CN104773832B - 一种提高湿地微生物数量和活性的植物配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高湿地微生物数量和活性的植物配置方法，包括如下步骤：将浅根系湿地植物、中根系湿地植物和深根系湿地植物间隔种植在人工湿地的基质中；所述浅根系湿地植物的根系分布在5‑15厘米种植层中，所述中根系湿地植物的根系分布在10‑40厘米种植层中，所述深根系湿地植物的根系分布在20‑60厘米种植层中。本发明的植物配置方法，在湿地去染污机理基础上，通过合理布局湿地植物种类，将湿地植物对湿地微生物利好影响发挥到极致，有效增加湿地微生物数量和活性，提高湿地水处理效果。

Description

一种提高湿地微生物数量和活性的植物配置方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种提高湿地微生物数量和活性的植物配置方法，在湿地中通过科学合理的配置不同深度根系的湿地植物，提高湿地微生物数量和活性，从本质上提高人工湿地的效能。

背景技术

人工湿地技术是在20实际70年代开始逐渐发展起来的一种污水生态处理技术，通过工程措施模拟自然湿地建设的生态系统，人工湿地主要有湿地基质、湿地植物和微生物构成的生态系统，该系统是利用湿地基质、湿地植物和微生物的物理、化学和生物的协同作用实现对污水高效净化。目前人工湿地在污水处理中突出的效果体现在对有机物、氮和磷的去除方面。

人工湿地中的不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用被截留在湿地中并通过湿地中微生物降解逐渐去除，可溶性有机物则通过湿地基质和湿地植物根系上的生物膜的吸附、吸收及生物降解过程而被分解去除。湿地植物在人工湿地中为各类微生物提供了较好的增值环境，同时发达根系也为微生物提供了较大的附着面积，有利于微生物的生长繁殖，可以加快了各类污染物的降解速率。

人工湿地对氮的去除和湿地系统中植物种类、植物根部环境的化学性质、植物摄取量、可利用碳源等条件有关。对氮的去除有两个方面，首先是微生物作用，湿地基质对还原性氨氮的吸附作用，同时也为微生物吸附和降解提供了场所和中介，湿地植物庞大的根系表面也附着大量微生物，并创造了利于微生物生长的微环境，湿地植物通过光合作用产生氧气，部分传输至植物根系，在根系周围形成有利于硝化作用的好氧微区，可将氨氮消化为硝态氮；在根系无法达到的区域为厌氧区，该区域内富含底层有机物提供可利用碳源，创造了反硝化条件，实现硝态氮向氮气的转化，而同时，植物根系的生长增大了表层种植层的空隙率，使得水分蒸散和氮气挥发作用加强。另一方面，植物有机体的增值需要大量氮参与，湿地植物生长过程中对各种形式的氮，尤其是硝态氮的吸收利用占比较大的比例，与由此可见，湿地植物在氮素的去除中起到十分重要的作用。上述技术机理也说明，在人工湿地生态系统氮素的去除中微生物的作用是最主要的，湿地植物和湿地基质是为微生物发挥作用提供良好的环境，起着非常重要的协助作用。

人工湿地对水体中磷的去除是通过微生物的积累、植物的吸收和湿地基质的物理化学等几方面的协同作用完成的。湿地微生物对污水中磷的去除是通过对磷的同化吸收和聚磷菌积累来实现的，因为湿地无明显外排污泥，微生物处磷可以说是一种循环过程，没有实质性的效果。但微生物的活动可以使无机磷化合物的溶解性发生改变，可以对有机磷化合物的分解矿化，改变湿地基质的表面性，协助湿地基质对无机磷固话和沉积。基质对磷的去除作用是人工湿地除磷的关键部分。含磷的污水流经人工湿地后,磷大部分被吸附、沉降于湿地基质组分中，除了通过生物同化作用变为有机态外，磷的吸附固定过程包含物理吸附、化学沉淀和物理化学吸附等过程此外，基质不仅对磷具有吸附作用，而且含有ca、Fe和Al的基质可通过ca、Fe、Al与P0₄ ^-反应生成难溶性化合物沉淀。湿地植物对磷的去除是通过植物根系不断向基质中深入生长，能够直接吸收可溶性无机磷等营养物质，并将其变成自身体内的有机成分，通过植物的收割而去除。

总之，人工湿地是由湿地基质、湿地植物和湿地微生物组成，以微生物作用为主导，基质和植物起辅助作用的一类复杂生态系统，该工艺技术效果好坏的关键点是湿地微生物的种类和数量。

发明内容

本发明提供了一种提高湿地微生物数量和活性的植物配置方法，在湿地去染污机理基础上，通过合理布局湿地植物种类，将湿地植物对湿地微生物利好影响发挥到极致，有效增加湿地微生物数量和活性，提高湿地水处理效果。

一种提高湿地微生物数量和活性的植物配置方法，包括如下步骤：

将浅根系湿地植物、中根系湿地植物和深根系湿地植物间隔种植在人工湿地的基质中；所述浅根系湿地植物的根系分布在5-15厘米种植层中，所述中根系湿地植物的根系分布在10-40厘米种植层中，所述深根系湿地植物的根系分布在20-60厘米种植层中。

作为优选，所述浅根系湿地植物、中根系湿地植物和深根系湿地植物的种植比例为6-3:2-1:0-1。

作为优选，所述浅根系湿地植物为芒尖苔草、芒萁、麦冬、花叶虉草、红叶白茅、三白草、石菖蒲、宽叶韭、紫萼和萱草中的至少一种。

作为优选，所述中根系湿地植物为水葱、花蔺、再力花、千屈菜、菖蒲、野山姜和水鬼蕉中的至少一种。

作为优选，所述深根系湿地植物为花叶芦竹、旱伞竹、野茭草和纸莎草中的至少一种。

本发明的植物配置方法适用于下向过滤型人工湿地、水平流人工湿地、或下向过滤型人工湿地和水平流人工湿地的复合人工湿地。

进一步优选，当人工湿地为下向过滤型人工湿地时，所述下向过滤型人工湿地中湿地植物以六边形为种植单元，每个种植单元内，不同根系湿地植物间隔种植，各种植单元之间相互衔接。

更进一步优选，每个种植单元内不同根系湿地植物之间的配置方式为：六边形的中心为深根系湿地植物，以该深根系湿地植物为中心，周围配置四圈湿地植物，由内至外第一圈种植浅根系湿地植物，第二圈种植中根系湿地植物，第三圈植浅根系湿地植物，第四圈三种不同根系湿地植物间隔种植。种植圈半径以选用植物种植学要求株距确定。

对于第四圈湿地植物，三种不同根系湿地植物间隔种植，有两种优选的配置方式，一种优选的配置方式，六边形的6个顶角处种植深根系湿地植物，相邻两深根系湿地植物之间浅根系湿地植物和中根系湿地植物间隔种植；另一种优选的配置方式，六边形的6个顶角处种植中根系湿地植物，相邻两中根系湿地植物之间浅根系湿地植物和深根系湿地植物间隔种植。

下向过滤型人工湿地中，采用该布置方式，能够形成与水流方向垂直的根系网络。可以使不同深度的根系可在不同的水层发挥协同效应。

进一步优选，当人工湿地为下向过滤型人工湿地时，所述浅根系湿地植物、中根系湿地植物和深根系湿地植物的种植比例为6-4:2-1:0-0.5。

更进一步优选地，当人工湿地为下向过滤型人工湿地时，三种不同根系湿地植物的优选组合为：浅根系湿地植物为芒尖苔草和麦冬；中根系湿地植物为水鬼蕉；深根系湿地植物为旱伞竹；三种不同根系植物的配置比例为4:1:0.3，其中浅根系植物中芒尖苔草和麦冬的比例为2:1。

该优选的植物组合方式结合上述优选的六边形布置方式，不同根系湿地植物之间的协同作用发挥到最好。

进一步优选，当人工湿地为水平流人工湿地时，湿地基质中连续配置若干个种植单元，每个种植单元中不同根系湿地植物之间呈平行线布置，且每个种植单元中以深根系湿地植物为中心，两侧由内至外依次为浅根系湿地植物、中根系湿地植物和浅根系湿地植物。即每个种植单元内平行种植7行湿地植物，中心为深根系湿地植物，深根系湿地植物两侧种植浅根系湿地植物，两行浅根系湿地植物外侧种植中根系湿地植物，两行中根系湿地植物外侧再种植浅根系湿地植物。

水平流人工湿地中，采用该布置方式，能够形成与水流径向方向垂直的根系网络；同时不同深度的根系可在不同的水层发挥协同效应。

进一步优选，人工湿地为水平流人工湿地时，所述浅根系湿地植物、中根系湿地植物和深根系湿地植物的种植比例为5-3:2-1:0.5-1。

更进一步优选地，当人工湿地为水平流人工湿地时，三种不同根系湿地植物的优选组合为：浅根系湿地植物为石菖蒲和三白草；中根系湿地植物为再力花和千屈菜；深根系湿地植物为花叶芦竹和旱伞竹；三种不同根系植物的配置比例为5:1.5:0.7；其中浅根系湿地植物中石菖蒲和三白草的比例为2:1，中根系湿地植物中再力花和千屈菜的比例为1:1，浅根系湿地植物中花叶芦竹和旱伞竹的比例为3:1。

作为优选，当人工湿地为下向过滤型人工湿地和水平流人工湿地的复合人工湿地时，其中下向过滤型人工湿地中的植物配置方式按照如前所述的六边形方式配置；水平流人工湿地中的植物配置方式按照如前所述的平行线型方式配置。

更进一步优选地，下向过滤型人工湿地中三种不同根系植物间的组合选择如前所述下向过滤型人工湿地中的优选组合方式；水平流人工湿地中三种不同根系植物间的组合选择如前所述水平流人工湿地中的优选组合方式。

与现有的人工湿地相比，本发明的优点在于：

(1)本发明通过布置不同种类的湿地植物，可以在湿地基质空间内形成立体的根系网络，为湿地微生物提供大量的生长和增值场所；湿地植物立体根系网络形成营养物质和氧的双向传导，为湿地微生物提供稳定，良好的生态小环境，促进好氧菌、兼氧菌和厌氧菌的大量增至，并有效增加其活性，提高微生物同化速度和对污染物降解效率，从而提高湿地的运行效率。

(2)湿地运行过程多数是一个无动力过程，湿地环境中不同的位置之间的物质交换和转移相对较为缓慢，本发明通过配置不同深度根系的湿地植物可以避免同一根系层湿地植物的对营养的竞争，可以实现湿地植物立体空间上对无机质的快速吸收利用，将植物直接去除污染物的能力进一步扩大，从而促进湿地微生物对有机物、氨氮和磷的降解。

(3)本发明所配置的植物为多年生湿生草本植物，该类植物易种植、生长快且不会随季节完全枯死，能够保持根系的活性，湿地植物新生根系与老根系共存，不仅能改善微生物生存环境并稳定微生物种类，而且可以提高微生物的活性；另一方面植物体本身的快速增值也可以增加N、P、重金属等污染物的富集，通过定期收割等手段可以发挥湿地植物直接去除污染物的能力。

(4)本发明是在现有湿地技术之上，不增加湿地建设投资，通过创新湿地植物配置来提高湿地微生物数量和活性，同时增加湿地植物的直接效应，可大幅度提高湿地效率，具有明显的优势。

附图说明

图1是下向过滤性湿地中湿地植物配置形式示意图。

图2是水平流湿地中湿地种植配置形式示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施案例对本发明进行进一步说明：

一种提高湿地微生物数量和活性的植物配置方法应用于下向过滤型湿地和水平潜流湿地时，可以使得不同空间分部中的水质情况和微生物群落都有一个明显的差异，说明本发明的植物配置对湿地微生物种类和活性有明显提高。

本实施案例是用于下向过滤型湿地和水平潜流湿地串联的复合人工湿地，是农村生活污水湿地处理项目，下向过滤型湿地占地面积约50m²，水平潜流湿地占地面积约60m²。湿地于2013年3月正式投入使用，经过三个季度的运行，配置的湿地植物生长状态良好，植株间距实现去覆盖，具备明显的植株分层。

本实施案例中，下向过滤型湿地分别配置浅根系植物芒尖苔草和麦冬，中根系植物水鬼蕉，深根系植物旱伞竹，三者的配置比例为4:1:0.3，其中浅根系植物芒尖苔草和麦冬的比例为2:1，采用六边线型(参见图1中B类型)进行布置；水平潜流湿地分别配置浅根系植物石菖蒲和三白草，中根系植物再力花和千屈菜，深根系植物花叶芦竹和旱伞竹，三者的配置比例为5:1.5:0.7，其中浅根系植物石菖蒲和三白草的比例为2:1，再力花和千屈菜的比例为1:1，花叶芦竹和旱伞竹的比例为3:1，采用平行线型(参见图2)进行布置。

如图1所示为下向过滤型人工湿地中的植物配置方式，以六边形为种植单元，每个种植单元内，不同根系湿地植物间隔种植，各种植单元之间相互衔接，每个种植单元内不同根系湿地植物之间的配置方式为：六边形的中心为深根系湿地植物，以该深根系湿地植物为中心，周围配置四圈湿地植物，由内至外第一圈种植浅根系湿地植物，第二圈种植中根系湿地植物，第三圈植浅根系湿地植物，第四圈三种不同根系湿地植物间隔种植。

对于第四圈湿地植物，三种不同根系湿地植物间隔种植，有两种优选的配置方式，一种优选的配置方式(即图1中的B类型)，六边形的6个顶角处种植深根系湿地植物，相邻两深根系湿地植物之间浅根系湿地植物和中根系湿地植物间隔种植；另一种优选的配置方式(即图1中的A类型)，六边形的6个顶角处种植中根系湿地植物，相邻两中根系湿地植物之间浅根系湿地植物和深根系湿地植物间隔种植。

如图2所示为水平流人工湿地中的植物配置方式，湿地基质中连续配置若干个种植单元，每个种植单元中不同根系湿地植物之间呈平行线布置，且每个种植单元中以深根系湿地植物为中心，两侧由内至外依次为浅根系湿地植物、中根系湿地植物和浅根系湿地植物。即每个种植单元内平行种植7行湿地植物，中心为深根系湿地植物，深根系湿地植物两侧种植浅根系湿地植物，两行浅根系湿地植物外侧种植中根系湿地植物，两行中根系湿地植物外侧再种植浅根系湿地植物。

对比实施案例也位于同一区域，湿地内为常规植物配置，有麦冬、大花美人蕉、黄花鸢尾和旱伞草4种，大致种植比例(株)4:1:1:1，下向过滤型湿地占地面积约65m²，水平潜流湿地占地面积约80m²。

下向过滤型湿地进水污染物含量，参见表1。

表1

实施例和对比例湿地流程：下向过滤型湿地进水经湿地配水、布水装置均匀从湿地表层向下布水，水流向下经表层过滤介质层后进入中层介质层，再向下进入底层介质层，并在过滤层湿地底部汇集后经集水井进入后续水平潜流湿地，最终经潜流湿地末端集水井流出。

检测水样采集分别位于进水布水曹、下向过滤型湿地集水井和水平潜流湿地集水井，出水污染物含量参见表2。

表2

下向过滤型湿地实施例和对比例的指标去除率参见表3。

表3

利用本发明对湿地植物进行有效配置后与常规植物配置湿地对比，下向过滤型湿地COD和NH₃-N去除率分别可以提高17％和15％以上，TP去除率可以提高8％以上；水平潜流式地COD和NH₃-N去除率分别可以提高9％和5％以上，TP去除率可以提高5％以上；两类湿地对SS去除率差异不大但本发明配置湿地略有提高。

上述数据说明，采用本发明湿地植物配置方法，可以有效提高湿地处理效率。

实施中采用稀释平板法测定实施例与对比例的湿地中微生物的数量，其结果参见表4。

表4

利用本发明对湿地植物进行有效配置后与常规植物配置湿地基质中菌群数量对比，下向过滤型湿地实施例中总菌数是对比例的1.5倍；水平潜流湿地实施例中总菌数是对比例的1.2倍；

由上述结果可知，利用本发明对湿地植物进行配置，可以在湿地基质中不同深度层分部的植物根系与湿地基质间形成一个更为优化的立体分层微环境，可以有效提高湿地微生物数量和种类，同时通过合理的配置湿地植物，充分发挥湿地植物非本身对污染物的富集及转移功能，从而将湿地功能发挥到更大，充分提高其处理效率。

以上对本发明的两个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种提高湿地微生物数量和活性的植物配置方法，其特征在于，包括如下步骤：

将浅根系湿地植物、中根系湿地植物和深根系湿地植物间隔种植在人工湿地的基质中；所述浅根系湿地植物的根系分布在5-15厘米种植层中，所述中根系湿地植物的根系分布在10-40厘米种植层中，所述深根系湿地植物的根系分布在20-60厘米种植层中；

所述人工湿地为下向过滤型人工湿地、水平流人工湿地、或下向过滤型人工湿地和水平流人工湿地的复合人工湿地；

所述水平流人工湿地的湿地基质中连续配置若干个种植单元，每个种植单元中不同根系湿地植物之间呈平行线布置，且每个种植单元中以深根系湿地植物为中心，两侧由内至外依次为浅根系湿地植物、中根系湿地植物和浅根系湿地植物；

所述下向过滤型人工湿地中湿地植物以六边形为种植单元，每个种植单元内，不同根系湿地植物间隔种植，各种植单元之间相互衔接。

2.根据权利要求1所述一种提高湿地微生物数量和活性的植物配置方法，其特征在于，所述下向过滤型人工湿地的每个种植单元内不同根系湿地植物之间的配置方式为：六边形的中心为深根系湿地植物，以该深根系湿地植物为中心配置四圈湿地植物，由内至外第一圈种植浅根系湿地植物，第二圈种植中根系湿地植物，第三圈种植浅根系湿地植物，第四圈三种不同根系湿地植物间隔种植。

3.根据权利要求2所述一种提高湿地微生物数量和活性的植物配置方法，其特征在于，所述下向过滤型人工湿地中浅根系湿地植物、中根系湿地植物和深根系湿地植物的种植比例为6-4:2-1:0-0.5。

4.根据权利要求1所述一种提高湿地微生物数量和活性的植物配置方法，其特征在于，所述水平流人工湿地中浅根系湿地植物、中根系湿地植物和深根系湿地植物的种植比例为5-3:2-1:0.5-1。

5.根据权利要求1～4任一权利要求所述一种提高湿地微生物数量和活性的植物配置方法，其特征在于，所述浅根系湿地植物为芒尖苔草、芒萁、麦冬、花叶虉草、红叶白茅、三白草、石菖蒲、宽叶韭、紫萼和萱草中的至少一种。

6.根据权利要求1～4任一权利要求所述一种提高湿地微生物数量和活性的植物配置方法，其特征在于，所述中根系湿地植物为水葱、花蔺、再力花、千屈菜、菖蒲、野山姜和水鬼蕉中的至少一种。

7.根据权利要求1～4任一权利要求所述一种提高湿地微生物数量和活性的植物配置方法，其特征在于，所述深根系湿地植物为花叶芦竹、旱伞竹、野茭草和纸莎草中的至少一种。