人工湿地研究现状及对磷的去除机理

赵伟伟　方旭东

摘 要 人工湿地技术是一种生物-生态水环境修复技术，现逐渐应用于富营养化水环境治理以及河流水质的维护，文章总结了人工湿地中的磷去除机理，包括土壤对磷的吸附、植物对磷的吸收、微生物对磷的降解以及气温、CO2、水体中磷的初始浓度等外界环境作用对湿地磷的去除有着重要的影响。

关键词 人工湿地 磷 去除机理

湿地是地球上最重要的生态系统之一，是陆地和水体系统的过渡带。湿地生态系统具有具有陆地和水域生态学无法涵盖的特征和特性，被认为是生态服务最高的生态系统之一，主要表现为它的涵养水源、洪水调控功能，固定二氧化碳和释放氧气功能，保护土壤功能，污染物降解功能等。

磷是地球系统中维系生命的重要元素之一，也是生物生长和生命繁殖中不可或缺的重要元素。磷在促进生物正常生长、维持生态平衡方面发挥着无可替代的作用。

1人工湿地技术

人工湿地技术是主要利用土壤、植被、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，处理生活污水、雨水径流、工厂废水、农田排水等污水污泥。将湿地技术用于净化污水，正式进入水污染控制领域，成为国际湿地科学、受污染水体整治研究中前沿领域的热点之一，在国内外学术界都受到高度重视。当前，湿地在河流、湖泊水环境生态保护以及面源污染控制方面的作用是其他技术不可替代的，在一些水域环境保护成效较为显著的流域，都以流域内部湿地生态系统建设较好、湿地功能正常运作为特征的。

2人工湿地系统的研究现状

人工湿地技术的研究和应用最早起源于欧洲。1953年德国的MxaPlnakc研究所，该研究所的Seidel博士在研究当中发现：芦苇能去除大量有机和无机物。随后在1967年，荷兰建成了第一个表面流人工湿地，从此开启了人工湿地技术处理污水的时代。20世纪60年代末，Seidel与Kiekuth合作，并由Kickuth在1972年提出根区理论。随后在70年代，北美就开始了对不同设计的人工湿地进行广泛的试验研究，并于1993年出台了《湿地处理系统设计手册》，这标志着人工湿地技术在美国迅猛发展起来了。1987年，天津环境保护局建立了国内第一个芦苇湿地，用来处理城市生活污水，该工程有着较高的脱氮除磷功能。随着研究的发展，人工湿地技术也逐渐应用于富营养化水环境治理以及河流水质的维护。

3湿地对磷的去除机理

湿地主要通过土壤的吸附、植物的吸收、微生物的固定，泥炭的增长等作用来实现对磷的截留。而不同类型的湿地，由于它们形成演化过程的不同，土壤理化性质的不同，植被、水文条件的不同，对磷的吸收转化能力也各不相同。

3.1土壤对污水磷的吸附

污水中的磷与土壤基质表面分子颗粒相结合，土壤对磷通过吸附作用进行截留。土壤对磷的吸附可以分为物理吸附和化学吸附。物理吸附是指由吸附质和吸附分子间的引力所引起的，其特性表现为结合力较弱、吸附热较小，比较容易脱附。化学吸附则是由吸附质与吸附剂之间的化学键所引起的，和化学反应一样，化学吸附是不可逆的，其吸附热通常较大。

3.2植物对污水磷的吸收

植物是湿地系统的重要组成部分，在对污水中磷的截留功能中起着重要作用。湿地植物可通过吸收作用吸收污水中的磷，供植物自身的生长，参与植物体内的各种代谢过程。植物对磷的吸收作用，一方面表现为可通过植物根系直接同化吸收污水中的无机磷，并将其转变成自身体内的DNA、ATP以及RNA等有机成分；另一方面还可通过改变植物根区的微环境来间接对磷的去除，植物为微生物提供了足够的栖息地和繁殖空间，植物自身通过光合作用为水体输送氧气，增加了水体的活性，极大提高了净化的效果。研究表明，湿地植物的吸收作用直接促进了磷的去除。

3.3微生物对污水中磷的降解

湿地对磷的另一种净化途径是通过微生物对磷的同化作用吸收来实现的。有机物被好氧菌分解为二氧化碳和水，被厌氧菌分解为二氧化碳和甲烷；通过一系列的分解和转化，污水中的磷一部分被降解同化，另一部分则被转化成无害的无机物，回到自然界。湿地中除了好氧菌、厌氧菌和兼性厌氧菌之外，还存在有原生动物、后生动物，它们在某种程度上也参与了磷的降解过程。

3.4环境因素

湿地对磷的净化作用不仅与系統本身相关，还与许多外界环境因素密切相关。经研究发现，影响磷净化的外界环境因素有气温、CO2、水体中磷的初始浓度等。通常情况下，系统对磷的净化率都随着温度降低而呈现下降趋势，这主要因为气温的降低会导致植物和微生物的生理活性减弱，从而不利于磷的去除。许多研究表明，CO2浓度的升高对根际、根外土壤中微生物的生物量及微生物的总数量有促进作用，同时与净化磷密切相关的微生物种群（如解磷细菌）的数量也会增加，从而使湿地对磷的净化效果有所提高。随着磷负荷的增加，湿地对磷的去除效率会降低。陈博谦等通过模拟试验发现，当总磷负荷量由 454 mg/（m2·d）上升到1345 mg/（m2·d）时，去除率由 67.8%下降至 56.2%，并且磷负荷与去除率间的关系随着季节的变化而变化。

4前景展望

相较于其他的污水处理系统，人工湿地是一种高效、低耗，具有广泛应用前景的污水处理系统，它在处理工、农业污废水、垃圾渗滤液、城市暴雨径流等污染水体方面发挥了巨大作用。而除磷又是整个人工湿地核心任务之一。可以肯定的说，人工湿地除磷技术将是今后研究的一个热点，但仍有不少问题需进一步研究：

（1） 由于人工湿地除磷涉及机理比较复杂，虽然有些机理研究已经得到初步认可，但仍有些问题需要进一步研究。如磷被基质吸附后形态转化及释放特征研究较少，去除磷反应动力学模型仍未完整建立。

（2） 由于湿地的本地性特征很强，与当地的水文、地理条件息息相关，因此很多研究成果不能照搬，须考虑当地环境条件来选择最佳工艺，比如湿地植物的选择，填料层的选择等等，同时需要考虑这些条件的交互作用。

参考文献

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