的水环境中由近及远依次呈好氧、缺氧及厌氧状态，有利于微生物硝化-反硝化作用的进行，也可促进氮的转化去除。目前在国内外已有许多植物种类被用于人工湿地污废水处理系统。按照其形态和生活习性可分为：挺水植物（emergentplant）、浮水植物（floatingplant）和沉水植物（submergedplant）3大类。挺水植物主要有芦苇、美人蕉、蒲草、水芹、水葱、茭白、香蒲、千屈菜、菖蒲和风车草等；浮水植物主要有凤眼莲、浮萍和睡莲等；沉水植物主要有伊乐藻、茨藻、金鱼藻和黑藻等。不同植物对污水中污染物的去除能力不同，应针对不同的污染物类型选用不同的植物。表1对常见植物的特点进行了分类描述[11]。人工湿地对污染物的净化主要通过植物、填料和微生物之间的物理、化学和生物作用实现。植物是人工湿地的重要组成部分，植物不但可以去除污染物，还可以促进污水中营养物质的循环和再利用。植王玮，丁怡，王宇晖，宋新山（东华大学环境科学与工程学院，上海201620）介绍了人工湿地系统中植物在污水脱氮方面发挥的重要作用，简述了目前研究中常用的3种湿地植物类型，包括挺水植物、浮水植物和沉水植物；介绍了植物脱氮的主要机理，植物通过吸收利用、根系微生物的硝化反硝化作用，来实现氮的去除，指出不同植物由于生理特性不同，对氮的去除效果不同。通过对比研究不同植物的脱氮效果，总结了人工湿地中植物的配置原则和影响植物脱氮的主要因素。对今后的相关研究方向进行了展望。人工湿地；植物；脱氮；配置X703.1A1000-3770(2014)03-0022-005收稿日期：2013-07-19基金项目：国家自然科学基金（51079028，51309053）作者简介：王玮（1990－），女，博士研究生，研究方向为水环境生态修复；联系电话：15001990966；电子邮件：vivian966@126.com联系作者：宋新山，教授；电子邮件：newmountain@dhu.edu.cn第40卷第3期2014年3月Vol.40No.3Mar.,201422网络出版时间：2014-03-2512:28网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/33.1127.P.20140325.1228.005.html物的种类、根际输氧能力等因素会影响植物脱氮作用的发挥。不同植物的生理特性不同，进而对污染物去除效果的差异也很大，所以导致人工湿地除污效果的明显不同。植物通过强化人工湿地填料内部微生物活动，促进根际微生物吸收、根系滞留、根际周围硝化反硝化等作用，提高人工湿地的脱氮效果。刘霄等对4种湿地植物的生长特性和污水净化效果进行研究后发现，在同样的进水水质和水力负荷条件下，芦苇和香蒲的脱氮效率明显优于黑三棱和梭鱼草[12]。主要原因是芦苇和香蒲的根系发达，泌氧能力强，通过植物吸收和根系滞留作用增加了氨氮的去除量，同时根际微生物的数量多活性大，进一步加强了氨化细菌的氨化作用。同时，研究表明美人蕉相较于芦苇、香蒲更适于处理高含量生活污水，而凤眼莲-金鱼藻人工湿地对低含量污水有较好的净化效果[13]。此外，通过多种植物的合理搭配所产生的互补效应，也可以提高人工湿地植物的去污能力。魏成等研究了芦苇、美人蕉和风车草3种植物不同组合对人工湿地的净化效率，