人工濕地植物管理與高價值利用綜述*

李盛結 胡 振 張 建

(山東大學環(huán)境科學與工程學院，山東 濟南 250100)

人工濕地植物管理與高價值利用綜述*

李盛結 胡 振#張 建

(山東大學環(huán)境科學與工程學院，山東 濟南 250100)

植物是人工濕地的重要組成部分，人工濕地的可持續(xù)運行與發(fā)展依賴于合理的植物管理與資源化利用。從植物配置、生長環(huán)境和植物收割等方面綜述了人工濕地植物管理現(xiàn)狀，對人工濕地植物高價值利用方式和效益進行了分析，提出濕地植物氣化方法具有廣闊的發(fā)展前景，為人工濕地植物高價值利用提供了研究方向。

人工濕地 植物管理 高價值利用 氣化

人工濕地是人工設計建造的由基質(zhì)、植物和微生物組成的復合生態(tài)系統(tǒng)[1]。其中，植物在人工濕地污水凈化過程中占據(jù)著重要位置。一方面，植物能吸附、吸收并富集污染物；另一方面，植物根系為微生物提供附著點，可將光合作用產(chǎn)生的氧氣和有機物供給微生物生長[2]。此外，植物還具有重要的生態(tài)美學價值。

因基建管理費用低、維護簡便，人工濕地發(fā)展非常迅猛。截至2014年，我國濕地總面積為5 360.26萬hm2，其中人工濕地面積為674.59萬hm2[3]。大多數(shù)人工濕地植物配置忽視了水深、水質(zhì)、水力等條件對植物的影響，導致植物生長不良；植物枯萎后不及時收割，造成二次污染和堵塞；植物資源缺乏有效利用途徑，經(jīng)濟效益低，影響其可持續(xù)運行與發(fā)展[4-5]。

目前，對人工濕地植物的研究主要集中在其耐受能力、凈化能力上[6]198，對植物管理的總結卻并不系統(tǒng)，缺乏不同植物利用方式及其價值的對比分析。為此，本研究綜述了人工濕地植物管理與高價值利用現(xiàn)狀，并對人工濕地植物利用所面臨的問題及其解決途徑進行了分析，以期為人工濕地植物管理與利用提供理論指導。

1 人工濕地植物管理

1.1 植物配置

1.1.1 植物種類選擇

植物種類選擇直接影響人工濕地水質(zhì)凈化和景觀效果。首先，人工濕地的目的是凈化污水，因此要根據(jù)污水特點選擇合適的植物種類。WANG等[6]204發(fā)現(xiàn)美人蕉(Cannaindica)、香蒲(Typhaorientalis)比水蔥(Scirpusvalidus)、鳶尾(Iristectorum)對高氨氮廢水有更好的適應性和去除效果。其次，應優(yōu)先考慮地方優(yōu)勢品種，避免因環(huán)境變化影響植物的生長。盲目引進外來物種，可能對當?shù)厣锒鄻有院蜕鷳B(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成嚴重破壞。因此，宜在人工濕地設計初期進行植物物種多樣性規(guī)劃，適當增加物種多樣性可提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高人工濕地的水質(zhì)凈化效果[7]，但要注意適度[8]。最后，注意功能性與美觀性的協(xié)調(diào)，如應考慮將灌木與草本植物，挺水、浮水和沉水植物進行分層設計。

1.1.2 植物搭配

科學的植物搭配可結合不同物種對特定污染物的去除優(yōu)勢，提高污水的綜合凈化效果。TANAKA等[9]將碩大藨草(Scirpusgrossus)與黑藻(Hydrillasp.)搭配，使得BOD5、COD和氨氮去除率分別達到65.7%、40.8%、74.8%。值得一提的是，將受氣溫影響小的物種與凈化能力強的物種搭配，可應對季節(jié)變化對處理效果的影響。蔣永榮等[10]在人工濕地中分別種植美人蕉、再力花(Thaliadealbata)和菖蒲(Acoruscalamu)，COD、TN、TP的去除率在冬季低溫條件下仍可達到75.8%、22.0%、76.9%。

1.1.3 植物種植密度

植物種植密度過低難以保證水質(zhì)凈化效果，過高則浪費資源而且植物之間互相遮蔽削弱光合作用，同時也不利于提高水質(zhì)凈化效果[11]。IBEKWE等[12]發(fā)現(xiàn)人工濕地植物種植密度為50%可以使硝酸鹽氮的去除率達到96.3%，而植物種植密度為100%時反而使溶解氧降低、系統(tǒng)氮負荷增加、微生物多樣性減少。

1.2 生長環(huán)境

1.2.1 水 深

水深影響著植物光合速率和氧氣供應量，從而影響植物生長和繁殖[13]。水深設置需考慮季節(jié)、植物種類和目標污染物。新生植物在春季生長時水深要適當淺一些。研究表明，表面流人工濕地中蘆葦(Phragmitesaustralis)在水深50 cm左右時凈化效果最佳[14]。但針對重金屬和有機物去除的適用水深不同[15]。此外，可通過增加水深來抑制有害物種生長。THULLEN等[16]提出的“小丘”構造可保護當?shù)刂参锊皇苋肭治锓N的影響。

1.2.2 水 質(zhì)

水質(zhì)影響植物的生長狀況[17]。人工濕地應避免高負荷污水的沖擊。研究發(fā)現(xiàn)，硫化物質(zhì)量濃度從0 mg/L增加到3.5 mg/L，藺草(Juncuseffuses)的健康莖數(shù)量大幅度下降[18]；輪葉黑藻(Hydrillaverticillata)在氨氮質(zhì)量濃度為0.5、1.2 mg/L時生長良好，但當氨氮質(zhì)量濃度超過4.0 mg/L時其生長速率明顯下降，當氨氮質(zhì)量濃度達到16.0 mg/L時20多天即全部死亡[19]。

1.2.3 水流模式

水流運動可促進CO2以及營養(yǎng)物質(zhì)的交換，能影響植物的吸收代謝。水體流速可影響植物的生物量及群落組成。研究發(fā)現(xiàn)，低流速時植物光合速率與流速成正比；流速過大則光合作用受到明顯抑制[20]，植物嫩芽、根莖生物量等均顯著降低[21]。此外，水流類型也有重要影響，潛流人工濕地比表面流人工濕地有更豐富的物種和更大的生物量[22]191。因此，要充分考慮水流模式和水質(zhì)凈化效果的關系。

1.3 植物收割

研究證明，適當?shù)闹参锸崭羁纱龠M人工濕地中植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收、增強微生物的活性以及污染物的去除效果[23-24]。

1.3.1 收割時間

植物提前收割不能充分發(fā)揮其功能，延遲收割則由于腐爛會將污染物釋放回水體中，降低凈水效果。目前,尚無關于人工濕地植物最適收割時間的定論。王文明等[25]認為，秋末冬初收割可使植物第二年生長更旺盛。WANG等[26]則認為，秋末收割對植物根系泌氧作用有害，建議溫度降至4 ℃以下再收割。此外，關于植物收割對人工濕地的處理效果影響也存在爭議。LVAREZ等[27]發(fā)現(xiàn)，在氣候溫暖、污染物濃度不大的情況下，植物收割可降低人工濕地出水的總懸浮固體、BOD；但在氣候寒冷的情況下，植物收割對人工濕地處理效果無明顯影響[28]。此外，JINADASA等[29]發(fā)現(xiàn)，碩大藨草多次收割后仍可持續(xù)生長，保持穩(wěn)定的生物量，但香蒲隨收割次數(shù)的增多生物量明顯下降。因此，應根據(jù)環(huán)境特征、目標污染物和具體植物種類確定收割時間。

1.3.2 收割方式

表1比較了火燒和刈割兩種收割方式的特點?；馃煽焖偾宄参餁報w，但會造成空氣污染，且導致資源的浪費；刈割是較為理想的收割方式，有研究者推薦先機械刈割1年，然后人工刈割2～3年[30]。

表1 濕地植物主要收割方式比較

2 植物高價值利用方式

2.1 動物飼料

植物體內(nèi)礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)豐富，有機質(zhì)和水分含量高，是很多食草動物的營養(yǎng)來源[34]，如眼子菜(Potamogetondistinctus)、水芹(Oenanthejavanica)、蔞蒿(Artemisiaselengensis)是牲豬的飼料，金魚藻(Ceratophyllumdemersum)、菹草(Potamogetoncrispus)是魚類的餌料。遲桂榮[35]發(fā)現(xiàn)菹草、浮萍(Lemnaminor)等植物中蛋白質(zhì)占干質(zhì)量的13.4%～15.1%，屬優(yōu)質(zhì)飼料。目前，已有研究者提出采用微生物工程和固體發(fā)酵技術提取濕地植物中的粗蛋白動物飼料[36]。楊柳燕等[37]對苦草(Vallisnerianatans)進行固體發(fā)酵，使粗蛋白占干質(zhì)量的質(zhì)量分數(shù)從21.65%增加到了39.88%，保證了營養(yǎng)價值。

2.2 土壤改良

濕地植物體內(nèi)含有豐富的氮、磷、鉀等元素，可以供農(nóng)作物生長，還對土壤起到保濕效果[38]。濕地植物可切碎或打漿后作為追肥直接施于田中，也可漚制漚肥施用于花圃、果園中[39]。NEVE等[40]研究發(fā)現(xiàn)，單施尿素的凈氮積累量占氮供應量的比例為18%～22%，而濕地植物作為改良劑后可以達到23%～26%，且更有利于作農(nóng)物根部發(fā)育。黃東風等[41]用微生物好氧發(fā)酵堆肥技術生產(chǎn)濕地植物肥料產(chǎn)品，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)達49.88%，氮、磷、鉀總質(zhì)量分數(shù)為11.42%，屬優(yōu)質(zhì)有機肥。此外，濕地植物施用于土壤中還能解決其重金屬污染問題。ROBERTS等[42]用濕地植物鞘藻(Oedogonium)慢速熱解制備生物炭，成功固定了土壤中Cd、Pb等重金屬。

2.3 工業(yè)原料

將植物用作工業(yè)原料，目前應用較多的是造紙行業(yè)。BIDIN等[43]發(fā)現(xiàn)，采用碩大藨草、莎草(Cyperus)和香蒲等濕地植物所制得的紙張抗拉強度為0.94～1.69 kN/m，適合用作新聞紙。但濕地植物含水量高，干燥難度大，需要開發(fā)相應干燥設備。孫悅超等[44]研究發(fā)現(xiàn)，沉水植物的最佳干燥溫度為92.7 ℃、風速為2.9 m/s。

濕地植物除用于造紙外，還可用作建筑材料、包裝材料或制成工藝品，如蘆葦可制成三合板，香蒲編制成草席、斗笠、草帽等。

2.4 能源化利用

近年來，有很多研究提出了濕地植物能源化，既可實現(xiàn)濕地植物的有效利用，還可減緩傳統(tǒng)化石燃料燃燒引起的環(huán)境問題[22]190,[45]。

2.4.1 濕地植物能源化利用可行性分析

(1) 濕地植物特征

植物能源化的途徑是打破細胞壁釋放纖維素、半纖維素等糖類物質(zhì)，但木質(zhì)素在此過程中起阻礙作用[46]。因此，植物中纖維素、半纖維素含量越高而木質(zhì)素含量越低，越有利于能源化。幾種常見濕地植物與農(nóng)作物秸稈比較如表2所示。纖維素含量除美人蕉略低外，濕地植物與農(nóng)作物秸稈大致相當，蘆葦甚至超過了農(nóng)作物秸稈；但半纖維素含量除蘆葦外，濕地植物低于農(nóng)作物秸稈；濕地植物木質(zhì)素含量和熱值也與農(nóng)作物秸稈基本相當。因此，濕地植物有望進行能源化利用。

但濕地植物能源化利用的問題是濕地植物含水率高，處理復雜。為此，有研究者提出了綠色生物煉制，即將植物分成纖維豐富的壓實餅和營養(yǎng)豐富的濃縮汁，分別用于生產(chǎn)乙醇和培養(yǎng)微生物[61]。

(2) 濕地植物能量產(chǎn)出

濕地植物吸收氮、磷等營養(yǎng)元素，積聚大量糖類物質(zhì)，能量產(chǎn)出巨大。TAKASHIMA等[49]研究發(fā)現(xiàn)，濕地植物能夠輸出大量的有機、無機物質(zhì)，可用于沼氣發(fā)酵和堆肥。LIU等[22]190認為，濕地可以成為一個生物燃料生產(chǎn)系統(tǒng)。

表2 幾種常見濕地植物和農(nóng)作物秸稈組分和熱值

表3 不同濕地植物高價值利用方式比較

由此可見，濕地植物能源化利用具有較高的可行性。

2.4.2 濕地植物能源化利用技術

(1) 直接燃燒

直接燃燒是目前最常用的方法。雖然此方法操作簡單，但是能源利用效率低，燃燒熱效率一般僅有10%～15%[62]53，且產(chǎn)生的灰分量大，易造成空氣污染。

(2) 氣 化

氣化是生物質(zhì)能源化利用的有效方法，可獲得高品位能源，其能源利用效率相比直接燃燒可提高一倍，且焦炭和飛灰產(chǎn)生量少，是目前被廣泛認可的方法[63-64],[65]7。K?BBING等[65]7發(fā)現(xiàn)，1 kg鮮蘆葦能生產(chǎn)0.4～0.5 m3沼氣，熱值約為6 (MW·h)/m3。魏自民等[66]將蘆葦和眼子菜用HCl預處理可產(chǎn)生氫氣和甲烷。

(3) 液 化

液化是一種高效的能源化利用方法，但目前生物質(zhì)油的產(chǎn)量和質(zhì)量還需進一步提高。有研究用熱化學轉化如水解、超臨界萃取等提高液化的生物質(zhì)油產(chǎn)量，但應用仍不多[62]55。閆明等[67]發(fā)現(xiàn)，1 t蘆葦可以生產(chǎn)180 L乙醇和3 L甲醇。ZHANG等[53]用釀酒酵母、大腸桿菌發(fā)酵香蒲，乙醇產(chǎn)率分別達到91.0%、87.5%。

(4) 固 化

固化是一種在未來很有競爭力的生物質(zhì)能源化利用方法，可有效提高能源密度和燃燒性能。目前，該方法存在結焦和機械磨損嚴重、配套設施復雜、一次性投資成本高等問題[68-69]。THOMAS等[70]用水葫蘆(Eichhorniacrassipes)制備的固體燃料，直接燃燒熱值為1.3 GJ/m3，破碎過篩后制成塊狀或球狀燃料，燃燒值達8.3 GJ/m3。

3 濕地植物高價值利用效益分析

以常見濕地植物蘆葦為例，對高價值利用方式進行效益分析，結果見表3。

由表3可知，蘆葦用作土壤改良和采用固化方法進行能源化利用的經(jīng)濟價值偏低，難以創(chuàng)造良好收益；用作動物飼料和造紙工業(yè)原料雖然經(jīng)濟價值較高，但存在缺乏相應生產(chǎn)設備、生產(chǎn)過程耗水/耗電量大、產(chǎn)品質(zhì)量不具市場優(yōu)勢等問題，而且環(huán)境效益不明顯；綜合而言，采用氣化和液化方法對蘆葦進行能源化利用雖然前期投入成本較高，但是環(huán)境和經(jīng)濟效益都較好，具有較好的應用前景?？紤]到液化方法耗水量大，筆者認為濕地植物氣化方法是目前最好的高價值利用方式。

4 問題與結論

4.1 問 題

(1) 濕地植物資源時空分布不均衡

空間上，人工濕地建設應考慮濕地植物的運輸成本，盡量就近利用。時間上，由于濕地植物生長受季節(jié)、環(huán)境的影響較大，因此應采取有效的管理措施。

(2) 濕地植物利用技術研發(fā)滯后

目前，關于濕地植物研究相對缺乏，導致濕地植物利用率和效益都比較低下。對此，應針對具體物種確定最佳工藝，解決其相比于農(nóng)作物秸稈存在的缺陷，如針對含水率高的問題確定最佳干燥條件；同時依據(jù)濕地植物自身特點，研發(fā)新設備，并從全生命周期角度優(yōu)化工藝流程。

4.2 結 論

(1) 人工濕地應在植物配置、生長環(huán)境和植物收割等方面加強管理，在實現(xiàn)污染物高效穩(wěn)定去除的同時，進行植物資源和能源的最大化利用。

(2) 對不同濕地植物高價值利用方式進行環(huán)境效益和經(jīng)濟效益分析，采用氣化方法對濕地植物進行能源化利用是目前最好的植物高價值利用方式。

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Managementandhigh-valueutilizationofconstructedwetlandplantsanoverview

LIShengjie，HUZhen，ZHANGJian.

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，ShandongUniversity，JinanShandong250100)

Plants play an important role in constructed wetlands. Sustainable operation and development of constructed wetlands depend on rational plants management and utilization. An overview on plant configuration,growth environment and harvesting was reviewed for the summary of status of constructed wetland plants management. The economical and environmental benefits of different plants utilization methods were compared. It was believed that the gasification method to produce combustible gas was promising,which provided guidance for the high-value utilization of constructed wetland plants.

constructed wetlands; plant management; high-value utilization; gasification

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.04.018

2016-07-04)

李盛結，女，1994年生，碩士研究生，主要從事流域水環(huán)境修復研究。#

。

*國家自然科學基金資助項目(No.21307076)；山東大學基本科研業(yè)務費專項(No.2014TB003)。