混合式植物生態島對污水處理廠污水的凈化效果研究

張牧園

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300381）

1 引言

我國工業化高速發展，許多工業廢水與生活污水在未完全處理的情況下排放至河流中，導致水環境惡化，污染嚴重，進而導致水體富營養化，影響水質安全和生態安全，阻礙我國的可持續綠色發展。針對這一問題，一些學者提出利用水生植物的水質凈化功能去除水體中的污染物，進而實現污水處理廠污水的凈化[1]。閆濱等[2]探討了不同組合模式下的多孔混凝土與水生植物對水體中TN 和TP 的去除效果，從而為水體凈化提供新的思路和途徑。朱彬等[3]研究了生態濾池中不同種類的水生植物對生活污水的凈化能力，并且分析了水生植物對生態濾池中微生物群落組成的影響。在現有的研究中已經得到證實，不同的水生植物進行混合種植，構建混合式植物生態島，可以形成優勢互補，從而提升凈化效果。為此，本文以太湖流域污水處理廠為例，選取了5 種常見的水生植物，并對不同組合之間的污水凈化效果進行對比，以獲取污水凈化效果最佳的組合。本研究為污水處理廠的污水凈化提供了新的思路與途徑，對我國的可持續發展戰略有積極意義。

2 材料與方法

2.1 水生植物選擇

研究選擇5 種不同類型的水生植物構建植物生態島，分別為慈姑（A）、水生美人蕉（B）、千屈菜（C）、垂花水竹芋（D）、鳳眼藍（E）。所有植物均來源于太湖流域污水處理廠附近的池塘。其中，慈姑是澤瀉科慈姑屬的直立水生草本植物，是一種挺水植物，有纖匍枝，且慈姑葉柄較長，葉片形狀的差異較大。水生美人蕉是一種蕓香科花椒屬的挺水植物，其葉片寬大，通常為闊橢圓形，水生美人蕉葉片顏色一般是黃綠相間或紫色。千屈菜是千屈菜科千屈菜屬的多年生草本植物，是一種水生挺水植物，千屈菜的根莖一般在地下橫向生長，較為粗壯，直立生長，多有分枝，整體為青綠色，其上覆蓋有粗毛或密集的絨毛。垂花水竹芋是一種竹芋科垂花水竹芋屬的多年生草本植物，是一種挺水植物，其葉互生，葉片通常呈橢圓形；垂花水竹芋葉片為青綠色、葉片邊緣覆有一層紫色，葉片上有白色粉末狀物質覆蓋；垂花水竹芋的葉片長度在20～40 cm，寬度在10～15 cm，其葉柄較長。鳳眼藍是一種雨久花科鳳眼藍屬的浮水草本植物，是一種浮水植物，鳳眼藍高度通常在30～60 cm，其根須十分發達，呈棕黑色，一般長度在30 cm 左右；鳳眼藍的莖非常短，有長匍匐枝，匍匐枝通常呈淡綠色或淡紫色，當匍匐枝與母株分離后，會成長為一株新的鳳眼藍。

水生植物組合：水生植物組合共有5 種，分別為組合1（E+A+B）、組合2（E+B+C）、組合3（E+C+D）、組合4（E+B+C）以及組合5（B+C+D）。上述所有水生植物均通過塑料材質花盆式浮床和無紡纖維材質浮床進行種植，如圖1 所示，以方便后續的生態島構建。不同的浮床之間采用鋼絲實現串聯固定。

圖1 兩種類型的浮床

2.2 實驗方法

實驗地點為太湖流域官林污水處理廠尾水生態處理實驗基地。于該地點構建一個面積為100 m×50 m，且被均勻分成5 部分的人工濕地，每塊長度的長為50 m，寬為20 m，如圖2 所示。

圖2 實驗構建的人工濕地

分別種植組合1、組合2、組合3、組合4 以及組合5，對應圖2 中的人工濕地1、人工濕地2、人工濕地3、人工濕地4 以及人工濕地5。圖2 中顯示，在污水處理廠的排口中流出尾水，通過配水槽，均勻地流向各塊人工濕地，且每塊人工濕地中的尾水停留時間均為3 d。通過水生植物的吸收作用以及生態島中微生物群落的分解作用，去除水體中的污染物。

3 結果分析

3.1 水生植物的高度變化

實驗時間為2022 年8 月1 日—2022 年10 月1 日，實驗的總時長為2 個月。在實驗前，各個水生植物的平均高度如下：慈姑在實驗前的平均高度為20.8 cm；水生美人蕉在實驗前的平均高度為22.5 cm；千屈菜在實驗前的平均高度為23.6 cm；垂花水竹芋在實驗前的平均高度為23.5 cm；鳳眼藍是漂浮植物，因此不計算其高度。在實驗兩個月后，除了鳳眼藍以外，其他水生植物的平均高度均有明顯增長。慈姑在實驗后的平均高度為38.8 cm，比實驗前高18.0 cm；水生美人蕉在實驗后的平均高度為52.3 cm，比實驗前高29.8 cm；千屈菜在實驗后的平均高度為43.3 cm，比實驗前高19.7 cm；垂花水竹芋在實驗后的平均高度為54.5 cm，比實驗前高31.0 cm。可以看到，在兩個月后，各個水生植物的成長都十分明顯，這表明上述水生植物均能夠在污水中較好地生長，適合用于水體凈化和生態修復。

3.2 各個組合中水體的COD變化

對5 種水生植物組合構成的生態島對水體COD 的去除效果進行測試，如表1 所示。可以看到，在實驗初期，基于組合1、組合2、組合3、組合4 以及組合5 構建的生態島處理后，水體的COD 含量均為138.0 mg/L。在實驗中期，基于組合1 構建的生態島處理后，水體的COD 含量為105.3 mg/L；基于組合2 構建的生態島處理后，水體的COD 含量116.3 mg/L；基于組合3 構建的生態島處理后，水體的COD 含量為108.5 mg/L；基于組合4 構建的生態島處理后，水體的COD 含量為115.4 mg/L；基于組合5 構建的生態島處理后，水體的COD含量為112.4 mg/L。在實驗后，基于組合1 構建的生態島處理后，水體的COD 含量為94.2 mg/L；基于組合2 構建的生態島處理后，水體的COD 含量為101.4 mg/L；基于組合3 構建的生態島處理后，水體的COD 含量為96.3 mg/L；基于組合4 構建的生態島處理后，水體的COD 含量為99.6 mg/L；基于組合5 構建的生態島處理后，水體的COD 含量98.4 mg/L。在上述內容中可以看到，組合1 處理后的水體COD 含量下降幅度最大。

表1 各個組合中水體的COD變化

3.3 各個組合中水體的TP 變化

對5 種水生植物組合構成的生態島對水體TP 的去除效果進行測試。在實驗初期，基于組合1、組合2、組合3、組合4 以及組合5 構建的生態島處理后，水體的TP 含量均為0.36 mg/L。在實驗中期，基于組合1 構建的生態島處理后，水體的TP 含量為0.15 mg/L；基于組合2 構建的生態島處理后，水體的TP 含量為0.12 mg/L；基于組合3 構建的生態島處理后，水體的TP含量為0.14 mg/L；基于組合4 構建的生態島處理后，水體的TP含量為0.13 mg/L；基于組合5 構建的生態島處理后，水體的TP含量為0.12 mg/L。在實驗后，基于組合1 構建的生態島處理后，水體的TP 含量為0.07 mg/L；基于組合2 構建的生態島處理后，水體的TP 含量為0.10 mg/L；基于組合3 構建的生態島處理后，水體的TP 含量為0.11 mg/L；基于組合4 構建的生態島處理后，水體的TP 含量為0.12 mg/L；基于組合5 構建的生態島處理后，水體的TP 含量為0.11 mg/L。在上述內容中可以看到，在實驗中，組合1 處理后的水體TP 含量下降幅度最大。

3.4 各個組合中水體的TN變化

對5 種水生植物組合構成的生態島對水體TN 的去除效果進行測試。在實驗初期，基于組合1、組合2、組合3、組合4 及組合5 構建的生態島處理后，水體的TN 含量均為15.2 mg/L。在實驗中期，基于組合1 構建的生態島處理后，水體的TN含量為10.5 mg/L；基于組合2 構建的生態島處理后，水體的TN含量為11.7 mg/L；基于組合3 構建的生態島處理后，水體的TN 含量為12.5 mg/L；基于組合4 構建的生態島處理后，水體的TN 含量為11.3 mg/L；基于組合5 構建的生態島處理后，水體的TN 含量為10.9 mg/L。在實驗后，基于組合1構建的生態島處理后，水體的TN 含量為7.9 mg/L；基于組合2 構建的生態島處理后，水體的TN 含量為8.4 mg/L；基于組合3構建的生態島處理后，水體的TN 含量為9.2 mg/L；基于組合4 構建的生態島處理后，水體的TN 含量為9.1 mg/L；基于組合5 構建的生態島處理后，水體的TN 含量為8.7 mg/L。綜上，在實驗中，組合1 處理后的水體TN 含量下降幅度最大。

3.5 各個組合中水體的NH4+變化

對5 種水生植物組合構成的生態島對水體NH4+的去除效果進行測試。在實驗初期，基于組合1、組合2、組合3、組合4 以及組合5 構建的生態島處理后，水體的NH4+含量均為1.25 mg/L。在實驗中期，基于組合1 構建的生態島處理后，水體的NH4+含量為0.67 mg/L；基于組合2 構建的生態島處理后，水體的NH4+含量為0.74 mg/L；基于組合3 構建的生態島處理后，水體的NH4+含量為0.82 mg/L；基于組合4 構建的生態島處理后，水體的NH4+含量為0.75 mg/L；基于組合5 構建的生態島處理后，水體的NH4+含量為0.77 mg/L。在實驗后，基于組合1 構建的生態島處理后，水體的NH4+含量為0.58 mg/L；基于組合2 構建的生態島處理后，水體的NH4+含量為0.61 mg/L；基于組合3 構建的生態島處理后，水體的NH4+含量為0.59 mg/L；基于組合4 構建的生態島處理后，水體的NH4+含量為0.60 mg/L；基于組合5 構建的生態島處理后，水體的NH4+含量為0.64 mg/L。在上述內容中可以看到，在實驗中，組合1 處理后的水體NH4+含量下降幅度最大。綜上所述，基于組合1 構建的生態島的水體凈化效果最好，能夠有效地降低水體中COD、TP、TN 以及NH4+的含量。

4 結語

由于工業化進展加快，工業廢水和生活廢水的排量也在加大，各個河流中的水體污染問題較為嚴重，影響水生態和人們的用水、飲水安全。在這種情況下，污水處理廠的建立十分必要。污水處理廠尾水的生態處理也因此受到了較為廣泛的關注。為此，研究提出構建混合式植物生態島的策略，以實現污水凈化，提高水質。實驗結果證明，研究構建的混合式植物生態島的成長態勢良好，對污水處理廠污水中的污染物去除率高，能夠有效實現污水處理廠污水凈化。