人工湿地是指依据土地处理系统及水生植物处理污水的原理，由人工建立的具有湿地性质的污水处理生态系统。人工湿地利用基质、植物和微生物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、共沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对废水的高效净化。人工湿地污水处理系统具有出水水质稳定、对营养物质去除能力强、基建和运行费用低、技术含量低、能耗低的特点，且其维护管理方便、耐冲击负荷强、对环境扰动小、有利于保护和改善原有环境，有较高的美化环境价值;以其治理污染时可以收获植物和生物能源，获得较好的经济效益。近10 a 来，一些人工湿地净化的研究开始涉及以人工湿地处理特殊金属废水，并认为人工湿地独特而复杂的净化机理使其能够在含金属的废水处理中发挥重要作用。本研究通过构建金边麦冬人工湿地，研究了金边麦冬人工湿地对含铅废水的净化作用及流量对处理效果的影响，探讨了植物和基质对含铅废水净化效率的贡献。
1 实验部分
1.1 实验材料及试剂
1.1.1 实验材料
植物：金边麦冬购于重庆永川苗圃园，植株大小基本一致，植株根部大小相当，且植株健康无病虫害。基质：自然土壤，采自重庆永川区黄瓜山自然土壤，无腐叶，已筛选出石头，杂质。塑料箱：长50 cm，宽40 cm，高21 cm。
1.1.2 实验试剂
醋酸铵、冰醋酸、二甲酚橙、硝酸铅、浓硫酸、乙二胺四乙酸二钠，上述试剂均为分析纯。
1.2 人工湿地的构建
1.2.1 实验流程设计
种植植物、模拟金边麦冬人工湿地系统的建立—模拟含铅废水的配制—驯化人工湿地系统—进水监测—通入标定好的模拟废水—出水监测—数据整理及分析研究—得出实验结论。
1.2.2 实验箱装置结构
采用长50 cm、宽40 cm、高21 cm 的塑料箱进行实验。在箱一长边20 cm 处放置一块等宽、高为 16 cm 的塑料挡板，再距离此挡板20 cm 处放置一块等宽、高为12 cm 的塑料挡板，这样能使通入的废水浸没高挡板的填料槽后再流入并浸没低挡板的填料槽，最后流入取水槽。在2 个20 cm×40 cm×21 cm 的填料槽中放入预先选定的土壤基质，在基质材料上种植金边麦冬。实验箱装置结构见图 1。
图 1 实验箱装置结构
1.2.3 植物栽培及驯化
实验组共种植金边麦冬40 株，在2 个种植区各种20 株，以不种植植物为对照组做空白实验。植物移栽到塑料箱后先通入自来水，待植物成活以后，用含铅废水对植物进行驯化，7 d 后再用自来水浇灌， 2 d 后排出积水，开始通含铅废水进行实验。
1.3 实验监测方法
实验中废水含铅浓度的监测采用EDTA 络合滴定法。
1.4 实验方法
往塑料箱中通入一定流量的含铅废水，持续3 d 后，取出取水槽中的水样进行监测。与此同时，停止通废水，并排出系统中的剩余废水，持续通清水2 d，排除清水后进行下一流量的实验。以同样基质材料作为对照组按同样方法进行实验。根据进、出废水中的铅浓度变化计算去除率。
2 结果与讨论
2.1 废水流量对人工湿地系统处理含铅废水的影响
废水流量对人工湿地系统处理含铅废水的影响见图 2。
由图 2 可以看出，在土壤基质中，系统对流量为 3 L/d 的废水中的铅去除率最高，可达到98.30%。随着通入废水流量的增大，系统对废水中铅的去除率也随之降低，但降低的趋势相对比较稳定，而且在流量为18 L/d 时，铅去除率仍可达到82.63%，由此可以说明，金边麦冬人工湿地对含铅废水的铅的去除率很高，去除效果好。人工湿地主要是通过物理沉淀、过滤、化学沉淀、吸附、微生物的交互作用以及植物的吸收处理废水中的铅离子〔4〕。植物的吸收和生物富集作用、填料的吸附沉淀作用及铅离子与S2-形成硫化物沉淀是人工湿地去除废水中重金属铅的主要方式〔5〕。土壤基质含有大量的土壤矿物质和有机质，其对重金属铅具有很强的吸附作用和化学沉淀作用，再加上植物的吸收富集作用，可有效地去除废水中的Pb2+，从而使金边麦冬人工湿地对含铅废水具有很好的净化效果。
图 2 废水流量对人工湿地系统处理含铅废水的影响
在实验中虽然在废水流量为3 L/d 时系统对铅的去除率最高，但在流量为9 L/d 时金边麦冬人工湿地对铅的去除率仍可达到91.14%。考虑去除效率和处理量的要求，在实际应用中将流量控制在9 L/d 时较为适宜。
2.2 基质(包括微生物)对人工湿地系统铅去除率的贡献
基质(包括微生物)对废水中铅去除率见图 3。
图 3 基质(包括微生物)对废水中铅的去除率
由图 3可以看出，基质(包括微生物)对流量为5 L/d 的废水中的铅去除率最高，为94.49%。除了3 L/d 的流量以外，对照组系统随着通入废水流量的增大，对废水中铅的去除率也随之降低，但降低的趋势相对比较稳定。由于土壤的物理、化学、生物协同作用，废水中的铅离子被固定下来〔6〕。土壤中胶粒及有机物含量高，对铅离子吸附能力强。所以在人工湿地系统中，土壤胶粒对金属离子的吸附是重金属铅由液相变为固相的主要途径〔7〕。所以在整个人工湿地系统净化重金属铅的过程中，基质(包括微生物)承担了绝大部分的作用。
2.3 植物对人工湿地系统铅去除率的贡献
人工湿地系统中植物对铅的去除率见图 4。
图 4 人工湿地系统中植物对铅的去除率
由图 4 可以看出，植物对废水中铅的吸收的贡献保持在1.08%~4.58%之间，其中以通入流量为3 L/d 的废水时的去除率最高，达到4.58%。但总体来看，植物对金属铅离子的吸收量仅占废水中金属铅去除总量的很少一部分，它的主要作用是提供微生物附着和形成菌落的场所，促进微生物群落的发育，植物的代谢产物和残体及溶解的有机碳可为湿地中的硫酸盐还原菌和其他细菌提供食物源。在废水流量为3~7 L/d 时，由于植物受到环境中连续通入的含铅废水的突然变化的影响，导致植物对铅的吸收率急剧下降，并在流量为7 L/d 时达到最低点。当废水流量为7~15 L/d 时，植物逐渐适应了连续通入的含铅废水的环境，并产生了抗逆性，所以对铅的吸收率逐渐升高，在流量为15 L/d 时达到此阶段的最高点，吸收率为1.97%。当废水流量为15~18 L/d 时，由于通入含铅废水的总量增大，而植物对金属铅的吸收总量会有最大临界点，所以在此阶段植物对金属铅的去除率会有所下降。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
3 结论
实验研究了在土壤基质中，在通入不同流量的废水的情况下，金边麦冬人工湿地对含铅废水的净化效率。实验结果表明，在土壤基质中，系统对流量为3 L/d 的废水中的铅去除率最高，可达到98.30%，在废水流量为9 L/d 时系统对铅的去除率相对最稳定，且去除率可达到91.14%。随着通入废水流量的增大，系统对废水中铅的去除率也随之降低，但降低的趋势相对比较稳定，而且在流量为18 L/d 时去除率仍可达到82.63%。由以上实验结果可知，金边麦冬人工湿地系统在以自然土壤为基质时对含铅废水的净化率比较好，而且比较稳定，所以金边麦冬适于作为人工湿地植物栽培。当以自然土壤为基质，构建金边麦冬人工湿地系统时，可根据本实验的植物种植密度来扩大规模，从而得到所需的实际人工湿地净化体系。