人工湿地植物对废水中重金属的处理机制分析

罗晶 陈津端 周安刚

摘要：指出了人工湿地技术起源于20世纪60年代，在各个国家的污水处理中，都有广泛使用，重金属污染是各国广泛存在的问题，也是我国环保工作的核心课题，在各类生态系统之中，湿地生态系统具有很高的生态价值。针对人工湿地植物对废水中重金属的处理机制进行了深入剖析，提出了人工湿地植物的选择要点，以期提供参考。

关键词：人工湿地植物;废水;重金属;处理机制

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）20-0068-02

1引言

在我国废水治理中，重金属污染问题十分常见，资料数据显示，在江、河、湖中，重金属污染率超过了80%，相较于其他污染物质，重金属不易代谢、毒性大、危害重，对水体污染严重，也影响着水生动植物和人类的生存。重金属处理难度高，采用常用的二级处理法，很难达到理想成效，而化学沉淀法能耗高，氧化还原法会产生大量废渣，气浮法会产生大量油脂与盐分，容易引起二次污染，采用吸附法，会影响重金属的二次回收。在这一背景下，亟待研发一种新型处理技术，实现污水重金属处理的无害化，并能够对重金属进行二次利用。

相较于传统的化学、物理处理技术，人工湿地植物集齐上述处理技术的优势于一体，能耗低、操作便利，已经在多个国家得到推广，前景广阔，被广泛应用在工业废水、富营养水体、生活污水的处理上，处理成效稳定、去除效果好。人工湿地具有美化环境的功能，而湿地植物对于重金属的处理会受到水深、温度、污染物浓度、处理时间等因素的影响，不同的植物类型，对重金属的吸收也具有一定差异。

2重金属废水的来源与危害

传统意义上的重金属有铅、汞、镉、锌、镍、锡、铜等，在经济发展下，大量金属材料广泛应用，加上金属矿藏的开发，大量重金属进入环境中。重金属废水主要源自于矿业、金属加工业、有色冶炼业、燃料业、电解业、电镀业中。相较于其他废水，重金属废水具有以下几个显著特征。

（1）难以降解。无论采用物理法，还是化学法，都只能改变废水中重金属的存在价态，很难降解。

（2）可富集性。重金属会通过食物链进入农作物、动植物，最终危害人体健康。

（3）持续污染。重金属会与废水中的酸根、阴离子结合形成难溶于水的沉淀，也可以与氨基酸、有機酸等形成络合物，造成长期、持续的污染。

重金属无法降解，在废水中，通过化学、物理作用沉积后，随着水体pH值、水温变化又进人生物体内，形成溶解态重金属，危害持久，常常迁移转化，对微生物、动植物都会产生毒害作用，严格控制重金属排放具有重要的环境效益。

3人工湿地植物对废水中重金属的处理机制

人工湿地最早是用于二级污水、城市生活污水的处理，如今，人工湿地在重金属废水中的应用也日益增多，经过多年改良，人工湿地已经发展为多种工艺、多种组合的模式，根据内部结构、污水流动状态的差异，常见的人工湿地有垂直潜流式、水平潜流式、自由表面流式、波式潜流式，类型不同，各有优点和不足之处，也适合应用在不同污水、废水的处理中，通过人工湿地工艺组合的变化，可以处理各类规模的金属废水。其处理机制如下所示。

3.1植物根系的吸附作用

湿地植物根系属于一个小型微环境，植物在摄取营养物质时，会通过根系向水中分泌氨基酸、糖、氧、内源激素、酶等代谢产物，其中，有机酸对于重金属有一定的降解作用。湿地植物能够适应浸水环境，通过根系，能够朝水体释放氧气，构建氧化微环境，提高氧化还原电位，提高金属废水中的溶解氧含量，从而吸收废水中的重金属。研究显示，人工湿地植物能够氧化废水中还原性Mn与Fe，并吸附废水中的部分金属阳离子与阴离子。同时，湿地植物根系分泌物还能改变根系废水中微生物群落结构，继而影响土壤生态系统，在微生物代谢下，能够生成生物表面活性剂、有机酸以及铁载体等，其中的各类螯合物还能改变重金属形态，促进重金属的转运。人工湿地中有大量不同的微生物，如真菌、细菌、藻类等，这些微生物性能优异，对污水和废水的适应性非常强，通过微生物之间的协同作用，能够有效去除、拦截重金属。因此，学界尝试将抗性微生物菌种引入人工湿地中，提升重金属处理质量，已经取得了初步研究成果。

3.2植物的吸收和转运作用

有研究人员分析了芦苇、香蒲以及鸭拓草对Pb的影响，结果显示，在植物根部，Pb富集量数据远高于茎与叶部;还有研究人员针对水葱、甜柚、大米草对Zn、Cr、Pb、Cu的处理进行了分析，结果显示，水葱、甜柚与大米草在根部金属富集量也高于根茎与叶部。人工湿地植物在吸收了金属离子后，会转运到液泡位置，在这一过程中，重金属转运蛋白起着重要作用，会参与重金属吸收的各个环节。学界认为，这一过程涉及两个转运蛋白，即吸收蛋白和排出蛋白，吸收蛋白包括锌铁蛋白、YSL蛋白、巨噬细胞蛋白等，吸收蛋白能够将金属废水中的金属离子转运至植物的细胞质，并将其储存在植物根部;排出蛋白有CDF蛋白ATPases等，能够将植物体内的重金属运载在液泡中。而人工湿地植物中的细胞壁能够抵御重金属的毒害，在植物内皮层中，能够将皮层、中柱之间分离开来，组织外部重金属离子进入中柱中。

在重金属的运输中，组氨酸、铁螯合物烟胺具有重要作用，而有机酸、含巯基化合物或者其他氨基酸，对重金属的转运也有重要作用。有研究人员针对油菜木质部汁液中的柠檬酸盐、磷酸盐、硝酸盐、硫酸盐以及氯离子进行了分析，结果显示，磷酸盐浓度与木质部金属离子的运转有关。而植物的蒸腾作用则能够为重金属转运提供驱动力，夏季温度较高的情况下，植物蒸腾作用更强，对金属离子的吸附效应更好。此外，在人工湿地植物中，还有特殊的转运基因osHMA3，能够将Pb、Zn以及Cu泵出细胞，而HMA4与HMA2对于重金属的转运也具有重要意义。

4人212湿地植物的选择要点

4.1湿地植物的净化效果

在人工湿地植物的选择上，需要优先考虑植物净化能力，根系发达的植物，根系分泌物也会越多，能够为重金属废水中微生物的生长提供适宜的微生态环境，代表性的如水烛、长苞香蒲、凤眼莲等，这类植物根系发达，净化效果更好。Adock等针对芦苇、水冬麦的精华效果进行了研究，结果显示，水冬麦根系发达，去除效果也更明显。目前常用的人工湿地植物有苔草属、水烛、甜茅属、黑三棱属、薄荷属、菖蒲属等。

4.2管理要求

我国地大物博，各个地区的地形和气候各有差异，在人工湿地植物的选择上，需要以本土植物为主，本土植物在长期的净化中，适应了当地的气候和环境，管理难度低，重金属处理效果也更好。在人工湿地的应用前期，要做好人工维护工作，避免出现种间竞争，在确保植物生物量和覆盖度的条件下，要做好后期管理，及时清理枯死植物，避免植物腐烂造成污染。在植物的配置上，还要考虑遮光效应，定期除草、修剪，为植物营造出良好的环境。

4.3抗逆性

植物的抗逆性就是植物对重金属的适应能力，抗逆性强的植物，在金属废水中重金属离子浓度较高时也能够正常生长、代谢。因此，在选择人工湿地植物时，需要考虑到植物在不同环境的生长要求，对于当地的环境、土壤条件与气候环境，也要有良好的适应力。

4.4植物生长周期

人工湿地植物在重金属废水处理中的应用，还要考虑到植物的生长周期，确保在各个季节，都具有良好的净化效果，在人工湿地植物的搭配上，要尽可能确保在四季都能生存，以此来保证重金属去除效果。

5结语

在我国水体中，重金属污染是一个突出问题，不仅对水体造成污染，也影响人类身体健康，在重金属废水的处理中，人工湿地植物具有很好的应用前景，已在各国得到初步应用，我国也在積极引入这项技术，并通过“沉淀”、“一级强化”、“停床休息”、“隔离保温”等方式来解决人工湿地的应用问题，建立了多个示范工程，在工业污水、垃圾液体、矿山排水、城市污水的处理中得到推广。但是，该项研究还处于初级阶段，其应用中也出现了一些问题，如湿地的富集饱和、重金属的胁迫作用等。现阶段适合应用在重金属废水中的湿地植物类型并不多，现有的植物生长时间较长、生长速度慢、植株不高、生物量也有待提升，还不适合进行大范围地推广与应用，还需要进行深入研究，寻找生长速度快、适应力强、生物量高的人工湿地植物。