人工湿地植物的作用和选择

人工湿地植物的作用和选择环科1101牛海鹏人工湿地是一种新型的污水处理模式,是以污水处理为目的的人工设计建造和监督控制的与沼泽类似的地面。其设计和建造是通过对湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合而进行的,也正是利用这3种作用的协同关系进行的废水处理,使水质得到不同程度的改善,同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环,促进绿色植物的生长,实现污水的资源化和无害化。植物是人工湿地的核心,不但可以去除污染物,还可以促进污水中营养物质的循环和再利用,同时还能绿化土地,改善区域气候,促进生态环境的良性循环。1植物在人工湿地中的作用湿地植物能通过吸收、吸附和富集等作用去除污水中的污染物,包括对氮、磷的吸收利用及对重金属的吸附和富集。徐德福等的研究表明,种植美人蕉、菩提子、凤眼莲和芦苇的湿地,对氮、磷去除率分别是10.91%～59.32%和50.13%～87.26%〔1〕进行城镇污水处理试验中发现,种植水烛和灯心草的人工湿地中氮、磷的含量分别比无植物的对照基质中的含量低18%～28%和20%～31%,可见水烛和灯心草吸收利用了污水中部分的氮和磷。污水中的氮以有机氮和无机氮两种形式存在,其中无机氮作为植物生长过程中不可缺少的营养物质,能以离子形式(NH+4和NO-3)被植物吸收利用;部分有机氮被微生物分解成氨氮后,也能被植物吸收利用。当植物从污水中吸收氮元素后,将氮元素合成植物蛋白质等有机氮,最后通过对植物的收割将它们从湿地系统中去除。对风车草净化生活污水的实验表明,每克干重风车草能净吸收污水中2.25mg氮。无机磷也是植物必需的营养元素,废水中的无机磷在植物吸收及同化作用下可转化成植物的ATP、DNA、RNA等有机成分,然后通过植物的收割而移去。通过建立小试系统,对有植物湿地系统和无植物湿地系统进行了比较研究,结果表明有植物湿地系统春夏季平均磷的去除率在60%以上,即使在冬季也能达到40%以上,出水总磷浓度达到或低于国家地面水三级标准,处理效果接近二级生化处理厂,而且出水水质稳定,冬季仍能正常运行,而无植物湿地系统磷的去除率仅为28%植物通过根部直接吸收水溶性重金属,还能通过改变根际环境来改变污染物的化学形态,达到降低或消除重金属污染物化学毒性和生物毒性的作用。垂直流人工湿地处理低浓度重金属污水的试验表明风车草能吸收富集水体中30%的铜和锰,对锌、镉、铅的富集也在5%～15%。研究发现种植在湿地中的宽叶香蒲等植物能够吸附和富集铜、镉、铅、铁和油类,吸附后的重金属主要分布在根部有机污染物的吸收是通过植物和微生物共同作用完成的,其降解机制分为三方面:转化、结合、分离。茭白、慈菇对城市污水BOD的去除率可达80%以上。水葱可使食品厂废水中COD降低70%～80%,使BOD降低60%～90%在用潜流人工湿地处理猪场废水的研究中发现,在夏季进水COD高达1000～1400mg/L的情况下,风车草和香根草人工湿地对COD的去除率依然接近90%,且植物生长良好。(2)植物的光合及蒸腾特性对其本身营养物质的代谢有着重要的影响。湿地中的植物将光合作用产生的氧气通过气道输送至根区,在植物根区的还原态介质中形成氧化态的微环境,为不同的微生物提供了各自适宜的生活环境。植物的蒸发蒸腾作用导致的水量变化是湿地水量平衡不可忽略的重要部分。(3)人工湿地中微生物的种类和数量是极其丰富的,因为人工湿地水生植物的根系常形成一个网状结构,并在植物根系附近形成好氧、兼性和厌氧的不同环境,为各种不同微生物的吸附和代谢提供了良好的生存环境,也为人工湿地污水处理系统提供了足够的分解者。研究表明,有植物的湿地系统,细菌数量显著高于无植物系统,且植物根部的细菌比介质处高1～2个数量级,植物的根系分泌物还可以促进某些嗜磷、氮细菌的生长,促进氮、磷释放、转化,从而间接提高净化率。(4)维持人工湿地的运行环境。植物在人工湿地系统中起固定床体表面、提供良好过滤条件、防止湿地被淤泥淤塞以及冬季支撑冰面等作用。植物的生长能加快天然土壤的水力传输程度,当植物成熟时,根区系统的水容量增大。在植物的根和根系腐烂时,剩下许多的空隙和通道,也有利于土壤的水力传输。植物还能减少风对水的影响,继而减小风对湿地中的沉积物的影响,降低因为大风导致的湿地沉积物和再悬浮。(5)植物的生长能调节湿地周围的小气候,美化生态环境,为鸟和爬行类动物等提供栖息地。在研究中指出,种有百合、风信子的人工湿地使人们联想到的是水上花园而非污水处理设施,同时也为壁虎、蜥蜴等环境有益动物提供栖息场所。(6)植物收割后可资源化利用而产生经济价值,例如将收割后的植物残体用于堆肥以产生环境友好的生物肥,回收的植物还可以用作造纸原料、编织材料、牲畜的饲料或燃料等。2人工湿地植物的选择原则(1)优先选用本土植物,慎重引入外来植物,避免引发生物安全性问题。由于人工湿地中的植物根系是长期浸泡在水中并接触浓度较高且变化较大的污染物,因此,选用的水生植物除耐污能力强外,对当地的气候条件、土壤条件和周围的动植物环境要有很好的适应能力,选用当地或本地区天然湿地中存在的植物。(2)选择去污能力强、净化效果好的的植物,主要考虑两方面因素:一方面是植物的生物量较大,另一方面是植物体内污染物的浓度较高。(3)选用根系发达、茎叶茂密的植物。污水中的BOD5、COD、TN、TP主要是靠附着生长在水生植物根区表面及附近的微生物去除的,因此应选择根系比较发达的物种。(4)选择具有抗逆性的植物,即耐污能力,耐盐能力,抗冻、抗热能力,抗病虫害能力强的物种,有助于湿地生态系统的健康稳定发展。①耐污能力。大多数植物对于污染这种特殊的逆境有一定的适应性,会产生一定的抗性,这种抗性在一定程度上具有遗传性,从而可以进行代间传递。②耐盐能力。根据实际情况的需要,如在盐沼地区若需要选用人工湿地技术,那么必须考虑选择耐盐能力强的植物物种。③抗冻、抗热能力。由于污水处理系统是全年连续运行的,故要求水生植物即使在恶劣的环境下也能基本正常生长,而那些对自然条件适应性较差或不能适应的植物都将直接影响净化效果。④抗病虫害能力。污水生态处理系统中的植物易滋生病虫害,抗病虫害能力直接关系到植物自身的生长与生存,也直接影响其在处理系统中的净化效果.(5)选择景观作用或一定经济价值的植物。目前,发达国家的人工湿地污水处理系统在治污的同时引入园林设计的理念,将治污与营造生态公园融为一体,使保护环境与美化人们的生活相辅相成,产生非常好的效果。日本的箱根湿生花园是湿地园林建设中比较成功的例子。它是日本政府专为保护湿地,重视对游人普及湿地科普教育知识而修建的。园内植有200多种湿生植物及其他植物共1700多种,一年四季花开烂漫,犹如仙境,花园深受人们的喜爱。推广种植用于生产生物质能源的植物。生物质能源是指蕴藏在生物质中的能量,是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量形式。它是人类利用最早、最多、最直接的能源,目前仅次于煤炭、石油、天然气而居世界能源消费总量第四位。生产生物质的能源植物通常指具有较高还原性烃的能力,可产生接近石油成分和可替代石油使用的产品的植物,以及富含油脂的植物,包括速生薪炭林、含糖或淀粉植物、可榨油或产油植物以及其他可提供能源的植物。目前,多数能源植物的研究尚处于实验和示范阶段,而我国把能源植物作为湿地植物种植方面所开展的工作几乎空白。(6)合理搭配不同植物物种。多物种的生态系统比单一物种的系统要稳定。但也要考虑到不同种类的植物生长一起,不仅污染物净化能力和景观效果差异较大,而且存在着相互之间的作用。主要包括两个方面:其一是对光、水和营养等资源的竞争;其二是植物之间通过释放化感物质,影响周围植物的生长。另外,一些植物的枯枝落叶经雨水淋溶或微生物的作用也会释放出化感物质,抑制植株的生长,如宽叶香蒲枯枝烂叶腐烂后会阻碍其本身新芽的萌发和新苗的生长。3结语总的来说,湿地植物方面的研究与应用刚刚兴起,还有许多方面需要进行深入研究,以便更好地发挥植物在人工湿地中的作用和完善人工湿地污水处理技术。相信随着对湿地植物研究的深入,人工湿地系统一定会获得更加广阔的应用前景。