北方地区人工湿地水质净化植被的选择研究

2人工湿地植被设计人工湿地是利用适当的工程措施创建，并由挺水生物或潜水生物、处于饱和状态的基质层和野生动物组成的较为复杂的生态系统，该生态系统利用湿地中植物的热扩散作用、水体中的硝化与反硝化作用达到去污目的。人工湿地是人工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来进行的。其构造可简述为：在一定长宽比及底面坡第39卷第2期2015年6月黑龙江环境通报HeilongjiangEnvironmentalJournalVol.39No.2Jun.2015收稿日期：2015-06-29第一作者简介：苗万强（1963-），男，本科，高级工程师，从事环境监测工作。1前言人工湿地对污水的处理过程，是物理、化学及生物作用共同作用的结果。基质、植物、微生物是人工湿地发挥净化作用的三个主要因素。在污水通过人工湿地的过程中，基质的吸附、过滤，植物的吸收、固定、转化、代谢及湿地微生物的分解、利用、异化等过程综合作用，互相关联影响着最终的净化效果。北方地区人工湿地水质净化植被的选择研究苗万强（齐齐哈尔市环境监测中心站黑龙江齐齐哈尔161000）摘要：人工湿地是一种高效、无动力的生化处理技术，可对比较难处理的有机废水进行深度处理可取得良好的处理效果，并且运行费用低，工艺简单。但其合理的植被设计会对处理效率产生的较大的影响。对北方地区可用于人工湿地的植物进行了分析研究，选择合理的植被可以提高水质净化效率。关键词：北方地区；人工湿地；植被选择；研究中图分类号：X171.1文献标识码：A文章编号：1674-263X（2015）02-0084-03ResearchonVegetationSelectionforWaterPurificationinArtificialwetlandofNorthernAreaMiaoWanqiang（EnvironmentMonitoringCenterStationofQiqihaerCityQiqiharHeiLongjiang161000）Abstract：Artificialwetlandisakindofefficient，nonpoweredbiochemicaltreatmenttechnology.Itcantreatorganicwastewaterandhavegoodeffectwithlowoperationcostandsimpleprocess.Butthereasonablevegetationdesignwillhavegreatimpactonthetreatmentefficiency.Weresearchedplantsofthenorthernregionwhichcanbeusedinartificialwetlandandpointedoutthatreasonablevegetationcanbeusedtoimprovepurificationefficiencyofwastewater.Keywords：NorthernareaArtificalwetlandVegetationselectionResearch人工湿地的净化机制表1净化机制沉降过滤吸附、离子交换、化学沉淀沉积微生物矿化作用及转化作用去除污染物悬浮物固体悬浮物固体磷酸盐、重金属有机质、氨氮、亚硝酸盐及硝酸盐发生位置慢流水层及砂砾层间基质或植物体间隙底泥、砂砾及植物体表面植物根茎、砂土介质表面及底泥84·环境生态·降的洼地中，按一定的坡度填充选定级配的填料，在填料表层土壤中种植一些处理性能良好、成活率高、生长周期长、美观及具有经济价值的水生植物（如芦苇），构成一个湿地生态系统。人工湿地污水处理系统可以处理系统可以处理多种污染物质，特别是在生产污水处理方面。由于其效果良好，人工湿地具有抗冲击负荷能力强（包括污水负荷和有机负荷），COD、BOD5、SS去除率高，运行稳定，管理简单，工程投资少等优点。人工湿地具有独特而复杂的净化机理，利用基质-微生物-植物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、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化。同时，通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物生长并使其增产，实现污水的资源化和无害化。湿地植物丰富的根系形成庞大的网络结构，直接吸收植物自身生长所必需的氮、磷等营养物质以合成植物体的组成部分。Kickuth的根区法理论认为，由于植物根系的输氧作用，湿地土壤中出现好氧区域和厌氧区域，为自养型好氧微生物硝酸菌、亚硝酸菌和异养型微生物反硝化细菌提供了良好的生物物化环境，而微生物硝化、反硝化作用对氮的去除起到了重要作用，磷细菌的代谢活动又可以对磷进行吸收和积累。Scholes等做了人工湿地去除城市污水中金属的试验，对两个接受城市污水的试验湿地每两月提取一次水样，检测后发现不同的湿地对金属的去除有明显的选择性，并发现芦苇可对金属进行生物积累，其根部的金属积累量较高。用潮汐塘模拟了一种红树林湿地系统去除氮和金属的能力，在试验中使用人工配制的污水，结果发现对金属的去除率接近96％。对人工湿地去除机械制造工业废水中的铅的研究表明，湿地对铅具有一定的去除作用，去除途径主要是沉淀过程、吸附交换和生物体合成过程、形成碳酸盐及氧化物的过程。水生植物、特别是挺水植物是污水湿地处理系统中的一个重要组成部分。选择得恰当与否，将直接关系到人工湿地的处理效果。在已有的研究报道中，人工湿地的水生植物通常选用香蒲属（Typhaspp.）、普通芦苇（PhrigmitesCommu－nis）、灯芯草属（Juncusspp.）、蔗草属（Scirpusspp.）和苔草属（Carexspp.）的有关品种，香蒲、水葱和芦苇在已建成的污水人工湿地处理系统中最常见。水生植物通过以下几种指标影响湿地系统对污水的处理效果。2.1蒸散量及水力负荷率的影响蒸散量是指在单位面积上，从基质表面蒸发以及由于植物传输、构成自身组织和呼吸作用损失水量之和。蒸散量是湿地处理水量平衡计量中不可忽略的因素，也是大气条件和植物生理特征差异的一种反映。如果基质中的水分有足够的提供量，潜在的蒸散速度主要由太阳辐射、气温、相对温度、风速和植物系统供水能力等因素确定。在同一地区，蒸散量大小常取决于植物种类，因为经植物传输的水分主要由植物体表面蒸腾到大气中，自身新陈代谢量很少，仅占蒸腾量的1％。不同水生植物的蒸散量有明显的差异，研究发现，水葵、芦苇和美人蕉有较高的作物蒸散量（ET），年蒸散量是：水葵（3631mm）芦苇（2452mm）美人蕉（2344mm）黄菖蒲（2070mm）水葱（2038mm）。各种植物蒸散量与无参照植物的蒸散量的比值称为植物蒸腾系数，蒸散量大作物蒸腾系数也大。水葵、芦苇、美人蕉、黄菖蒲和水葱的蒸腾系数分别为2.80、1.89、1.80、1.59和1.57。这种差异显然和单位面积内的植物叶片比表面积大小有关。不同植物的蒸散变化特征为人工湿地设计的植物选择提供了依据。虽然蒸散量在人工湿地的水力负荷率设计中不占重要的地位，但植物的蒸散量高水分蒸腾量也高，这对高水力负荷的碎石床人工湿地来说总是有帮助的，是优选的水生植物。2.2植物生物量及氮、磷去除的影响污水处理系统中的植物被认为是一个营养储存库，所吸收的营养在生长过程中基本被保留在植株中，只有枯死后才会被微生物分解。由此可见，植物的生物量决定了植物吸收去除污水氮、磷等营养物质的数量水平，这是计算氮、磷等物85·环境生态·质平衡时必须考虑的一个参数。各种水生植物的生产量即生物量是不同的，这取决于植物自身的生理特性、可利用的营养环境和其对环境的适应性，当然还取决于种植密度。研究证明美人蕉、水葵和芦苇有较高的生物产量。生物产量高的两个最重要因素是植株数量和单株质量，水葵和芦苇有适中的单株质量和高密度的植株数量，而美人蕉的单株质量特别高，必然产生高生物产量。植物从污水中吸收氮、磷不是污水人工湿地处理的主要去除机理，当投配污水的氮、磷总量的占不同百分率进行比较时，氮吸收比例顺序为水葵（17.63％），美人蕉（10.60％），芦苇（5.31％），黄菖蒲（2.93％），水葱（1.65％）；磷吸收比例顺序为水葵（24.54％），美人蕉（6.89％），芦苇（5.46％），黄菖蒲（2.39％），水葱（1.78％）；仅水葵有较高的氮、磷去除能力。若计入根系固定污水的氮、磷数量、植物总吸收氮、磷量也许可高达30％-40％。但水生植物间氮、磷吸收存在巨大的差异，必须选择搭配好人工湿地的水生植物品种，才能提高污水人工湿地的脱氮除磷效果。2.3植物根系生长差异及其对溶解氧性能的影响研究表明，水生植物的根有四个主要功能。（1）把植物固定在土壤或其他基质中；（2）吸收和迁移水分和养分；（3）合成植物激素和其他有机化合物；（4）向根际分泌氧气以维持根系的正常呼吸作用。前三种功能是非水生植物也具有的，后一种功能是水生植物所特有的。用以测定根系的参数（如根重、根长、根表面积和根密度）中，较重要的是根密度和根长，此外，根尖数也很重要。芦苇、水葵有较好的根密度、根长度和须根鲜重，须根鲜重大意味着根尖数目也多；黄菖蒲的根系性状也较为理想，尤其是须根数量较高，因此，根际分泌氧气的能力较强。3结论北方湿地中常见的水生植物，包括挺水植物、浮叶根生植物、漂浮植物和沉水植物四类，根据生物适应能力、耐污能力、净水能力、经济价值和景观效果等综合分析，芦苇是北方的常见的水生植物，从年蒸散量、植物生物量、植物根系生长差异及其对溶解氧性能的影响等比较，芦苇应是北方地区优先选择的人工湿地使用净化水质效果突出的植物。参考文献：〔1〕李志炎，唐宇力，杨在娟，岳春雷.人工湿地植物研究现状〔J〕.浙江林业科技.2004（04）.〔2〕傅伟军，唐亚.植物在人工湿地中的作用及物种选择〔J〕.四川环境.2005（06）.〔3〕宁静，鲁敏，裴翡翡，许健.人工湿地植物受污水胁迫存在的问题与解决对策〔J〕.山东建筑大学学报.2011（02）.〔4〕梁雪，贺锋，徐栋，吴振斌.人工湿地植物的功能与选择〔J〕.水生态学杂志.86