人工濕地研究現狀及對磷的去除機理

趙偉偉　方旭東

摘 要 人工濕地技術是一種生物-生態水環境修復技術，現逐漸應用于富營養化水環境治理以及河流水質的維護，文章總結了人工濕地中的磷去除機理，包括土壤對磷的吸附、植物對磷的吸收、微生物對磷的降解以及氣溫、CO2、水體中磷的初始濃度等外界環境作用對濕地磷的去除有著重要的影響。

關鍵詞 人工濕地 磷 去除機理

濕地是地球上最重要的生態系統之一，是陸地和水體系統的過渡帶。濕地生態系統具有具有陸地和水域生態學無法涵蓋的特征和特性，被認為是生態服務最高的生態系統之一，主要表現為它的涵養水源、洪水調控功能，固定二氧化碳和釋放氧氣功能，保護土壤功能，污染物降解功能等。

磷是地球系統中維系生命的重要元素之一，也是生物生長和生命繁殖中不可或缺的重要元素。磷在促進生物正常生長、維持生態平衡方面發揮著無可替代的作用。

1人工濕地技術

人工濕地技術是主要利用土壤、植被、微生物的物理、化學、生物三重協同作用，處理生活污水、雨水徑流、工廠廢水、農田排水等污水污泥。將濕地技術用于凈化污水，正式進入水污染控制領域，成為國際濕地科學、受污染水體整治研究中前沿領域的熱點之一，在國內外學術界都受到高度重視。當前，濕地在河流、湖泊水環境生態保護以及面源污染控制方面的作用是其他技術不可替代的，在一些水域環境保護成效較為顯著的流域，都以流域內部濕地生態系統建設較好、濕地功能正常運作為特征的。

2人工濕地系統的研究現狀

人工濕地技術的研究和應用最早起源于歐洲。1953年德國的MxaPlnakc研究所，該研究所的Seidel博士在研究當中發現：蘆葦能去除大量有機和無機物。隨后在1967年，荷蘭建成了第一個表面流人工濕地，從此開啟了人工濕地技術處理污水的時代。20世紀60年代末，Seidel與Kiekuth合作，并由Kickuth在1972年提出根區理論。隨后在70年代，北美就開始了對不同設計的人工濕地進行廣泛的試驗研究，并于1993年出臺了《濕地處理系統設計手冊》，這標志著人工濕地技術在美國迅猛發展起來了。1987年，天津環境保護局建立了國內第一個蘆葦濕地，用來處理城市生活污水，該工程有著較高的脫氮除磷功能。隨著研究的發展，人工濕地技術也逐漸應用于富營養化水環境治理以及河流水質的維護。

3濕地對磷的去除機理

濕地主要通過土壤的吸附、植物的吸收、微生物的固定，泥炭的增長等作用來實現對磷的截留。而不同類型的濕地，由于它們形成演化過程的不同，土壤理化性質的不同，植被、水文條件的不同，對磷的吸收轉化能力也各不相同。

3.1土壤對污水磷的吸附

污水中的磷與土壤基質表面分子顆粒相結合，土壤對磷通過吸附作用進行截留。土壤對磷的吸附可以分為物理吸附和化學吸附。物理吸附是指由吸附質和吸附分子間的引力所引起的，其特性表現為結合力較弱、吸附熱較小，比較容易脫附。化學吸附則是由吸附質與吸附劑之間的化學鍵所引起的，和化學反應一樣，化學吸附是不可逆的，其吸附熱通常較大。

3.2植物對污水磷的吸收

植物是濕地系統的重要組成部分，在對污水中磷的截留功能中起著重要作用。濕地植物可通過吸收作用吸收污水中的磷，供植物自身的生長，參與植物體內的各種代謝過程。植物對磷的吸收作用，一方面表現為可通過植物根系直接同化吸收污水中的無機磷，并將其轉變成自身體內的DNA、ATP以及RNA等有機成分；另一方面還可通過改變植物根區的微環境來間接對磷的去除，植物為微生物提供了足夠的棲息地和繁殖空間，植物自身通過光合作用為水體輸送氧氣，增加了水體的活性，極大提高了凈化的效果。研究表明，濕地植物的吸收作用直接促進了磷的去除。

3.3微生物對污水中磷的降解

濕地對磷的另一種凈化途徑是通過微生物對磷的同化作用吸收來實現的。有機物被好氧菌分解為二氧化碳和水，被厭氧菌分解為二氧化碳和甲烷；通過一系列的分解和轉化，污水中的磷一部分被降解同化，另一部分則被轉化成無害的無機物，回到自然界。濕地中除了好氧菌、厭氧菌和兼性厭氧菌之外，還存在有原生動物、后生動物，它們在某種程度上也參與了磷的降解過程。

3.4環境因素

濕地對磷的凈化作用不僅與系統本身相關，還與許多外界環境因素密切相關。經研究發現，影響磷凈化的外界環境因素有氣溫、CO2、水體中磷的初始濃度等。通常情況下，系統對磷的凈化率都隨著溫度降低而呈現下降趨勢，這主要因為氣溫的降低會導致植物和微生物的生理活性減弱，從而不利于磷的去除。許多研究表明，CO2濃度的升高對根際、根外土壤中微生物的生物量及微生物的總數量有促進作用，同時與凈化磷密切相關的微生物種群（如解磷細菌）的數量也會增加，從而使濕地對磷的凈化效果有所提高。隨著磷負荷的增加，濕地對磷的去除效率會降低。陳博謙等通過模擬試驗發現，當總磷負荷量由 454 mg/（m2·d）上升到1345 mg/（m2·d）時，去除率由 67.8%下降至 56.2%，并且磷負荷與去除率間的關系隨著季節的變化而變化。

4前景展望

相較于其他的污水處理系統，人工濕地是一種高效、低耗，具有廣泛應用前景的污水處理系統，它在處理工、農業污廢水、垃圾滲濾液、城市暴雨徑流等污染水體方面發揮了巨大作用。而除磷又是整個人工濕地核心任務之一。可以肯定的說，人工濕地除磷技術將是今后研究的一個熱點，但仍有不少問題需進一步研究：

（1） 由于人工濕地除磷涉及機理比較復雜，雖然有些機理研究已經得到初步認可，但仍有些問題需要進一步研究。如磷被基質吸附后形態轉化及釋放特征研究較少，去除磷反應動力學模型仍未完整建立。

（2） 由于濕地的本地性特征很強，與當地的水文、地理條件息息相關，因此很多研究成果不能照搬，須考慮當地環境條件來選擇最佳工藝，比如濕地植物的選擇，填料層的選擇等等，同時需要考慮這些條件的交互作用。

參考文獻

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