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人工湿地植物的选择与配置

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发表于 2017-6-23 17:32:44 | 显示全部楼层 |阅读模式

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人工湿地植物的选择与配置
随着环境保护的迅速发展,人们对湿地功能也有了广泛的认识。湿地作为"地球之肾",担负着对地球自然水体的净化和处理功能。由于城市中天然湿地的逐渐减少和消亡,因此人工湿地以其独到的优越性受到了越来越多的关注和发展。 人工湿地系统水质净化技术作为一种新型生态污水净化处理方法,其基本原理是在人工湿地填料上种植特定的湿地植物,从而建立起一个人工湿地生态系统。当污水通过湿地系统时,其中的污染物质和营养物质被系统吸收或分解,而使水质得到净化。
人工湿地系统水质净化的关键在于工艺的选择和对植物的选择及应用配置。如何选择和搭配适宜的湿地植物,并且将其应用于不同类型的湿地系统中成了我们在营建人工湿地前必须思考的问题。

1.人工湿地污水处理系统植物的选用原则
1.1 植物在具有良好的生态适应能力和生态营建功能;
管理简单、方便是人工湿地生态污水处理工程的主要特点之一。若能筛选出净化能力强、抗逆性相仿,而生长量较小的植物,将会减少管理上尤其是对植物体后处理上的许多麻烦。一般应选用当地或本地区天然湿地中存在的植物。
1.2 植物具有很强的生命力和旺盛的生长势;
① 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。
② 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。
③ 对周围环境的适应能力
由于人工湿地中的植物根系要长期浸泡在水中和接触浓度较高且变化较大的污染物,因此所选用的水生植物除了耐污能力要强外,对当地的气候条件、土壤条件和周围的动植物环境都要有很好的适应能力。
1.3 所引种的植物必须具有较强的耐污染能力;
水生植物对污水中的BOD5、COD、TN、TP主要是靠附着生长在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,对污水承受能力强的水生植物。
1.4 植物的年生长期长,最好是冬季半枯萎或常绿植物;
人工湿地处理系统中常会出现因冬季植物枯萎死亡或生长休眠而导致功能下降的现象,因此,应着重选用常绿冬季生长旺盛的水生植物类型。
1.5 所选择的植物将不对当地的生态环境构成隐患或威胁,具有生态安全性;
1.6 具有一定的经济效益、文化价值、景观效益和综合利用价值。
若所处理的污水不含有毒、有害成分,其综合利用可从以下几个方面考虑:①作饲料,一般选择粗蛋白的含量>20%(干重)的水生植物;②作肥料,应考虑植物体含肥料有效成分较高,易分解;③生产沼气,应考虑发酵、产气植物的碳氮比,一般选用植物体的碳氮比为25~30.5/1;④工业或手工业原料,如芦苇可以用来造纸,水葱、灯心草、香蒲、莞草等都是编制草席的原料。
由于城镇污水的处理系统一般都靠近城郊,同时面积较大,故美化景观也是必须考虑的。然而在实际工作中,很多人工湿地的工艺设计者和建设者考虑得最多的是植物的独有性和观赏价值等表在因素,没有考虑到栽种该植物后的植株生长效果、湿地的运行效果、生长表现以及对生态的安全性等,导致人工湿地在运行一段时间后功能骤降或运行费用剧增,最后导致系统瘫费或闲置。
2.人工湿地植物特性的研究及植物配置分析
2.1 根据植物类型分析
2.1.1 漂浮植物
漂浮植物中常用作人工湿地系统处理的有水葫芦、大薸、水芹菜、李氏禾、浮萍、水蕹菜、豆瓣菜等。
根据对这些植物的植物学特性进行分析,发现它们具有以下几个特点:①生命力强,对环境适应性好,根系发达;②生物量大,生长迅速;③具有季节性休眠现象,如冬季休眠或死亡的水葫芦、大薸、水蕹菜,夏季休眠的水芹菜、豆瓣菜等。生长的旺盛季节主要集中在每年的3-10月或9月-次年5月;④生育周期短,主要以营养生长为主,对N的需求量最高。
由于漂浮植物具有上述的植物学特性,因此,在进行人工湿地植物配置的时候我们必须充分考虑它们各自的优点:①由于这类植物的环境适应能力强,因此在进行植物配置时应当作地方优势品种予以优先考虑;②人工湿地系统中,水体中养分的去除主要依靠植物的吸收利用,因此,生物量大、根系发达、年生育周期多和吸收能力好的植物成为我们选择的目标;③利用植物季节性休眠特性,我们可以给予正确的植物搭配,如冬季低温时配置水芹菜而夏季高温时则配置水葫芦、大薸等适宜高温生长的植物,以避免因植物品种选择搭配单一而出现季节性的功能失调现象;④由于这类植物以营养生长为主,对N的吸收利用率要高,因此,在进行植物配置时应重视其对N的吸收利用效果,可作为N去除的优势植物而加以利用,从而提高系统对N的去除效果。
2.1.2 根茎、球茎及种子植物
这类植物主要包括睡莲、荷花、马蹄莲、慈姑、荸荠、芋、泽泻、菱角、薏米、芡实等。它们或具有发达的地下根茎或块根,或能产生大量的种子果实,多为季节性休眠植物类型,一般是冬季枯萎春季萌发,生长季节主要集中在4-9月。
根茎、球茎、种子类植物具有以下特点:①耐淤能力较好,适宜生长在淤土层深厚肥沃的地方,生长离不开土壤;②适宜生长环境的水深一般为40-100CM左右;③具有发达的地下块根或块茎,其根茎的形成对P元素的需求较多,因此,对P的吸收量较大;④种子果实类植物,其种子和果实的形成需要大量的P和K元素。(3)
由于这类植物具有以下特点,因此在进行人工湿地植物应用配置时应予以充分考虑:①基于这些植物的特性,其应用一般为表面流人工湿地系统和湿地的稳定系统;②利用这些植物的生长(主要是块根、球茎和果实的生长)需要大量的P、K元素的特性,将其作为P去除的优势植物应用,以提高系统对P的去除效果。
2.1.3 挺水草本植物类型
这类植物包括芦苇、茭草、香蒲、旱伞竹、皇竹草、藨草、水葱、水莎草、纸莎草等,为人工湿地系统主要的植物选配品种。这些植物的共同特性在于:①适应能力强,或为本土优势品种;②根系发达,生长量大,营养生长与生殖生长并存,对N和P、K的吸收都比较丰富;③能于无土环境生长。
根据这类植物的生长特性,它们可以搭配种植于潜流式人工湿地,也可以种植于表流式人工湿地系统中。
根据植物的根系分布深浅及分布范围,可以将这类植物分成四种生长类型,即深根丛生型、深根散生型、浅根丛生型和浅根散生型。
(1)深根丛生型的植物,其根系的分布深度一般在30CM以上,分布较深而分布面积不广。植株的地上部分丛生,如皇竹草、芦竹、旱伞竹、野茭草、薏米、纸莎草等。由于这类植物的根系入土深度较大,根系接触面广,配置栽种于潜流式人工湿地中更能显示出它们的处理净化性能。
(2)深根散生型植物根系一般分布于20-30CM之间,植株分散,这类植物有香蒲、菖蒲、水葱、藨草、水莎草、野山姜等,这类植物的根系入土深度也较深,因此适宜配置栽种于潜流式人工湿地。
(3)浅根散生型的一些植物如美人蕉、芦苇、荸荠、慈姑、莲藕等,其根系分布一般都在5-20CM之间。由于这些植物的根系分布浅,而且一般原生于土壤环境,因此适宜配置于表流式人工湿地中。
(4)浅根丛生型的植物如灯心草、芋头等丛生型植物,由于根系分布浅,且一般原生于土壤环境,因此仅适宜配置于表面流人工湿地系统中。
2.1.4 沉水植物类型
沉水植物一般原生于水质清洁的环境,其生长对水质要求比较高,因此,沉水植物只能用作人工湿地系统中最后的强化稳定植物加以应用,以提高出水水质。
2.1.5 其它类型的植物
一些如水生景观植物之类的,由于长时间的人工选择,使其对污染环境的适应能力比较弱,因此也只能作为最后的强化稳定植物或湿地系统的景观植物而应用。
2.2 根据植物原生环境分析
根据植物的原生环境分析,原生于实土环境的一些植物如美人蕉、芦苇、灯心草、旱伞竹、皇竹草、芦竹、薏米等,其根系生长有一定的向土性,配置于表面流湿地系统中,生长会更旺盛。但由于它们的根系大都垂直向下生长,因此,净化处理的效果不及应用于潜流式湿地中;对于一些原生于沼泽、腐殖层、草炭湿地、湖泊水面的植物如水葱、野茭、山姜、藨草、香蒲、菖蒲等,由于其生长已经适应了无土环境,因此更适宜配置于潜流式人工湿地;而对于一些块根块茎类的水生植物如荷花、睡莲、慈姑、芋头等则只能配置于表面流湿地中。
2.3 根据植物对养分的需求类型分析
根据植物对养分的需求情况分析,由于潜流式人工湿地湿地系统填料之间的空隙大,植物根系与水体养分接触的面积要较表流式人工湿地湿地广,因此对于营养生长旺盛、植株生长迅速、植株生物量大、一年有数个萌发高峰的植物如香蒲、水葱、苔草、水莎草等植物适宜栽种于潜流湿地;而对于营养生长与生殖生长并存,生长相对缓慢,一年只有一个萌发高峰期的一些植物如芦苇、茭草、薏米等则配置于表面流湿地系统。
2.4 根据植物对污水的适应能力分析
不同植物对污水的适应能力不同。一般高浓度污水主要集中在湿地工艺的前端部分。因此,在人工湿地建设时,前端工艺部分如强氧化塘、潜流湿地等工艺一般选择耐污染能力强的植物品种。末端工艺如稳定塘、景观塘等处理段中,由于污水浓度降低,因此可以更多考虑植物的景观效果。
3.小结
一个人工湿地系统的建立,植物的选择和配置是很重要的考虑因素。在系统建立和植物栽种配置时要将系统的主要功能与植物的植物学特性充分结合起来考虑。只有这样,才能充分发挥不同植物各自的优势,达到更好的处理净化效果。
湿地植物的栽种配置要根据具体的应用环境和系统工艺来确定,对于一些应用工艺范围较广的植物类型,要充分考虑其在该工艺中的优势,能使其充分发挥自己的长处而居于主导地位。为达到全面的处理和利用效果,应进行有机的搭配,如深根系植物与浅根系植物搭配,丛生型植物与散生型植物搭配,吸收N多的植物与吸收P多的植物搭配,以及常绿植物与季节性植物的季相搭配等。在进行综合处理的一些工艺或工艺段中,切忌配置单一品种,以避免出现季节性的功能下降或功能单一。作为湿地公园规划建设的人工湿地还要考虑景观搭配。

国内人工湿地应用湿地植物及其应用类型列表
  
科属
  
植物中名
类型
学名
应用工艺
香蒲科
香蒲
挺水
Typha  orientalis                  
表流湿地、潜流湿地
禾本科
芦苇
  
皇竹草
  
  
芦竹
  
薏苡
  
水稻
  
花叶芦竹
  
虉草
  
李氏禾
挺水
  
湿生、挺水
  
挺水
  
湿生、挺水
  
湿生、挺水
  
挺水
  
湿生、挺水
  
湿生、挺水
  
浮水
Phragmites australis               
  
Sympnytum peregrjnum lede         
  
Zizania latifolia                     
  
Arundo donax Linn.                  
  
Coix lacryma-jobi                  
  
Oryza sativa L                          
  
Arundo donax var.versicolor               
  
Phalaris arundinaced               
  
Leersia Sw hexandrs  Sartz.              
表流湿地、潜流湿地
  
潜流湿地
  
表流湿地、潜流湿地
  
潜流湿地
  
表流湿地、潜流湿地
  
表流湿地
  
潜流湿地
  
表流湿地、潜流湿地
  
氧化塘
莎草科
荸荠
  
水葱
  
风车草(水竹)
  
纸莎草
  
藨草
  
针蔺
  
茳芏
挺水
  
挺水
  
湿生、挺水
  
挺水
  
挺水
  
挺水、浮水
  
挺水
Heleocharis  dulcis                     
  
Scirpus validus                    
  
Cyperus alternifolius  ssp.flabelliformis   
  
Cyperus papyrus                     
  
Scirpus  triqueter                  
  
Eleoch aris congesta  subsp. Japonica   
  
Cyperus  malaccensis               
表流湿地
  
潜流湿地、表流湿地
  
潜流湿地
  
潜流湿地
  
潜流湿地、表流湿地
  
表流湿地、氧化塘
  
潜流湿地、表流湿地
睡莲科
荷花
  
芡实
  
荇菜
  
萍蓬草
  
睡莲
挺水
  
浮叶
  
浮叶
  
浮叶
  
浮叶
Nelumbo nucifera                        
  
Euryale ferox                           
  
Nymphoides  peltatum                     
  
Nuphar pumilum                     
  
Menyantehes  trifolia                  
表流湿地
  
景观塘
  
景观塘
  
景观塘、氧化塘
  
氧化塘、景观塘
天南星科
  
  
  
菖蒲
  
马蹄莲
  
大薸
  
  
海芋
挺水
  
湿生、挺水
  
浮水
  
挺水
  
挺水
Acorus calamus         
  
Zantedeschia  aethiopica   
  
Pistia  stratiotes           
  
Colocasia  esculenta        
  
Alocasia macrorrhiza  (L.) Schott
潜流湿地、表流湿地
  
潜流湿地、表流湿地
  
氧化塘
  
表流湿地
  
潜流湿地
泽泻科
  
泽泻
  
慈姑
  
泽苔草
挺水
  
挺水
  
挺水、湿生
Alisma  plantago-aquatica  
  
Sagittaria  trifolia         
  
Caldesia  parnassifolias      
表流湿地
  
表流湿地
  
表流湿地、潜流湿地
三白草科
蕺菜
湿生
Houttuynia  cordata        
表流湿地
伞型花科
水芹菜
浮水、挺水
Oenanthe  javanica         
氧化塘、表流湿地
十字花科
豆瓣菜
浮水
Nasturtium  officinale      
氧化塘、表流湿地
旋花科
蕹菜
浮水
Ipomoea aquatica         
末端强化塘
菱科
浮叶
Trapa bispinosa           
末端强化塘
雨久花科
凤眼莲
浮水
Eichhornia  crassipes      
末端强化塘
苳叶科
再力花
挺水
Thalia dealbata           
潜流湿地
蓼科
水蓼
挺水、湿生
Polygonum  hydropiper      
表流湿地
千屈菜科
千屈菜
挺水、湿生
Lythrum  salicaria        
表流湿地
美人蕉科
美人蕉
挺水、湿生
Canna indica              
潜流湿地、表流湿地
凤仙花科
华凤仙
湿生、挺水
Impatiens . chinensis  L.  
表流湿地
木贼科
木贼
挺水、湿生
Equisetum  ramosissimum Desf.        
表流湿地
鸢尾科
黄菖蒲
挺水、湿生
Iris pseudacorus         
潜流湿地、表流湿地
灯心草科
灯心草
挺水、湿生
Juncus effusus            
潜流湿地
姜科
野姜花
湿生
Hedychium coronarium  Koenig        
潜流湿地
石蒜科
蜘蛛兰
湿生
Hymenocallis  speciosa     
潜流湿地
小二仙草科
粉绿狐尾藻
  
狐尾藻
浮水
  
沉水
Myriophyllum  aquaticum   
  
Myriophyllum.spicatum.Linn        
氧化塘
  
末端强化塘
水鳖科
水鳖
  
黑藻
浮水
  
沉水
Hydrocharis dubia  (BL.) Backer   
  
Hydrilla  verticillata         
氧化塘
  
末端强化塘
眼子菜科
眼子菜
  
菹草
沉水
  
沉水
P.tepperi  A.Bennett      
  
Potamogeton  crispus.L.   
末端强化塘
  
末端强化塘
金鱼藻科
金鱼藻
沉水
Ceratophylla  demersum.L   
末端强化塘
夹竹桃科
黄花水龙
浮水
Jussiaea stipu  lacea         
氧化塘


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