人工濕地處理污染河水和濕地植物腐爛分解影響研究

范云爽,戴 麗,蔣云東

(1.昆明理工大學環境科學與工程學院,云南昆明650092;2.云南省環境科學研究院,云南昆明650034;3.云南省林業科學研究院,云南昆明650000)

人工濕地處理污染河水和濕地植物腐爛分解影響研究

范云爽1,戴 麗2,蔣云東3

(1.昆明理工大學環境科學與工程學院,云南昆明650092;2.云南省環境科學研究院,云南昆明650034;3.云南省林業科學研究院,云南昆明650000)

以高原復合型人工濕地為研究對象,在水力負荷為0.067 m/d的條件下,監測濕地對CODCr、TN、TP、氨氮的去除率達到了66.3%、82.5%、43.2%、76%;采集了梭魚草、美人蕉、蘆葦、水蔥、茭白、再力花6種挺水植物地上部分,測定了它們的TN、TP、有機質等營養物質含量和它們腐爛分解過程中TN、TP、COD等釋放強度。結果表明:梭魚草、美人蕉、茭白釋放強度較強,再力花和蘆葦釋放強度較弱,在選擇濕地植物時綜合考慮植物吸收污染物能力情況下,可以優先考慮再力花、蘆葦等植物。

人工濕地;河水治理;濕地植物;腐爛;研究

自20世紀70年代以來,人工濕地因其具有一定的處理效果、建設運行成本比較低、易于管理等優點[1],在世界各國得到了廣泛的應用,也因此產生了大量的濕地植物殘體。復合型濕地由于其較單一型人工濕地更好的污染物去除效果,得到了更多的應用,本研究采用了塘和濕地的復合系統來處理污水。濕地植物作為濕地生態系統的主要組成部分,通過吸收、過濾、截留等,有效地提高了氮、磷等污染物的去除效率[2]。然而秋冬季節濕地植物的腐爛分解卻會引起水質的惡化[3～4]。針對植物腐爛分解對水質的影響,目前的研究還較少,并且多是單種植物腐爛分解的研究。本文對6種常見的挺水植物腐爛分解對水質的影響進行了初步研究,旨在定量揭示濕地挺水植物的腐爛分解過程中營養物質的釋放規律,確定濕地挺水植物的最佳收割時間,為濕地植物的選擇和管理提供依據。

1 試驗材料和方法

1.1 河流概況

彌苴河是洱海重要的來水河,占洱海流域面積的60%,總入水量的57%。彌苴河水質的優劣,決定著洱海的水質。隨著兩岸工農業的發展,彌苴河水質有逐年下降的趨勢。近年來,通過努力,水質有所恢復。

1.2 試驗設計

表流濕地由于其成熟期短、基建運行費用低、類似于天然濕地等優點,適宜于河網地區的濕地建設,結合當地實際,本試驗改造了河口的一塊水稻田為人工濕地,采用了塘和人工濕地的復合系統來處理受污染河水。

濕地示范工程建于云南省大理州上關鎮河尾村,占地面積900m2,四周的墻均為磚混結構,濕地基質為土壤,底部用塑料膜作防滲處理。濕地分為沉淀池、氧化塘、一級表流濕地、二級表流濕地(見圖1)。其中沉淀池為150m2,氧化塘為150m2,一級表流濕地和二級表流濕地均為300m2。沉淀池深1.0m,氧化塘深0.8m,表流濕地水深0.3m。

1.3 植物選擇

根據濕地植物的選擇原則,盡量選取當地的鄉土植物和污染物去除效率較高、生物量較大的植物。根據當地實際情況,沉淀池種植鳳眼蓮(Eichhornia crassipes(Mart.)Solms)、菱角(T.natans)、狐尾藻(Myriophyllum verticillatum)、睡蓮(Nymphaea alba)等浮水和沉水植物,表流濕地種植美人蕉(Canna indica)、蘆葦(Phragmites australis)、梭魚草(Pontederia cordata)、水蔥(Scirpus validus Vahl)、茭白(Zizanialatifolia(Griseb.)Stapf)、再力花(Thalia dealbata)等挺水植物。

1.4 試驗方法

1.4.1 人工濕地試驗方法

人工濕地采用連續進水的方式,進水量為150m3/d,水力負荷為0.67m/d,實驗期間每天對進出水進行取樣。監測的水質指標主要有TN、TP、COD、DO、氨氮、氧化還原電位。測定方法參照《水和廢水監測分析方法(第四版)》,其中DO和氧化還原電位采用YSI-6系列自動監測儀測定。

1.4.2 濕地挺水植物腐爛分解研究方法

于2009年10月在彌苴河河口濕地采集梭魚草、美人蕉、蘆葦、水蔥、茭白、再力花6種挺水植物的地上部分,每種植物取1kg左右,采回之后立即用清水洗凈,風干后再烘干至恒重,剪碎后混合均勻備用。

每種植物取20g,放入3L盛滿水的桶中,將桶置于室內,上方加蓋防止水分蒸發和灰塵降落,但要留一定的空隙防止缺氧。每隔2、4、7、10、13、16、19、22d取250ml水樣進行監測,每次取完水后用蒸餾水(放置曝氣8h)補充至原始水位。實驗設置三個重復,監測指標為CODCr、TN、TP。

2 結果與分析

2.1 人工濕地處理效果

示范濕地于2009年8月建成后,即開始進水,試驗于2009年11月開始進行,至2010年1月底結束。試驗期間溫度保持在0～20℃,水溫保持在11℃左右。試驗采取連續進水的方式,在水力負荷為0.067m/d情況下,進出水水質和污染物去除率見表1。

表1 濕地進出水水質及污染物平均去除率情況(mg/L)

人工濕地除氮的主要機理是微生物的硝化和反硝化作用,植物的吸收和存儲只是占一小部分[5],影響濕地脫氮的因素主要有溫度、DO等,從表1可以看出,濕地對總氮和氨氮的去除率分別高達82.5%和76%,而冬季濕地植物的生長幾乎停止,但濕地水溫一直保持在15～11℃左右,溶解氧水平一直保持在9～10mg/L,測量濕地沿程的溶解氧水平,結果顯示,自進水口至出水,溶解氧呈明顯的下降趨勢,這種好氧/缺氧使得硝化/反硝化得以順利進行,并且最終通過反硝化生成氨氣而將氮去除。這些條件保證了濕地對氮較高的去除效率。

從表1可以看出,濕地對磷的去除率為43.2%,濕地對磷的去除主要是通過基質的吸附和沉積作用[6],當地的土壤為沙土,具有較強的吸附能力,濕地還處于建成初期,因而除磷的效果比較好。

由于大理的氣候優勢(冬天氣溫較高,無結冰),復合型濕地在進水水質出現波動的情況下,濕地出水水質比較穩定;冬季在濕地植物的生長已經停止的情況下,濕地仍保持了對污染物較高的去除率。

2.2 挺水植物腐爛分解試驗

試驗前,測定了6種植物的氮、磷、有機質含量,見表2。

表2 挺水植物營養含量和碳氮比

從表2可以看出,6種挺水植物全氮含量差異比較大,含量最高的水蔥(21.4g/kg)與含量最低的蘆葦(5.9 g/kg)之間相差15.5個數量級;而全磷的含量除蘆葦較低外,其余5種植物則相差不大;6種植物的有機質含量基本相近,沒有明顯差異。

2.2.1 總氮的釋放

從幾種植物的總氮釋放強度曲線可以看出,再力花和美人蕉在第4d總氮釋放強度就達到了最高值,其它4種植物則在第6d達到了最高值,而后曲線比較平滑,說明釋放強度比較穩定,這估計與大理的溫度變化有關系。累計釋放強度(這里用歷次所測污染物濃度之和來表示)美人蕉(6,總共6種植物,排第一記為6,依次類推)>梭魚草(5)>茭白(4)>蘆葦(3)>水蔥(2)>再力花(1)。

2.2.2 總磷的釋放

梭魚草、美人蕉、水蔥、蘆葦均在第10d時總磷的釋放強度達到了最高值,而茭白和再力花則在第13d時才達到最高值,而每種植物在達到了最高值后釋放強度趨于平緩,累計釋放強度美人蕉(6)>茭白(5)>水蔥(4)>梭魚草(3)>再力花(2)>蘆葦(1),這和6種植物的全磷含量是成正相關的,全磷含量茭白>水蔥>美人蕉>梭魚草>再力花>蘆葦,美人蕉全磷含量排第三但累計釋放強度則為第一,這可能與美人蕉的植物組織結構有關,美人蕉多為葉狀,且組織較疏松,試驗觀測,當植物浸泡時,美人蕉所浸泡的水在幾小時之內即變渾濁。植物磷的釋放和碳氮比沒有明顯的關聯關系。

2.2.3 COD的釋放

幾種植物的COD釋放曲線和TN釋放曲線比較相似,均是在第4d左右釋放強度就達到最高值,以后逐漸下降并在第10d后趨于穩定。累計釋放強度梭魚草(6)>水蔥(5)>茭白(4)>再力花(3)>蘆葦(2)>美人蕉(1)。

以6種植物的不同營養物質的累計釋放強度進行排名(按釋放強度由強到弱依次記為6、5、4、3、2、1),最終排名結果為梭魚草(14)>美人蕉(13)=茭白(13)>水蔥(11)>再力花(6)=蘆葦(6)。可以看出,梭魚草、美人蕉、茭白營養物質的釋放強度較強,而再力花和蘆葦釋放強度則較弱。我們在選擇濕地植物的時候,在綜合考慮植物吸收污染物能力的情況下,可以優先考慮這些釋放強度較弱的植物,避免植物腐爛對水質產生影響。

3 結論

(1)本研究中的示范人工濕地在冬季植物生長基本停止的情況下,對CODCr、TN、TP、氨氮的去除率仍達到了66.3%、82.5%、43.2%、76%,在進水水質出現一定波動的情況下,出水水質比較穩定,取得了較好的處理效果。這與云南氣候優勢是密切相關的,也應該積極推廣人工濕地在云南的農村污水、農田排水、工礦企業廢水治理中的應用。

(2)作為濕地生態系統重要組成部分的濕地植物,一方面,植物在生長過程中,會吸收大量的營養物質,從而去除污染物;另一方面,在植物生長停止后,植物會釋放營養物質,極端情況會造成水域大面積污染。如太湖“茭黃水”就是由于茭草沒有及時收割而造成太湖水質惡化[7]。影響植物營養物質釋放強度的因素有很多,一方面,植物本身的組織結構、營養物質含量會對營養物質釋放造成影響,另一方面,溫度、溶解氧等環境因子也會影響營養物質釋放[8]。

對6種挺水植物營養物質釋放強度進行的研究表明,6種植物釋放COD和TN在第4d左右就達到了最高值,而對TP的釋放則在第10d才達到最高值,說明植物磷的釋放比較緩慢,且和植物體內的磷含量密切相關,這就要求在濕地的管理上,一旦冬天植物生長停止,要及時對枯萎的植物進行清理。綜合不同營養物質的累計釋放強度,可以看出,梭魚草、美人蕉、茭白釋放強度較強,再力花和蘆葦釋放強度較弱,在選擇濕地植物時綜合考慮植物吸收污染物能力的情況下,可以優先考慮再力花、蘆葦等植物。

[1]白曉慧,王寶貞,余敏,等.人工濕地污水處理技術及其發展應用[J].哈爾濱建筑大學學報,1999,32(6).

[2]郭亞平,吳曉芙.濕地植物在城鎮污水處理中的特性研究[J].環境科學與技術,2009,32(2).

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Research on Decomposition ofW etland Plants and Treatment of Polluted Water by Constructed Wetland

FAN Yun2shuang1,DA ILi2,JIANG Yun2dong3
(1.College of Environmental Science and Engineering of Kunming University of Science and Technology,Kunming Yunnan 650092 China)

The average removal rate of COD and total nitrogen and total phosphorus and ammonia nitrogen are 66.3%and 82.5%and 43.2%and 76%respectively under the condition of HLR of 0.067m/d by monitoring the treatment rate of constructed wetland.Six kinds ofwetland plants are collected involving in pontederia cordata and canna indica and zizania latifolia and stapf and phrag mites austral is and thalia deal bata to be detected with contents of TN and TP and organic matter,release rate of TN and TP and COD aswell.The results show that there is higher release rate of pontederia cordata and canna indica and zizania latifolia,however,the rates of phrag mites austral is and thalia deal bata are weaker,therefore,phragmites australis and thalia dealbata can be selected firstly as wetland plants.

constructed wetland;riverwater treatment;wetland plant;decomposition;research

X52

A

1673-9655(2010)03-0042-04

2010-02-20

云南省科技廳社會事業發展項目:彌苴河河口濕地恢復關鍵技術研究及工程示范。