七種凈水植物的人工濕地處理生活污水的研究對(duì)比

摘要：研究香蒲、美人蕉、燈芯草、蘆葦、菖蒲、茭白和黃花鳶尾這7種武漢地區(qū)常見(jiàn)濕地植物對(duì)生活污水的處理效果，分別實(shí)驗(yàn)停留時(shí)間為1天，3天和7天時(shí)的處理效果。研究表明停留時(shí)間選擇1天比較合適，各種植物的人工濕地對(duì)CODcr，TN，TP和濁度有明顯的去除，其中香蒲、美人蕉、黃花鳶尾、茭白和菖蒲的處理效果相對(duì)較好。

關(guān)鍵詞：人工濕地；植物；生活污水；處理 
 
從生態(tài)學(xué)上說(shuō)，濕地是由水、永久性或間隙性處于水飽和狀態(tài)下的基質(zhì)以及水生植物和水生生物多組成的，是一具有較高的生產(chǎn)力和較大活性、處于水陸交接相的復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。而所謂的人工濕地，則是為處理污水而認(rèn)為設(shè)計(jì)建造的、工程化的濕地狀系統(tǒng)。用人工濕地系統(tǒng)處理污水是國(guó)內(nèi)外方興未艾的治理技術(shù)，它在保護(hù)生態(tài)環(huán)境和節(jié)約能源及投資方面具有傳統(tǒng)二級(jí)生化處理技術(shù)難以比擬的優(yōu)點(diǎn)；作為一項(xiàng)低投資、低能耗、低運(yùn)行費(fèi)、高生態(tài)環(huán)境效益的治理工程技術(shù)[1~[4]，目前人工濕地已廣泛地應(yīng)用于城市污水或工業(yè)廢水處理的實(shí)踐中[1,5]。在人工濕地污水處理系統(tǒng)中，水生植物，特別是挺水植物是人工濕地處理系統(tǒng)的重要有機(jī)組成部分[6,7]，選擇得恰當(dāng)與否，將直接關(guān)系到人工濕地的處理效果。但目前對(duì)于不同濕地植物對(duì)濕地環(huán)境的適應(yīng)性及其處理效果的研究仍然較少[8]。

有許多水生植物可用于人工濕地廢水處理系統(tǒng)中。目前，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道在部分利用種類有藨草、蘆葦、香蒲、燈心草、菖蒲、莎草、荊三棱、茭草、水花生和田邊草[9]，我國(guó)運(yùn)用的最多的為蘆葦、香蒲等少量種類，各地對(duì)濕地植物的選擇一定程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)，而對(duì)各種植物應(yīng)用于污水處理的效果的系統(tǒng)研究較為缺乏。在武漢地區(qū)，建成的人工濕地處理污水的經(jīng)驗(yàn)較少，而對(duì)濕地植物研究的積累也不多，本文研究了長(zhǎng)苞香蒲、美人蕉、菖蒲、蘆葦、茭白、燈心草及黃花鳶尾這幾種濕地植物對(duì)生活污水的處理能力，旨在為武漢地區(qū)人工濕地的建設(shè)及濕地植物的研究提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1   材料與方法

1.1  小型人工濕地的結(jié)構(gòu)

采用長(zhǎng) 48.3厘米、寬 37.0厘米、高 28.8 厘米的塑料箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。塑料箱內(nèi)從下至上依次填充礫石層（粒徑 1-3厘米） 、沙層、土壤層，厚度均大約為 9厘米。在箱中埋設(shè) PVC管，一端插入箱底步，另一端伸出土壤層外，用于進(jìn)、排水。箱體的容水體積在實(shí)驗(yàn)初期較高，穩(wěn)定后維持在 5L左右。

1.2  植物的引種及栽培

菖蒲、美人蕉、燈芯草、蘆葦、香蒲、茭白、黃花鳶尾均來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院武漢植物研究所，引種時(shí)每種植物盡量控制在中等密度，如香蒲每箱為6株，菖蒲、茭白、黃花鳶尾、美人蕉每箱控制在10株左右，  蘆葦每箱包括3叢，每叢5-10株。每種植物分別栽種在兩個(gè)塑料箱內(nèi)，作為重復(fù)。

1.3  實(shí)驗(yàn)安排

植物的引種在2003年4月上旬結(jié)束，植物移栽到塑料箱中后先灌入自來(lái)水，待植物適應(yīng)一周后，再灌入污水，使植物適應(yīng)并使箱體內(nèi)生物膜掛上，兩周后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)污水處理效果。每次實(shí)驗(yàn)灌入污水量為5L，生活污水來(lái)自附近建筑的化糞池，試驗(yàn)了 7天、3天及1天這3個(gè)停留時(shí)間的處理效果，對(duì)這3個(gè)停留時(shí)間的處理均進(jìn)行了 3次試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)抽出箱內(nèi)的水并測(cè)量出水體積，以根據(jù)進(jìn)出水體積及水質(zhì)指標(biāo)的變化計(jì)算去除率。進(jìn)出水的水質(zhì)指標(biāo)測(cè)量了CODcr、TP和 TN，測(cè)量方法采用國(guó)標(biāo)方法。由WZS-185型高濁度儀（上海經(jīng)科雷磁）測(cè)定。溶解氧（D.O.）用溶解氧測(cè)定儀（Model 862A，美國(guó)奧立龍公司）測(cè)定。

2   結(jié)果與討論

2.1  實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)期間生活污水的 CODcr值的范圍為 126.9-290.7mgl-1，TN-N濃度范圍為 10.7-22.2 mgl-1， TP-P的濃度范圍為2.32-10.17 mgl-1，濁度 93-453，溶解氧濃度均為 1.2左右。

2.2  各種植物濕地不同停留時(shí)間的出水水質(zhì)

試驗(yàn)期間各種植物除了蘆葦外均長(zhǎng)勢(shì)良好，蘆葦?shù)纳�長(zhǎng)明顯比其它種類緩慢。從箱體外可觀察到，各種植物的根均達(dá)到礫石層。本試驗(yàn)中，地上生物量較高的種類有：香蒲、美人蕉、茭白、黃花鳶尾；地上生物量中等的種類為菖蒲；地上生物量較低的種類為燈心草和蘆葦。 各種植物處理不同時(shí)間后出水的各水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表 1，各種植物通過(guò)不同處理時(shí)間后對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)的去除率見(jiàn)圖1。 

從表 1 可見(jiàn)，經(jīng)各種人工濕地處理一天后的出水水質(zhì)已經(jīng)有顯著的改善，其中出水中 CODcr、TP 和TN的濃度基本上已達(dá)到污水綜合排放的標(biāo)準(zhǔn)（GB8978-1996） ， 出水中溶解氧的濃度各種植物均達(dá)到 4mgl-1以上，濁度的下降也非常的明顯。由于一般進(jìn)入人工濕地的污水是原污水經(jīng)過(guò)沉淀池處理過(guò)的污水，污染物質(zhì)濃度一定程度下降，而本實(shí)驗(yàn)所用的污水沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)處理，因此可見(jiàn)停留時(shí)間為 1天應(yīng)該能夠達(dá)到污水處理的要求。隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，出水的水質(zhì)也進(jìn)一步改善，因此停留時(shí)間 1天以上可適用于污水的深度處理。

2.3  各種濕地植物不同停留時(shí)間的去除率

在本實(shí)驗(yàn)中，由于植物的蒸發(fā)量較大，出水通常比進(jìn)水體積小得多，并且不同植物差異較大，出水體積還受到降雨的影響，所以計(jì)算污染物質(zhì)的去除率還考慮到了進(jìn)出水的體積變化。

圖1  各種植物在停留時(shí)間為7天，3天和1天時(shí)分別對(duì)CODcr、TP和TN的去除率

由圖1可見(jiàn)，除了黃花鳶尾，其他植物處理 7天的COD與 TP的去除率反而比 3天的要低，這主要與實(shí)驗(yàn)期間降雨的影響有關(guān)，同時(shí)也說(shuō)明黃花鳶尾濕地處理效果受不良天氣的影響相對(duì)較小。TN 的去除相對(duì)COD與TP的去除受降雨的影響相對(duì)較小。 停留時(shí)間為 3 天時(shí)，各種植物人工濕地對(duì) COD 的去除率均較高，以香蒲、美人蕉與菖蒲相對(duì)較高，其余的比較接近。而停留時(shí)間為 1天時(shí)各種植物人工濕地的差異相對(duì)較大，以蘆葦人工濕地的去除率最高，其次為香蒲、美人蕉、茭白、菖蒲和燈心草，效果最差的為黃花鳶尾。

由圖1可看出蘆葦人工濕地對(duì) TP和TN的去除相對(duì)于其它植物比較差， 其他植物人工濕地的去除效果均較好，TP的去除尤其以燈心草、黃花鳶尾與美人蕉最好。 總體上看，對(duì)各種污染物去除效果較好的種類有香蒲、美人蕉、茭白、黃花鳶尾和菖蒲，這幾種植物中香蒲、美人蕉、黃花鳶尾和菖蒲還兼具一定的觀賞價(jià)值，因此是幾種較好的人工濕地植物。燈心草對(duì) TP的去除特別高，但對(duì) COD 的去除能力較差，考慮到該種植物冬季能夠繼續(xù)生長(zhǎng)，因此燈心草也是一種值得推薦的濕地植物。蘆葦是目前為止應(yīng)用得最多的濕地植物，但本實(shí)驗(yàn)中，蘆葦對(duì) COD 的去除能力比較好，但去除 TN和 TP的能力比較差，反映出該種植物處理污水效果不是很穩(wěn)定，Tanner[8]的研究也與本研究結(jié)果類似。同時(shí)可以參照中國(guó)污水處理工程網(wǎng)其他技術(shù)文檔。

3   結(jié)論

本文的研究可得出以下結(jié)論：
(1)  香蒲、美人蕉、黃花鳶尾和菖蒲人工濕地兼具處理效果好和美觀的特點(diǎn)，是較好的濕地植物；
(2)  燈心草可彌補(bǔ)其他植物在冬季處理效果下降的不足；
(3)  本實(shí)驗(yàn)中蘆葦人工濕地的處理效果不佳，因此蘆葦在武漢地區(qū)人工濕地的應(yīng)用還有必要繼續(xù)研究。  
 
參考文獻(xiàn): 
 
[1]  朱彤,許振成,胡康萍. 人工濕地污水處理系統(tǒng)應(yīng)用研究[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 1991, 4（5）：17-22.
[2]  白曉慧, 王寶貞, 余敏, 等. 人工濕地污水處理技術(shù)及其發(fā)展應(yīng)用[J]. 哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào), 1999, 32（6）：88~92.
[3]  胡康萍, 許振成, 朱彤，等. 人工濕地污水處理系統(tǒng)初步研究[J]. 上海環(huán)境科學(xué), 1991, 10（90）：41~43.
[4]   Pride R E, Nohretedt J S  , Benefield L D. Utilization of created wetlands to upgrade small municipal wastewater treatment systems[J]. Water Air Soil Pollution, 1990, 50: 371~385.
[5]  陳鎮(zhèn)華. 地表漫流田培植美人蕉對(duì)工業(yè)區(qū)綜合污水深度處理的試驗(yàn)及大田實(shí)踐[J]. 廣州環(huán)境科學(xué)，2002, 17（3）：14~17.
[6]  Brix, H. Treatment of wastewater in the rhizosphere of wetland plants: the root-zone method[J]. Water Sci. Technol.,  1987, 19: 107~118.
[7]  Reed, S. C., Middlebrooks. E. J , Crites, R. W. Natural systems for wastewater treatment[M]. In: Wetland Systems. McGraw-Hill, New York, NY , 1988. 164~202.
[8]  Tanner C. C. Plants for constructed wetland treatment systems – A comparison of the growth and nutrient uptake of eight emergent species[J]. Ecological Engineering, 1996, 7: 59~83.
[9]  成水平. 人工濕地廢水處理系統(tǒng)的生物學(xué)基礎(chǔ)研究進(jìn)展[J]. 湖泊科學(xué)，1996, 8（3）：268~273.來(lái)源：谷騰水網(wǎng) 作者: 魯 敏，曾慶福