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1、成都活水公园人工湿地三种植物净化效能的比较研究1阳小成，康自华 成都理工大学材料与化学化工学院，成都（610059） E-mail: 摘要：通过 2006 全年对成都活水公园人工湿地中三种优势挺水植物芦苇、香蒲、伞草所在塘床的进出水口的 6 个主要水质指标（pH 、DO、COD、BOD5、TP、TN）的逐月对比 监测，探索不同植物种类对污水净化效率的影响。研究表明：这三种水生植物对进入湿地的锦江河水都有明显的净化效果，但其净化效率有较大差异，它们对河水各污染因子的去除率 随季节和植物长势而明显变化。全年总体而言，三种挺水植物中，芦苇湿地对锦江水的净化 效果较好，其次是香蒲湿地，而伞草湿地对水体
2、中磷的去除效率相对更高些。对于湿地中不同的植物塘净化效率产生差异的原因本文做了较全面的分析讨论。关键词：人工湿地，水生植物，净化效率,活水公园沼泽、池塘、湖泊等天然湿地除具有涵养水源、调节气候等作用外，同时对污水还有一 定的自净功能，被誉为“自然之肾”1。人工湿地是指模拟天然湿地的外观、结构和功能，由 人工建立起来的具有湿地性质的污水处理景观生态系统2。目前，人工湿地技术已在许多发 达国家得到了广泛的推广应用，随着技术的不断改进，人工湿地逐渐应用于各种点源、面源 污染治理和富营养化水体的修复中，并用于常规污水处理厂的出水的进一步净化，以作可重 新利用的淡水资源（即中水）。我国人工湿地处理系统研
3、究起步和进展都相对较晚3，4。目前，全国主要的江河水系普遍被污染，水污染的综合防治将是我国一项长期而艰巨的 工作。锦江（旧称府南河）是流经成都市区的主要河流，现在，该河每年有近 5 个月处于枯 水期（具体为：上年 12 月至 4 月为枯水期，6 至 10 月为丰水期，而 5 月、11 月为平水期） 5。其枯水期长年超过类水域标准,达不到城市水环境用水的要求，急需净化整治。植物是人工湿地的重要组成部分，选择并栽种适当的植物种类是使人工湿地达到最佳净 化效果的关键。不同水生植物种类由于其生理特点(如生活史、植株高度、生物量、根系分布和密集程度以及对微生物的活性影响等)不同，对污水的净化能力也不同。
4、目前，对构建人工湿地植物的选择还存在一定的盲目性。 在沉水、浮水、挺水三种水生植物生活型中， 挺水植物普遍具有生长快、生物量大和根系较发达的优势，可以与土壤微生物形成生物膜从 而促进污水的净化。因此，以挺水植物为主的人工湿地一般净化效率较高。而且挺水植物一 般收割方便，同时具有良好的生态和景观价值，因而在人工湿地构建中应用较多。成都市活水公园净水工艺工程”是1998年建成开放的，它将人工湿地处理污水工艺与城 市风景园林造园艺术的构建有机地结合在一起。是一个融生态示范、教育和景观功能为一体 的小型开放式公园，其总面积约0.24hm6。根据净化工艺及观赏效果的需要, 在构成该湿地 系统的十多个塘床
5、内分配布置多个水生植物优势种和点缀种，各植物塘、床单元以优势种命 名。成都活水公园建成后尽管有些相关的实验研究报告发表7，但关于该湿地系统内不同植 物湿地塘对锦江生态水净化效率的比较研究尚未见报道。1本课题得到成都理工大学人才引进科研启动基金（课题编号：R17）的资助。- 7 -1. 研究方法1.1 水生植物的筛选成都活水公园共有湿地塘（或床）十多个，分别栽种有十多种挺水、浮水和沉水的水生 植物。其中生物量较大、种植密度较高、生长较旺盛的主要是挺水类群的芦苇（Phragmites communis Trin）、香蒲（Typha angustifolia）和伞草（Cyperus alternif
6、olius），他们也是天然 湿地中常见以及构建人工湿地时的优选种群。活水公园中这三个湿地塘的水面面积与水容量 的比值分别为 230 m2 /83m3 ，90 m2/32 m3，80 m2/29 m3，几乎相等，具有可比性。因此 本课题就对这三种对水污染净化贡献较大的优势挺水植物湿地塘的净化效率进行对比研究。芦苇（Phragmites communis Trin），属禾本科多年生草本植物，分布几遍全国各地。芦 苇的根形成庞大的须根系，同时由于芦苇的叶、叶鞘、茎和根都具有通气组织，使得它适应 水生环境并在湿地的污水净化中起到重要的作用。芦苇适应性广，抗逆性强，多生长在江、 河、湖岸淤滩等地，是湿地
7、环境中生长的主要植物之一8。芦苇也是目前研究最多的水生植 物之一，如：郭汉生9等开展了芦苇塘净化污水的小区实验，并推导出设计苇塘和氧化塘面 积的经验公式；雷公民等10在实验室条件下模拟芦苇塘对污水的净化效果；王国生11等对 人工芦苇湿地处理城市污水进行了研究。结果表明，该湿地系统对污水中的污染物质均有较 强的去除作用，对土壤和芦苇生长发育也未造成不良影响，反而为芦苇生长提供了水肥资源。香蒲（Typha angustifolia），是香蒲科香蒲属植物，别名蒲草。是典型水生宿根植物8， 具有地上假茎和地下根状茎，对气温反应敏感。香蒲从 4 月萌发到 10 月开始枯黄，总的年 生长期约为 6 个月。
8、进入夏季，香蒲的生长活性大大提高，香蒲湿地的覆盖率迅速增加，但 因生长过快，需及时收割。目前对于香蒲在去除重金属污染方面的研究较多，如戴晶平12 等对香蒲植物生理特性及其净化废水的机理进行了研究，分析了铅、锌等重金属离子在香蒲 植物体内的分布规律；张巽等13研究了在土壤中加入硒前后，香蒲植物体内硒的分布情况。伞草（Cyperus alternifolius），又名风车草、水竹。是莎草科莎草属多年生草本植物， 株高 60100 cm，地下根状茎粗而短；茎秆直立，丛生，三棱形，叶退化呈鞘状，大型聚 伞花序。喜温暖、湿润及通风良好的环境，虽不耐寒但耐阴，根系发达8。成都活水公园人 工湿地的伞草种群非
9、常繁茂，形态优美。目前对伞草净化污水效能的研究相对前二者较少， 本课题选取它为研究对象也带有一定的探索性质。1.2 水样采集和水质测定2006 年 1 月12 月，对“活水公园”人工湿地系统三种植物塘床的进出水口水质进行逐 月取样监测，分别从其对酸碱度（pH）的调节、水中溶解氧（DO）的改善、化学需氧量（CODcr）、 五日生化耗氧量（BOD5 ）、总氮（TN ）、总磷（TP）等 6 个主要水污染因子的去除来评 价各个湿地塘床的净化效果。每月定期分别对这三个湿地塘的进出水口的水质进行监测，采 样间隔为每月一次（一般集中在中旬左右），且每次所取水样均是在活水公园湿地正常运行 期间进行（若遇雨天延
10、后 2 天取，以确保各月水样的天气情况接近）。取样方法：用虹吸法 分别在湿地塘的进水口处（处理前）和出水口处（处理后）距水体表面 15cm 和 30cm 处各 取水 500mL，然后混合，故本研究水样为综合水样。水样采集后立即回实验室测定 6 个选定的水质指标：pH、DO、BOD5、CODcr、TN、 TP。 其测试方法均按照国家环保局所编制的水和废水监测分析方法进行14。每次测定的水质指标的去除率(或降低率)由下式计算:R= C1V1-C2V2) /C1V1 100%式中，C1、C2 分别为进、出水污物浓度，V1、V2 分别为入、出水体积，若不考虑蒸腾失水，则 V1=V22. 研究结果与分析
11、在水力负荷相同，水流停留时间为 3 天的情况下，活水公园芦苇、香蒲和伞草三个湿地 塘对 6 个主要水质指标 2006 年各月净化处理效果的比较分别见图 1 之（1）（6）。(1) pHpH提高率(%)20151050(M)（2）DO1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12芦苇 香蒲 伞草15pH提高率(%)1050芦苇香蒲伞草不同植物年平均pH提高率DO增长率(%)3002001000DO增长率(%)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 (M)芦苇 香蒲 伞草100806040200芦苇 香蒲 伞草(3)CODcrCODcr去除率(%)1008060402001 2
12、 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1(2M)不同植物年DO增长率CODcr去除率(%)6040200芦苇 香蒲伞草(4) BOD5:BOD5去除率(%)806040200芦苇 香蒲伞草不同植物年平均CODcr去除率BOD5去除率(%)403020100(5)TP120TP去除率(%)1008060402001 2 3 4 5 6 7 8 910 11 1(2M) 芦苇香蒲 伞草1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12芦苇 香蒲 伞草不同植物BOD5年平均去除率TP去除率(%)8075706560芦苇 香蒲 伞草芦苇 香蒲伞草不同植物年平均TP去除率(6)TN120TN 去除
13、率100806040200a: 各月1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 时间(M)芦苇 香蒲伞草70656055b50均芦苇 香蒲伞草不同植物年均TN去除率图 1 三种水生植物对 6 个主要水质指标净化效果的比较Fig.1 The comparison of purification efficiency to 6 water quality index among 3 aquatic plant species监测研究表明，三个植物塘的各水质指标在全年随季节或月份不同而变化较大。具体对 照图 1 中的 6 个水质指标分析其年度变化特点如下。对 pH 调节能力比较如图 1-（
14、1）所示。可以看出，三种植物调节水体酸碱度的能力不 同，其中，芦苇塘全年各月对偏酸性的污水 pH 的提高率均高于其他两种植物；而伞草一年 中除少数月份外对 pH 的调节能力都劣于香蒲。全年平均而言，三种植物对调节污染水体的 酸碱平衡（即 pH 值）能力的顺序是：芦苇香蒲伞草。对 DO 调节能力的比较结果如图 1-（2）所示。可以看出，芦苇和香蒲塘都能够有效的 提高河水中溶解氧的含量，但一年中大部分月份芦苇对提高水中 DO 的增长率大于香蒲对DO 的增长率；伞草相比前两者对提高水中溶解氧含量的能力有限。全年平均来看，三种植 物对污水中 DO 增长率的排序是：芦苇香蒲伞草对 CODcr 的处理效能
15、比较如图 1-（3）所示。可以看出，在植物生长旺盛的夏秋季，芦 苇、香蒲和伞草三个湿地塘对 CODcr 的去除均好于冬季，而芦苇塘全年各个月份均优于香 蒲和伞草塘，而香蒲又比伞草对 CODcr 的去除率大得多。总体而言，全年三种植物对 CODcr的平均去除率排序为：芦苇香蒲伞草。对 BOD5 的处理效果比较如图 1-（4）所示。可以看出， 这三种水生植物对 BOD5 的去 除率带有很明显的季节性：1 月3 月香蒲湿地塘对 BOD5 的处理效果相对较差，自 3 月份 后各种植物生长发育逐渐旺盛，各个植物塘对 BOD5 的去除率持续显著升高， 其中 5 月8 月三种植物塘对 BOD5 均表现出强劲
16、的净化能力。9 月12 月可能主要是因为植物开始枯萎， 三种植物对 BOD5 净化能力均有较明显的下降，其中伞草的去除率比其他两种植物更差些。 全年三种植物的对 BOD5 的平均去除率排序是：芦苇香蒲伞草。对 TP 的处理效果如图 1-（5）所示。可以看出，三种植物中，伞草塘对总磷的去除效 果相对更好，全年中大部分月份它对 TP 的去除率都高于芦苇和香蒲塘，而在枯水期，三种 湿地植物塘对 TP 的去除率也同样较高。全年平均来看，三种不同的挺水植物塘对总磷的去 除率均在 66%以上，其具体排序为：伞草香蒲芦苇。对 TN 的处理效果比较如图 1-（6）所示。 其中处于枯水期的 2 月4 月三种植物
17、对 TN 的去除率为：伞草芦苇香蒲；5 月和 11 月香蒲净化效果又好于芦苇和伞草；6 月9 月为 锦江丰水期，三者对总氮的去除率大致相同；而这三种植物湿地塘对 TN 的全年平均去除率 排序大致为： 芦苇=伞草香蒲。研究结果表明：芦苇、香蒲和伞草这三种挺水植物对各个污染因子的去除效果随季节和植物的长势不同而带有明显的季节性变化规律。就全年看，随着春季各种植物的萌发和长势逐渐增强使净化效果逐渐提高，植物在生长最旺盛的夏季对各个污染因子的去除率最大，深 秋后不少植物逐渐枯萎，去除率也随着下降，而冬季是全年中污染去除率最低的时期。成都 活水公园三种挺水植物中，香蒲去除 TN 的能力与前人报道的基本相
18、一致，其在每年的 6 月 前后生长旺盛，对污水的净化效果最好，但到了 9 月以后，香蒲的生长势开始减弱，部分植 株枯萎死亡，使其去除 TN 的能力下降；而伞草和芦苇在全年基本虽保持生长状态，但长势 在各季度差异较大，导致他们的净化能力出现较明显的季节性差异。比如，在 11 月以前， 芦苇的长势好于伞草，对氮的去除效率也高于伞草；但进入 11 月后，芦苇出现枯萎现象， 而伞草生长一直较稳定，故冬季伞草对氮的去除效率高于芦苇。综合这 6 个水质指标的全年净化效率来看，芦苇是活水公园人工湿地系统这三种植物中 处理有机污染（CODcr 和 BOD5）效率最高的植物，同时它对水体的 pH 和 DO 的调
19、节能力 也最高，其次是香蒲，而伞草塘除对总磷（TP）的去除优势相对更明显外，其他指标的调 节或去除基本都不如另两种挺水植物。3. 讨论人工湿地的去污机理非常复杂，目前还没有完全弄清楚。影响人工湿地去污效率的因素 也有很多，如湿地的塘（床）体结构、植物种类、运行参数、温度等，其中植物和微生物在 污水净化过程中发挥了核心作用。湿地的去污过程综合了生物、物理、化学三方面的作用。 沉淀和过滤作用是湿地去除污染物的主要物理方式，特别在丰水期时，湿地中的植物生长最 为旺盛，对水体中的悬浮性颗粒起到了很好的滞留和沉降作用；植物的生理活动则主要是分 解水体中的有机污染物，而不同的植物种类净化效率的差别主要是由
20、其不同的生长速率及向 根部输送氧气的能力的差别造成的，这些植物生理特性的不同将直接影响整个湿地系统对污 水的净化能力的大小15。此外，湿地植物还可以增加或稳定土壤的透水性，提供良好的过 滤条件以防止湿地被淤塞。湿地运行成熟后，填料表面和植物根系中生长了大量的微生物形 成生物膜，当污水流经时，SS（悬浮固体）被填料及根系阻挡截留，有机质通过生物膜的 吸附以及同化、异化作用而得以去除。湿地床中因植物根系对氧的传递释放，使其周围的微 环境中依次呈现出好氧、缺氧和厌氧的状态，保证了污水中的氮、磷不仅能被植物及微生物 作为营养成分直接吸收，还可以通过硝化、反硝化作用以及微生物对磷的过量积累作用从污 水中
21、去除，最后通过湿地基质的定期更换或收割植物使污染物质最终从系统中去除16。本研究表明，全年之内，每种植物湿地塘对污水的净化效果都有较明显的季节差异，其 中夏秋季净化效果较好，而冬季效果较差。之所以出现这一现象，是因为夏秋季时植物生长 势最强，新陈代谢最旺盛，同时气温较高有利于微生物的生长和繁殖，且此时因是锦江的丰 水期，较大的水量使河水的污染浓度相对较低，有利于植物净化功能的发挥；冬季湿地塘对 污水的净化效果显著低于夏秋两季，主要是因为这些污染物的去除靠水生植物的吸收、土壤 的滤过作用以及微生物的分解等协同作用来完成的，而这些作用都容易受温度的影响。高光 等研究发现，异养细菌的生物量表现出明显
22、的季节性变化17；Reddy 等研究发现，人工湿地 对氮磷等营养物质的去除率夏季明显高于冬季，但低温可被较长的水体停留时间所弥补 18 ；杨昌凤等在模拟人工湿地处理污水的实验研究中发现，气温在 2232范围内，两种系统对 TN、TP 的去除率随温度的升高而增大19。湿地塘对有机污染指标 CODcr、BOD5 的去除效果夏秋季明显好于冬季，可能主要是因 为废水中的溶解性有机物是通过植物根系及基质表面生物膜的吸附、吸收及生物代谢作用而被去除，较高的气温有利于根系活力的提高和功能的发挥20。对于湿地中 TP 的去除，更多的可能是由于人工湿地基质为石灰石的缘故。因为可溶性 的无机磷化物很容易与土壤中的
23、 A13+, Fe2+, Ca2+等发生吸附和沉淀反应 ，塘底石灰石基质中 的 Ca2+可与水中 P043+反应生成沉淀而去除。因此一般认为，在湿地系统中，起主要脱磷作 用的是基质填料的吸附与沉淀作用 21，这与张巽等的报道称湿地对磷的去除中植物的吸收 只占较小比例一致13 ，所以总体来看，湿地系统内植物对 TP 的去除直接影响不大。对于水体中 TN 的去除，湿地主要依靠微生物的氨化、硝化、反硝化等作用完成，湿地 植物虽然亦吸收一部分无机氮作为自身的营养成分，但这一部分仅占总氮量的 8%16%， 不是脱氮的主要过程22，因此植物生长势强弱对整个湿地系统脱氮效率的直接影响也不大。 夏季植物生长旺
24、盛时的湿地对 TN 的去除大大高于植物生长衰弱的冬季，一方面是因为植物 的生长可以直接吸收氮，另一方面也是因为植物的存在增强了根区好氧微生物的活性而有利 于氮的分解。己证明多种植物能输送氧气到根区，但对于植物输送氧气至根区的量的大小与 TN 去除能力的相关性还待进一步研究。湿地植物庞大的根系对各种污染物的过滤、吸附、分解和吸收等有相当重要的作用，而 微生物也在污水的净化过程中起到了很重要的作用。根区理论法的提出促进了人工湿地污水处理技术的发展和应用23。可以说，是湿地中的微生物与水生植物协调配合，并在基质的协助下，共同促成了水体的净化水生植物发达的根系为微生物提供良好的生存环境，而 植物根系越
25、发达，相应的微生物种类和数量也会相对越多，对污水净化效率也就越高，而在 污水流经湿地塘的过程中,由于基质的吸附、过滤,及微生物的氧化还原和分解等作用,可使污 水中的多数污染物质分解成为无害的或可被植物吸收的物质,并在维持湿地生物正常生长的 过程中,使水得到净化24。本实验研究所选择的三种挺水植物芦苇、香蒲和伞草是亚热带和温带地区最常见的水生 植物类群，以他们作为研究对象在我国具有一定的代表性，研究结果具有较大的参考价值。 其中，芦苇和香蒲是人工湿地构建中应用最广的植物种类，本身也具有较高的经济和观赏价值，但他们由于自身生理机制的差异使其对不同的污染物净化效果有所不同：芦苇适合大多 数常规废水的
26、净化处理，尤其对富营养化的生活污水处理效率更好；香蒲对重金属污染的去 除效果很明显，更适合在矿山废水的净化中发挥作用；而伞草虽综合净水效能不及前两者， 但它外形美丽，耐阴且根系发达，管理也相对容易，成株后还可剪取枝条作为上等的插花花 材，因此可以将人工湿地建设和花卉的生产结合起来，既净化了污水，又美化了环境，对于 终年少见阳光，但温暖潮湿的四川盆地来说，伞草在人工湿地构建中还是具有广阔的应用前景和推广价值的。总之，应根据所在水体中污染物的性质不同选择栽植适宜的植物并搭配构 成合理的植物群落，从而提高湿地系统对污水的净化效能。参考文献1 殷康前等.湿地研究综述J.生态学报,1998,18（5):
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33、heng, Kang ZhihuaCollege of Material & Chemical engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu （610059）AbstractThe comparative study on purification efficiency among three aquatic plant species in Constructedwetlands of Chengdu Living-Water Park were taken during the period of Jan. to Dec. i
34、n 2006. Some water sample from the intake and outlet of the 3 wetland ponds or beds respectively were taken, form thecontrastmonitoringresultsof6mainkindofwaterqualityindicat（pH ,DO,CODcr,BOD5,TP,TN）.It was showed that the artificial wetland treatment system took amore visible integrated purificatio
35、n effect to the Jinjiang River, which is flowing through the Chengdu urban. The results of this study showed that the ability of the three aquatic plant species is more significantly to remove pollutants in summer and autumn, especially from June to September, is significantly superior to that in wi
36、nter, the stage of aquatic plants grow more hearty is better than the stage plant grow more feeblish. That is to say, the ability to remove pollutants of 3 aquatic plant species changes with weather or season. General to say, the wastewater treatment efficiency of Phragmites communis Trin wetland is
37、 best and Typha angustifolia wetland is secondly among 3 plant species, whereas, Cyperus alternifolius is better to remove overmuch phosphorus than other 2 aquatic plant species. The paper has briefly discussed the possible reason why the 3 aquatic plant species have respective different wastewater purification efficiency.Keywords: Constructed wetlands，Aquatic plant , Wastewater treat efficiency, Living-water Park作者简介：阳小成，男，1965 年生于重庆，博士，副教授，主要从事植物学及生态学研究。