湿地植物在人工湿地脱氮中的应用及研究进展_王玮

第 40 卷 第 3 期
22 2014 年 3 月
水处理技术 TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT
Vol.40 No.3 Mar.,2014
湿地植物在人工湿地脱氮中的应用及研究进展
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）
摘 要：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，
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]。
张荣社等对芦苇和茭草人工湿地脱氮效果的研 究表明，系统最大 TN 去除率发生在夏季（7－8 月）， 分别达到 3 374 和 2 998 mg/(m·2 d)，对应冬季（12－1 月）最低去除率分别为 1 244 和 1 044 mg/(m2·d)[28]。
低温条件下，根系微生物基质酶的活性受到抑 制，酶促反应速度很慢，影响硝化和反硝化作用，在 4 ℃以下人工湿地中氨氮的硝化作用微弱，趋于停 止[29-30]。同时，蒸发蒸腾过程对人工湿地氮的去除也 有着重要影响，特别在夏季，氨氮的去除率与蒸发蒸 腾关系密切。对植物光合及蒸腾特性对人工湿地脱 氮效果的影响发现，随着温度升高，人工湿地蒸发量 增大，湿地中氨的挥发作用加剧，从而使湿地中 TN 去除率增大[31]。 3.1.2 光 照
（4）兼顾景观效果，注重水生植物的合理搭配。 为了增强人工湿地的污染物净化能力和景观效果， 一般在人工湿地中选择一种或几种植物作为优势种 搭配栽种。以北京奥林匹克森林公园人工湿地系统 为例，在选择植物时，要遵循深根系植物与浅根系植 物搭配，丛生型植物与散生型植物搭配，吸收氮多的 植物与吸收磷多的植物搭配，以及常绿植物与季节 性植物搭配等原则[26]。切忌配置单一品种，以避免出 现季节性的功能下降或功能单一。
人工湿地中的植物受地域和自然条件的影响较
大，一般应选用适应性强、耐污能力强和去污效果好
的植物。为了综合发挥各植物的优势，人工湿地往往
种植多种植物，以有效去除多种污染物质，同时提升
景观效应。目前人工湿地中最常用的植物是芦苇、香
蒲、美人蕉、凤眼莲、黑三棱和梭鱼草等，此外，金鱼
藻、空心莲子草、慈姑、香根草、菱白和苔草等也比较
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。
光合作用是人工湿地植物生长繁殖和污水净化 的重要能量来源，光合作用会影响植物根部泌氧，间 接影响人工湿地中氨氮的硝化，这是一些学者认为可
通过优选光合产氧输氧能力强的植物或采用适当增加 种植密度等方式加强供氧以强化脱氮效果的原因[32]。
黄娟等研究发现，夏季（7 月）中午 12:00－14:00， 芦苇人工湿地 COD、TN 及氨氮去除率均达到全天 最高，分别达 85%、72%、70%以上，明显高于其它时 段，且与植物净光合速率呈相似的变化规律[33]。说明 植物光合作用影响人工湿地 DO 分布，从而导致了 不同时段人工湿地净化效果的差异。 3.2 运行条件 3.2.1 污水性质
王 玮等，湿地植物在人工湿地脱氮中的应用及研究进展
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表 1 常见植物特点的分类描述
Tab.1 Categorical description of the common plants' characteristics
类型
特点
挺水植物 1)芦苇：多生长于低湿地或浅水中，适应性广、抗逆性 强、生物量高，脱氮效果较好； 2)美人蕉：多年生球根根茎类草本植物，在温暖地区无 休眠期，对有机物和氮的去除效果较好； 3)水葱：能耐低温，对污水中有机物、氨氮、磷酸盐及重 金属都有较高的去除率； 4)香蒲：适于生长在温暖、光照充足的环境，对低含量 废水中的氮磷去除能力较强
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。
关键词：人工湿地；植物；脱氮；配置
77.6 90.4
茭白
55.7 52.2
92
82.3
凤眼莲
47.7 61.4
60.2 40.8
金鱼藻
55.9 60.3
80.3 74.7 空心莲子草 53.8 35.7
90.2 88.5
2.2 配置原则 人工湿地中的植物差异会显著影响湿地脱氮效
果。一般应选用本地区天然湿地中存在的具有很强 的生命力和长势旺盛的植物。在进行植物配置时要 遵循以下原则。
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（emergent plant）、浮水植物（floating plant） 和沉水植物（submerged plant）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]。
（3）根系发达。植物具有发达的庞大根系是被 选为人工湿地植物的重要因素之一[24]。对水麦冬和 芦苇 2 种人工湿地植物研究发现，水麦冬具有明显
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水处理技术
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发达的根系和较高的地下生物量，对氮、磷的去除效 果是芦苇的 5 倍[25]。在正常运行的人工湿地中，污染 物主要是靠附着生长在水生植物根区表面及附近的 微生物去除的。选择根系比较发达且较长的水生植 物，能够大大提高人工湿地净化污水的能力。
2 不同植物的脱氮效果及配置
2.1 脱氮效果 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
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@ 联系作者：宋新山，教授；电子邮件：newmountain@
浮水植物 1)凤眼莲：可以吸收利用水中无机氮、磷等元素，发达 的根系还能吸附大量重金属； 2)浮萍：生长期可以大量吸收污水中的氮磷，从而具有 较好的氮磷去除率； 3)睡莲：根系能吸收水中的汞、铅、苯酚等有毒物质，还 能过滤水中的微生物
沉水植物 1)金鱼藻：喜氮植物，水中无机氮含量高生长好，对有 机物和氮的去除效果较好； 2)狐尾藻：分布广泛，生于池塘和湖泊中，能高效去除 水中有机物、氨氮、磷酸盐等； 3)黑藻：多年生沉水植物，主要利用的磷形态是弱吸附 态磷和可还原性磷（RSP）
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。
1 脱氮机理
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。
3 影响脱氮因素
3.1 环境条件 3.1.1 温 度
植物的生长状况与人工湿地脱氮效果关系密 切，通常在适宜植物生长的季节，人工湿地的脱氮效 果好[27]。
赵丽娜等研究表明，菖蒲和香蒲在春季具有较 好的生长能力和处理效果，对 TN、TP 和 COD 的去 除率分别达到了 72.46%、90.36%、65.05%和 69.82%、 91.32%、77.15%，而美人蕉在春季的生长较为缓慢， 对水中主要污染物的去除能力较差，不适宜作为春 季人工湿地植物[19]。
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，从植物组合的角度，无论是 2 种植物还是 3 种植物相对单一植物系统其净化效果 更好[14]。不同植物对有机污染物有不同的去除效果， 有的可以高效的吸收氮，有的能更好的富集磷，当多 种植物组合使用时就会有利于植物之间的取长补 短，提高人工湿地系统的污水净化效率。