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自然湿地对水体富营养化的影响 湿地处理始于20世纪50年代。德国科学家kahele和reinholdechn使用湿地去除废水中的养分和浮游生物。在过去的数十年里,湿地水质净化功能的研究和实践得到了许多国家和地区科研机构和管理层的广泛参与。处理污水的湿地可以分为人工湿地和自然湿地,其中人工湿地指通过人工构建、引种植物并加以严格的水力条件控制来处理废水中污染物质的湿地,而自然湿地指自然界原本存在的、可以直接利用或者通过一定的恢复程序后用来处理污水的湿地。人工湿地从某种意义上来说还是污水处理装置的生态化,使用自然湿地进行污水净化则兼有自然资源管理和环境保护的双重功效,有许多重要的生态、经济价值,包括:改善出流水质;为湿地植被生长提供养分,增加湿地的生产力;相比传统污水处理方式和人工湿地而言能够大幅度节约财政和能源支出;对于一些特定的湿地,如海岸带湿地,污水中带来的悬浮颗粒的沉积可以抵消侵蚀造成的湿地退缩。 1 生物过程及营养作用 自然湿地去污的实质即湿地的土壤、微生物、植物对污水中污染物质的沉积、过滤、吸附、生物吸收、生化转变等过程的综合。土壤、微生物和植物发挥各自不同的作用,对于不同污染物质而言,它们的相对重要性也不同。以导致水体富营养化的主要污染物质N、P为例,其在湿地生态系统中的转移、转化过程如下: 1.1 污水中有机氮的变化 总体而言,湿地对氮的去除作用包括土壤的吸附和过滤、氨的挥发、植物的吸收、微生物硝化和反硝化作用等。污水中的氮以有机氮和无机氮(氨态氮、硝态氮、亚硝态氮等)2种形式存在,无机氮一般都是以溶解形态出现,而有机氮则往往包含溶解态和固态(微粒状)2种,各种组分在进水中所含的比例取决于污水的性质。湿地中氮循环过程有:(1)颗粒有机氮可以通过沉降和过滤作用从污水中去除;(2)颗粒有机氮通过非生物的分解、溶解或生物酶解转变为溶解有机氮;(3)溶解有机氮在处理过程中被异养微生物转化为氨氮(即矿化作用);(4)氨氮可以挥发离开湿地系统,但在p H低于8时这种作用并不明显;(5)氨氮可以在微生物的硝化作用下转变为硝态氮;(6)硝态氮经过反硝化作用最终转变成氮气离开湿地系统;(7)部分溶解有机、无机氮还可被湿地中的植物、微生物吸收同化,合成自身物质,从湿地水体中去除;(8)植物脱落物和死亡微生物分解产生少量颗粒或溶解有机氮(图1)。在上述所有过程中,一般认为,微生物介导的硝化和反硝化对氮的去除起着主要作用,而硝化又因其速率远低于反硝化的速率而成为湿地去除无机氮的限速步骤。 1.2 无机磷的降解与溶解 污水中的磷包括溶解有机磷、溶解无机磷、颗粒有机磷、颗粒无机磷4种。许多生物和非生物过程影响湿地对磷的去除效果,主要包括:(1)颗粒磷在土壤中的过滤、沉降(sedimentation)、积累;(2)颗粒磷中无机磷部分少量溶解转变为溶解无机磷;(3)颗粒磷中的有机部分通过分解、溶解或胞外酶解转变为溶解有机磷;(4)溶解有机磷在微生物矿化作用下转变为溶解无机磷;(5)部分溶解有机、无机磷被植物、微生物吸收利用;(6)溶解无机磷在土壤颗粒表层的吸附、沉淀(dissolution)作用以及反向的解吸作用;(7)植物脱落物、腐烂根系或死亡微生物的降解、溶解(图2)。其中最主要的作用是土壤颗粒对磷的吸附与沉淀作用。 2 影响去污效果的因素 自然湿地的湿地特征,诸如湿地的面积、空间分布、区域污染物负荷、湿地所处地区的地形和气候条件等,相互之间差异较大,导致不同湿地去污效果的迥异。这些湿地特征中,有些是通过改变土壤、植物、微生物3者的协同作用来影响去污效果,有些则与湿地的水力负荷相关。自然湿地在土壤、植物、微生物等条件方面难于统一,以此为基础的相关研究不易开展,故从宏观的角度研究湿地特征与水质净化功能之间的关系更有利于自然湿地的保护、恢复和管理。 2.1 湿地面积与碳质量、去除率、nret的量化关系 面积较大的湿地往往具有更高的污染物去除能力,能够承载较重的污染物负荷,但是对于湿地面积和湿地去污能力之间的量化关系,目前尚无定论。Kadlec和Knight于1996年提出了一级反应模型,该模型假设经过湿地的水流是理想化的推流模式,湿地去污效果和湿地面积之间的量化关系为:Cout/Cin=exp(-kA,TA/Q)。式中:Cin,Cout分别为进出水中污染物质浓度;kA,T为温度和面积相关的去除率常数;A为湿地面积(m2);Q为湿地内部径流量(m3·day-1)。去除率与面积呈指数函数关系。对于自然湿地而言,由于水流状况多变,与理想的平推流有很大出入,对此Bystrom(以N去除为例)提出了新的量化关系:Nret=a WLbA(1-b)。Nret为N去除率,a、b为常数,WL为湿地负荷(kg·ha-1·yr-1),A为湿地面积(m2),去除率与面积