三種人工濕地植物對城鎮生活污水的處理

摘要：利用人工濕地處理技術探討城鎮生活污水治理與利用，研究菖蒲、美人蕉、麥冬３種植物在水力停留時間分別為１、３、５、７ ｄ時對城鎮生活污水的凈化效果。結果表明，３種植物中美人蕉的處理效果最好，麥冬較差。在水力停留時間為７ ｄ、密度為１０株／ｍ２時美人蕉對ＢＯＤ５、ＣＯＤｃｒ、ＴＰ和ＴＮ的去除率分別為９２．３％、８８．２％、９４．９％、９４．６％。人工濕地生態系統適合以生活污水為主的城鎮污水處理。

關鍵詞：人工濕地；植物；城鎮生活污水

中圖分類號：Ｘ７０３．１文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）22－4586-04

Study on Urban Domestic Sewage Processing by Three Wetland Plant Species

ＸＩＥ Ｙｕｎ－ｃｈｅｎｇ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｒｔｓ ａｎｄ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Yongchuan ４０２１６０，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｕｒｂａｎ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｓｅｗａｇｅ ｉｎ ｔｏｗｎ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｗａｔｅｒ ｐｏｌｌｕｔａｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ａｓ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｕｒｂａｎｉｚａｔｉｏｎ. Sｅｗａｇｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｕｓｅｈａｄ ｎｏｔ ａｄｄｒｅｓｓ ｅｎｏｕｇｈ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｅｅｄｅｄ ｔｏ ｂｅ ｓｏｌｖｅｄ． Ｔｈｅ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｗｅｔｌａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｒｅａｔ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｓｅｗａｇｅ ａｎｄ ｒｅｕｓｅ． Ｔｈｅ ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｐｌａｎｔ ｓｐｅｃｉｅｓ， ｃａｌａｍｕｓ， ｃａｎｎａ ａｎｄ ｌｉｒｉｏｐｅ ｗｉｔｈ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ ｔｉｍｅ １， ３， ５， ７ ｄ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｃａｎｎａ ｈａｄ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ； ｗｈｉｌｅ ｌｉｒｉｏｐｅ ｗａｓ ｗｏｒｓｅ．Ｗｈｅｎ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｗａｓ ７ ｄａｙｓ， ｄｅｎｓｉｔｙ ｗａｓ １０ ｐｌａｎｔｓ／ｍ２， ｔｈｅ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｏｆ ｃａｎｎａ ａｇａｉｎｓｔ ＢＯＤ５， ＣＯＤｃｒ，ＴＰ、ＴＮ ｗａｓ ９２．３％， ８８．２％， ９４．９％ ａｎｄ ９４．６％ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｗｅｔｌａｎｄ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓ ｓｕｉｔｅｄ ｔｈｅ ｕｒｂａｎ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｓｅｗａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｗｅｔｌａｎｄ； ｐｌａｎｔｓ； ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｓｅｗａｇｅ

隨著我國新農村建設和城鎮化運動的推進，城鎮居民用水量劇增，水體污染加劇，農業水資源約束也日益增強，污水資源化利用勢在必行。城鎮生活污水和畜禽養殖污水含工業廢水較少，資源化農灌技術和工藝比較成熟。城鎮污水農灌既解決農業水資源不足問題，也為城市污水資源化尋找技術、積累經驗。但污水直接用于灌溉對土壤、水源、農作物以及人類健康可能產生潛在的危害和污染，污水在資源化利用前必須處理。采用人工濕地技術治理城鎮生活污水，與傳統的污水處理工藝相比，有更高的經濟效益和美學價值，提高農業用水安全，控制區域、流域的水質污染。國內外學者已篩選出多種能有效去除污水中污染物的植物，如蘆葦、香蒲、菖蒲、石菖蒲、美人蕉、再力花和梭魚草等［１］。試驗利用人工濕地污水處理技術探討了城鎮生活污水的處理與利用。采用美人蕉、菖蒲和麥冬３種植物模擬人工濕地處理城鎮生活污水，對不同人工濕地植物在不同水力停留時間內的處理效果進行對比分析，提出了人工濕地處理效果較好的模式，為人工濕地污水凈化技術在城鎮的農灌應用提供了有益的參考。

１材料與方法

１．１試驗材料

塑料箱（５２ ｃｍ×４４ ｃｍ×２２ ｃｍ）９個、小塑料桶９個、輸液袋９個、細沙、碎石、泥土等。

１．２基質和植物的選擇

根據國內外研究現狀，常見基質有干渣、沸石、頁巖陶粒、白云石、煤灰渣和高爐等［２］。考慮到試驗條件和本地環境等因素，該試驗研究選擇的基質是碎石（粒徑約１～２ ｃｍ）。碎石易得且支撐力強，價格低廉，有足夠的空隙，適合植物的生長。除了碎石外，還需要煤灰渣和泥土作為人工濕地填料層。人工濕地使用的植物有很多，但遵循就地取材、經濟適用、美觀、易成活、處理效果好等原則，該試驗選擇的植物是當地常見的美人蕉、麥冬和菖蒲。

１．３人工濕地的建立

１．３．１人工濕地結構在塑料箱內從下至上依次填充礫石層（粒徑約１～２ ｃｍ，厚度約為３ ｃｍ）、沙層（厚度約為５ ｃｍ）、土壤層（厚度約為１０ ｃｍ，麥冬人工濕地的土壤厚度約為６ ｃｍ，因為麥冬根部相對于另兩種植物要短小一些，所以土壤厚度要適當減少）。在箱中埋設輸液管的一端，另一端插入小桶底部，用于生活污水的進水。

１．３．２植物培育植物栽種在３個塑料箱中，塑料箱的密度分別為５、７、１０株／ｍ２。采用清水培植，使剛移植的植物適應環境，根部充分發育，基質中的微生物充分繁殖。期間要及時補充清水，注意植物的生長狀況以及天氣情況對植物的影響。在培植植物時，氣溫過高不利于植物的生長，每天在１０∶００左右要為植物搭遮陽篷，１７∶００后收起。經過兩周的培植，植物生長情況良好（若植物生長不好，則要繼續用清水培植）。接著改用污水培植，在這個階段，每天的生活污水需要進行一定的稀釋，濃度按照一定比例由稀到濃，使植物慢慢適應在污水中生長。第一天，將污水稀釋１０倍，第二天，稀釋７倍，第三天稀釋５倍，第四天稀釋３倍，第五天稀釋１倍，然后用污水直接培植。再觀察植物的生長情況，若植物仍然生長良好，則可以進行試驗。

１．３．３污水取樣試驗所用污水是重慶市永川區雙竹鎮城鎮居民生活污水。為保證試驗水樣穩定，每次取樣時間都在17∶00左右。向每個塑料箱中定量加污水６ Ｌ左右。污水經過模擬人工濕地，在一定的水力停留時間后，由塑料箱底部的小孔取水樣，進行各個指標的測定。原始水樣各個指標值見表１。

１．３．４測定指標及方法試驗測定指標有ＢＯＤ５、ＣＯＤｃｒ、ＴＰ、ＴＮ、ＳＳ、ｐＨ、金屬離子等，其測定采用國標法。其中，ＣＯＤｃｒ采用重鉻酸鹽法，ＢＯＤ５采用五日培養法，ＴＮ采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法，ＴＰ采用鉬酸銨分光光度法。

２結果與分析

２．１不同水力停留時間對去除效果的影響

試驗在全露天自然條件下進行，試驗場所選在實驗室樓頂，能夠接受充足的光照。水力停留時間為１、３、５、７ ｄ。污水經過人工濕地的3種植物凈化后，出水水質已經有明顯改善。從圖1、圖2、圖3中可知，植物密度為５株／ｍ２時，美人蕉和菖蒲經過１ ｄ的處理后，ＢＯＤ５、ＣＯＤｃｒ的濃度基本上已達到污水綜合排放標準（ＧＢ８９７８—１９９６），ＴＰ和ＴＮ分別經過７ ｄ和３ ｄ處理后濃度達到污水綜合排放標準（ＧＢ８９７８—１９９６）。隨著植物密度的增大、水力停留時間的增加，經過處理后的污水出水水質會得到進一步的改善。從圖1、圖2、圖3中可知，當水力停留時間從１ ｄ到３ ｄ時，去除率曲線增長幅度較大；當水力停留時間從５ ｄ到７ ｄ時，人工濕地對各個指標的去除率曲線趨于平緩。說明污水一開始進入人工濕地時，因為植物培育時間較短，根系生長不夠發達，吸附作用不完全。植物的根系為微生物提供活動場所，而此時微生物繁殖較慢、作用較小，是微生物、植物和基質共同作用去除污水中的污染物且基質起主要作用。但反應經過一定時間后，填料層中基質的吸附能力逐漸趨于飽和，植物經過一段時間的生長后，其根、莖對營養物質的需求降低，吸附能力減弱，但是微生物得到繁殖，去除污染物能力增強并逐漸達到最高點［３］。此時，污水中的大顆粒物質已基本沉淀到基質表面，污水中剩下小顆粒物質和可溶性污染物，植物與微生物對污染物的去除作用占主導地位，去除率曲線趨于平緩［４］。

２．２不同植物密度對ＢＯＤ５、ＣＯＤｃｒ、ＴＰ、ＴＮ的去除效果的比較

比較圖1、圖2、圖3可知，植物栽種的密度越大，人工濕地對污水各個指標的去除率越高，去除效果越好；水力停留時間增加，去除率也相應地增大。水力停留時間為７ ｄ、密度為１０株／ｍ２美人蕉對ＢＯＤ５、ＣＯＤｃｒ、ＴＰ和ＴＮ的去除效果最好，去除率分別為９２．３％、８８．２％、９４．９％、９４．６％；水力停留時間為１ ｄ、密度為５株／ｍ２麥冬的去除效果最差，對ＢＯＤ５、ＣＯＤｃｒ、ＴＰ和ＴＮ的去除率分別只有37.2％、41.0％、47.1％、42.6％。７株／ｍ２和１０株／ｍ２時，人工濕地對各個指標去除率變化不明顯，說明植物在達到一定栽種密度時，去除效果就不會有明顯增加。

２．３不同植物對ＢＯＤ５、ＣＯＤｃｒ、ＴＰ、ＴＮ的凈化效果

由圖4可知，３種植物對ＴＰ、ＴＮ的去除效果好于ＣＯＤｃｒ和ＢＯＤ５，對ＣＯＤｃｒ、ＢＯＤ５去除效果差距不是很明顯。這說明植物、填料層吸收了污水中大部分有機物，起到了凈化污水的作用。一方面植物的生長和繁殖需要營養物質，污水中的部分營養物質滿足了植物的需求，尤其是氮和磷。人工濕地中埋藏于土壤中的根系表面為微生物提供了活動的場所，植物根系傳遞釋放氧，使污染物被微生物吸收，并且通過硝化、反硝化等作用去除氨氮［５］。另一方面植物本身對有機物具有吸收作用，即有機物通過植物根系微生態環境吸附，經過異化及同化作用而得以被去除［６］。同時，填料層中的基質通過吸附、過濾、積累等作用去除一部分污水中的污染物質，增加去除效果。

３種植物中，美人蕉和菖蒲的處理效果較好，尤其是美人蕉。美人蕉和菖蒲的根系較發達，在對污水的處理過程中，植物的根系有著重要的作用。植物的根系可以釋放一些酶等物質于土壤中，這些物質可以直接降解污水中的污染物。同時，植物的根莖還具有輸氧的作用，因為濕地環境的土壤中缺氧，水生植物則具有適合在缺氧條件下生存的結構和特征，包括莖肥大，莖和根具有較大的通氣組織，莖中空，具淺根系等［７］。植物的這種特殊結構，有利于氧氣在其體內傳輸，不僅滿足植物在缺氧環境下的呼吸作用，而且促進了根區的氧化還原反應與好氧微生物的活動。研究表明，水生植物植株和根系的輸氧作用促進了深層基質中微生物的生長和繁衍［８］。埋藏于土壤中的植物根系還為微生物的活動提供場所，微生物可以分解污染物，增加人工濕地的處理效果。因此，選擇植物時，還要注意植物的根系和莖，根系發達的植物，處理效果較好。植物還具有季節性，受到氣候的影響。不同的季節，有的植物會受季節氣候的影響，處理效果下降。麥冬處理效果最差。因為麥冬的根系不發達，通過移植栽種后，兩周的培植時間較短，根系不能深入到填料層中，處理污水時，麥冬不能完全發揮作用。因此，在栽種麥冬時，要經過較長時間的培植，使其根系深入填料層中。

２．４對懸浮固體物質（ＳＳ）和其他金屬離子的去除效果

ＳＳ的去除主要通過基質的過濾、吸附作用而被截留下來，試驗中獲得了９１．２％的去除率，考慮ＳＳ的截流會帶來填料堵塞問題，通過格柵過濾、調節池和初沉池的沉淀、集水池再次過濾作用降低進水ＳＳ濃度來預防。經過植物和微生物的共同作用，礦井水中的Ｃｕ２＋、Ｆｅ２＋、Ｍｎ２＋、Ｚｎ２＋、Ｍｇ２＋等金屬離子和ＳＯ４２－經過濾、吸附、沉淀得到了有效去除。

３結論

１）試驗結果表明，3種植物濕地生態系統處理城鎮生活污水是完全可行的。處理效果為美人蕉＞菖蒲＞麥冬，各項指標處理效果完全能達到城市污水再生利用、農田灌溉用水水質（ＧＢ２０９２２—２００７）要求，城鎮生活污水資源化利用完全可行，有推廣價值。

２）人工濕地生態系統比較適合以生活污水為主的城鎮污水處理，且適合其經濟和技術發展水平，是一個經濟有效的工藝方案。其具有土地資源豐富，植物易得，工藝設備簡單、運行費用低，效果明顯，美學價值高等優點，同時污水再生回用將減少化肥使用，利于土地復墾，降低環境生態風險；傳統方法處理污水的運行成本為０．７０～０．８０元／ｍ３，而人工濕地為０．０２～０．０６元／ｍ３。

３）植物本身具有一個衰變過程，為保證處理效果，選擇植物時要合理搭配設計，需要增加浮游植物或沉水植物，改變生態系統結構，注意種群搭配，在一種濕地植物衰變期間，有其他植物替代，保證處理效果。

４）人工濕地技術是物理、化學和生物技術的綜合體現，除考慮植物選擇、填料、季節和氣候等因素外，還有植物培植時間設定、水力停留時間和植株密度的選擇，試驗研究中，水力停留時間為７ ｄ，密度為１０株／ｍ２時處理效果最好。

參考文獻：

［１］ 王建軍． 人工濕地在污水處理中的應用初探［Ｊ］． 遼寧城鄉環境科技，２００４，２４（３）：１－２．

［２］ 劉恩玲，徐鳳鑫． 人工濕地生態技術在農村面源污染治理中的應用研究進展［Ｊ］． 溫州農業科技，２００６（４）：４－６．

［３］ 魯敏，曾慶福． 七種植物的人工濕地處理生活污水的研究［Ｊ］． 武漢科技學院學報，２００４，１７（２）：３２－３５．

［４］ 郭杏妹，劉素娥，張秋云，等． 三種人工濕地植物處理農村生活污水的凈化效果［Ｊ］． 華南師范大學學報（自然科學版），２０１０（１）：１０５－１０９．

［５］ 郭亞平，吳曉芙，胡曰利． 濕地植物在城鎮污水處理系統中的作用特性研究［Ｊ］． 環境科學與技術，２００９，３２（２）：１４１－１４６．

［６］ 潘金鋒． 植物在人工濕地處理系統中的作用［Ｊ］． 山西建筑，２０１０，３６（２）：１７６－１７７．

［７］ 肖龍山． 濕地植物的選擇和應用［Ｊ］．林業建設，２００９（４）：５２－５６．

［８］ 李濤，周律． 濕地植物對污水中氮、磷去除效果的試驗研究［Ｊ］． 環境工程，２００９，２７（４）：２５－２８．