1、植物根系对垂直流人工湿地水力条件的影响第 36 卷第 4 期2008 年 4 月同济大学(自然科学版)JOURNALOFTONGJIUNIVERSITY(N 瓜 AISCIENCE)Vl01.36No.4Apr.2008植物根系对垂直流人工湿地水力条件的影响王晟,徐祖信,李怀正 2,周德兴 3(1.同济大学环境科学与工程学院,上海 200092;2.上海市环境科学研究院,上海 200233;3.上海市农业科学院,上海 201106)摘要:选择旱伞草,芦苇,灯芯草,美人蕉 4 种不同根系特征的植物 ,通过控制分蘖数并借助反应器理论研究植物根系对基质水力条件及水质净化的影响.结果表明,植物分蘖数的
2、增加过程可以用Logistic 方程描述,无论初始栽种密度是多少,若不加以控制,植物生物量都会扩大到湿地所能容纳的最大密度.植物分蘖与根系发育总体上呈正相关关系.芦苇和灯芯草相关性较好,植株重一根重和分蘖数一根体积的相关系数在0.931.00 之间.美人蕉和旱伞草的相关性不高,植株重一根重和分蘖数一根体积的相关系数在 0.430.69 之间.植物根系向下穿透基质的时候,一方面可起到一定的疏通作用,使基质孔隙率提高 3%44%;另一方面则会在穿透过程中产生横向的压力,起到使基质断面孔隙大小均一化的作用,使 Peclet 准数提高 6%-90%.没有发现水质净化与分蘖数(地上植株重量)以及根系体积
3、的规律性关系.植物对水质净化的作用不大,可以起到一定的但非决定性的防堵塞效果.关键词:人工湿地;垂直流;植物分蘖;水力条件中图分类号:X703.1 文献标识码:A 文章编号:0253 374X(2008)04051906EffectofPlantTilleringandRootandWastewaterPUrCatjOnOfDevelopmentonHydrodynamicsVerticaIDownFlowWetlandsWANGShengl,XUZuinl,LIHuaizheng2,ZHOUDazing3(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineerin
4、g,TongiiUniversity,Shanghai200092,China;2.ShanghaiAcademyofEnvironmentalScience,Shangh200233,China;3.ShanghAcademyofAgrictttreScience,Shangh201106,China)Abstract:Inordertoinvestigatetheinfluenceofplantrootonhydrodynarnicsandwastewaterpurificationinverticaldownflowwetlands,fourkindsofplantswithdiffer
5、entcharacteristicsofrootdistribution,namelyreed,cannaceac,CyperusalternifoliusLandrush(JuncuseffususL)arestudied.BydeducingthetilleringprocessoftheseplantsviaLogisticfunction,itisconcludedthatthereisnousetocontroltheinitialplantingdensityinthewetland,becausetheplantbiomasswillfinallyrisetothehabitat
6、Smaximumvalue.Overall,planttilleringandrootdevelopmenthasapositivecorrelation,acaseinpointisreedandJuncuseffususL,ofwhichtheassociationcoefficientsbetweenabove-groundplantweightandrootweight,aswellasplanttilleringandrootvolumeare0.931.00.ThecorrelationofCannaceacandCyperusalternifoliusLisnotsOgood,c
7、oefficientofthemisjustintherangeof0.43-0.69.Whilepenetratingthesubstrate,rootcarlopenupthecloggedsOiltoincreasetheporosityofsubstrateby3%-44%.Atthesametime,thecoinstantaneoustransversepressurewillhomoge 一收稿日期:20060829基金项目:上海市科学技术委员会攻关资助项目(0612311);上海市博士后科研资助计划资助项目(05R214141)作者简介:王晟(1977 一), 男 ,讲师,工学
8、博士.主要研究方向为污水生态处理理论与技术,E-mail:wangstjyahoo.con1.con;徐祖信(1956 一), 女,教授,博士生导师.工学博士,主要研究方为水环境综合整治理论与技术,E-mail:同济大学(自然科学版) 第 36 卷nizethesubstrate.whichincreasesPecletnumberofsubstrateby6%-90%.Noregularcorrelationisfoundbetweenpollutantsremovalandplanttillering,above.groundplantbiomassorrootvolume.Inaword
9、,plantplaysfewerrolesinwastewaterpurificationprocess,butwhenitcomestoanti?clogging,plantSfunctionispositivebutnotcritica1.Keywords:constructedwetland;verticaldownflow;planttillering;substratehydraulicconditions在人工湿地系统中,有关植物作用的研究一直受到广泛的关注.归纳起来,主要体现在 3 个方面:景观生态作用,净化水质作用和改善水力条件作用.景观生态作用是人工湿地的重要优点,也是人工湿
10、地技术为人们采用的主要原因之一.但是,人工湿地作为一个污水处理工艺,植物的后 2 个作用更受到水处理工作者的重视.植物净化水质的作用固然存在,但是对污水处理的贡献不大.近年来,越来越多的研究者接受了这一观点 l_1.2j.关于植物改善水力条件作用,总的来说,目前对此的认识还很不清晰,文献报道不多.笔者选择了 4 种不同根系特征的植物,根系发育用分蘖控制的方法,借助反应器理论3-4】,经过 2 年的观察,研究了植物根系对基质水力条件及水质净化的影响.1 材料与方法1.1 实验装置在塑料大棚内,采用直径为 300mm 的 17 个水泥筒模拟垂直下行流人工湿地,填装介质总厚度 800mm,由下至上分
11、别是 0150ITlIn 大砾石垫层,150250ITlIn 小砾石垫层,250-800ITlIn 工程粗砂,基质总体积为 56.52L.其中,1 个筒不种植植物作为对照,其余 16 个筒分别种植 4 种不同根系特征的植物:芦苇(reed,PhragmitescommunisTrim),旱伞草(Cyper-USalternifoliusL),灯芯草(rush,Juncus 皇舾 L)和美人蕉(cannaOeac,CannaindicaL).以所在地生活污水为原水,水处理流程为:原污水一沉淀一高位水箱一植物筒一接水筒,高位水箱的容水量能维持实验 1d 的运行,每日早晨补充高位水箱.控制浸润线高度
12、在 700mm,以 0.3m3.m.d.1 水力负荷长期连续运行.1.2 分蘖数控制4 个筒从 2004 年 3 月栽种,不收割,不控制分蘖数;其余 12 个筒从 2005 年 4 月栽种,其中 4 个筒不控制分蘖数,4 个筒控制在中分蘖数,4 个筒控制在低分蘖数.分蘖数高低的设定根据 2004 年观测中植物的最大分蘖数 3 等分后得到.初始栽种植物密度和分蘖数控制值见表 1.实验中一旦发现分蘖数达到设定值,立即掐掉超出部分,以此控制分蘖数.下文中均以植物名称(控制分蘖数或年份)作为各实验筒的编号,如:灯芯草(1a) 表示栽种灯芯草,栽种时间为 1 年,不控制分蘖数的实验筒.表 1 栽种植物及
13、分蘖数控制Tab.1Plantandtilleringcontrol1.3 实验内容(1)水质分析实验.以水桶接各植物筒出水,高位水箱和接水筒均是一日一换,因此,其中水样即可分别代表进,出水的混合样,直接取样分析.实验在2005 年 9 月 6 日到 9 月 14 日之间进行,共连续监测 9 天.采用国标方法分析.(2)示踪实验.2005 年 9 月进行,采用阶梯信号(stepsigna1),在 0h 向高位水箱中投加 Ka 提高进水电导率,然后每小时记录出水电导率变化,直至监测值达到稳定.(3)植物根系测量.示踪实验结束后,将植物从基质筒中倒出,分别测量根系长度,重量与体积.2 结果与讨论2
14、.1 分蘖与根系的关系2.1.1 植株分蘖分蘖数记录从 2005 年 4 月 26 日至 9 月 6 日,记录时间总共 133d,对于 4 筒 2a 植物来说,从 2004年 3 月 15 日栽种,至 2005 年 9 月 6 日共计 540d.植物分蘖数及达到设定分蘖数的时间记录见表2.试验中塑料大棚内气温较高,蒸发蒸腾较剧烈,对第 4 期王晟,等:植物根系对垂直流人工湿地水力条件的影响于芦苇(1a)和灯芯草(1a)这类水生植物来说,可能影响较大,造成分蘖数不高;旱伞草(1a) 和美人蕉(1a)因为是陆生植物,对水分的依赖较低,分蘖情况较好.据此情况,表 2 中,芦苇(55 株)和芦苇(1a
15、)在实验期间均没有掐过地表部分,记为平行样;灯芯草(200 株 )与灯芯草 (1a)在实验期间也没有掐过地表部分,记为平行样;美人蕉(2a) 的发育不佳,在后续数据分析中舍弃.表 2 植物分蘖及达到设定分蘖数时间Tab.2Planttilleringandthetimereachingthesetvalue舞赫赫赫低中1a2a芦苇(2a)和灯芯草(2a)在第 2 年中的分蘖记录见图 1,它们都逐渐达到了分蘖数最大值.图 1 中分蘖数增加过程实际反映了实验筒内植物种群受到密度调控的增长曲线,通常用 Logistic 方程描述5I.dN:r.N(1 一 N)(1)式中:N 表示种群密度;t 表示时
16、间;r0 表示种群很小时(接近于零) 的指数增长率;K 为境容纳量(car.tyingcapacity),代表环境可以维持的个体数量.Logistic程可采用如下方式表达为:种群增长率=初始内禀增长率种群大小因拥挤引起的增长下降.,4o.?蜷 100l?嘉 6o.l 芦苇 8.l000誉 600辐加.0400450500550记录天数/d图 1 分蘖数增长曲线Fig.1Cilrveoftilleringoftwoplants很多因素都能影响种群的生长率,但只有密度制约因素才能使种群大小得到调控,其作用强度随种群拥挤程度的增加而增加 5.密度制约因素中最重要的是营养物质供应和生活地点,其数量是相
17、对固定的.在第 1 年中,植物筒内密度不高,植株死亡率小,繁殖快,分蘖数以几何增长;在第 2 年中,植物不断繁殖使种群越来越拥挤,第 477d 以后,芦苇分蘖增长速度明显下降;灯芯草则在第 463d 起分蘖增长为零,种群大小达到环境所能承担的最大值800 株-筒_.由此见,仅通过控制初始栽种密度来控制人工湿地植物密度的方法是不对的,因为无论初始密度是多少,若不加控制其种群都会扩大到生境所能容纳的最大密度.2.1.2 根系生长表 3 给出了根系生长的记录,根系形状对根系长度和体积的影响较大.从根系长度来看,芦苇和旱伞草属直根系,根系长度均匀并且超过了基质的深度,达到 0.85m;美人蕉为块状根系
18、,根系平均长度为 0.51m;灯芯草为须根系,根系平均长度为 0.34m.从根系体积来看,取 2005 年栽种植物的平均根系体积大小排序依次为:美人蕉,2600ml;芦苇,2400ml;旱伞草,2083ml;灯芯草,183m1.表 3 根系生长记录Tab.3Recordofrootgrowth对表 3 各列的相关性分析见表 4.不同植物的分蘖数与地上植株质量的相关系数在 0.820.99之间.可见,分蘖越多,地上植株数量就越多,种群质量就越大.同理,根系越多,根系质量就越大,二者之间的相关系数在 0.961.00 之间.从物质能量守恒的一般原理来说,植物根系生长需要依靠地上植株的光合作用提供能
19、量及细胞合成物质,因此植株质量与根系生长之间具有联系.实测结果表明,植物分蘖与根系发育总体上呈正相关关系.芦苇和灯芯草相关性较好,植株重一根重和分蘖数一根体积的相关系数在 0.931.00 之间.美人蕉和旱伞草的相关性不高,植株重一根重和分蘖数一B 钉48m1228叭卯瑚啪 m同济大学(自然科学版) 第 36 卷根体积的相关系数在 0.43-0.69 之间表 4 根系生长与植物分蘖的相关系数Tab.4Relationshipbetweenplanttilleringandrootgrowth总的来说,通过控制分蘖来控制根系发育,进而研究根系对水力条件和污水净化影响的思路基本是合理的.2.2 对
20、基质水力条件的影响2.2.1 反应器理论的基本公式和概念 E6-7借助反应器理论和示踪试验,可以了解装置内部的水力条件和水流特征.水在反应器内的停留时间分布(residencetimedistribution,RTD)是常用的衡量反应器流动状况的重要参数.将着眼点放在流动过程中不可分割的微元(cel1)上,不同微元在不同的停留时间具有不同的概率,这种概率随停留时间 t 改变的规律称为停留时间分布,用 E(t)表示.E(t)具有如下性质:IE(t)dt=1(2)考虑所有的流体微元,它们在反应器中平均停留时间等于停留时间分布函数的数学期望:-i-=ItE(t)dt(3)植物筒内的孔隙率 e 可以用
21、下式计算 :et(4)式中:,h;24 为换算系数,h.d;H 表示浸润深度,m;q 表示水力负荷,m3.m.d 一.在不考虑反应物生成和消耗的情况下(r=0),反应器内反映物输移的量纲为 1 公式为至:旦一f1auLOZ2aZ式中:c 表示反应物的多少,根据检测方法和仪器的不同,可以是质量浓度,也可以物质量的浓度,还可以是电导率等其他单位;0=t/T,表示量纲为 1 时间;D表示由分子扩散,对流,涡流作用引起的分散系数;U表示平均流速;L 表示反应器全长;Z=z/L,Z 为量纲为 1 长度,名为反应器起始端至微元的距离.令=P 为 Peclet 准数,表示反应器内的返混程度,P=OO 时反应器内为平推流 ;P=0 时反应器内为全混流.当反应器为闭一闭反应器时,存在下面关系式:一2=2/P 一 2(1/P)(1 一 ee)(6)t.式中:表示归一化方差;表示停留时间分布的方差,直接反映各微元停留时间与平均停留时间之间的离差roo=IE(t)d 一(7)J02.2.2 示踪实验记录
