以粉煤灰陶粒為基質(zhì)的人工濕地中植物的生長特性與去污機制研究

曹世瑋,荊肇乾,王祝來,黃新

(南京林業(yè)大學 土木工程學院,江蘇 南京 210037)

人工濕地是一種高效水處理生態(tài)工藝[1-2],提高系統(tǒng)效能應(yīng)從優(yōu)化基質(zhì)、篩選水生植物及改變水力停留時間和水流態(tài)方面來進行[3-5]。植物根系在基質(zhì)中能減緩床體堵塞[6],通過泌氧改變內(nèi)部溶解氧狀態(tài)影響到物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程[7-9],因此植物在基質(zhì)上生長特性是影響人工濕地效能的重要影響因素[10]。

粉煤灰陶粒是發(fā)電廠廢棄物,將鈣含量較高的粉煤灰制作成陶粒作為基質(zhì),不僅能節(jié)能減排,而且能提高磷的去除率[11-13]。本研究以粉煤灰陶粒作為基質(zhì)的人工濕地中不同植物的生長特性及對污染物去除效果為研究對象,探討植物協(xié)同粉煤灰陶粒去除污染物機制,為人工濕地設(shè)計及植物的選擇提供理論基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

高鈣粉煤灰陶粒,粒徑3～5 mm,孔隙面積79.605 m2/g,平均孔徑20.4 nm。陶粒的主要化學成分O,Si,Al,Fe,Ca等,無重金屬,其中鈣的重量組成23.16%。碎磚,平均粒徑4～6 mm；細砂,平均粒徑1～2 mm；城市內(nèi)河污染河水,COD濃度在12～82 mg/L,氨氮濃度在1.58～3.33 mg/L,TN濃度控制在15.17～39.39 mg/L,濁度1.84～12.5,TP濃度2.03～2.05 mg/L。

YX280手提式不銹鋼壓力蒸汽滅菌器；752N紫外可見分光光度計；GXZ-9140MBE電熱鼓風干燥箱。

1.2 實驗方法

人工濕地包括內(nèi)部的基質(zhì)和所種植的植物。基質(zhì)包括上部起固定植物作用的細砂,中部生物載體高鈣粉煤灰陶粒層及底部用于排水的碎磚層。實驗在江蘇省南京進行,結(jié)合當?shù)氐臍夂蛱攸c,在本地區(qū)域生長性能良好的水生植物調(diào)研的基礎(chǔ)上選擇旱傘竹、水蔥、菖蒲等3種植物。

為了提高人工濕地中處理水與基質(zhì)、植物根系的接觸時間和接觸面積,人工濕地設(shè)計為四段式復合垂直流, 段內(nèi)垂直動,段間水平流,兼具有垂直流和水平潛流人工濕地的優(yōu)點。植物按照215 mm的間距分行列種植在人工濕地的前3格中。考慮到景觀和強化水處理效果,最后一格種植美人蕉。人工濕地平剖面見圖1、圖2。

圖1 人工濕地平面布置圖Fig.1 Floor plan of constructed wetland

圖2 人工濕地剖面圖Fig.2 Cross-section drawn of constructed wetland

人工濕地進水為經(jīng)復合生物濾池預處理后氮磷物質(zhì)仍然超標的河水,設(shè)計人工濕地深度處理后達到回用水標準,處理水量為8 m3/d。

實驗為連續(xù)進水動態(tài)實驗,運行時間為5月到12月,試驗所在地區(qū)先后經(jīng)歷中溫、高溫、中溫、低溫4個階段,水質(zhì)條件、氣候條件具有一定的代表性。實驗期間對每天的進出水濃度中相關(guān)污染物指標進行檢測,同時對每種植物的生長特征進行記錄。研究河水中特征污染物在不同季節(jié),不同空氣溫度及進水濃度波動下的去除率變化,研究植物在實驗進行期間不同季節(jié)的生長狀況,監(jiān)測不同水生植物的生長速率,研究3種水生植物在相同營養(yǎng)水平下的生長適應(yīng)性,并對實驗進行4個月后的植物的根系特征和氮磷吸收情況進行檢測分析,結(jié)合水處理效果分析以粉煤灰陶粒為基質(zhì)的人工濕地的生長特性及污染物去除效果。

1.3 檢測指標

植物分析從生長狀況、根系特征、除磷效果及吸收氮磷分析幾個方面進行。生長狀況包括植物生長高度及繁殖株數(shù)測定；采用快速消煮法[14]測定植物根莖葉中氮磷含量判斷植物對氮磷的吸收能力；采用簡易實驗法[15-17]測定植物根系泌氧量,評價植物根系泌氧能力,綜合分析探討與粉煤灰陶粒基質(zhì)協(xié)調(diào)性好的具有較佳處理效果的水生植物。

2 結(jié)果與討論

2.1 人工濕地對水中污染物質(zhì)各指標去除性能

圖3是人工濕地穩(wěn)定運行期間各月的COD、氨氮、總氮、總磷的去除情況,重點是對水中的氮磷超標物質(zhì)進行進一步的去除。

圖3 人工濕地對水中各污染指標去除性能Fig.3 Removal performance of constructed wetland for various pollution indexes 平均進水濃度平均出水濃度平均去除率

潛流人工濕地中水流呈層流、推流運動,水中的有機物在流動的過程中與濕地中的填料上的生物膜和植物根系接觸,在相對充足溶解氧下的微生物作用下被降解[18],出水中COD濃度維持在20 mg/L左右。運行初期氨氮去除效果較差,這是因為化能自養(yǎng)型微生物菌種具有較長的世代時間,而且由于濕地內(nèi)部食料競爭上的劣勢使得硝化菌種達到相當數(shù)量并產(chǎn)生效果需要較長時期[19],因此初期硝化作用不明顯。但是運行兩個月后,此時增殖的硝化菌種發(fā)揮了重要作用,氨氮去除率達到65%。硝化細菌對溫度比較敏感,7月份氣候溫度高,同時水生植物生長旺盛,光合作用產(chǎn)氧能力強,因此輸送到根系的氧量增加,進一步促進了硝化細菌的繁殖和生長[20-21]。8、9月份溫度逐漸降低,硝化細菌的活性受到抑制,硝化作用受到影響,因此氨氮去除率略有降低,但總體上出水氨氮濃度維持在較低水平,均在1 mg/L以下。TN去除和氨氮的去除規(guī)律類似,7、8月在硝化菌和反硝化菌菌群成熟的條件下,去除率在40%左右,9月后受低溫環(huán)境的影響[22],去除率又開始逐漸降低,但是由于人工濕地有較好的保溫性,去除率仍穩(wěn)定在25%左右。濕地運行初期除磷效果較好,去除率在85%左右。該人工濕地里填充的基質(zhì)包括具有較大的磷吸附容量高鈣粉煤灰陶粒,運行初期基質(zhì)對磷吸附是TP去除效率高的關(guān)鍵因素。到8月份,植物生長旺盛,在生物降解和植物同化的共同作用下,TP去除率達到95%左右。10月份以后,由于環(huán)境溫度的降低及植物本身的生長特性,TP去除率逐漸降低,后3個月的平均去除率僅為50%。本系統(tǒng)選擇了對磷吸附效果好的高鈣粉煤灰陶粒在冬季對水中磷污染物質(zhì)的去除起到了重要的作用[23]。

通過以上分析表明,以高鈣粉煤灰陶粒作為基質(zhì)的人工濕地能夠在水生植物的協(xié)同下經(jīng)過一定的成熟期后達到一定的污染物質(zhì)去除效果,出水中COD濃度40 mg/L以下,氨氮濃度5.0 mg/L以下,總氮15 mg/L以下,總磷濃度0.3 mg/L以下。在不同水質(zhì)的沖擊負荷下,能夠保持一定的穩(wěn)定性,出水滿足回用水要求。

2.2 人工濕地植物生長特性研究

試驗中觀察到菖蒲葉片在8月份時有病蟲害現(xiàn)象,水蔥在高度增長到50 mm后易倒伏,旱傘竹生長良好,枝繁葉茂。在同等營養(yǎng)水平下生長4個月后,旱傘竹植物地上部分生物量是菖蒲的2.45倍,水蔥的1.50倍,遠遠大于菖蒲和水蔥,生長速度和耐寒能力均優(yōu)于其他兩種水生植物。人工濕地中進水濃度沿段縱向逐漸遞減,營養(yǎng)水平逐漸降低,同期種植的植物高度增長均要低10～15 cm,株數(shù)增長均少2～5株。營養(yǎng)供給上的差異導致了植物株均(叢)生物量上的差異,植物生長的脅迫因子主要是污水濃度的差異[24]。

2.2.1 植物根系特征及泌氧量測定 通氣組織越發(fā)達,越有利于氧氣的輸送,不同水生植物的根系泌氧能力不同[25],人工濕地最后一格種植了美人蕉,所以對4種植物的根系的泌氧能力分別進行了測定。由圖4可知,旱傘竹和美人蕉的根系較另兩種植物根系發(fā)達,其中旱傘竹的根系最長部分長度達到10 cm。

根據(jù)植物泌氧隨光照變化規(guī)律可以看出,光照強時,泌氧能力較強,在光照逐漸變?nèi)醯那? h,泌氧量持續(xù)增加,并且增加的速率在增大。植物只有在有光照的時候才能光合作用,但是在沒有光照的情況下,旱傘竹根系還能大量泌氧,分析可能是植物根系的滯后效應(yīng)和溶解氧的累積效應(yīng),滯后時間約為2 h。4種植物中旱傘竹的根系泌氧能力最強,在有光照的11～19時,光照情況較好,植物以光合作用為主,每小時平均泌氧0.06 mg/L,水蔥的次之,0.03 mg/L,菖蒲和美人蕉根系泌氧能力相當,只有0.01 mg/L左右。隨著光線逐漸變?nèi)?植物以呼吸作用為主,消耗了水體中的溶解氧,導致水體中溶解氧下降。這種現(xiàn)象在旱傘竹上表現(xiàn)尤其明顯,在沒有光照的23時到早上9時,根系泌氧量由最高1.6 mg/L 減少到0.36 mg/L,到了11時才開始緩慢增加。4種植物的泌氧能力大小為旱傘竹>水蔥>美人蕉>菖蒲。

圖4 4種水生植物根系及根系泌氧量測定Fig.4 Roots of four macrophytes and corresponding oxygen excretion

2.2.2 人工濕地植物吸收氮磷分析 污水中氮、磷的減少除了污水蒸騰損失和基質(zhì)吸附固定外主要是被植物吸收[26],由于菖蒲有病蟲害,直接排除,直接對另外3種植物的根莖葉吸收氮磷進行分析。由圖5可知,3種植物各部位硝酸鹽氮含量基本相當,但是全氮和全磷含量有差異,旱傘竹平均全氮含量高于其他兩類植物,51.69 mg/g,分別是水蔥平均全氮含量的1.43倍,是美人蕉平均全氮含量的1.33倍；美人蕉平均全磷含量是32.01 mg/g,分別是水蔥和旱傘竹的2.0倍和2.7倍。因此,3種植物中旱傘竹吸收污水中氮磷能力較強的人工濕地植物。

進一步分析同一種植物的不同部分對氮磷的吸收量也不相同,旱傘竹吸收總氮量和硝酸鹽氮量最多,且集中在葉部和莖部；美人蕉莖葉總磷吸收量最大,其次是旱傘竹,分別達到6.0 mg/g以上。植物對氮磷的吸收也主要集中在地上部分,所以在秋冬季對植物的地面部分進行收割是比較有效的人工濕地去除水體中磷的植物輪種形式。

圖5 植物不同部位全磷全氮分析圖Fig.5 Analysis of total phosphorus and nitrogen in different parts of macrophytes

3 結(jié)論

(1)采用充填高鈣粉煤灰陶粒為主要基質(zhì)并種植3種不同水生植物的的人工濕地處理城市內(nèi)河污染河水,在7個月的中式連續(xù)動態(tài)試驗中,水生植物生長良好,出水指標穩(wěn)定,COD濃度40 mg/L以下,氨氮濃度5.0 mg/L以下,總氮15 mg/L以下,總磷濃度0.3 mg/L以下,濁度5NTU以下。該類型人工濕地工藝耐沖擊能力強,穩(wěn)定性好,出水COD、TN、TP、濁度均達到回用水相關(guān)指標要求。

(2)水生植物的生長特性及污染物去除效果研究表明,與粉煤灰陶粒協(xié)調(diào)性良好的水生植物是旱傘竹,其生長速度快,根系發(fā)達,在光照條件下根系泌氧能力為0.06 mg/L,全氮含量為51.69 mg/g,全磷含量15.5 mg/g,莖葉部分吸收氮磷的含量占總吸收氮磷含量的84%和70%。