亚热带地区生活污水净化人工湿地冬季植物的筛选与配置方法

摘要

本发明涉及亚热带地区用于生活污水净化的人工湿地中，如何进行冬季植物的筛选和配置的技术。本发明根据适应能力与生理特性、耐污与去污能力、基质酶活性三大指标选定了水芹、油菜、灯芯草、虎耳草、德国鸢尾、桂花、花菖蒲七种净化能力强的植物，再将选定的植物按照污水净化效果和景观效果进行组合配置。该冬季人工湿地植物模式污水净化效果好，且能够在亚热带地区安全有效的运行，并具有一定的景观价值。

说明书

技术领域

本发明涉及亚热带地区用于生活污水净化的人工湿地中，如何进行冬季植物的筛选和配置的技术。

背景技术

人工湿地是一种为处理污水而人为设计建造的、工程化的湿地系统，通常由人工基质和生长在其中的水生植物组成，是一个独特的水-土壤-植物-微生物生态系统，其物理、化学、生物的协同作用可以有效处理污水。与传统活性污泥处理技术相比，人工湿地具有污染物去除效果好、耐冲击负荷能力强、运行费用低、维护管理简便等优点，但是其不足之处在于其占地较大。由于上述优点，人工湿地在国内外得到了广泛的应用。植物是人工湿地的重要组成部分，在系统中起关键作用，主要表现在植物根系向基质释放氧气、植物根系固定植物床、改变水力传导能力、为微生物创造生存条件、植物的景观美学作用等方面。由于植物受地区气候的影响很大，不同地区的冬季气温问题对湿地植物的影响程度也不一样，在亚热带地区由于冬季低温造成目前湿地植物冬季时绝大多数都会全株死亡或者地上部分死亡，从而造成人工湿地在冬季会丧失对污染物的净化能力和景观效果。根据国内外文献检索，在湿地植物筛选方面密切相关文献中，研究筛选出了各地合适的湿地植物主要包括：美人蕉、薏米、文殊兰、蜘蛛兰、团扇蔓绿绒、琴叶蔓绿绒、银后粗肋草、姜花、白鹤芋、夏雪黛粉叶、文殊兰、广东万年青、朱顶红、海芋。千屈菜、普通菖蒲、红花美人蕉、达氏香蒲。芦苇、香蒲、香根草、象草、芦苇、香蒲、慈姑、泽泻、玉带草、石菖蒲、泽泻、菖蒲、黄花鸢尾。有文献表明香蒲、睡莲、水葱、美人蕉、千屈菜和黄花鸢尾都可以用作中国北部沿海高盐度地区微咸水人工湿地污水处理系统的植物，其中以黄花鸢尾耐盐性最好。也有文献表明野芋头、花叶万年青、象草、姜花、绿公主、富贵竹、再力花、大花叶万年青、芦苇、花芦苇、美人蕉、文殊兰、水芋头、风车草、红草、蜘蛛兰、千手观音、水葱和花蝴蝶等18种植物，可以作为人工湿地生态系统选种植物。在湿地植物应用方面，有研究了表面流人工湿地中香根草、风车草、芦苇和水鬼蕉四种植物的生长情况。有文献研究了美人蕉与干屈菜的组合、菖蒲与美人蕉的组合、菖蒲与千屈菜的组合、美人蕉与石菖蒲的组合能提高总磷的净化效果。目前各国建立的人工湿地主要集中在温带，处理生活污水的植物主要有：香蒲(Typha angustifolia)，千屈菜Lythrum salicaria，水葱Scirpus validus，花叶芦竹Arundo donax，美人蕉Canna indica，花叶美人蕉Variegated canna，花菖蒲Iris ensata Thunb，菖蒲Acoruscalamus，鸢尾Iris pseudoacorus，芦苇Phragmites australis，再力花Thalia dealbata，风车草Cyperus alternifolius，梭鱼草Pontederia cordata等。这些植物在亚热带地区，如湖南，到冬季时绝大多数都会全株死亡或者地上部死亡，从而造成人工湿地在冬季会丧失对污染物净化能力和景观效果，且每年人工湿地其它植物的越冬也是一个严重的问题。如果能筛选培育一批在冬季能安全越冬具有一定的去污能力的植物，建立人工湿地冬季植物组合，对其去污机理进行研究，对于亚热带环境条件下人工湿地运作推广具有重大的意义。

发明内容

针对亚热带地区目前普遍存在的人工湿地植物到了冬季容易死亡的问题，本发明的目的是提供一种筛选冬季植物的方法，并对选定的植物进行合理配置，使其具有良好的净化及景观效果，从而有利于亚热带环境条件下人工湿地的运作推广。

本发明的目的是这样实现的：在亚热带地区可以安全越冬且具有较高生长量的植物当中，根据适应能力与生理特性、耐污与去污能力、基质酶活性三大指标来选定净化能力强的植物，再将选定的植物按照污水净化效果和景观效果进行组合配置，植物经组合配置后能与人工湿地中原有的各种基质、植物、微生物衔接。

上述适应能力与生理特性的具体指标为根系长度、根系活力、叶片丙二醛含量；耐污与去污能力的具体指标为植物生长量、植物体内氮浓度、植物体内磷浓度、植物对氮的积累量、植物对磷的积累量；基质酶活性的具体指标为基质脲酶活性、基质磷酸酶活性。

选定的植物为水芹、油菜、灯芯草、虎耳草、德国鸢尾、桂花、花菖蒲。

植物的主要组合配置为1)水芹-德国鸢尾-花菖蒲；2)灯芯草--德国鸢尾-桂花；3)水芹-德国鸢尾-油菜；4)油菜-德国鸢尾-虎耳草。

本发明的有益效果：

1)本发明对植物采用了科学且合理的筛选手段和配置方法；

2)本发明筛选得到的亚热带地区处理生活污水人工湿地冬季植物，具有冬季能够安全越冬、具有较高的生长量、能够保证较好的人工湿地冬季污水净化效果；

3)植物来源方便，繁殖管理方便，可以种植在所有的潜流人工湿地床上；

4)净化效果较好，耐亚热带冬季低温，可以在亚热带地区推广应用；

5)引入了部分木本植物到潜流人工湿地，扩大了植物的筛选范围；

6)特别适合城镇生活污水处理项目。

附图说明

图1：25种植物采用净化潜力评价指标聚类结果图

具体实施方式

1、亚热带地区生活污水净化人工湿地冬季植物筛选种类

在广泛调查与多年田间观察的基础上，我们从目前在亚热带地区冬季可以越冬，而且可以种植在人工湿地中的植物中选择以下25种植物作为筛选材料(表1)。

表1筛选植物种类

2、亚热带地区生活污水净化人工湿地冬季植物的筛选方法与结果

2.125种植物的生理特性比较

表225种植物的生理特性比较

  植物  根长cm  根系活力ug·g^-1·h^-1  丙二醛含量nmol/g  月季  12  93.35  51.77  女贞  17  181.63  12.98  熊掌木  10  65.09  11.73  红继木  13  68.63  10.34

  撒金珊瑚  10  164.32  9.63  桂花  13  36.84  23.44  德国鸢尾  25  15.65  6.98  大叶冬青  9  29.78  14.86  五月菊  14  192.22  10.27  羽衣甘蓝  13  164.32  58.21  金鱼草  24  75.69  8.75  矮牵牛  6  26.25  2.26  水芹  15  54.5  11.56  小叶冬青  6  30.67  13.38  葱兰  14  118.07  6.36  花菖蒲  11  82.75  9.58  虎耳草  6  55.25  16.27  麦冬  14  132.19  75.79  杜鹃  11  19.17  37.00  油菜  27  58.03  13.53  白菜  20  178.1  8.72  灯芯草  16  72.16  12.02  红甜菜  5  29.78  16.47  香石竹  5  89.81  8.81  金盏菊  10  135.72  11.71

从湿地植物适应能力与生理特性来看(如表2)，25种植物种植在生活污水中生长90d后，在根系数量、长度、活力以及叶片过氧化物酶活性方面都表现出差异。植物根系数量与长度是湿地植物的适应能力强弱的形态学表现指标之一，是植物适应能力强弱的最直接的形态学表现.从根系长度来看，根系较长的植物包括德国鸢尾、金鱼草、水芹、女贞、油菜、白菜、灯芯草，这7种植物的根系长度都在15cm以上。根系活力的变化是植物适应能力强弱的生理表现指标之一。根系活力较强的植物包括女贞、金盏菊、洒金珊瑚、五月菊、葱兰、羽衣甘蓝、麦冬、白菜。丙二醛(MDA)通常作为脂质过氧化指标，表示细胞膜脂过氧化程度和植物衰老指标及对逆境条件反应的强弱。由表知月季，羽衣甘蓝，麦冬，杜鹃的过氧化程度较高，对逆境条件反应较强。

2.225种湿地植物的氮磷积累量比较

表325种湿地植物的氮磷积累量比较

  植物  干重G/株  植物体内氮浓度mg/g  植物体内磷浓度mg/g  吸收N量/株  吸收P量/株  月季  17.31  8.25  3.65  142.85  63.23  女贞  4.36  18.15  1.91  79.15  8.34  熊掌木  13.30  8.48  0.65  112.75  8.68  红继木  7.04  1.44  1.22  10.14  8.61  撒金珊瑚  43.33  17.09  2.56  740.49  110.92  桂花  11.31  45.18  2.24  510.83  25.37  德国鸢尾  477.31  2.84  5.00  1354.16  2387.71  大叶冬青  16.36  51.19  4.28  837.46  69.95  五月菊  89.73  3.34  1.31  299.36  117.51  羽衣甘蓝  94.13  17.48  2.63  1645.56  247.91  金鱼草  96.28  6.66  2.70  641.31  259.89  矮牵牛  7.12  25.69  1.95  183.01  13.91  水芹  347.22  25.01  1.13  8684.38  393.43  小叶冬青  3.79  5.73  0.77  21.73  2.90  葱兰  41.95  12.09  0.63  506.98  26.43  花菖蒲  28.18  47.52  2.67  1339.04  75.30  虎耳草  52.60  27.89  0.59  1467.15  30.88

  麦冬  10.69  11.88  1.56  127.03  16.66  杜鹃  8.51  27.41  1.71  233.25  14.53  油菜  719.25  14.22  1.72  10226.87  1235.75  白菜  257.23  2.14  1.02  550.11  261.90  灯芯草  383.17  11.45  1.11  4387.42  424.73  红甜菜  67.88  16.01  1.68  1086.94  113.98  香石竹  36.01  0.22  0.41  7.76  14.78  金盏菊  167.76  9.57  1.77  1604.81  297.53

植物氮磷积累量表示植物从湿地系统中带走的氮磷量，是直接反应植物的净化潜力的重要指标之一，氮、磷的积累能力与生长量基本一致，较强的植物包括德国鸢尾、水芹、白菜、油菜、灯芯草、金盏菊，较弱的包括女贞、小叶冬青、杜鹃、红继木等。因此，可以看出，植物氮磷的积累能力主要由生长量决定。

2.325种湿地植物的基质脲酶与基质磷酸酶活性比较

表425种湿地植物的基质脲酶与基质磷酸酶活性比较

根系附近基质脲酶与基质磷酸酶活性是间接反应植物对N、P吸收能力强弱的主要指标之一，基质脲酶活性较强的植物包括水芹、虎耳草、花菖蒲、月季，基质磷酸酶活性较强的为油菜、葱兰、虎耳草、五月菊。

2.425种植物采用净化潜力评价指标聚类评价结果

从25种植物在适应能力与生理特性(表2)(根系长度、根系活力、叶片丙二醛含量)和耐污与去污能力(表3)(植物生长量、植物氮平均浓度、植物磷平均浓度、植物对氮的积累能力、植物对磷的积累能力)、基质酶活性(表4)(基质脲酶活性、基质磷酸酶活性)三大类10个具体指标的聚类结果(图1)来看：25种植物中净化潜力较强为：水芹、油菜、灯芯草、虎耳草、德国鸢尾、桂花、花菖蒲7种。

3、人工湿地冬季植物的组合配置方法

原来人工湿地植物床一般由一种植物组成，结构单一，生物多样性差，而且污水净化效果和景观效果差。本发明根据亚热带地区生活污水净化人工湿地冬季植物的筛选结果，进行了冬季人工湿地植物的组合配置。比较7种植物，水芹、灯芯草、虎耳草到了夏季地上部死亡或停止生长，油菜到了6月份要收获，桂花和花菖蒲的净化潜力与德国鸢尾比较较差，而德国鸢尾的体内吸收P量很高，达到植物体内磷5.00mg/g，在加上德国鸢尾的为多年生植物，冬季抗寒性极强，而且冬季还有很高的生物量，夏季耐高温强光，四季都可以在湿地中生长，因此，本冬季人工湿地植物的植物配置以德国鸢尾为基础材料配置其它植物。

在考虑冬季湿地植物配置时，水芹和油菜在冬季生物量较高，而且油菜开花时还具有很强一定的观赏性，花菖蒲虽然生物量不是很高，但是冬季抗寒性强，而且开花很漂亮。因此，在以德国鸢尾为主的基础上配置其它植物。植物配置组合包括：组合1：水芹-德国鸢尾-花菖蒲；组合2：灯芯草--德国鸢尾-桂花；组合3：水芹-德国鸢尾-油菜；组合4：油菜-德国鸢尾-虎耳草。

下面是上述四种组合配置的进一步说明：

组合1：水芹-德国鸢尾-花菖蒲

将水芹，德国鸢尾，花菖蒲3种植物等面积比例混合种植在人工湿地中，种植时间为11份，3种植物的生长期为11月---次年的6月左右，3种植物种植总10m²，实验研究期间，该人工湿地运行的水力负荷平均为1.5m·d^-1，系统的进水流量45m³·d^-1污水在湿地系统中的总停留时间为48-60h，系统24小时连续运转。TN、TP、COD_cr、BOD₅去除率分达到33.05％、49.04％、50.87％、63.00％以上，对于目前应用的冬季人工湿地系统而言，污水净化效果良好。

组合2：灯芯草-德国鸢尾-桂花

将灯芯草，德国鸢尾，桂花3种植物等面积比例混合种植在人工湿地中，这3种植物为多年生植物，一次种植后不需要换种，灯芯草非常耐寒；德国鸢尾开花时间为5月，开花时景观效果很好，而且德国鸢尾冬天的一直生长，不怕冻；桂花为多年生木本植物，在亚热带地区根本不会受冻，在湿地中引人陆生植物也是一种扩大植物筛选范围的好途径。3种植物种植总面积10m²，实验研究期间，该人工湿地运行的水力负荷平均为1.5m·d^-1，系统的进水流量45m³·d^-1污水在湿地系统中的总停留时间为48-60h，系统24小时连续运转。TN、TP、COD_cr、BOD₅去除率分达到30.26％、51.04％、48.08％、60.45％以上，对于目前应用的冬季人工湿地系统而言，污水净化效果良好。

组合3：水芹-德国鸢尾-油菜；

将水芹、德国鸢尾、油菜3种植物等面积比例混合种植在人工湿地中，种植时间为11份，油菜的生长期为10月---次年的6月左右，德国鸢尾、水芹为多年生植物，而且冬季抗寒性很强。3种植物种植面积10m²，实验研究期间，该人工湿地运行的水力负荷平均为1.5m·d^-1，系统的进水流量45m³·d^-1污水在湿地系统中的总停留时间为48-60h，系统24小时连续运转。TN、TP、COD_cr、BOD₅去除率分达到35.49％、52.89％、49.64％、61.53％以上，对于目前应用的冬季人工湿地系统而言，污水净化效果良好。

组合4：油菜-德国鸢尾-虎耳草。

将油菜，德国鸢尾，虎耳草3种植物等面积比例混合种植在人工湿地中，种植时间为11份，油菜的生长期为10月-次年的5月左右，德国鸢尾、虎耳草为多年生抗寒植物，3种植物种植面积10m²，实验研究期间，该人工湿地运行的水力负荷平均为1.5m·d^-1，系统的进水流量45m³·d^-1污水在湿地系统中的总停留时间为48-60h，系统24小时连续运转。TN、TP、COD_cr、BOD₅去除率分达到32.62％、54.97％、48.37％、61.56％以上，对于目前应用的冬季人工湿地系统而言，污水净化效果良好。