冷季型禾草人工濕地處理生活污水的應用

李 丹，呂錫武,*，鞏佳佳，汪思宇

(1. 東南大學能源與環境學院，江蘇南京 210096；2.無錫太湖水環境工程研究中心，江蘇無錫 214061)

鑒于常規水處理設施在小型分散式農村生活污水處理技術中的限制，具有代替性、小規模和創新性的污水處理技術愈發受到關注，人工濕地技術即是其中的一種[1-3]。其中，植物是人工濕地的重要一環，選擇適宜的植物不但可以有效去除水體中的污染物，加速營養物質的循環和再利用，而且對農村地區的經濟發展具有促進作用[4-7]。

目前，用于人工濕地的常用植物有蘆葦[Phragmitesaustralis(Clav.)Trin.]、香蒲(TyphaorientalisPresl.)、燈心草(JuncuseffusesL.)、美人蕉(CanaindicaL.)、鳳眼蓮[Eichhorniacrassipes(Mart.) Solms]等[8-11]。這些適用于春夏季人工濕地的植物種類多且處理效果較好，但因秋冬季溫度較低，大部分植物出現枯黃甚至枯萎腐爛，導致去除效果不佳[12-13]，出水水質受到影響，不能滿足污水排放標準限制。相對貧乏的冬季濕地植物種類限制了實際工程中的選擇應用[14]，郝明旭等[8]也認為，尋找更多適用于人工濕地的植物品種并合理配置與管理已成為亟待解決的問題。目前，在實際運行過程中，人工濕地系統冬季植物枯萎和凈化能力下降等問題不可避免。基于上述背景，種植生長周期短[15]、根系密集、可選種類多[16]的冷季型禾草物種，以適應低氣溫條件，從而提高處理效果和增加景觀效益。另外，太湖流域形成的禾草型草坪大規模培育產業，具有顯著的經濟效益。因此，秉承“污染凈化型農業、實現氮磷資源化利用”的創新理念，將冷季型禾草應用到小型分散式農村生活污水處理的技術中，有機耦合污水處理與種植業，在保證冬季去除效果的前提下，產生一定的經濟價值，降低農村生活污水的處理成本。

此前，已有學者對早熟禾、剪股穎、葦狀羊茅和黑麥草這4種冷季型禾草根系進行了吸收氮磷動力學研究，并計算出最大吸收速率(Imax)和親和力常數(Km)[17]，表明了冷季型禾草對氮磷營養鹽具有一定的吸收作用，但仍缺乏在實際濕地系統中進一步探究其對氮磷污染物的去除性能。因此，本文以上述4種冷季型禾草作為研究對象，開展氮磷營養鹽長期凈化效果研究，旨在拓寬濕地植物種類，一定程度上改善冬季濕地植物缺乏的現狀，以期為禾草植物應用于實際工程的可行性提供一定的理論與實踐依據。

1 材料與方法

1.1 裝置結構和系統組成

試驗裝置為建造在東南大學無錫分校大棚內的4條潛流型人工濕地廊道系統(圖1)，廊道采用磚混結構，并以特殊材料進行防滲處理。先將經跌水充氧接觸氧化單元處理后的出水引入高位配水槽，后由高位配水槽底部的配水管把所需水量引入潛流型人工濕地的4個廊道，通過球閥控制水量。每條廊道的平面尺寸為2 m×0.2 m，有效池深為0.2 m，坡度為5‰。濕地底部鋪設一薄層陶粒作為濾水層，其上為黃土、河沙、蛭石和加氣混凝土，且質量比為4∶2∶1∶1，經常州化學研究所檢測，其元素含量如表1所示，基質層總厚度為0.1 m。本文選取多年生黑麥草、葦狀羊茅、匍莖剪股穎、草地早熟禾這4種冷季型禾草作為人工濕地植物進行研究。

圖1 冷季型禾草人工濕地系統示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Constructed Wetland System with Cold-Season Grasses

表1 基質元素含量 (單位：g/kg)Tab.1 Analysis of Substrate’s Element (Unit：g/kg)

1.2 試驗材料及處理

試驗原水為某高校宿舍樓和食堂的生活污水，試驗前端經“水解池-曝氣池”生物段處理后引入此人工濕地廊道系統，人工濕地進水水質如表2所示。

表2 人工濕地進水水質Tab.2 Quality of Influent Water in Constructed Wetland

根據冷季型禾草的適宜播種量范圍[18-19]并考慮濕地實際情況確定黑麥草、葦狀羊茅、草地早熟禾、匍匐剪股穎的播種量分別為35、48、18、9 g/m2。播種后通以清水保持濕地基質潮濕促進種子發芽，為了其盡快適應污水環境，當植株高度達到1～2 cm時開始接入生物處理單元出水，待植株生長成型且濕地系統穩定運行后開始連續監測進出水水質，監測時間從第一年10月—次年3月。本試驗中，濕地進水流量為20 L/d，平均水力負荷為0.027 m3/(m2·d-1)，1周取樣3次(每次均測3個平行樣取平均值)，為了更直觀地展示數據的變化趨勢，取平均值作為本周的出水濃度，即每月有4個數據點，以此作曲線圖。各月份氣溫如表3所示。

表3 運行期間氣溫條件Tab.3 Temperature Conditions during Operation Period

1.3 測定分析方法

光度法》(HJ 535—2009)，TN的測定采用《水質總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB/T 11894—1989)，TP的測定采用《水質總磷的測定鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—1989)。全氮全磷含量參照《土壤農業化學分析方法》，其中，植物全氮含量測定采用H2SO4-H2O2消煮-凱式定氮法，植物全磷含量測定采用H2SO4-H2O2消煮-釩鉬黃比色分光光度法；土壤全氮含量測定采用濃硫酸消煮-蒸餾定量法，土壤全磷含量測定采用濃硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法。

2 結果與分析

2.1 冷季型禾草人工濕地對氮磷的深度凈化效果

2.1.1 TP的去除效果及分析

圖2為種植冷季型禾草植物潛流人工濕地進出水TP濃度及去除率變化的趨勢，TP的進水濃度在1.03 ～2.23 mg/L。種植初期，由于禾草植物剛生長成型，對照組與種植早熟禾、剪股穎濕地無顯著差異(P=0.521>0.05)，均在較低水平。隨著禾草根系大量滋生，從11月起禾草濕地對TP的去除率迅速增加，尤為顯著的是黑麥草和葦狀羊茅，平均去除率為83.27%和81.34%，在進水濃度相差不大的情況下，比番茄-常綠鳶尾、番茄-再力花、番茄-美人蕉組合生態系統對TP的平均去除率高11.51%[20]；比經濟植物水稻、水雍菜潮汐流人工濕地系統去除率約高20%[21]。比花卉植物綠蘿、發財樹、觀音竹、白掌的組合系統去除率高約13%[22]；通過對比可知，黑麥草和葦狀羊茅在去除TP方面具有獨特優勢，這可能是因為黑麥草和葦狀羊茅在生長期對磷需求較大。經黑麥草和葦狀羊茅處理后的出水TP濃度達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002) 一級A 標準。匍匐剪股穎對TP的去除率維持在中等水平且較平穩，為62.80%～75.10%。總體來說，隨時間變化禾草對TP的去除率逐漸增加，同一月份去除率大致表現為黑麥草>葦狀羊茅>剪股穎>CK>早熟禾。

圖2 冷季型禾草人工濕地TP濃度及去除率Fig.2 Concentration and TP Removal Rate by Constructed Wetland with Cold-Season Grasses

2.1.2 TN的去除效果及分析

圖3 冷季型禾草人工濕地TN濃度及去除率Fig.3 Concentration and TN Removal Rate by Constructed Wetland with Cold-Season Grasses

圖4 冷季型禾草人工濕地濃度及去除率Fig.4 Concentration and Removal Rate by Constructed Wetland with Cold-Season Grasses

2.2 冷季型禾草人工濕地系統氮磷物料平衡分析

2.2.1 冷季型禾草人工濕地系統磷素平衡分析

此人工濕地對磷的去除主要通過基質的吸附和交換，還有一少部分磷元素通過植物的吸收與同化、微生物的同化、聚磷菌的攝取以及草皮收割而去除[29]。表4為冷季型禾草人工濕地系統磷素平衡分析，圖5為磷的各遷移途徑占濕地系統進水磷負荷的比率。

由圖5可知，具植物濕地系統對進水中磷的去除率在58.64%～84.03%，無植物對照組對磷的去除率為50.34%，由此可知，植物的存在對于濕地系統對磷的去除有著不可忽視的作用[30]。濕地基質對磷的去除率為49.73%～70.60%，占進水磷負荷幾乎一半以上，比植物吸收和微生物作用對磷的去除作用強，與前人研究一致[31]，基質吸附是人工濕地中磷去除的主要途徑。研究表明，填料中含有Fe、Al氧化物時，磷酸根可通過配位體交換吸附到鐵和鋁離子表面，也有利于形成溶解度很低的磷酸鐵與磷酸鋁[32]；填料中含Ca高時，磷可與Ca反應生成不溶性的磷酸鈣沉淀，且微生物和植物的存在可以促進此反應[33]。本研究中，各植物濕地對磷的去除率較好，可能與所用基質中含大量Fe、Al、Ca有關。由表4可知：4種濕地基質富集的磷含量在22.23～27.13 mg P/(m2·d)，從大到小排序為葦狀羊茅>黑麥草>剪股穎>早熟禾；無植物對照組富集的磷含量為19.89 mg P/(m2·d)，低于濕地組，說明種植植物有利于濕地基質對磷的富集。植物吸收對磷的去除率有所差別，其中，黑麥草和剪股穎吸收10%左右，葦狀羊茅吸收9.5%左右，而早熟禾僅吸收2.77%，表明植物吸收只占磷去除的小部分，不是主要途徑[34]。綜上，濕地系統對磷的去除主要依靠基質的富集，植物和微生物對磷的去除具有一定的作用。

表4 冷季型禾草人工濕地系統磷素平衡分析 [單位：mg P/(m2·d)]Tab.4 Analysis of Phosphorus Balance in Constructed Wetland System with Cold-Season Grasses [Unit: mg P/(m2·d)]

圖5 各除磷途徑占濕地系統進水磷負荷的比率Fig.5 Ratio of Phosphorus Removal Pathways to Influent Phosphorus Load in Wetland System

2.2.2 冷季型禾草人工濕地系統氮素平衡分析

表5 冷季型禾草人工濕地系統氮素平衡分析 [單位：mg N/(m2·d)]Tab.5 Analysis of Nitrogen Balance in Constructed Wetland System with Cold-Season Grasses [Unit: mg N/(m2·d)]

圖6 各除氮途徑占濕地系統進水氮負荷的比率Fig.6 Ratio of Nitrogen Removal Pathways to Influent Nitrogen Load in Wetland System

2.3 冷季型禾草人工濕地系統實際應用價值

試驗研究發現，在本試驗構建的冷季型禾草人工濕地系統中，黑麥草和葦狀羊茅對氮磷的去除效果較好且適應濕地環境，可作為冬季濕地植物的同時產生一定的經濟價值；剪股穎和早熟禾效果欠佳，不考慮作為可選冷季濕地植物。為了更好地評估黑麥草和葦狀羊茅2種禾草的應用價值，現將其與其他冬季濕地植物對氮磷的去除率、經濟價值進行對比，如表6所示。

由表6可知：從TN、TP的去除效果來看，水芹(OenantheJavanica)、美人蕉(Cannaindica)、黃菖蒲(Irispseudacorus)、蘆葦(Phragmitesaustralis)等在冬季不可避免地出現衰敗現象，導致其在夏秋季去除率較好，冬季去除率大幅下降，影響人工濕地冬季的去除效果和在我國北方地區的推廣，而本是冷季型禾草的黑麥草和高羊茅由于適應低溫且根系繁密，在冬季仍表現出較高的去除率。從各種濕地植物的經濟價值看，水芹作為主要經濟作物，具有一定的經濟價值；美人蕉、黃菖蒲作為水生觀賞植物，可以營造優美的水體景觀，主要表現為觀賞價值；蘆葦木質素含量較高，導致其營養價值難以開發利用，而經濟價值較差；黑麥草和葦狀羊茅成坪速度快，可進行多次換茬且市場需求量大，經濟價值高于其他幾種常規濕地植物。此外，禾草可在一個生長周期完成后連帶黃土、細沙等少量基質用草鏟切取后進行后續移植，缺少的基質可以通過換新達到增加濕地系統去除效果的作用。綜上，黑麥草、葦狀羊茅以其獨特的冬季去除率和較高的經濟價值從各種濕地植物中脫穎而出，具有廣闊的應用前景。

表6 冷季濕地植物氮磷去除效果及經濟價值對比Tab.6 Nitrogen and Phosphorus Removal Effect of Cold-Season Grasses and Economic Comparison in Constructed Wetland

3 結論

(2)對進水氮和磷在濕地中遷移轉化規律的研究表明，濕地系統對磷的去除主要依靠基質的富集，去除量占進水磷負荷的49.73%～70.60%，通過植物吸收去除的磷占進水磷負荷的2.77%～9.96%。濕地系統對氮的去除主要依靠微生物作用，去除量占進水氮負荷的22.62%～37.22%，其次是基質的富集作用，去除量占進水氮負荷的20.60%～26.11%，植物的吸收只占很小部分，比例為0.50%～3.81%。

(3)去除效果方面，黑麥草和葦狀羊茅在冬春季對氮磷的去除效果遠高于其他幾種常規濕地植物。經濟價值方面，水芹作為主要經濟作物，具有一定的經濟價值；美人蕉、黃菖蒲作為水生觀賞植物可以營造優美的水體景觀，主要表現為觀賞價值；蘆葦木質素含量較高，導致營養價值難以開發利用而經濟價值較差；黑麥草和葦狀羊茅成坪速度快可進行多次換茬且市場需求量大，經濟價值高于其他幾種常規濕地植物。