人工濕地植物對廢水中重金屬的處理機制分析

羅晶 陳津端 周安剛

摘要：指出了人工濕地技術起源于20世紀60年代，在各個國家的污水處理中，都有廣泛使用，重金屬污染是各國廣泛存在的問題，也是我國環保工作的核心課題，在各類生態系統之中，濕地生態系統具有很高的生態價值。針對人工濕地植物對廢水中重金屬的處理機制進行了深入剖析，提出了人工濕地植物的選擇要點，以期提供參考。

關鍵詞：人工濕地植物;廢水;重金屬;處理機制

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）20-0068-02

1引言

在我國廢水治理中，重金屬污染問題十分常見，資料數據顯示，在江、河、湖中，重金屬污染率超過了80%，相較于其他污染物質，重金屬不易代謝、毒性大、危害重，對水體污染嚴重，也影響著水生動植物和人類的生存。重金屬處理難度高，采用常用的二級處理法，很難達到理想成效，而化學沉淀法能耗高，氧化還原法會產生大量廢渣，氣浮法會產生大量油脂與鹽分，容易引起二次污染，采用吸附法，會影響重金屬的二次回收。在這一背景下，亟待研發一種新型處理技術，實現污水重金屬處理的無害化，并能夠對重金屬進行二次利用。

相較于傳統的化學、物理處理技術，人工濕地植物集齊上述處理技術的優勢于一體，能耗低、操作便利，已經在多個國家得到推廣，前景廣闊，被廣泛應用在工業廢水、富營養水體、生活污水的處理上，處理成效穩定、去除效果好。人工濕地具有美化環境的功能，而濕地植物對于重金屬的處理會受到水深、溫度、污染物濃度、處理時間等因素的影響，不同的植物類型，對重金屬的吸收也具有一定差異。

2重金屬廢水的來源與危害

傳統意義上的重金屬有鉛、汞、鎘、鋅、鎳、錫、銅等，在經濟發展下，大量金屬材料廣泛應用，加上金屬礦藏的開發，大量重金屬進入環境中。重金屬廢水主要源自于礦業、金屬加工業、有色冶煉業、燃料業、電解業、電鍍業中。相較于其他廢水，重金屬廢水具有以下幾個顯著特征。

（1）難以降解。無論采用物理法，還是化學法，都只能改變廢水中重金屬的存在價態，很難降解。

（2）可富集性。重金屬會通過食物鏈進入農作物、動植物，最終危害人體健康。

（3）持續污染。重金屬會與廢水中的酸根、陰離子結合形成難溶于水的沉淀，也可以與氨基酸、有機酸等形成絡合物，造成長期、持續的污染。

重金屬無法降解，在廢水中，通過化學、物理作用沉積后，隨著水體pH值、水溫變化又進人生物體內，形成溶解態重金屬，危害持久，常常遷移轉化，對微生物、動植物都會產生毒害作用，嚴格控制重金屬排放具有重要的環境效益。

3人工濕地植物對廢水中重金屬的處理機制

人工濕地最早是用于二級污水、城市生活污水的處理，如今，人工濕地在重金屬廢水中的應用也日益增多，經過多年改良，人工濕地已經發展為多種工藝、多種組合的模式，根據內部結構、污水流動狀態的差異，常見的人工濕地有垂直潛流式、水平潛流式、自由表面流式、波式潛流式，類型不同，各有優點和不足之處，也適合應用在不同污水、廢水的處理中，通過人工濕地工藝組合的變化，可以處理各類規模的金屬廢水。其處理機制如下所示。

3.1植物根系的吸附作用

濕地植物根系屬于一個小型微環境，植物在攝取營養物質時，會通過根系向水中分泌氨基酸、糖、氧、內源激素、酶等代謝產物，其中，有機酸對于重金屬有一定的降解作用。濕地植物能夠適應浸水環境，通過根系，能夠朝水體釋放氧氣，構建氧化微環境，提高氧化還原電位，提高金屬廢水中的溶解氧含量，從而吸收廢水中的重金屬。研究顯示，人工濕地植物能夠氧化廢水中還原性Mn與Fe，并吸附廢水中的部分金屬陽離子與陰離子。同時，濕地植物根系分泌物還能改變根系廢水中微生物群落結構，繼而影響土壤生態系統，在微生物代謝下，能夠生成生物表面活性劑、有機酸以及鐵載體等，其中的各類螯合物還能改變重金屬形態，促進重金屬的轉運。人工濕地中有大量不同的微生物，如真菌、細菌、藻類等，這些微生物性能優異，對污水和廢水的適應性非常強，通過微生物之間的協同作用，能夠有效去除、攔截重金屬。因此，學界嘗試將抗性微生物菌種引入人工濕地中，提升重金屬處理質量，已經取得了初步研究成果。

3.2植物的吸收和轉運作用

有研究人員分析了蘆葦、香蒲以及鴨拓草對Pb的影響，結果顯示，在植物根部，Pb富集量數據遠高于莖與葉部;還有研究人員針對水蔥、甜柚、大米草對Zn、Cr、Pb、Cu的處理進行了分析，結果顯示，水蔥、甜柚與大米草在根部金屬富集量也高于根莖與葉部。人工濕地植物在吸收了金屬離子后，會轉運到液泡位置，在這一過程中，重金屬轉運蛋白起著重要作用，會參與重金屬吸收的各個環節。學界認為，這一過程涉及兩個轉運蛋白，即吸收蛋白和排出蛋白，吸收蛋白包括鋅鐵蛋白、YSL蛋白、巨噬細胞蛋白等，吸收蛋白能夠將金屬廢水中的金屬離子轉運至植物的細胞質，并將其儲存在植物根部;排出蛋白有CDF蛋白ATPases等，能夠將植物體內的重金屬運載在液泡中。而人工濕地植物中的細胞壁能夠抵御重金屬的毒害，在植物內皮層中，能夠將皮層、中柱之間分離開來，組織外部重金屬離子進入中柱中。

在重金屬的運輸中，組氨酸、鐵螯合物煙胺具有重要作用，而有機酸、含巰基化合物或者其他氨基酸，對重金屬的轉運也有重要作用。有研究人員針對油菜木質部汁液中的檸檬酸鹽、磷酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽以及氯離子進行了分析，結果顯示，磷酸鹽濃度與木質部金屬離子的運轉有關。而植物的蒸騰作用則能夠為重金屬轉運提供驅動力，夏季溫度較高的情況下，植物蒸騰作用更強，對金屬離子的吸附效應更好。此外，在人工濕地植物中，還有特殊的轉運基因osHMA3，能夠將Pb、Zn以及Cu泵出細胞，而HMA4與HMA2對于重金屬的轉運也具有重要意義。

4人212濕地植物的選擇要點

4.1濕地植物的凈化效果

在人工濕地植物的選擇上，需要優先考慮植物凈化能力，根系發達的植物，根系分泌物也會越多，能夠為重金屬廢水中微生物的生長提供適宜的微生態環境，代表性的如水燭、長苞香蒲、鳳眼蓮等，這類植物根系發達，凈化效果更好。Adock等針對蘆葦、水冬麥的精華效果進行了研究，結果顯示，水冬麥根系發達，去除效果也更明顯。目前常用的人工濕地植物有苔草屬、水燭、甜茅屬、黑三棱屬、薄荷屬、菖蒲屬等。

4.2管理要求

我國地大物博，各個地區的地形和氣候各有差異，在人工濕地植物的選擇上，需要以本土植物為主，本土植物在長期的凈化中，適應了當地的氣候和環境，管理難度低，重金屬處理效果也更好。在人工濕地的應用前期，要做好人工維護工作，避免出現種間競爭，在確保植物生物量和覆蓋度的條件下，要做好后期管理，及時清理枯死植物，避免植物腐爛造成污染。在植物的配置上，還要考慮遮光效應，定期除草、修剪，為植物營造出良好的環境。

4.3抗逆性

植物的抗逆性就是植物對重金屬的適應能力，抗逆性強的植物，在金屬廢水中重金屬離子濃度較高時也能夠正常生長、代謝。因此，在選擇人工濕地植物時，需要考慮到植物在不同環境的生長要求，對于當地的環境、土壤條件與氣候環境，也要有良好的適應力。

4.4植物生長周期

人工濕地植物在重金屬廢水處理中的應用，還要考慮到植物的生長周期，確保在各個季節，都具有良好的凈化效果，在人工濕地植物的搭配上，要盡可能確保在四季都能生存，以此來保證重金屬去除效果。

5結語

在我國水體中，重金屬污染是一個突出問題，不僅對水體造成污染，也影響人類身體健康，在重金屬廢水的處理中，人工濕地植物具有很好的應用前景，已在各國得到初步應用，我國也在積極引入這項技術，并通過“沉淀”、“一級強化”、“停床休息”、“隔離保溫”等方式來解決人工濕地的應用問題，建立了多個示范工程，在工業污水、垃圾液體、礦山排水、城市污水的處理中得到推廣。但是，該項研究還處于初級階段，其應用中也出現了一些問題，如濕地的富集飽和、重金屬的脅迫作用等。現階段適合應用在重金屬廢水中的濕地植物類型并不多，現有的植物生長時間較長、生長速度慢、植株不高、生物量也有待提升，還不適合進行大范圍地推廣與應用，還需要進行深入研究，尋找生長速度快、適應力強、生物量高的人工濕地植物。