人工湿地的分类与种植植物

人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用。

 

 

用人工湿地处理污水可追溯到1903年，建在英国约克郡Earby，被认为是世界上第一个用于处理污水的人工湿地，连续运行直到1992年。而人工湿地生态系统在世界各地逐渐受到重视并被运用，还是在20世纪70年代德国学者Kichunth提出根区法（the root-zone-method）理论之后开始的，根区法理论强调高等植物在湿地污水处理系统中的作用，首先是他们能够为其根围的异养微生物供应氧气，从而在还原性基质中创造了一种富氧的微环境，微生物在水生植物的根系上生长，他们就与较高的植物建立了共生合作关系，增加废水中污染物的降解速度，在远离根区的地方为兼氧和厌氧环境，有利于兼氧和厌氧净化作用，另一方面，水生植物根的生长有利于提高床基质层的水力传导性能。

 

人工湿地类型按照进出水布水的方式的不同， 一般将人工湿地分为表面流人工湿地和潜流人工湿地。

 

 

 

(1)表流人工湿地

表面流人工湿地基本特征主要是污水在土的上层流动， 水面与空气直接接触。

 

 

部分物质被阻挡截留，大部分的有机物是由生物的生物膜降解去除。研究表明， 这种类型的人工湿地比较适合处理污染物浓度不太高的污水。表面流人工湿地对各类污染物的去除率都较好，效果比较稳定。此外，污水中的营养元素以及被分解的有机污染物为植物和微生物的生长提供了营养物质，增加了物种的丰富度。表面流人工湿地的设计简单，所需投资少，运行过程的成本低；但负荷低，去污能力也有限。受自然气候条件的影响大，占地面积大，污水直接暴露地表会产生臭味。

 

 

 

(2)潜流人工湿地

潜流人工湿地的进水方式是由上而下进水，污水均匀进入填料床底部，在湿 地内部进行反应，反应过后的出水经过出水管排出。所以潜流湿地系统可以充 分利用到植物根系以及富集在基质表面的生物膜。

 

 

 

 

根据水流向的不同，潜流人工湿地又能分为两种：水平潜流和垂直潜流。

 

垂直潜流人工湿地系统的水在填料床 间基本呈从上到下的垂直流动方式，水流流过填料后均匀分布在出水端底部，而 后排出系统。对 COD、TN 的去除率比水平人工湿地要高，而且抗负荷冲击 能力强，投资成本少、运行费也用低。但是相对于水平潜流人工湿地，垂直潜流 人工湿地去除有机物的能力不好，而且垂直潜流人工湿地设备要求高，运行流程 复杂。总的来说，潜流人工湿地受气候影响比较小，建造的成本较高，基质也很 容易堵塞，从而造成表面上水流停滞，对系统的长期运行并不利。

 

 

 

(3)潮汐流人工湿地 

潮汐流人工湿地是由英国伯明翰大学所提出的， 其原理是利用运行过程中床体先饱和后排干的过程， 将新鲜的空气带入填料中。从而达到提高湿地填料中的 氧传输量以及氧利用率的目的；当水被排出湿地的时候，残留的有机污染物 此时急需消耗大量的氧， 由于水的排空，空气中的氧被微生物利用进而提供了其溶解氧的来源。之后进水，进一步反应，交替循环进行。充分利用了大气中的氧 气，提高了氧传递速率。进一步提高了人工湿地系统对于污染物的去除效果。目前的进水排水方式主要有间歇进水、瞬间排水，通过优化排空和进水时间比例来进一步提高污染物质的去除效果。但是，经过一段时间的运行，微生物不断累积阻塞床体，进而阻碍了水和空气在湿地中的流动，从而降低了处理效率。

 

 

各种人工湿地类型优缺点比较

 

 

湿地植物

植物具有很强的生命力和旺盛的生长势

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。

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。

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。

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。

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。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；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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

 

 

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。

 

 

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。

 

 

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。

 

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。