哈爾濱市9種濕地植物在不同HRT下凈污效果研究

范 晶，郜 瑩，肖 洋

(黑龍江大學農業資源與環境學院，哈爾濱150080)

當前，水資源短缺，建立穩定的污水凈化系統，達到生活用水綠色循環，已成為城市可持續發展的重要問題。以人工濕地為主，利用植物凈化污水的處理模式，同傳統污水處理工藝相比，費用低廉、處理效率高等優勢突出［1－3］，在國內外已開展研究多年，在實踐工程中也取得顯著的效果。在人工濕地污水凈化系統中，植物起著重要的作用，主要表現在吸收利用污水中的氮磷、吸附和富集重金屬，向根區輸送氧氣，為微生物提供適宜的生存環境，加強水力傳導，疏松基質及植物的景觀綠化價值等方面［4－5］。但是在哈爾濱地區，對于利用人工濕地系統處理城市生活污水技術的研究還處于初步階段，而該區四季氣候差異大，冬季會出現霜凍結冰現象，不利于濕地植物在人工濕地中的運作，使得在濕地植物選擇方面缺乏理論基礎和實踐經驗。開展哈爾濱地區濕地植物的篩選研究，在黑龍江省乃至北方地區都具有重要的意義。本文通過構建小型潛流碎石人工濕地，比較研究不同種植物在不同水力停留時間 (HRT)下，對生活污水的凈化能力，旨在為哈爾濱市人工濕地植物的理論研究和實際應用建設提供參考依據。

1 研究區概況

哈爾濱市白漁泡濕地公園，位于黑龍江省哈爾濱市道外區巨源鎮白漁屯北部500 m處，地處松嫩平原西部，距市區25 km，規劃面積10萬hm2，年均氣溫3.2℃，本區主要為平原區河湖相沖積地貌類型，地勢低洼平坦，坡降小，由周邊坡耕地雨水匯集而成，常年積水，豐水期水深可達3 m。本地位于大陸性季風氣候區，年均氣溫在－5～4℃，有效積溫在2400～2800℃，年平均降水量569.1 mm，降雨量年內分布不均，主要集中在6～8月;該區植物區系屬長白植物區系，松嫩平原分布的大部分植物在濕地公園內均有分布。

2 試驗裝置與方法

2.1 試驗裝置

選取高40 cm，容積為29L(上口直徑35 cm，底面直徑25 cm)的塑料桶為試驗裝置，該裝置下層鋪設10 cm粗砂 (粒徑1～2 cm)，上層為15 cm細砂 (粒徑＜1 cm)。距桶底10 cm處有出水檢測口，桶底側設有出水口。栽種植物前，向裝置中澆灌蒸餾水3次，每次將水排空后進行第二次注水。植物植入裝置后，一次性向每個試驗桶中注入配置好的人工污水10L，污水表面高出基質層大約5 cm。

2.2 試驗方法

試驗所用植物均來自哈爾濱市白漁泡國家濕地公園，所選植物有:慈姑(Sagittaria trifolia)，水蔥(Scirpus validus)，香蒲(Typha orientalis)，小葉章(Deyeuxia angustifolia)，菖蒲(Acorus calamus)，澤瀉(Alisma plantagoaquatica)，蘆葦(Phragmites australis)，地榆(Sanguisorba officinalis)，水莎草(Juncellus serotinus)。為使植物適應室內生長環境，野外采回的植株根部用蒸餾水沖洗3遍，在清水中預培養一周生長穩定后，再植入試驗桶中，每個裝置大約種植3～4株，每個處理重復三次，灌入預先配好的生活污水，植物適應一周后，開始取樣，測定水質指標。

為保證進水水質穩定，參考城市典型生活污水范圍系統采用人工配置的模擬生活污水［6］。各進水水質指標:化學需氧量 (COD)為250 mg/L左右;總氮 (TN)為20 mg/L左右;總磷 (TP)為4 mg/L左右，pH值為6～7。

試驗同時設置不種植任何植物的空白對照組，即裝置中裝入相同的基質，不栽種任何植物。

2.3 水樣檢測方法

本試驗僅研究在不同HRT下，所選植物對污水中N、P等污染物去除效果，其他因素影響忽略不計。試驗期間，設5個HRT，即在HRT=1 d、3 d、5 d、7 d、9 d時，取樣，分別測定出水水質指標:COD、TN、TP，具體試驗室測定方法如下［7］:COD采用重鉻酸鉀氧化法;TN采用過硫酸鉀氧化－紫外分光光度法;TP采用鉬銻抗分光光度法。每個處理重復3次，取其平均值。試驗結束時，將桶內水全部抽出，稱量出水體積，算出水體積變化。

3 結果與分析

3.1 不同HRT下植物對COD的凈化效果

圖1 不同HRT下各植物對COD的去除率Fig.1 The removal rate of COD among wetland plants under different HRT

如圖1所示，植物對COD有一定的凈化效果，一方面通過植物對有機物的吸收，積累在植物體內，另一方面被微生物加以利用代謝除去。從整體看，隨著HRT的延長，各植物和空白對照組對COD的去除率均有一定幅度的提高。HRT＜5 d時，植物對COD的去除率高于空白對照組，說明大部分植物可吸收有機物，同時也促進微生物對有機物的降解，但植物的平均去除率與空白對照組相差不大，在試驗第5 d，僅相差4.62%，主要由于基質也能夠過濾吸附有機物。HRT=5 d時，植物對COD的去除率達到最高，除蘆葦、地榆外，其余均高于空白對照，其中，香蒲的去除率排首位，為68.27%。植物對COD去除率大小排序依次為:香蒲＞菖蒲＞水莎草＞水蔥＞慈姑＞小葉章＞澤瀉＞地榆＞蘆葦。當HRT＞6 d，植物對COD的去除率呈緩慢下降的趨勢，甚至部分植物的去除率低于空白對照組，原因在于試驗第6 d后，開始出現大量的藻類，對植物的去除能力有抑制的作用，導致植物的凈化能力下降。試驗結果表明，HRT=5 d，對COD而言是最佳水力停留時間。

3.2 不同HRT下植物對TN的凈化效果

圖2 不同HRT下各植物對TN的去除率Fig.2 The removal rate of TN among wetland plants under different HRT

由圖2可看出，試驗開始時，植物對TN的去除率上升迅速，HRT=5 d時，凈化效果最好，其中香蒲、慈姑和菖蒲的去除率均達到較高水平，分別為98.3%、96.5%和95.23%，高于空白對照組20%左右。植物對TN去除率大小排序依次為:香蒲＞慈姑＞菖蒲＞小葉章＞水莎草＞水蔥＞澤瀉＞地榆＞蘆葦。當HRT＞5 d時，植物對TN的去除率不再上升，趨于平穩，維持在80%左右，對照組則呈下降趨勢，由于植物對TN的吸收達到飽和，而對照組基質的吸附能力有限，且微生物硝化和反硝化能力下降造成的。脫氮的主要途徑有氨揮發、微生物硝化和反硝化、植物的吸收、基質的吸附［8］。除了地榆、蘆葦，其余植物的去除率明顯高于對照組，兩者的差值范圍在19%～33%，在HRT=9 d時，差距最明顯，植物的平均去除率與對照組的去除率相差32.62%。說明對TN的去除機理主要依靠硝化和反硝化途徑及植物的吸收，基質的吸附僅占較小的比例，植物自身的直接攝取和對微生物的輔助作用共同增強了脫氮效果。

3.3 不同HRT下植物對TP的凈化效果

圖3 不同HRT下各植物TP的去除率Fig.3 The removal rate of TP among wetland plants under different HRT

如圖3可知，各植物對TP的去除率，整體呈先升后降的趨勢，第7 d達到最高點。試驗初期，TP的濃度變化不大，平均去除率只有9%左右。隨著HRT的延長，植物和空白對照組對TP的去除率均有大幅度的升高。HRT=7 d時，香蒲對TP的去除率增加的幅度最大，由HRT=1 d時的9.76%增加到86.23%，空白對照組的去除率也由8.27%提高到65.66%，各植物的去除率大小排序依次為:香蒲＞小葉章＞慈姑＞水蔥＞菖蒲＞水莎草＞澤瀉＞地榆＞蘆葦，但當HRT＞7 d時，植物和空白對照組對TP的去除率均下降。人工濕地除P的途徑由基質的吸附過濾、植物的攝取吸收以及微生物的分解代謝這三種共同作用完成。本試驗的基質選擇碎石，空白對照組與植物組無顯著差異，說明碎石基質對P也有較好的去除能力，于軍亭等也得出相似的結論［9］。但植物的去除率仍高于空白對照組，說明濕地植物除了直接吸收P外，還可強化基質對P的滯留和促進微生物對P的吸收，從而提高TP的去除率。而基質對P的吸附能力有限，當基質吸附飽和時，對P的去除能力下降，因此空白對照組在第7 d后去除率降低了19.13%，而植物對TP的去除率下降幅度則較小。從去除率的曲線趨勢分析，確定出對TP最佳的水力停留時間為5 d。

4 結論

不同濕地植物對污染物的去除能力是不同的，且隨著HRT的延長，呈現先迅速上升后緩慢下降或趨于平穩的趨勢。適宜的HRT可增加植物對污水的凈化能力，高于或者低于此臨界值，都會降低植物的凈化效果。本試驗綜合評定，HRT=5 d確定為本試驗最佳水力停留時間。

研究結果表明，除了蘆葦和地榆在試驗中的生長狀況欠佳，導致去除能力較低外，其余植物能有效的吸收生活污水中的N、P，HRT=5d時，植物對TP和TN的去除率基本都達到70%以上。而植物對COD的去除率相對較低，對COD的去除率范圍僅在60%～70%之間。

所選擇的9種濕地植物中，香蒲、菖蒲、水蔥、慈姑的適應能力強，生長旺盛，對生活污水的綜合凈化效果佳，景觀價值高，可以成為哈爾濱市人工濕地的首選植物。地榆和蘆葦的適應性差，生長狀況不佳，對污水的綜合凈化效果差，不是理想的人工濕地植物。其他濕地植物有一定的去污能力，可根據景觀搭配的需要適當進行配置。

［1］孫 光，馬永勝，趙 冉.不同植物人工濕地對污水的凈化效果［J］.生態環境，2008，17(6):2192 －2194.

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［7］國家環境保護總局《水和廢水監測分析方法》編委會，水和廢水監測分析方法(第四版)［M］，北京:中國環境科學出版社，2001.

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