典型華南人工濕地植物的凈水效果研究

楊永民，孫弋婷

(1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣東 廣州 510225；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院建筑節(jié)能可持續(xù)發(fā)展研究所，廣東 廣州 510225)

人工濕地是由人為建造和人為控制并運(yùn)行的類似于生態(tài)沼澤地的地面，用人工建成一個(gè)或多個(gè)水池或溝槽，在底層鋪設(shè)一層特定的防滲漏隔水層，再填入具有一定深度的土壤層或者填料層，再將維管束類植物或是根部較為發(fā)達(dá)的水生植物種植于表層，最后在人工建造的特定濕地上有控制投入廢棄排水，流動(dòng)過(guò)程沿著特定的、有規(guī)律的方向，主要是利用土壤、生物、化學(xué)、人工介質(zhì)、植物、微生物等多重協(xié)同作用，進(jìn)行一系列凈化處理的一種技術(shù)[1-3]。

非自然人工的濕地系統(tǒng)與傳統(tǒng)的污水集中處理工廠之間相比較具有投資金額小、運(yùn)行成本較低等一系列顯著的優(yōu)勢(shì)，在人口密度相對(duì)較小的農(nóng)村地區(qū)優(yōu)勢(shì)較為明顯，人工濕地技術(shù)同傳統(tǒng)的污水集中處理的工廠相比，一般情況下投資資金可減少1/3～1/2[4-7]。所以在相比之下，建設(shè)人工濕地比傳統(tǒng)的污水集中處理的工廠更加經(jīng)濟(jì)，成本相對(duì)較低。其次，在人工濕地中使用純生物技術(shù)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾、凈化，而污水處理廠則使用傳統(tǒng)的化學(xué)方法，因此污水集中處理的工廠在進(jìn)行污水處理的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量含有害化學(xué)成分的有害物質(zhì)，從而嚴(yán)重影響環(huán)境，而非自然人工建造濕地卻不存在二次污染的情況，能夠有效的保護(hù)環(huán)境。人工濕地主要由水生植物、水花等抗旱植物組成，對(duì)污水處理具有良好的視覺(jué)效果，有利于農(nóng)村環(huán)境的改造[8-10]。除此之外，人工濕地還有一些其他的優(yōu)勢(shì)，其可以帶來(lái)可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)效益，在人工濕地上可以選種一些同時(shí)具備凈化效果和經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的水生植物，在污水處理的同時(shí)產(chǎn)生可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)效益。再次，人工濕地的運(yùn)行和管理也比污水處理廠更簡(jiǎn)單、更方便，所采取生物方法進(jìn)行自行運(yùn)轉(zhuǎn)，基本上不需設(shè)定專人負(fù)責(zé)運(yùn)行，只需定期清理打掃格柵池、隔油池、水生植物每年打理一次即可。最重要的是，一般而言，人工濕地的壽命計(jì)算為10～15年，即在設(shè)計(jì)相對(duì)完善的濕地系統(tǒng)后，填充床必須在15年后清潔。填充床經(jīng)施工的潮濕區(qū)域清潔，達(dá)到使用壽命后，可再次使用。另外，使用渠道和改進(jìn)本地管道安裝的傳統(tǒng)工廠通常需要一年以上的時(shí)間，而人工濕地的建設(shè)周期時(shí)間相對(duì)較短，其平均建設(shè)周期時(shí)間快于3個(gè)月，因此建設(shè)人工濕地能更短時(shí)間的進(jìn)行投入運(yùn)用[11-14]。

根據(jù)植物不同的優(yōu)勢(shì)種分為浮水植物人工濕地，浮葉植物人工濕地，挺水植物人工濕地，沉水植物人工濕地等各種不同類型的人工濕地類型[15]。植物在濕地污水處理中具有非常重要的作用，濕地具有分解和轉(zhuǎn)化有機(jī)物和其他物質(zhì)的能力，通過(guò)吸收同化等作用，能夠直接從被污染的廢水中吸收自身可以加以利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，例如，氮、磷、銨鹽、硝酸鹽和磷酸鹽可以被某些植物吸收到水中，最終通過(guò)植物收割的方式離開(kāi)水體[16-18]。水生植物的根、莖、葉中都可以吸收和富集一定量重金屬的能力，其中植物根系的吸收能力最強(qiáng)，沉水植物具有較強(qiáng)的吸附能力，發(fā)達(dá)的根系和密集交織的水生植物也能有效捕獲和吸附固體顆粒。此外，植物根系是微生物棲息、種植和繁殖的重要場(chǎng)所，較大的表面為微生物的吸附和生長(zhǎng)提供了更好的棲息地，微生物也可以在水中污染物的降解中發(fā)揮重要作用[19-24]。

本文通過(guò)對(duì)華南地區(qū)氣候條件下的考察，供試濕地植物對(duì)低濃度生活污水的適應(yīng)性，并測(cè)定了其對(duì)污水中污染物的凈化效率，再結(jié)合植物的抗逆性、本土性和視覺(jué)效果篩選出合適的濕地植物，可為河道生態(tài)型堤岸構(gòu)建、人工濕地對(duì)污水處理等實(shí)際應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)方法

初篩試驗(yàn)時(shí)的浮床植物開(kāi)始的時(shí)候，使用1個(gè)對(duì)照空白桶以及3個(gè)實(shí)驗(yàn)桶內(nèi)注入12 L的實(shí)驗(yàn)用水，試驗(yàn)用水質(zhì)見(jiàn)表1，通過(guò)4個(gè)小孔將4株浮床植物附著在泡沫上，將泡沫放入小桶中，使植物根部完全浸入水中；對(duì)照空桶僅充滿水中的泡沫。每3天取樣檢測(cè)1次，并定期向桶內(nèi)加入去離子水，以保持水位。

表1 試驗(yàn)用水水質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方案

經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)研后，通過(guò)收集野生植物和購(gòu)買園林植物，初步選取14種植物為研究對(duì)象(表2)，其中梭魚(yú)草、水芋、香蒲、菖蒲、風(fēng)車草、燈心草、藨草均為具有觀賞價(jià)值的水生植物；石芒草、薏苡、春芋、紅蛋、花葉良姜、黃苞蝎尾焦屬于熱帶本土植物，喜高溫多濕的環(huán)境；象草的生態(tài)效益草作為生態(tài)系統(tǒng)的主體，既能涵蓄水源、凈化空氣、調(diào)節(jié)氣候，又能保持水土、固堤護(hù)坡。將收集到的植物通過(guò)移植，種植到一個(gè)塑料方形盆中，每種植物種3盆，每盆栽種4株。再留3盆不種任何植物，作為空白對(duì)照。植物種植完1個(gè)月后，將植物放置于室外，吸收自然光照，試驗(yàn)第一步用清水澆灌，第二步用一半清水一半污水進(jìn)行澆灌，最后成活的植物再全部用污水進(jìn)行澆灌(圖1)。盆栽試驗(yàn)分2個(gè)階段，第一階段控制停留時(shí)間為8 h，第二階段停留時(shí)間約24 h。監(jiān)測(cè)分析項(xiàng)目包括COD、TN和TP去除率(表3)。

COD去除使用重鉻酸鉀法，重鉻酸鉀法的原理是在強(qiáng)酸性溶液中，一定量的重鉻酸鉀氧化水樣中還原性物質(zhì)，過(guò)量的重鉻酸鉀以試亞鐵靈作指示劑、用硫酸亞鐵銨溶液回滴。根據(jù)用量算出水樣中還原性物質(zhì)消耗的氧。TP去除使用鉬酸銨分光光度法，在中性條件下用過(guò)硫酸鉀(或硝酸-高氯酸)使試樣消解，將所含磷全部氧化為正磷酸鹽。在酸性介質(zhì)中，正磷酸鹽與鉬酸銨反應(yīng)，在銻鹽存在下生成磷鉬雜多酸后，立即被抗壞血酸還原，生成藍(lán)色的絡(luò)合物。TN去除使用堿性過(guò)硫酸鉀進(jìn)行消解和紫外分光光度法，過(guò)硫酸鉀是強(qiáng)氧化劑，在60℃以上水溶液中可進(jìn)行分解產(chǎn)生原子態(tài)氧，分解出的原子態(tài)氧在 120～140℃高壓水蒸氣條件下可將大部分有機(jī)氮化合物及氨氮、亞硝酸鹽氮氧化成硝酸鹽。

表2 供試人工濕地植物

圖1 試驗(yàn)步驟

表3 物化指標(biāo)分析指標(biāo)和測(cè)試方法

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 對(duì)污水的適應(yīng)能力及抗逆性

在試驗(yàn)過(guò)程中，蝎尾蕉和石芒草在移栽到方盆中后，雖然經(jīng)過(guò)第一步清水及第二步半清水半污水澆灌后，但這顯然不適合模擬濕地環(huán)境的污水，生長(zhǎng)緩慢，并表現(xiàn)出不適現(xiàn)象。而其他10種植物在夏季可以正常生長(zhǎng)，而且生長(zhǎng)得較快。試驗(yàn)過(guò)程中廣州常年秋冬季的平均氣溫分別為17.7、14.4℃，雖然和夏季相比，試驗(yàn)植物的生長(zhǎng)速度不同程度地減慢，但其中梭魚(yú)草、菖蒲、香蒲、象草、春芋及風(fēng)車草仍然表現(xiàn)出有較高的活力，而燈芯草、石芒草、蝎尾蕉和花葉良姜?jiǎng)t生長(zhǎng)緩慢。

表4記錄了試驗(yàn)期間，供試濕地植物在抗凍抗熱和抗病蟲(chóng)害兩方面的抗逆性表現(xiàn)和景觀效果。因廣州屬于亞熱帶海洋性氣候，冬季一般從1月中旬開(kāi)始至2月初，時(shí)間很短，平均氣溫可達(dá)15℃左右，所以試驗(yàn)過(guò)程中供試植物的抗凍性表現(xiàn)得并不明顯，只有燈芯草一種植物在冬季出現(xiàn)了明顯的生長(zhǎng)停滯現(xiàn)象。

表4 供試植物的抗逆性及景觀效果

2.2 COD去除效果

在圖2中得知，當(dāng)試驗(yàn)停留時(shí)間控制在8 h的時(shí)候，供試植物的COD檢測(cè)去除率由大到小依次為：梭魚(yú)草>風(fēng)車草>燈芯草>菖蒲>紅蛋>春芋>水芋>薏苡>藨草>石芒草>空白對(duì)照>香蒲>蝎尾蕉>象草。其中，梭魚(yú)草是檢測(cè)去除率最高的植物，達(dá)到82.4%，其去除效果明顯高于石芒草以及其他排名在石芒草之后的植物(p<0.05)，包括空白對(duì)照。在所有供試植物中除了梭魚(yú)草和風(fēng)車草之外，其余11種植物和空白對(duì)照的COD轉(zhuǎn)移率差異并不顯著 (p>0.05)。

當(dāng)停留時(shí)間為24 h時(shí)，供試植物的COD檢測(cè)去除率由大到小依次為：水芋>燈芯草>春芋>蝎尾蕉>空白對(duì)照>梭魚(yú)草>香蒲>薏苡>花葉良姜>風(fēng)車草>石芒草>紅蛋>菖蒲>象草(圖3)。水芋是檢測(cè)去除率最高的植物，為87.7%，顯著高于風(fēng)車草和排在其后的其他植物(p<0.05)。而COD檢測(cè)偏低可能是加入的物質(zhì)與有機(jī)物質(zhì)有一定的沉降作用，導(dǎo)致所有供試植物與空白對(duì)照都沒(méi)有顯著差異(p>0.05)。

圖2 植物種類對(duì)COD的去除率(%)

圖3 COD去除率隨停留時(shí)間增加的變化情況

2.3 TN去除效果

在圖4中顯示了供試植物對(duì)TN的去除效果。停留時(shí)間為8 h時(shí)，對(duì)TN的檢測(cè)去除率由大到小依次為：菖蒲>象草>薏苡>水芋>梭魚(yú)草>春芋>石芒草>香蒲>風(fēng)車草>紅蛋>空白對(duì)照>藨草>蝎尾蕉>燈芯草。其中，菖蒲和象草對(duì)TN的去除效果明顯高于薏苡以及其他排在其之后的植物(p<0.05)，藨草、蝎尾蕉和燈芯草在空白對(duì)照中并無(wú)顯著差異(p>0.05)。

圖4 盆栽對(duì)TN的去除率(%)

停留時(shí)間為24 h時(shí)，去除TN效果由高至低排列順序?yàn)椋狠牌?象草>風(fēng)車草>香蒲>薏苡>水芋>春芋>梭魚(yú)草>紅蛋>石芒草>空白對(duì)照>蝎尾蕉>燈芯草>花葉良姜。菖蒲和象草的平均TN去除率可分別達(dá)到95.2%和95.0%，去除率明顯高于其他植物(p<0.05)，空白對(duì)照的TN去除率(49.8%)顯著低于石芒草和其他排名在其之前的植物(p<0.05)。與停留時(shí)間為8 h的情況相比，當(dāng)停留時(shí)間延長(zhǎng)到24 h時(shí)，除燈芯草外，其他植物，包括空白對(duì)照，不同程度地提高了TN的去除率(圖5)。菖蒲最低為5%，風(fēng)車草最多，達(dá)到30.4%。

圖5 TN去除率隨停留時(shí)間增加的變化情況

2.4 TP去除效果

停留時(shí)間為8 h時(shí)，各供試植物對(duì)污水中TP的平均去除率見(jiàn)圖6。從高到低為：菖蒲>燈芯草>風(fēng)車草>梭魚(yú)草>薏苡>春芋>象草>香蒲>水芋>藨草>蝎尾蕉>石芒草>紅蛋>空白對(duì)照。其中，去除率最高的是菖蒲，達(dá)到91.7%，顯著高于梭魚(yú)草及排在其后的其他植物(p<0.05)。除了石芒草和紅蛋之外，其他植物去除TP的效果均明顯好于空白對(duì)照(p<0.05)。

停留時(shí)間為24 h時(shí)，對(duì)TP的平均去除率排序依次是：風(fēng)車草>菖蒲>薏苡>香蒲>象草>水芋>燈芯草>梭魚(yú)草>春芋>紅蛋>蝎尾蕉>石芒草>空白對(duì)照>花葉良姜。風(fēng)車草的TP平均去除率最高，為93.8%，明顯高于水芋和其他排在其之后的另外7種植物(p<0.05)。空白對(duì)照的TP平均去除率為60.7%，顯著低于除蝎尾蕉、石芒草和花葉良姜外的其他10種植物(p<0.05)。停留時(shí)間增加到24 h后，各供試植物對(duì)TP去除率均表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)(圖7)。

圖6 盆栽對(duì)TP的去除率

圖7 TP去除率隨停留時(shí)間增加的變化情況

3 植物根區(qū)基質(zhì)酶活性對(duì)水質(zhì)凈化效果的影響

根據(jù)以上3種試驗(yàn)得到植物根區(qū)基質(zhì)酶活性對(duì)水質(zhì)凈化效果的影響效果，由圖8可以看出，各供試植物之間根區(qū)基質(zhì)脲酶活性變化較大。相關(guān)性分析表明，根區(qū)基質(zhì)脲酶活性與TN去除率的距離呈顯著相關(guān)(r=0.817 8、P<0.05)。結(jié)果表明，在凈化過(guò)程進(jìn)行的盆栽試驗(yàn)中，TN的去除以基質(zhì)脲酶對(duì)其降解為主要因素；也表明了植物根區(qū)基質(zhì)脲酶活性的大小在一定程度上可以作為濕地植物去除TN能力高低的判定依據(jù)。

圖8 植物根區(qū)基質(zhì)脲酶活性與TN去除率

圖9所示相關(guān)性分析表明根區(qū)基質(zhì)磷酸酶活性與TP去除率之間的相關(guān)性并不顯著(r=0.111 5、P<0.05)，這說(shuō)明在本研究試驗(yàn)中，可能是由于澆灌植物的污水中有機(jī)磷的含量較低，根區(qū)磷酸酶通過(guò)酶促反應(yīng)水解有機(jī)磷化物對(duì)去除TP的貢獻(xiàn)較小，磷酸酶對(duì)其的降解并不是去除TP的主要因素。

圖9 植物根區(qū)基質(zhì)磷酸酶活性與TP去除率

這說(shuō)明，在本次研究試驗(yàn)中，含氮和含磷的有機(jī)污染物占污水中總有機(jī)污染物的比例較低，因而脲酶對(duì)有機(jī)氮化物以及磷酸酶對(duì)有機(jī)磷化物的水解不是本次盆栽試驗(yàn)污水凈化的主要途徑。脲酶活性與TN的降解呈顯著正相關(guān)，幾乎達(dá)到非常顯著的水平，但脲酶活性與BOD和COD的降解相關(guān)性不明顯，這可能是由于氨氮和磷化合物在總污染物中所占比例相對(duì)較低所致(圖10)。

a)磷酸酶活性

b)脲酶活性

4 結(jié)論

a)燈芯草、石芒草、蝎尾蕉和花葉良姜明顯不適應(yīng)污水澆灌的模擬人工濕地環(huán)境。而梭魚(yú)草、香蒲、菖蒲、象草、薏苡、風(fēng)車草生長(zhǎng)速度快，生物量大，適宜在污水環(huán)境中種植。

b)植物的COD去除率由大到小依次為：梭魚(yú)草>風(fēng)車草>燈芯草>菖蒲>紅蛋>春芋>水芋>薏苡>藨草>石芒草>空白對(duì)照>香蒲>蝎尾蕉>象草。除藨草、蝎尾蕉、燈芯草和花葉良姜外，梭魚(yú)草等10種供試植物對(duì)TN的去除率均明顯高于其空白對(duì)照。種植蝎尾蕉、石芒草和花葉良姜的盆栽對(duì)TP的去除效果在空白對(duì)照之間并無(wú)顯著變化，紅蛋停留時(shí)間為8 h的TP去除率較差(68%)，梭魚(yú)草等10種植物能夠顯著提高TP的去除能力。

c)綜合供試濕地植物對(duì)污水環(huán)境的適應(yīng)性、凈化能力、抗逆性和景觀效果等指標(biāo)，9種植物(菖蒲、象草、風(fēng)車草、香蒲、薏苡、水芋、春芋、梭魚(yú)草和紅蛋)適宜種植在人工濕地系統(tǒng)中。脲酶和磷酸酶活性與盆栽的COD去除率之間存在顯著的相關(guān)性，植物根區(qū)基質(zhì)脲酶酶活性與盆栽的TN去除率和TP去除率之間沒(méi)有顯著的相關(guān)性。