（植物学专业论文）人工湿地植物的筛选及试验研究.pdf

人工湿地植物的筛选及试验研究 摘要 本文以桶栽模拟垂直流人工湿地小试系统进行人工湿地植物的筛选研 究，并对美人蕉，薏米等1 3 种植物的净化去污效果进行了初步的测试，筛 选出美人蕉、薏米、文殊兰和蜘蛛兰四种适合广西亚热带气候区生长的人 工湿地植物，并研究了这四种植物净化生活污水的机理。得出以下结论： 1 、人工湿地对化学需氧量( c 0 d 。，) 、总氮( t n ) 和总磷( t p ) 的去除 率随时间的延长而增大，即第5 天的去除率最大，铵态氮( n h + m ) 则在第 3 天表现出较好的去除效果。 2 、薏米、美人蕉、文殊兰和蜘蛛兰的垂直流人工湿地系统对各种污染 物的去除能力均比较强大部分排放指标都达到了 中华人民共和国地表 水环境标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 类水质标准。 3 、薏米、美人蕉、文殊兰和蜘蛛兰的垂直流人工湿地系统中纤维素酶、 蛋白酶、磷酸酶和脲酶都表现出较高的活性。这四种植物湿地磷酸酶活性 与总磷去除率之间存在显著的相关性；脲酶活性与硝态氮( n o 。- n ) 去除率、 t n 去除率存在一定的相关性，特别是与n o , - n 去除率呈现显著的相关性，相 关系数最高为0 7 7 8 ；基质蛋白酶活性与t n 的去除率之间存在显著的相关 性。 4 、试验后各植物地上都和地下部n 、p 浓度有所增加，湿地基质含m 、 p 量也有一定的增加，且植物地上部分积累n 、p 量高于地下部分，这有利 于通过收割植物地上部分转移湿地中n 、p 的含量，有利于氮、磷的去除。 本试验蜘蛛兰和文殊兰对磷表现出很强的吸收能力，试验后基质含p 量较 试验前增加幅度为3 3 5 7 ，这与基质的物理化学反应是去除人工湿地中磷 的主要途径相吻合。 关键词：垂直流人工湿地湿地植物净化效果基质酶相关性 s t u d i e so ns e l e c t i o no fc o n s t r u c t i e d w e a n dp i 。a n ts p e c i e s t h i sp a p e rp r o v i d e dab r i e fr e v i e wo nt h ed e f i n i t i o n , c o m p o s i t i o n ，d e s i g n , m e c h a n i c - - s mo fs e w a g ed i s p o s a l ，p r e s e n t e dt h ee f f i c i e n c yo f1 3p l a n t ss p e c i e sp u r i f i c a t i o na b i l i t y s u c ha sc a n n ag e n e r a l l s , c o i xa q u a t i c ar o x be t c a n ds e l e c t e dc o i xa q u a t l c ar o x b ， c a n n ag e n e r a l i s ，h y m e n o c a l l i sa m e r i c a na n dc r i n u mn s i a t l c u mw h i c hw e r es u i t a b l et o g r o wi ns u b t r o p i c a lc l i m a t ez o n e s ，a n dt h ea p p l i c a t i o no fc o n s t r u c t e dw e t l a n d s t h e m e c h a n i s mo fp o l l u t e dw a t e rp u r i f i c a t i o no ft h e s e4p l a n t ss p e c i e sw a sa l s os t u d i e d t h er e s u l t so f t h ei n v e s t i g a t i o nw e r ea sf o l l o w s ： 1 、t h e r e m o v a lr a t e o f c o d c r , i na n d t p b y t h ec o n s t r u c t e d w e t l a n d i n c r e a s e w i t h t i m e ，t h ef i f t hd a yr e m o v a lw a st h el a r g e s t , n h 4 + - ns h o w e dg o o dp e r f o r m a n c eo f r e m o v a ld u r i n gt h et h i r dd a y 2 ，t h ev e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n do fc o i xa q u a t i c ar o x b ，c a n n a g e n e r a l i s - h y m e n o c a l l i sa m e r i c a n aa n dc r i n u ma s i a t i c u mg o o dh a ds t r o n gr e m o v a lc a p a c i t yo f p o l l u t a n t s ，t h eq u a l i t yo fo u t f l o wi sa c c o r dw i t hh i ( e n v i r o n m e n t a lq u a l i t ys t a n d a r d sf o r s u r f a c ew a t e r ) ( g b3 8 3 8 - 2 0 0 2 ) 3 、t h ec e l l u l a s e 、p r o t e a s e 、p h o s p h a t a s ea n du r e a s eo ft h ev e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e d w e t | a n do fc o i xa q u a t i c ar o x b ，c a n n ag e n e r a u s h y m e n o c a l l i sa m e r i c a n aa n dc r i n u m a s i a t i e u mh a dh i g ha c t i v i t i e s c o r r e l a t i o na u a l y s i ss h o w e dt h a tt h e r ew a ss i g n i f i c a n t c o r r e l a t i o nb e t w e e na c t i v i t yo fp h o s p h a t a s ei nv e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n da n d r e m o v a lr a t e so ft pi nt h ew a s t e w a t e r ；t h e r ew a sac e r t a i nc o r r e l a t i o nb e t w e e nu r e a s e i i i a c t i v i t ya n dr e m o v a lr a t e so fn 0 3 - na n dt n ，p a r t i c u l a r l y ，t h er e m o v a lo fn 0 3 - n s h o w e ds i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o n , a n dt h em a x i m u mc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tw a s0 7 7 8 ； p r o t c a s ea c t i v i t ya n dt h er e m o v a lr a t e so f t ns h o w e ds i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o n 4 、a f t e rt h et e s t ，t h ep l a n t s s h o o ta n dr o o tc o n c e n t r a t i o n so fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sh a v ei n c r e a s e d , w e t l a n d sm a t r i xc o n t a i n i n gn ，ph a dc e r t a i ni n c r e a s et o o t h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sa c c u m u l a t i o ni nt h es h o o ti s h i g h e rt h a n t h e i r a c c u m u l a t i o ni nr o o ta n dt h i sc o n t r i b u t et ot h et r a n s f e ro fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u so f t h ew e t l a n db yh a r v e s t i n gt h es h o o t i nt h i st e s t , t h eh y m e n o c a l l i sa m e r i c a n aa n d c r i n u ma s i a t i c u ms h o w e ds t r o n ga b s o r p t i o nc a p a c i t yo fp ，a n da f t e rt h ee x p e r i m e n t , t h e c o n c e n t r a t i o n so fpi n c r e a s e db y3 3 - 5 7 i nm a t r i xa n dt h i si si nl i n ew i t ht h ef a c tt h a t t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lr e a c t i o no fm a t r i xi st h ep r i m a r ym e a n so fr e m o v i n go fp w h i c hc o l a c i d e sw i t hp r e v i o u ss t u d i e s k e yw o r d s ：v e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ；w e t l a n dp l a n t ； p u r i f y i n ge f f e c t s ；e n z y m e s ；c o r r e l a t i o n 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他入已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 才勿苛 学位论文使用授权说明 冽声6 月知日 本人完全了解广西太学关于收集、保存、使用学位论文的规定；即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的e p 刷本和电子版，并提供目录检索与澜览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的自f 提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：绚首翩签刚扣予l 吣同 奄 广西大掣q 甄士掌位论文啊l 地擅物的姊置l a 矗丝研究 刖罱 水环境污染和水资源短缺是全球淡水资源正砸临的两大问题。全球目前有8 0 多个国 家和地区约2 0 多亿人( 占全球人口的4 0 ) 正面临淡水资源危机，其中2 6 个国家的2 亿多人 正生活在缺水状态中，至u 2 0 i o 年还将增加8 个国家。据预测，在2 0 2 5 年以前缺少淡水的 人数将增至5 5 亿人，占全世界人口的2 3 ，因为水的原因而成为难民者将多达1 亿人。随 着世界淡水系统的严重退化，全球半数河流断流，世界上己知的l 万种淡水鱼中，在最 近的几十年来己经有2 0 的鱼种消失或处于将要灭绝的危险之中。随着人口的增长和气 候变暖引起干早等自然灾害，因争夺水资源而引起地区和国家间的冲突难以避免”1 。由 于水体被污染，世界淡水资源短缺的现象日益严重。全世界每年废水排放量约6 0 0 0 亿吨， 发展中国家约有9 0 的废水未经处理即行排放，从而造成5 万多亿吨水体被污染，致使目 前全世界6 0 亿人口中约2 0 的人无法获得洁净饮水，估计现在全世界每年有5 0 0 万人口死 于饮用水污染而导致的疾病。1 。在农村和城乡结合部，居民生活污水通过地面径流和渗 漏污染了地下水和地面水，尤其是在雨季“1 。农业化学肥料的大量应用，显著增加了非 点源污染程度，导致了河流、湖泊的富营养化“1 。 1 我国的水资源及水污染现状 1 1 水资源状况 我国是一个干旱缺水严重的国家。我国的淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿立方米，占全球 水资源的6 ，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，名列世界第四位”1 。但是，我国的人均水 资源量只有2 3 0 0 立方米，仅为世界平均水平的1 4 ，是全球人均水资源最贫乏的国家之 一。同时，中国又是世界上用水量最多的国家。仅2 0 0 2 年，全国淡水取用量达到5 4 9 7 亿立方米，大约占世界年取用量的1 3 ，是美国1 9 9 5 年淡水供应量4 7 0 0 亿立方米的约 1 2 倍。中国从2 0 世纪7 0 年代以来就开始闹水荒，8 0 年代以来，中国的水荒由局部 逐渐蔓延至全国，情势越来越严重，对农业和国民经济已经带来了严重影响。 r 西大掣q 曩士掌位论文 工湿地植物的姊琏a 疆 研究 据统计，我国目前缺水总量估计为4 0 0 亿立方米，每年受早面积2 0 0 万2 6 0 万平方 千米，影响粮食产量1 5 0 亿2 0 0 亿千克，影响工业产值2 0 0 0 多亿元，全国还有7 0 0 0 万人 饮水困难。缺水对环境和人的身心健康都有着严重的影响嘲。据专家预测，中国供水缺 口到2 0 1 0 年将达1 1 4 0 亿吨，2 0 3 0 年达到2 3 0 0 亿吨，2 0 5 0 年达到3 7 1 0 亿吨。在全国6 6 8 个 城市中，有4 0 0 多个供水不足，1 i 0 多座严重缺水。因为缺水，全国工业产值平均每年减 少2 3 0 0 多亿元人民币“1 1 。 1 2 水污染状况 随着我国经济的迅速发展，人口增加，人民生活水平的逐步提高，工业化和城镇化 步伐的加快，用水量急剧增加，污水排放量也相应增加，加剧了谈水资源的短缺和水环 境的污染。据统计，我国每年的工业废水和城镇生活污水排放总量已达至u 6 3 1 亿吨，这 相当于我们每人每年排放4 0 多吨的废污水，这些废污水处理率仅为3 0 左右，大部分未 经处理就直接排入了江河湖海，而每l l 污水将会使8 l 的淡水受到污染。2 0 0 3 年，全国工 业和城镇生活废水排放总量为4 6 0 o 亿吨，其中工业废水排放量2 1 2 4 亿吨，城镇生活污 水排放量2 4 7 6 亿吨，城市生活污水处理率仅为1 8 5 。大部分工业废水和生活污水未经 任何处理直接排入江、河、湖泊，使水质受到严重污染，甚至完全丧失利用的价值。加 重了水资源的短缺。据悉，2 0 0 3 年度七大水系4 0 7 个重点监测断面中，3 8 1 的断面满足 i i 类水质要求，3 2 2 的断面属i v 、v 类水质，2 9 7 的断面属劣v 类水质。2 0 0 3 年度 监测的2 8 个重点湖库中，满足i i 类水质的湖库有1 个，占3 6 ；i i i 类水质湖库有6 个，占 2 1 4 9 6 ：i v 类水质湖库有7 个，占2 5 0 9 6 ；v 类水质湖库有4 个，占1 4 3 ；劣v 类水质湖库 有l o 个，占3 5 7 。城市内湖水质较差，北京昆明湖和杭州西湖水质为类，南京玄武 湖水质为v 类，武汉东湖和济南大明湖水质为劣v 类，主要污染指标是总氮和总磷。富营 养化评价表明，昆明湖为中营养，大明湖为重度富营养，其他3 个城市内湖均为中度富 营养“1 。2 0 0 3 年地下水水质在基本稳定的基础上有恶化趋势，大部分城市和地区存在一 定程度的点状或面状污染m 。 2 污水处理概况 广西大掌硕士掣啦论文 工量地植物的姊毫a 憎研究 据估计，我国每年排放污水量达数百亿吨。但只有2 4 的工业污水和4 的生活污 水经过处理，8 0 的饮用水源遭到污染，而已建成的传统的污水处理厂远远不能满足污 水处理的需要，这就更加剧了水资源的缺乏。因此，对于水资源极其紧缺的中国，怎样 解决环境问题、治理水污染就显得尤为重要。近2 0 年来，污水处理技术的理论研究和实 际应用都有很大的进展，其新工艺、新技术、新方法和新材料不断出现。主要有普通活 性污泥法、a 一活性污泥法、氧化沟污泥法、间歇式活性污泥法( s b r i 艺) 、缺氧一好氧 生物脱氮工艺、厌氧好氧生物除磷工艺、厌氧一缺氧一好氧生物脱氮除磷工艺等，这 些处理方法和新技术对污水虽有一定的处理效果，但是存在着许多缺点和不足，例如基 建投资大、能耗大、运行费用高、自动化程度要求高等，这对于经济还不发达的中国还 不能普遍实现。因此，积极创造新技术、寻求防治水污染的新模式就显得日益紧迫，人 工湿地正是顺应这一要求而发展起来的一种简便有效的生态工程污水处理技术。其特点 是：污染物去除率高、出水水质好；具有较强的氮，磷去除能力：运行维护管理方便， 投资及运行费用低；改善环境，美化环境，促进旅游业发展。它的规模大小差别很大， 最小的可以处理一家一户排放的污水，大的可以处理千人以上村镇排放的污水m 。由于 我国经济发展水平不高，能源短缺，许多地方尤其是中小城市和乡村严重缺乏具有一定 操作管理及技术水平的人员，因此这种污水处理技术特别适合我国国情，在中小城市和 广大农村的污水处理中具有极其广阔的应用前景。 3 人工湿地概述 3 1 人工湿地的含义及发展历史 3 1 1 人工湿地的含义 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t1 a n d s ，c w ) 是依据土地处理系统及水生植物处理污水 的原理，是人们用砾石、煤渣、沙和土壤等按一定比例组成基质，并栽种经过选择的水 生植物，而构成的一个独特的具有湿地性质的污水处理生态系统。它是一种污水处理新 技术，它克服了化学方法净化污水易造成二次污染、物理方法净化污水治标不治本的缺 点，能发挥其投资费用、运行费用及运行耗能低和污水处理效果好的优势，比较适合于 ，西大掣啊炙士掌位甚? 文 a 曩l 地植物的姊毒反翻0 验研究 技术管理水平不很高、规模较小的城镇或乡村的污水处理。其指导思想是依水体自然净 化能力恢复水体本来面貌，强调人与自然和谐相处，融合了自然净化和生物膜法优点， 将污水净化、污水资源化及美化环境有机结合起来，因而在土地资源较为充裕的欧洲国 。 家、美国和澳大利亚等国得到广泛应用，目前已在世界各地普遍使用。 3 1 2 人工湿地的发展简史 人工湿地处理系统的提出开始于2 0 世纪7 0 年代。第一个完整的人工湿地实验始于 1 9 7 4 年西德的o t h f r e n s e n 湿地，当时用于处理2 7 0 0 人的生活污水。1 9 7 7 年德国学者 k i c k u t h 提出了根区理论( r o o t z o n et h e o r y ) ，奠定了入工湿地废水处理的理论基础，从 而推动了该技术的应用。人工湿地污水处理系统到2 0 世纪8 0 年代得到迅速发展。2 0 世纪 8 0 年代末和9 0 年代初，在美国和英国相继召开了人工湿地研讨会，提出了人工湿地的有 关机理和一些可供参考的设计规范和数据，标志着入工湿地系统作为一种独具特色的污 水处理技术进入了环境科学技术领域。到现在为止，人工湿地污水处理技术的发展己经 历了三个主要阶段“”：( 1 ) 2 0 世纪7 0 年代以前的人工湿地处理系统大都利用原有的天然 湿地进行一些改造，而且常将湿地系统与氧化塘处理结合起来，以提高氧化塘系统的处 理效果。美国、澳大利亚、新西兰、荷兰、丹麦、英国和闩本等都曾进行过这方面韵尝 试。这种城镇污水聚集区应该算作第一代人工湿地。( 2 ) 2 0 世纪8 0 年代，人工湿地发展 到由人工建造的、以不同粒径的砾石为填料基质，种植湿生植物的处理系统，这是第二 代人工湿地。从此，人工湿地开始进入了规模性的应用阶段，世界上许多国家建立了净 化各种类型污水的人工湿地，我国的白泥坑，昌平芦苇湿地处理系统也属于这一类。( 3 ) 到2 0 世纪9 0 年代后期，在欧盟项目( 1 9 9 6 - 1 9 9 9 ) 资助下，中国与欧洲同行合作，在世界 各国人工湿地研究的基础上，研制成功的新型人工湿地：复合垂直流、间歇供水、地面 无积水、处理能力更强的人工湿地。至此第三代人工湿地诞生。这种新型人工湿地在净 化污水的同时还可与园林绿化结合，产生生态和经济效益，符合物质循环使用、能量节 约的原则，比国际上运行的一般人工湿地具有更好的净化效果，更高的水力负荷，处理 同样水量占地面积更少，对中国人多地少的国情更适合。 目前，美国、丹麦、德国、英国等都有数百座人工湿地系统在运行，新西兰也有 大约8 0 个人工湿地在使用。我国在“七五”期间开始人工湿地的研究。首例采用人工 4 广西大掣壤士掌位 e 支 - 工混地植物曲赫鞠i 及d q 窿研，巴 湿地处理污水的研究工作始于1 9 8 9 1 9 9 0 年在北京昌平进行的表面流人工湿地。处理量 为5 0 0 t d 的生活污水和工业废水，占地2 h a ，水力负荷4 7 e m d ，水力停留时间( h r t ) 4 3 d ，生化需氧量( b o d ) 负荷5 9 k g b o d ；( h a d ) ，处理水解池出水或原水。 1 9 9 0 年7 月，国家环保总局华南环保所在深圳建造的白泥坑人工湿地工程( 日处理 污水3 1 0 0 t ) ，可以看作是首次实践，效果良好( b o d 去除率9 0 0 , 6 ，c o b 去除率8 0 4 7 ，固 体悬浮物( s s ) 去除率9 3 “。1 9 9 7 年5 月到1 1 月，深圳市环境科学研究所在深圳市 洪湖公园建成了人工湿地研究试验点，修建了小试和中试试验工程，从1 9 9 7 年到2 0 0 0 年开展了一系列的研究工作，不仅作了大量的理论研究，同时在技术上和系统的运行管 理上积累了很多宝贵的经验。目前，深圳已在观澜湖、沙田、布吉、龙岗新建了几个人 工湿地，并设计了更大规模的人工湿地，包括洪湖二期、甘坑、石岩等数个项目。随着 这些工程完工，深圳人工湿地处理污水总能力达每天4 2 万吨。 2 0 0 3 下半年动工现已建成的由云南省澄江县与中科院南京地理与湖泊研究所合作， 采取人工湿地技术，在抚仙湖北岸的县城主要排污沟一窑泥沟沟口处建设经营性人工湿 地净化技术试验工程，取得了明显成效。据监测部门监测结果表明，年悬浮物、化学需 氧量、生化需氧量、总氮、总磷等主要污染物负荷去除率分别为：8 5 、6 0 、5 0 、5 0 、 4 0 。经过净化处理的水质可以达到地表清洁水类标准，适当增加停留时间可达地表 清洁水i i i 类标准。 目前，全国最大的人工湿地一石岩河人工湿地于2 0 0 5 年1 1 月5 日开工的，总面积为9 万平方米，总处理规模为6 万吨r ，石岩河干流及黄家庄支流均将纳入它处理，该石 岩河人工湿地工程采用“高效垂直流人工湿地系统水质净化”技术。 3 2 人工湿地的类型 根据植物的存在状态，人工湿地主要分为三种类型：浮水植物系统；沉水植物系统； 挺水植物系统。为了获得更好的水质，不同类型人工湿地可以结合使用，也可以和传统 污水处理方法( 如氧化塘、砂滤等) 联合使用。而人工湿地应用最广泛的是挺水植物 系统。从工程设计的角度出发，按照系统布水方式的不同，挺水植物系统又可以分为如 下类型“：表面流人工湿地( s u r f a c ef l o ww e t l a n d ，s f w ) 、潜流型人工湿地( s u b s u r f a c e f l o ww e t l a n d ，s s f w ) 和垂直流湿地( v e r t i c a lf l o ww e t l a n d ，v f w ) ，垂直流湿地又 称之为过滤型人工湿地( i n f i l t r a t i o nw e t l a n d ，l w ) 。不同类型人工湿地对特征污染物的 5 ，智，叫垫号【士掌位簧 文 一 正翻u 乜擅物倒 期逸刀o 验研究 去除效果不同，并具有各自的优缺点。 表面流人工湿地这种类型的湿地与自然湿地最相近，污水从系统表面流过( 图 1 ) ，氧通过水面扩散补给，但是其去污效果优于自然湿地系统。常用的植物包括香蒲、 芦苇、慈姑、莎草。这类湿地具有投资少、操作简单、运行费用低等优点，但占地面积 较大、水力负荷率较小、去污能力有限、易滋生蚊蝇“”。在北美大多数人工湿地属于此 类型，但其在欧洲发展缓慢，我国也很少用。 图1 表面流人工湿地的典型结构“” f i g ，lt y p i c a lc o n f i g u r e a t i o no fas u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e d - e t t a n d 潜流型人工湿地污水从进水口经由砂石等系统介质，以近水平流方式在系统表 面以下流向出口( 图2 ) 。它是由一个或多个填料床组成，床体填充基质，床底设有防 渗层，防止污染地下水。与表面流人工湿地相比，水平流保证人工湿地具有较大的水力 负荷和污染负荷。污水在床体的内部流动，一方面可以充分利用填料表面生长的生物膜、 丰富的植物根系及表层填料截留等作用，以提高其处理效果和处理能力。另一方面，由 于水流在地表以下流动，故具有保温性好、处理效果受气候影响小、卫生条件好等优点 d 3 。其缺点是控制相对复杂，脱氮、去磷效果不如垂直流人工湿地系统。潜流系统在欧 洲应用较多，在月麦、德国、英国每个国家都至少有2 0 0 个系统在运行。 广西大攀硕士掌位论文 叠l 地檀，物蠹姊葺i a 蓝齄研，巴 图2 潜流型人工湿地的典型结构“” f i g 2t y p i c a lc o n f i g u r e a t i o no fas u b s u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d 垂直流人工湿地垂直流人工湿地污水从湿地表面纵向流向填料床的底部，床体 处于不饱和状态，污水直接与基质接触，氧可以通过大气扩散和植物传输进入湿地系统 ( 图3 ) 。垂直流人工湿地由于具有高的净化效率和相对较小的土地需求等优点而变得 越来越普遍“。 图3 垂直流人工湿地的典型结构 f i g 3t y p i c a lc o n f i g u r e a t i o no fav e r t i c a lf l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d 3 3 人工湿地基本构造及其在系统中的作用 绝大多数自然或人工湿地由血部分组成“”： ( 1 ) 具有透水性的基质。如沙砾、沙土、土壤、石块等，这些基质为微生物的生长 提供稳定的依附表面，同时也为水生植物提供了载体和营养物质，是湿地化学反应的主 要界面之一。当污水流经人工湿地时。基质通过一些物理的和化学的途径( 如吸收、吸 附、过滤、离子交换、络合反应等) 来净化除去污水中的n 、p 等营养物质。 广西，“# 司| 士掌位能叩乞 工翟魄植物的姊矗l a 剖j 盘研究 ( 2 ) 水生植物。人工湿地中水生植物不仅具有较强的营养物质吸附富集功能，而且 还能与其周围环境的各种原生动物、微生物形成各种小环境，如将氧气传送至植物根区， 为微生物的吸附和代谢提供良好的生化环境，形成特殊的根际微生态环境，这一微生态 小环境具有典型的活性生物膜的功能，具备很强的净化废水的能力，对多种污染物有很 强的吸收、分解、富集能力。 ( 3 ) 微生物。植物根区微生物是湿地降解有机污染物的主要生力军，人工湿地中微 生物的活动是废水中有机物降解的主要机制。水生植物通过通气组织的运输，将氧气输 送到根区，从而形成根表及附近区域的氧化状态。在这一区域废水中的大部分有机物质 被好氧微生物分解成二氧化碳和水，有机氮化物等则被硝化细菌硝化。而在湿地中的还 原状态区域，则是有机物被厌氧细菌分解发酵。对于金属元素，植物根区好氧微生物的 活动有利于硝化作用，可以加强湿地对重金属的吸附和富集作用“”。 ( 4 ) 无脊椎或脊椎动物。如鱼类、贝类和鸟类等。 ( 5 ) 在基质表面上下流动的水。 4 植物在人工湿地系统中的作用及选择原则 4 1 植物在人工湿地中的作用 利用湿地系统净化污水，目前已发展成为一种完备和独立的污水处理技术“。通常 将该污水处理系统称之为“根区法”呻1 ，可见植物在该系统中的重要地位与作用。 4 1 1 去除污染物( 净化污水的机理) 一般来说，几乎所有水生维管柬植物( “水生植物”) 都能净化污水。水生植物对污 染物的净化包括附着、吸收、积累和降解几个环节。植物可通过根系吸收，也可直接通 过茎、叶等器官的体表吸收。吴振斌等1 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6 0 以 上，即使在冬季也能达至r j 4 0 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 广置r 犬掣q 曩士掌位论支 二曩l 地，植物的蒴避覆试验研究 统磷的去除率仅为2 8 啪1 。c o p p e r 的研究。”也发现，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1 8 2 8 和2 0 3 1 ，可见水烛和灯心草 吸收利用了污水中部分的氮和磷。另一方面是植物根系释放到土壤中的酶等物质也可直 接降解污染物，且降解速度非常快捌。美国乔治亚州a d h e n s 的e n 实验室从淡水沉积物 中分离鉴定出脱卤酶、硝酸还原酶、过氧化物酶、漆酶和氰酶等五种酶对污染物降解有 重要作用，并发现这些酶均来自植物。“。所以，酶活性将作为挑选合适湿地植物的重要 指标之一。 。 ( 1 ) 有机物的去除。不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很快地被截留 而被微生物利用，可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过 程而被分解去除。一般人工湿地对b o d ；的去除率在8 5 9 5 之间，对c o d 。，的去除率可达8 0 9 6 以上蚓。 ( 2 ) 氮的去除。n 在污水中主要以有机氮和氨氮的形态存在，氨氮的去除主要取决于 植物的供氧能力，植物输送氧至根区，在根茎部产生好氧环境消耗污染物，在这种环境 下，氨氮被氧化n 0 2 - ，和n o r ，其机理是通过硝化反应，先将按氮氧化成硝酸盐，再通过 反硝化反应将硝酸盐还原成气态氮而从水中逸出。有研究表明1 湿地植物吸收固氮不是 氮去除的主要机理，若加上植物根系固氮量在内，脱氮率也不会超过3 0 。因此，湿地 系统脱氮的主要途径应是植物根系的泌氧功能，使之形成了湿地床内好氧、缺氧和厌氧 区组成的根际微区处理单元的脱氧功能，其原理类似废水厌氧一缺氧一好氧处理工艺 的脱氧机理。 ( 3 ) 磷的去除。p 在人工湿地系统中的去除主要有3 个方面的作用：1 ) 微生物互f 常的同 化或植物的吸收作用：2 ) 聚磷菌的过量摄p 作用：3 ) 基质的物理化学作用。其中最主要的 是基质对p 的吸附作用及其纳磷容量瑚1 。z h u 等汹研究了m g 、c a 、f e 、a l 与p 的吸附关 系，指出c a 与p 的吸附相关性最强。g e ll e r 等啪1 也认为c a 与f e 、a l 相比对p 具有更强的 结合能力。王宣明旧1 对相同碎石土壤床不同湿地植物对各种污染物净化效果的实验表 明，对照( 无植物及根系的作用) 氮及s s 的去除率明显偏低，而磷的去除率相对较高。说 呢床体本身有较好的脱磷功能，而水生植物对磷的吸收很有限。 4 1 2 维持人工湿地环境 人工湿地系统中的植物除了能直接去除污染物外，在维持湿地环境方面也发挥着重 9 ，西大孽问e 士掌位论文 、工翻l | t 扭l 耪的辩遣覆目u 睦研究 要作用。 ( 1 ) 提供良好过滤条件、防止湿地被淤泥淤塞。试验发现，经过3 5 个月的污水处 理后，不种植物的对照土壤介质板结，发生淤积：而种有水烛和灯心草的人工湿地渗虑 性能好，污水能很快地渗入介质，处理效果十分明显1 。 ( 2 ) 为微生物提供良好根区环境。输氧作用是湿地植物维持湿地环境的重要方面。 湿地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”，并且向土壤环境释放大量祷类、酵类和酸类等分泌物，细根的腐解 也向土壤中补充了有机碳，不仅加强了微生物矿化有机污染的速度删，而且这种根区有 氧区域和缺氧区域的共同存在为根区的好氧、兼性和厌氧微生物提供了各自适宜的小生 境，使不同的微生物各得其所，发挥相辅相成的作用1 。植物根的生长发育及根系分泌 的有机和无机化合物是刺激根际微生物繁殖的重要能源和养分源汹1 。根系分泌物不仅为 报际微生物提供所需的能源，而且不同根系分泌物直接影响着根际微生物的数量和种群 结构。分泌物越多，微生物生长越旺盛：而根系分泌物的种类则决定了根际微生物的种 类，这就是不同植物根际发育着不同种微生物的原因。当然根系分泌物除了对裉际微生 物数量和种类产生影响外，还对微生物的代谢及生长发育有一定的影响。其影响有时起 促进作用，有时起抑制作用。已经有许多研究证明了植物对根际微生物的影响”“”、“” 。目前，关于人工湿地微生物己经有了一些研究报道“”“6 1 ，主要是通过分析人 工湿地中微生物的类群和空间分布，探讨了微生物与净化效果的相关性。 4 1 3 植物是土壤酶的来源之一 土壤酶主要来源于土壤微生物的活动、植物根系分泌物和动植物残体腐解过程中 释放的酶“”1 。因此，植物是土壤酶的主要来源之一。有研究表明，杉木根际土壤脲酶、 过氧化氢酶、中性和酸性磷酸酶、过氧化物酶活性明显高于非根际土壤“。杨承栋等“” 进一步研究表明，杉木幼林的根际土攘酶活性低于非根际土壤，但随着林龄的增加，根 据土壤酶活性显著高于根外壤。目前，对人工湿地基质酶活性已经有了一些研究报道 ”“”o “”，主要是通过分析人工湿地中基质酶活性和空间分布，探讨了基质酶活性与净 化效果的相关性。梁威和吴振斌的研究。“证明，人工湿地基质酶在污水净化过程中发挥 了重要作用，且不同植物其根区基质酶活性是不相同的，甚至不同深度基质中的酶活性 也是不相同的。李科德。在芦苇床净化污水的机理研究中发现复合垂直流人工湿地中不 广西大掌q n b 掣啦论支 五滔l 地植物的辫葺；a 试验研究 同植物根区的磷酸酶和脲酶的活性是不同的，同时其去除污水中氮磷的效果也是不同 的，这说明了挑选合适植物的必要，即应该挑选那些根区酶活性较高的湿地植物来治理 污水，以达到最佳的效果。 4 。1 4 生态美学输值 目前生态美学价值也成为人工湿地污水处理技术追求的目标之一，充分体现在湿地 的清洁性、独特性、愉悦性和可观赏性等方面，而这些价值主要是通过水生植物来体现 “”。岳春雷等“”在杭州风景区内通过种植吉祥草( r e i n e c k e ac ( 3 i n e s ) 和黑麦草( l o v j u w n p e _ r e n n el ) 构建的人工湿地不但成功处理了水污染，而且也美化了周围环境。成都活 水公园人工湿地塘床系统中的大型水生植物群落在人工湿地生态系统中起着主体作用， 同时还发挥着美化、绿化环境的作用。“。 4 1 5 经济价值 人工湿地生态系统中植物的经济价值，也是近年才得到重视的。在人工湿地系统的 实际运行期间，湿地植被的管理往往成为一个难点，主要的问题是管理费用较高。如果 在人工湿地建造初期植物物种的选择方面，考虑所选植物的经济价值，这个问题就会变 得较为简单。如：选择绿化用的苗木、花卉等作为人工湿地植物可谓举两得。胡焕斌 报道用木本植物作为人工湿地的主要植被且试验证明效果和芦苇接近。黄时达等在利 用人工湿地系统处理四川黔江地区白岩煤矿坑酸性污水和生活污水的研究中指出灯心 草是适宜的湿地植物，不但具有较高的污染净化能力，而且也是四川农民经常栽种的经 济作物，可以用于编织草席出售，具有一定的经济价值。 4 2 人工湿地植物的选择原则 4 2 1 耐污能力强 耐污能力是选择人工湿地植物首要考虑因素。大多数植物对污染的特殊逆境有一定 的适应性，并且会产生一定的抗性，一定程度上这种抗性具有遗传性汹1 。但不同植物耐 广冒大掣顷士掣啦能文 二薯嚏植物的筛商l a 亩u 窿习阳电 污能力相差较大，所以构建人工湿地选择物种时要选择耐污能力强的植物，可以保证植 物的正常生长，也有利于提高人工湿地的污染物净化能力。 4 2 2 净化能力强 为了提高人工湿地的去污能力，不但要选择耐污能力强的植物，同时也要求植物的 净化能力要高。主要从两方面考虑，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。黄时达嘲3 等比较了芦苇、灯心草和香蒲三种植物的污染物净化能力， 结果发现灯心草去污能力最强，c o d c ，的去除率达到4 2 4 6 。高吉喜嘲等选择了7 种湿 地植物，研究发现，慈菇和茭白的综合净化率最高。这些研究都为选择合适的人工湿地 植物提供了理论和现实基础。另外，在去除重金属污染方面应用较多的超累积植物也可 以应用到人工湿地中。根据所要处理污水中的主要污染物，来选择相应种类的超累积植 物，尤其在处理污水中的重金属元素方面，具有非常好的应用前景m 忉。 4 2 3 根系发达、茎叶茂密 植物的吸收、吸附和富集作用与植株的生长状况和根系发达程度密切相关，因而不 同植物构成的人工湿地净化污水效果存在着差异。a d c o c k 等。7 1 研究了水麦冬 ( t r i g l o 拍i np a l u s t 国和芦苇两种人工湿地植物的地上、地下和总的生物量、生长状 况和组织中营养成份的含量，结果表明水麦冬具有明显发达的根系和较高的地下生物 量，对氮、磷的去除效果是芦苇的5 倍。植物具有发达的庞大根系可以分泌较多的根分 泌物，为微生物的生存创造良好的条件，促进根际的生物降解嘲1 ，提高人工湿地净化能 力。植物的根系还在固定床体表面、笼络土壤和保持植物与微生物旺盛生命力等方面发 挥着重要作用，对保持湿地生态系统的稳定性具有重要意义。 4 2 4 园地制宜原则 构建的人工湿地适应不同的水文地貌，植物也一定要适合具体湿地设计的要求，必 须做到因地制宜，最起码要使所选植物能够i f 常生长，适合当地的条件。同时，由于设 计的人工湿地系统是周围景观的一部分，因而必须将融入其中，面不是独立于景观之外， 1 2 ，1 膏大掣：司l 士掌位论文 五奠潍檀辘r 的弗琏a j t 疆研究 这在植物选择中也应考虑。所以构建人工湿地选择物种的适地适种原则包括适应当地的 气候条件、地形条件和人文景观条件也是重要原则之一渊。灯心草的净化效果表现出不 同气候区域的差异。在深圳白泥坑水源保护的人工湿地中，灯心草因生长不好而遭淘汰 嗍；在武汉，人工湿地中的灯心草一直生长旺盛，对凯氏氮的去除率维持在9 5 以上删。 4 2 5 经济和观赏价值高 以往人工湿地植物的选择多局限于凤眼莲、喜早莲子草和宽叶香蒲等，但因其经济 价值不高、景观效果欠佳等原因，难以在城市中广泛应用。同时，近年来有关学者开始 对湖泊等受污染水体进行无土栽培陆生经济植物净化与利用研究“，发达国家的人工湿 地污水处理系统在治污的同时还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映生辉，产生了非常好的效果。由文辉1 等试验结 果表明，经检测分析水雍菜和水芹菜茎叶部的c u 、c d 、p b 和z n 含量均处于可食用范围内， 上述两种经济植物轮作，每平方米水面每年可自水中移除t n2 0 4 8 9 ，t p2 4 6 2 9 ，并可 收获蔬菜5 0k g m 2 ，具有显著的环境效益和经济效益。把食用经济植物作为人工湿地植 物可能存在食品安全问题，但如果条件适合，这也是一种较好的选择。那么应用具有绿 化、原材料和观赏等用途的植物作为人工湿地植物，这一问题就随之解决了。 4 2 6 重视物种间的合理搭配 为了增强入工湿地的污染物净化能力和景观效果，有利于植物的快速生长，一般在 人工湿地中选择一种或几种植物作为优势种搭配栽种，但也要考虑到不同种类的植物之 间存在的相互作用，包括两个方面，其一是对光、水、营养等资源的竞争，其二是植物 之间通过释放化学物质，影响周围植物的生长，如：香蒲、芦苇等就存在这样的相互作 用，研究发现宽叶香蒲、水葱、苔草等植物体腐烂产生的化感物质对芦苇生长、繁殖具 有抑制作用“。所以构建人工湿地选择植物时一定要重视合理搭配，既有利于群体的快 速形成，也具有较高的污染物净化能力和观赏价值