人工湿地复合植被系统及在污水处理中的应用，本文主要内容关键词为：植被论文,湿地论文,污水处理论文,系统论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：X3文献标识码：A 文章编号：1001－4179（2008）16－0022－03
自20世纪70年代以来，逐渐发展起来的人工湿地污水处理技术由于具有工程简单、管理方便、运行费用低、处理效果稳定等优点而在世界各地被广泛用于暴雨径流、生活污水乃至工业废水处理。早在20世纪初美国马萨诸塞州的两处天然水烛（Typha angustifolia）沼泽就被用于废水处理，迄今已有百年历史；加拿大、匈牙利、丹麦等北美、东北欧国家也很早就有利用池杉湿地、芦苇、苔草湿地处理废水的先例。芦苇早在20世纪70年代就被认为是很好的净水植物，到80年代中后期许多西欧国家建立了芦苇床系统用于城镇污水处理，我国深圳、天津、北京等地在90年代也相继建立了人工湿地污水处理系统示范工程。
人工湿地具有多重效应，包括蓄水调洪、废水或暴雨径流处理，地下水回灌，野生动植物栖息地恢复或增加，改善水质，富余水分蒸散以及公众休闲娱乐价值，野生动植物研究与保存价值。传统上，人工湿地一直被认为是经济的污水处理模式，但是在最需要污水处理的人口密集区域，高昂的地价会增加人工湿地污水处理成本。对人工湿地污水处理系统而言，运行管理、设计实施甚至湿地基质都可能有益于提高效率，降低成本，增强可靠性，尤其是湿地植被对于净化效率的进一步提高至关重要。因此USEPA（2000）认为人工处理湿地应该设计成为与当地类似湿地种类相当的、众多乡土植物的栖居地，并在不以牺牲乡土种类为代价而增加杂草、非乡土种类或者入侵性种类比例的条件下，可以适当优化扩大植物种类。维管束植物种类丰富度的提高可以使藻类的生物量增长25％，因而可望支撑更多种类的鱼类和其他野生动物生存，并多吸纳30％的潜在污染物（磷），因此维持水生大型植物多样性、保持或恢复自然的扰动体系以阻止弱势竞争种类消亡，可以强化湿地生态系统的功能和相关服务。
1 人工湿地常用植物种类
植物种类选择是否恰当直接影响湿地系统的净化效果，人工湿地往往选用多年生大型植物。大型植物的庞大根系常年具有活性，不仅强化对有机物的降解，而且不必每年栽种，更易适应石砾基质生境；地上部分可以连年生长，具有巨大的生物量和强大的蒸腾作用，更利于污染物去除。一般挺水植物大多适合于各种类型的人工湿地和浅水塘，而浮叶植物、飘浮植物和沉水植物更适合于深水植物塘。
有关人工湿地植被的研究大多围绕草本植物进行，最常用的植物种类有芦苇、香蒲、凤眼莲，其次是藨草、水葱、灯心草、草芦、苔草，还有慈菇、茳芏、池杉、菖蒲、甜茅、鸢尾、美人蕉等也在世界范围内被广泛应用。例如在美国，浮萍科是较常用的漂浮植物，包括浮萍属、紫萍属和微萍属3类；睡莲和石莲花（止血草）是常用浮叶植物；眼子菜和伊乐藻是常用沉水植物；香蒲，草和芦苇是常用草本类挺水植物，山茱萸和冬青是常用灌木（低于6m）；枫和柳是常用乔木。
此外，灯心草被认为是潜流湿地重要种，宽叶香蒲适应范围广，鸢尾和黄菖蒲景观效果显著，藨草越冬性强，旱伞草、美人蕉、萱草、芋、再力花、马利筋、水芋、深红半边莲和紫色半边莲、慈菇、苔草、荸荠、木贼、大米草、拂子茅、香附子等也在欧美地区的人工湿地污水处理系统中常被应用（表1）。另外，白千层和互叶白千层等木本植物也被应用于人工湿地系统。在我国，除了世界范围内广泛应用的湿地植物种类外，其他如香根草（岩兰草、菹草、黄菖蒲、浮萍、水葵（又名风车草）、茭白（又名茭草）、拂子茅等也得到研究和应用，还曾将水杨梅、桤木、池杉、柳、两栖榕、水翁等木本湿地植物应用于湿地系统。
2 人工湿地复合植被系统稳定性分析
尽管一些常用植物（如芦苇和香蒲）是强势竞争者，也能够明显地促进净水过程，但其入侵本性和美学缺陷往往限制了其在湿地系统中的应用。但是如果和其他种类植物进行复合栽培，原本像芦苇和香蒲这样快速入侵的优势植物就能够与其他植物一块使湿地生物食物来源多样化进而增加水生生物的多样性，促进底层沉积物的富氧化并为降解微生物提供栖息地。
不同湿地植物混植后，植物个体间存在着对光、氧、水、热、肥等生态因子的竞争。香蒲、芦苇、美洲苦草、黑藻、穗花狐尾藻等淡水大型湿地植物优势种正是凭借茎冠部分的生长速率高，快速生产大量的光合促进组织来增强光竞争，淘汰邻近植物。在灯心草群落，灯心草植株遮阴越多，局部区域的光降程度就越大，该群落的盖度和物种丰富度、物种多样性越低，其他种类的生物量则随着与灯心草植株的距离和相应遮阴强度而变化。金鱼藻、菱角、满江红、水花生分别是有代表性的沉水植物、浮叶植物、漂浮植物和两栖植物，两两配置形成的群落稳定性差异非常显著：水花生＋金鱼藻模式和水花生＋满江红模式极不稳定，水花生很快侵占整个水面，而满江红、金鱼藻在下层因光照不足而死亡；水花生＋菱角模式可以在短期内保持稳定；金鱼藻＋满江红模式和金鱼藻＋菱角模式比较稳定，满江红和菱角覆盖水面表层，金鱼藻则下层水面生长；菱角＋满江红模式具有明显的界线，满江红缓慢侵入，菱角则不断缩减。
不同种类的湿地植物形成群落后，挺水和浮叶植物可能通过根系、沉水植物可能通过茎叶分泌化感物质，或者其枯枝落叶经过雨水淋溶与微生物分解作用而释放化感物质，或促进、或抑制周围植物的生长。例如宽叶香蒲、水葱、木贼、苔草等植物体腐烂产生的化感物质可以抑制芦苇生长和繁殖，宽叶香蒲枯枝烂叶腐烂后也可能会阻碍其新芽萌发和新苗生长，香蒲自身还含有具有克藻效应的化合物；黑藻对金鱼藻属植物具有抑制作用，石菖蒲通过根系释放复合有机物而具有克藻效应。
3 人工湿地复合植被系统净化效果分析
人工湿地净化污水是物理、化学和生物机制综合作用的结果，不同湿地植物的净化效率各不相同。但是在一些情况下，有植被和无植被的湿地系统，或者在一些常见挺水植物湿地系统对某些污染物质的去除没有明显差别[2]，所以不同植物对处理湿地去污的促进作用受到置疑。对于种植不同大型植物（芦苇和香蒲）的实验室垂直流湿地，在头10个月的运行过程中使用大型植物对一些污染物质（包括铅、铜和BOD5）的去除并没有表现出额外的优势[3]。同样，在小规模、生活污水处理、石砾基质的潜流湿地系统中，藨草和香蒲植被对氮的去除几乎没有影响[4]。此外，额外的植物凋落物甚至被认为能够导致过滤基质上部水层中BOD[,5]负荷升高[5]。人工湿地系统的污染负荷、水力负荷，以及污染物（如氨氮）的耐受性、根区生物膜表面积和掠食微生物增殖、凋落物的碳源有效性或者其他诸如合适的微生物附着面积之类的植物种类特定优势也许会使湿地植物对污染物去除的影响显得微不足道[6]。
上佳的美学特性和高效的处理能力使复合植被优于单种植被，对芦苇湿地在全球范围内的单一和混合种植的净化数据统计发现，混合种植不仅去除效率更高，而且效果更稳定[7]。在我国昆明，金鱼藻、菱角、满江红、空心莲子草的野生成熟植株被移入露天混凝土池（3m×3 m×1m，并通过间苗保持植物覆盖度约80％），4类植物的两两复合群落对N、P的净化功效比单一种类有明显提高[8]（表2），净化率均高于或接近于相应植物单种的最高净化率（除水花生＋菱角模式7月份的净化率低于水花生单种净化率、菱角＋满江红模式8月份的净化率低于满江红单种净化率外），说明不同种类植物混植可提高湿地植被系统对水体N、P的整体净化效率。
在美国的一项实验中，灯心草，水葱和宽叶香蒲被移入40L的椭圆形黑色塑料牛槽（1.5 m×1m，装有45cm或60cm厚的豆粒状沙砾基质），也证明，3种植物的复合植被对生活污水的净化效果比单一植被大大提升[9] （表3）。还有，芋—水生美人蕉植被系统对洗涤剂废水的阳离子表面活性剂LAS（直链式烷基苯磺酸盐）、水体外源性异生物质等具有很好的去除效果[8]；芦苇—水莞、茭白—菖蒲、藨草—苔草等混植的垂直流人工湿地系统的除磷效率（40％～65％）及稳定性均得到提高，而且对藻毒素有明显的去除作用（34.6％～68.5％）[9]。
然而，复合湿地植被的去除效率也不尽相同。相对于香蒲—稗主导的湿地系统，水莞主导的湿地系统在对总氮（85％和61％）和氨氮（91％和52％）的去除更有效[11]。因此，尽管像芦苇或香蒲主导的复合植被系统具有比单种植被更强的去除效果，但是净化能力能够显著超过单种植被的、多种类构成的湿地植被最优化复合模式仍然有待研究。
4 人工湿地复合植被系统优势分析
优选当地适生的湿地植物并进行多种类混植以丰富维管束植物种类、形成稳定成熟的复合群落，已经成为提高人工湿地污水净化效率和综合效益的关键技术之一。因此，要在不同地区实现人工湿地系统的低成本、高效率运行，就需要针对当地的自然环境条件和处理水体的污染状况优选植物种类，突出多种类混植植被的复合优势。复合植被对污水的净化效果增强，首先与植物种类的生理特性有关，众多种类的植被在不同的空间和时间尺度上瓜分根区，去污能力可以超过单一栽培。
不同湿地植物对于特定污染物具有去除优势（表4，5，6），如芦苇的输氧能力很强，而茭白和黑三棱具有较高的N、P吸收能力[12，7，13]，香蒲对Pb、Zn、Cd有突出的去除作用[14]，水葵、美人蕉、水葱、黄菖蒲、茭白、穿心莲子草等湿地植物各具功效，因此可以在复合污染去除上搭配使用。若主要去除水体污染物为BOD、COD类有机物时，湿地植被就需要具有为微生物提供附着界面的庞大根系和较强的传氧能力；若主要去除对象是富含磷类的污染物或重金属时，就需要选择富集能力强、生长速度快、萌蘖特性好的植物种类；若特征污染物种类较多，植被建设就需要将不同生态功能类型的种类搭配互补。对于潜流植物床系统，COD主要在湿地床前端1／3段被分解，TN则主要在床后端进行反硝化，因此一般床前端适宜种植芦苇等泌氧能力强的植物，后端适宜种植茭白等N、P吸附能力强、泌氧能力相对弱的种类，前段芦苇—后段茭白的复合植被床的净化效果就优于芦苇或茭白的单一种类湿地床（表7）。
其次，湿地植物的生理代谢活动直接关系到依附其上的微生物群落及其对污染物的降解效果。一般来说，多种类复合植被可以为根系生物质提供更有效的分布，为更多种微生物群落提供栖息地，因而复合栽培系统对所有污水参数具有强而持久的净化能力。在复合湿地植被中，不同种类植物的根系除了可以向根部输送O[,2]外，还可以分泌多种糖类、醇类、氨基酸类、维生素、磷脂等有机复合物（约占光合作用固定碳的10％～40％）[15]，这可能为种类更丰富的反硝化菌类提供有机碳源，从而增加硝酸盐的去除率，加速有机污染物的矿化速度[15]。此外，湿地植物还可能利用种间或种内的化感作用来抑制有害杂草和藻类，减少残体对植物生长的抑制，促进相互的生长和繁殖，强化杂草的生物预防和控制，进而形成稳定旺盛的植被群落来提高湿地系统的整体净化效果。
除了提高水质，生物多样性和景观娱乐功能也是人工湿地的主要目标。湿地的形状、颜色、面积以及植物种类的复合无疑会增强湿地的美学品质，复合植被可以快速形成生态群落，提升湿地系统的景观美学和观赏游憩价值，例如芦苇复合植被可以形成多花、多层次景观模式以增强湿地植被的生态学、美学与功能方面的价值。但是随着时间推移，在没有管理、干涉的条件下，某些种植物或者入侵植物可能在全部或局部湿地成为优势种类；但是即使是某一类最佳污水处理植物代替了多种类复合的湿地植被，也会造成迁徙水禽休息取食、生殖孵化区域减少的后果。此外，复合植被和乡土种类还不易受到寄生虫掠食或病害暴发诱发的灾难性植物死亡的影响，而单一栽培受到野草入侵的可能性更大[17]，更易受灾难性植物死亡的影响。
5 结语
人工湿地污水处理技术是正处于研究、应用和发展中的实用新技术，当前人工湿地已经从传统的单一水质净化转向多目标应用，人们关注的焦点也从污染物去除转变为提高生物多样性、提升景观娱乐性能和强化相关的科学研究并重。在实际应用中，人口密集的发达地区对污水净化技术的需求往往最为迫切，但占地面积大的缺陷往往又制约了人工湿地在这些区域的推广和发展。在这种条件下，优选适宜的湿地植物种类并建设多种类复合湿地植被系统，不仅可望直接提高人工湿地系统的污水净化效率，而且可以兼顾到湿地系统生物多样性的提高和景观美学价值的提升，还在一定程度上弥补了人工湿地占地面积大的缺陷，促进了人工湿地的推广应用，因而成为提高人工湿地系统综合效益的关键途径。
收稿日期：2008－01－10