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人工濕地的水陸過渡性使其耦合、交匯作用復雜化,故對環境的反饋作用是多方面的。與自然濕地生態系統類似,人工濕地同樣具有一定的功能與效應。總體上,人工濕地的功能與效應可分為兩個方面,即自然功能效應和社會功能效應。
表1 人工濕地的功能與效應
1人工濕地的去污機制
人工濕地是植物、基質和微生物等各要素相互作用的共生系統,其去污機制較為復雜。人工濕地水質凈化系統主要是通過基質、植物、微生物間等物理、化學及生物作用協同完成污染物質的去除。
物理作用主要有過濾和沉積作用,基質層和植物體組成一個天然的過濾器,可對污水中的懸浮污染物進行過濾和截留,使其沉積在基質中。此外,基質填料通過表面吸附作用能吸附各種溶解性污染物。化學反應主要指發生在植物、基質及微生物間的化學沉淀、吸附、離子交換、氧化還原反應等,其中,基質種類和性質對化學反應起決定性作用。生物反應包括植物代謝和吸收及在好養、兼性厭氧和厭氧環境下系統微生物的各種代謝活動。基質中生長著大量的細菌、真菌、霉菌及原生、后生動物等,植物通過泌氧作用,使根區周圍依次呈現好氧、缺氧及厭氧微環境,促進微生物生長和繁殖,強化了污染物的遷移轉化能力。在各種作用機理中,生化作用是實現人工濕地去污的最重要途徑。
(1)人工濕地的有機物去除機理
人工濕地中的有機物污染物大致可分為不溶性和可溶性有機物兩類。不溶性有機物主要是通過沉降、植物欄截、基質過濾等作用截留在濕地中,然后被微生物降解或利用去除;可溶性有機物則是通過基質及植物根系表面附著的生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解過程而被分解除去。污水中大部分有機污染物最終可被微生物轉化為微生物有機體及氣體釋放到環境中,其微生物降解過程可分為好氧降解和厭氧降解。好氧異養微生物通過好氧降解過程將有機污染物降解為CO2和H2O;兼性厭氧微生物和專性厭氧微生物將有機污染物分步分解為脂肪酸類有機物、醇類、CO2和H2O;其他專性細菌(如硫酸鹽還原菌和產甲焼菌等)通過厭氧降解過程將有機污染物進一步分解為CH4、CO2、H2S等。
濕地植物對有機污染物的直接攝取、降解作用可以忽略不計,但植物根際大量聚集的微生物和根際分泌物質在可溶性有機物的去除中起著極其重要的作用,根區微生物不僅可以吸收有機物,還可以分泌的許多酶類促進有機污染物質的降解過程。
表面流人工濕地中碳遷移轉化
(2)人工濕地的氮去除機理
人工濕地中的含氮污染物的迀移轉化過程如圖所示。人工濕地去除氮的主要途徑有微生物的氨化、硝化和反硝化作用以及植物吸收、揮發、基質吸附和離子交換等作用。人工濕地中的含氮污染物主要包括顆粒有機氮、溶解有機氮、NH4+-N和NO3--N等。一般進入人工濕地的有機氮可被截留于基質內部,通過微生物氨化作用轉化為NH4+-N而又返回水體之中。污水中NH4+-N—方面通過形式向大氣揮發,另一方面,在好氧環境中通過微生物硝化作用轉化成硝態氮去除(或在厭氧條件下厭氧氨氧化為氮氣去除,此外,被植物吸收利用。NH3--N主要是被植物和水體中的好氧微生物吸收利用而去除,或被微生物反硝化還原成氣態氮(N2、N2O)而進入大氣。
表面流人工濕地中氮遷移轉化
植物吸收的無機氮污染物必須通過收獲才能離開濕地系統,微生物的硝化/反硝化過程才是含氮污染物最終得到去除的主要途徑。在人工濕地系統中,溶解氧沿基質層自下而上呈現出厭氧、缺氧及好氧三種狀態;同時,濕地植物通過泌氧作用將氧釋放到根區環境中,使其依次呈現形成厭氧、缺氧及好氧狀態,這相當于許多串聯或并聯的A/A/O處理單元,從而使系統硝化反硝化作用有條不紊地進行。
人工濕地生物脫氮過程
①氨化作用:在好氧條件下,有機氮化合物在氨化菌的作用下轉化為NH4+-N的過程。
②硝化作用:在好氧狀態下,將NH4+-N轉化為NO3--N的過程。硝化反應包括兩個基本反應步驟:第一階段是由氨氧化菌將NH4+-N轉化為NO2--N,稱為亞硝化反應。第二階段則由亞稍酸鹽氧化菌將NO2--N進一步氧化為NO3--N,稱為硝化反應。
③反硝化作用:是在缺氧旳條件下,由反硝化細菌將亞硝酸鹽和硝酸鹽還原成氣態氮(N2、N2O)的過程。反硝化過程由同化作用和異化作用完成,同化作用是反硝化菌將NO2--N和還原成為NO3--N,供細胞代謝使用。異化作用是將NO2--N和NO3--N還原為NO、N2O、N2等氣體物質。
④厭氧氣氧化作用:在缺氧環境中,由厭氧氨氧化菌將NH4+-N用NO2--N氧化為氮氣的過程。
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