三種人工濕地植物處理農(nóng)村生活污水的凈化效果

郭杏妹, 劉素娥, 張秋云, 何立超, 周火君

(1.華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣東廣州 510631; 2.珠海市斗門區(qū)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站,廣東珠海 519100)

三種人工濕地植物處理農(nóng)村生活污水的凈化效果

郭杏妹1, 劉素娥2, 張秋云1, 何立超1, 周火君1

(1.華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣東廣州 510631; 2.珠海市斗門區(qū)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站,廣東珠海 519100)

采用潛流式人工濕地工藝處理農(nóng)村生活污水，結(jié)果表明：不同植物對(duì)氨氮、總磷的去除能力差別較大，菖蒲對(duì)總磷和氨氮凈化效果較好.試驗(yàn)7 d后，菖蒲(AcoruscalamusLinn)、再力花(Thaliadealbata)和梭魚草(Pontederiacordata)對(duì)總磷和氨氮的最佳去除率分別達(dá)到93.4%和77.6%、72.4%和71.6%、70.4%和70.9%，出水水質(zhì)達(dá)到《廣東省水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB44/26-2001)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn).該工藝投資少、處理效果好、操作簡單、維護(hù)成本低.

農(nóng)村生活污水； 人工濕地； 氮磷凈化效果

隨著地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，農(nóng)村地區(qū)生活水平不斷提高，農(nóng)村人口數(shù)量多，人口分布分散，幾乎沒有任何生活污水收集和處理措施，使農(nóng)村生活污染源成為影響水環(huán)境的重要原因，且隨著農(nóng)村生活方式的改變而加劇[1].農(nóng)村生活污水主要為淘米、洗菜、洗澡和沖廁廢水.生活污水中含有較高的人畜糞尿成分，氮、磷含量特別高，故處理時(shí)不僅要消減有機(jī)物還要進(jìn)行脫氮除磷[2].人工濕地是一種低能耗、低投入、高效率和易管理的污水處理方法，近年來越來越多地用于農(nóng)村生活污水處理. 濕地植物對(duì)污染物的去除能力與植物種類、植物生長量等有關(guān)[3].國內(nèi)外學(xué)者已篩選出多種能有效去除水體中氮磷的植物，如：蘆葦、香蒲、菖蒲、石菖蒲、美人蕉、再力花和梭魚草等[4-6].本課題采用菖蒲、再力花和梭魚草3種植物處理生活污水，以學(xué)生飯?zhí)梦鬯疄閷?shí)驗(yàn)用水，通過室外靜態(tài)模擬人工濕地與實(shí)際工程濕地處理系統(tǒng)相結(jié)合，研究一些提高人工濕地處理效率的模式，并將這些模式在實(shí)際的生產(chǎn)中作進(jìn)一步的測試和應(yīng)用.

1 材料與方法

1.1基質(zhì)和植物的選擇

可作人工濕地介質(zhì)使用的材料種類很多，其中碎石由于容易獲得，粒徑較大，有足夠的支撐力，而且價(jià)格低廉，有較高的空隙度和植物生長的適應(yīng)性，是目前人工濕地比較多用的基質(zhì)，因此，本試驗(yàn)填料選用碎石.依照人工濕地植物就地取材、容易獲得、適宜環(huán)境氣候等原則，綜合考慮植物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和美學(xué)價(jià)值，選定菖蒲、梭魚草、再力花3種植物進(jìn)行試驗(yàn).

1.2試驗(yàn)裝置及污水水質(zhì)

試驗(yàn)為靜態(tài)過程，于長50 cm、寬40 cm、高35 cm的透明聚乙烯塑料箱進(jìn)行.每個(gè)塑料箱種植1種植物,每種植物種4盆,每盆的植株數(shù)分別為2、4、6、8株，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，共36盆，采樣時(shí)間分別為12、36、72、120、168 h.

在塑料箱底部均勻排鋪成平均厚度為180 mm的碎石床.植物種植后，在塑料箱中加入清水(離容器底部約250 mm高度)，將其移動(dòng)到陽光充足的地方，靜置2個(gè)星期，期間及時(shí)補(bǔ)充清水，使剛移植的植物適應(yīng)環(huán)境，根部充分發(fā)育，使基質(zhì)中的微生物充分繁殖.

試驗(yàn)開始前把塑料箱中的清水排掉，加入供試生活污水約13 L，污水一次性注入，水力停留時(shí)間為7 d.試驗(yàn)污水取自學(xué)生飯?zhí)梦鬯?，該污水為典型的餐飲污水，為了保證實(shí)驗(yàn)水質(zhì)與一般農(nóng)村生活污水接近，且考慮到實(shí)驗(yàn)本身的準(zhǔn)確與操作需要，將該污水與清水以體積比1：1的比例稀釋混合，稀釋后的污水即為實(shí)驗(yàn)使用的供試污水.試驗(yàn)所使用的污水與增城市農(nóng)村生活污水污染物質(zhì)量濃度較為接近，主要的污染物指標(biāo)如表1所示.

表1 農(nóng)村生活污水與試驗(yàn)初始水質(zhì) mg/L

為了使試驗(yàn)結(jié)果更符合實(shí)際，本試驗(yàn)在全露天自然條件下進(jìn)行，試驗(yàn)場所選在實(shí)驗(yàn)室外的空地，該空地地勢平坦，能充分接受日照.

1.3測試方法

水樣檢測指標(biāo)包括TP、NH3-N，CODCr,測定方法參照文獻(xiàn)[7],TP采用過硫酸鉀消解-鉬酸銨分光光度法；NH3-N采用納氏試劑比色法,CODCr采用重鉻酸鉀法.

2 結(jié)果與討論

2.1不同植物對(duì)TP、NH3-N、CODCr的凈化效率

由圖1可知，每盆6株時(shí)，3種植物在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的過程中對(duì)有機(jī)污染物都有較好的去除效果. 污染物的去除效率隨著植物的生長有顯著的提高，停留時(shí)間的變化與各項(xiàng)污染物質(zhì)的去除效率成正相關(guān). 可見這3種植物在這個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的生長和工作效率都可以得到充分的發(fā)揮.

3種植物對(duì)污水中TP、NH3-N、CODCr的去除效果都比較好，其中菖蒲的處理效果最好，這說明植物在污水有機(jī)物去除方面發(fā)揮了重要的作用. 其主要原因：一方面植物本身對(duì)有機(jī)物質(zhì)具有吸收作用，即有機(jī)物通過植物根際微生態(tài)環(huán)境吸附，經(jīng)過異化及同化作用而得以去除；同時(shí)，植物根系對(duì)氧的傳遞釋放，使污染物被微生物吸收，并且通過硝化、反硝化，累積、降解、絡(luò)合、吸附等作用而顯著增加去除率. 顆粒狀有機(jī)物水解產(chǎn)生可溶性化合物，這些化合物與可溶性有機(jī)物吸附在生物膜表面，而這些生物膜生長在不同的位置上：植物的根部、在介質(zhì)的縫隙中、或者堆積在床體表面植物的代謝物中等.

2.2不同植物株數(shù)對(duì)TP、NH3-N、CODCr的去除

對(duì)TP的去除主要是基質(zhì)的固磷作用以及植物與微生物除磷，其中基質(zhì)對(duì)磷的作用被認(rèn)為是最有效的機(jī)制[8]. 圖2中可以看出，3種濕地植物對(duì)生活污水中總磷(TP)的去除效果以菖蒲為最佳，停留時(shí)間7 d時(shí)，去除率達(dá)到80.3%，而梭魚草、再力花的處理效果次之，去除率分別達(dá)到77.3%、75.2%. 污水中的磷主要通過化學(xué)吸附和沉積去除，且在其沉積過程中，植物釋放磷酸酶能抑制這一過程[9]. 污水與濕地系統(tǒng)接觸時(shí)間越長，越有利于植物對(duì)磷的吸收和填料對(duì)磷的有效吸附和沉淀，同時(shí)，停留時(shí)間長也會(huì)使系統(tǒng)厭氧區(qū)增大，不利于磷細(xì)菌的代謝活動(dòng)，會(huì)使系統(tǒng)除磷效率受到影響，這也證明人工濕地對(duì)磷的去除能力是通過植物、微生物和填料的協(xié)同作用共同加強(qiáng)的[10-11].

圖1 3種植物對(duì)TP、NH3-N、CODCr的去除率

Fig.1 Comparison between purification effect of macrophyte species on TP, NH3-N and CODCrin the treatment

本實(shí)驗(yàn)表明，3種不同植物人工濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除效果相當(dāng)，其中以菖蒲最好. 氨氮的質(zhì)量濃度在試驗(yàn)初期迅速降低，隨后，趨勢明顯變緩，以上趨勢說明3種植物對(duì)氨氮的去除主要在試驗(yàn)的前端，且表現(xiàn)為沿程同步硝化和反硝化. 人工濕地中，氮的去除大部分通過硝化、反硝化反應(yīng)，少部分通過植物吸收，植物根系周圍存在近根系的好氧區(qū)與遠(yuǎn)根系的厭氧區(qū)的交替環(huán)境，則有利于硝化、反硝化反應(yīng)去除氮[12]. 由圖3可知，植物株數(shù)為6株的時(shí)候處理效果最好，這可能是由于濕地植物吸收氮總量與濕地植物生物量有關(guān)的[13].

圖2 不同植株數(shù)對(duì)總磷的去除率

Fig.2 The purification effect of TP by different number of plants in the treatment

人工濕地對(duì)有機(jī)物具有明顯的去除能力，不溶性有機(jī)物通過濕地的沉淀過濾可以很快從廢水中截留下來，被微小生物加以利用，可溶性有機(jī)物則可通過生物膜的吸附及微生物的代謝過程被去除. 本實(shí)驗(yàn)表明隨著停留時(shí)間的推移，CODCr去除率逐漸上升，體現(xiàn)了介質(zhì)的吸附作用和生物膜的生長在逐步發(fā)揮作用. CODCr的去除效果受植物植株數(shù)變化的影響較小，4個(gè)不同植株數(shù)的植物系統(tǒng)出水CODCr去除率逐漸下降.

圖3 不同植株數(shù)對(duì)氨氮的去除率

Fig.3 The purification effect of NH3-N by different number of plants in the treatment

從圖2～圖4中比較可知，植物株數(shù)為6株的時(shí)候處理效果最好，這說明并不是植物株數(shù)越多越好，而是存在一個(gè)最佳數(shù)量. 主要原因是植物凈光合速率與TP、NH3-N、CODCr去除率存在相關(guān)性，植株數(shù)多，其所占有空間的利用程度高，影響植物的光合作用，從而降低為凈化作用提供的能量.

圖4 不同植株數(shù)對(duì)CODCr的去除率

Fig.4 The purification effect of CODCrby different number of plants in the treatment

2.3停留時(shí)間對(duì)污染物去除效果的影響

從圖2～圖4可知，總磷、氨氮和CODCr在模擬系統(tǒng)中的前3 d降解效率較高，去除率增長較快. 3 d以后降解速率明顯放緩，去除率曲線逐漸趨于平緩. 分析出現(xiàn)這種情況的主要原因在于，污水一開始進(jìn)入模擬系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)，基質(zhì)、植物和微生物的降解作用同時(shí)存在，但此時(shí)，植物種植時(shí)間較短，根系生長不夠發(fā)達(dá)，因此在根區(qū)的微生物繁殖較慢，根區(qū)反應(yīng)系統(tǒng)還不成熟. 在根區(qū)以外的微生物同樣因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間不長，微生物數(shù)量比較低，因此這個(gè)時(shí)間段植物和微生物的降解能力都沒有達(dá)到最高水平. 因此這個(gè)時(shí)間段基質(zhì)的吸附作用遠(yuǎn)強(qiáng)于植物與微生物共同發(fā)揮的降解作用.

反應(yīng)經(jīng)過一段時(shí)間后，基質(zhì)的吸附能力逐漸趨于飽和，吸附作用效率逐漸降低. 污水中大顆粒的固體基本已經(jīng)沉淀到基質(zhì)表面，污水中剩下小顆粒的固體和可溶性有機(jī)物. 在這個(gè)時(shí)間段，基質(zhì)內(nèi)部的厭氧微生物和根區(qū)附近的好氧微生物通過繁殖，數(shù)量不斷上升，降解能力得到加強(qiáng). 同時(shí)，植物經(jīng)過一段時(shí)間的生長，微生物經(jīng)過一段時(shí)間的繁殖，兩者能力逐漸加強(qiáng)并達(dá)到最高點(diǎn). 此時(shí)，植物與微生物對(duì)污染物的降解作用在這個(gè)時(shí)間段起到主導(dǎo)作用，去除率曲線逐漸趨于平緩.

3 工程實(shí)例應(yīng)用

群愛村位于廣州市增城市荔城鎮(zhèn)，該村生活污水較為單一，主要由村民日常生活(洗滌、廚衛(wèi)等)產(chǎn)生. 該工程采用潛流式人工濕地處理技術(shù)，人工濕地規(guī)格是12 000 mm×6 000 mm×1 200 mm，設(shè)計(jì)水量為4.8 m3/d，設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間5 d，根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)可知，菖蒲種植密度為6株/m2的時(shí)候處理效果最佳，故本工程項(xiàng)目主要種植菖蒲，種植密度約6株/m2，污水處理工藝橫切斷面圖見圖5. 該污水處理工程運(yùn)行初期采用間歇進(jìn)水、逐漸加大進(jìn)水量的方法，經(jīng)過60 d的培養(yǎng)馴化調(diào)試，人工濕地系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，出水水質(zhì)達(dá)到廣東省《水污染物排放限值》(DB44/26-2001)(第二時(shí)段)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn), 實(shí)際運(yùn)行結(jié)果見表2. 該工程因地制宜，投資少、處理效果好、操作簡單、維護(hù)成本低. 該工程已通過有關(guān)部門驗(yàn)收，至今一直穩(wěn)定運(yùn)行.

A～C層均為碎石，D層為黏土隔水層，粒徑分別為3～5、5～20、20～50、1 mm，高度分別為200、500、150、150 mm.

圖5 污水處理工藝橫切斷面圖Fig.5 Cross sectional drawing

4 結(jié)論

(1)3種植物對(duì)污水中TP、NH3-N、CODCr的去除效果都比較好，處理能力依次為：菖蒲gt;梭魚草gt;再力花. 這說明植物在污水有機(jī)物去除方面發(fā)揮了重要的作用.

(2)植物株數(shù)為6株的時(shí)候處理效果最好，這說明并不是植物株數(shù)越多越好，而是存在一個(gè)最佳數(shù)量，生物量與TP、NH3-N、CODCr去除率存在相關(guān)性.

(3)總磷、氨氮和CODCr在模擬系統(tǒng)中的前3天降解效率較高，去除率增長較快，3天以后降解速率明顯放緩，去除率曲線逐漸趨于平緩.

(4)把模擬實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際工程中，結(jié)果表明，種植6株/m2菖蒲處理農(nóng)村生活污水，出水水質(zhì)達(dá)到廣東省《水污染物排放限值》(DB44/26-2001)(第二時(shí)段)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn). 該工藝因地制宜，投資少、處理效果好、操作簡單、維護(hù)成本低.

[1] 蘇東輝,鄭正,王勇,等.農(nóng)村生活污水處理技術(shù)探討[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù).2005,28(1):78-81.

SU Donghui,ZHENG Zheng,WANG Yong,et al.Discussion on treatment technology of rural domestic wastewater[J]. Environmental Science Technology,2005,28(1):78-81.

[2] 池金萍,安麗.農(nóng)村生活污水處理技術(shù)新進(jìn)展[J].云南環(huán)境科學(xué).2004,23(4):8-10.

CHI Jinping, AN Li. New advances of applied technology of domestic wastewater treatment from the village[J]. Environmental Science of Yunnan,2004,23(4):8-10.

[3] 李建娜,胡曰利,吳曉芙,等.人工濕地污水處理系統(tǒng)中的植物氮磷吸收富集能力研究[J]. 環(huán)境污染與防治.2007,29(7):506-509.

LI Jianna,Hu Yueli,Wu Xiaofu,et al. Nitrogen and phosphorus removal capacity of plant species in constructed wetlands for treating municipal wastewater[J].Environmental Pollution amp; Control, 2007,29(7):506-509.

[4] 鞠瑾,張志揚(yáng),唐運(yùn)平,等.不同植物濕地系統(tǒng)對(duì)高鹽再生水的除氮能力比較[J].中國給水排水,2006,22(19):56-58.

JU Jin,ZHANG Zhiyang，TANG Yunping, et al. Nitrogen removal performance of different aquatic macrophytes wetland in Reclaimed River Channel[J]. China Water amp; Wastewater, 2006,22(19):56-58.

[5] COLEMAN J, HENCH K, GARBUTT K, et al. Treatment of domestic wastewater by three plant speciesin constructed wetlands[J]．Water Air and Soil Pollution,2001,128:283-295.

[6] 周守標(biāo),王春景,楊海軍,等.菰和菖蒲在污水中的生長特性及其凈化效果比較[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào),2007,13(4):454-457.

ZHOU Shoubiao,WANG Chunjing,YANG Haijun,et al. Growth ofZizanialatifoliaandAcoruscalamusin sewage and their effect on sewage purification[J].Chinese Journal of Applied amp; Environmental Biology, 2007,13(4):454-457.

[7] 國家環(huán)境保護(hù)局,水和廢水檢測分析方法編委會(huì). 水和廢水監(jiān)測分析方法[M]. 4版.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

[8] SAKADEVAN K， BAVOR H J. Phosphate adsorption characteristics of soil, slag and zeolite to be used as substrates in constructed wetland systems[J]. Wat Res, 1998, 32(2):393-399.

[9] 張建, 黃霞, 魏杰.氮磷在廢水表面濾過系統(tǒng)中的去除機(jī)制[J].中國環(huán)境科學(xué),2002,22(5): 438-441.

ZHANG Jian,HUANG Xia,WEI Jie,et al.Nitrogen and phosphorus removal mechanism in subsurface wastewater infiltration system[J]. China Environmental Science, 2002,22(5): 438-441.

[10] 盧少勇,金相燦,余剛.人工濕地的磷去除機(jī)理[J].生態(tài)環(huán)境,2006, 15(2): 391-396.

LU Shaoyong,JIN Xiangcan,YU Gang. Phosphorus removal mechanism of constructed wetland[J]. Ecology and Environment, 2006, 15(2): 391-396.

[11] 周易勇,付永清.水體磷酸酶:來源、特征及其生態(tài)學(xué)意義[J].湖泊科學(xué),1999,11(3): 274-282.

ZHOU Yiyong,FU Yongqing.Phosphatases in natural water:origin, characteristics and ecological significance[J].Journal of Lake Sciences, 1999,11(3): 274-282.

[12] PROCHASKA C A, ZOUBOULIS A I. Removal of phosphates by pilot vertical-flow constructed wetlands using a mixture of sand and dolomite as substrate[J]. Ecological Engineering, 2006,26(3):293-303.

[13] 徐德福,徐建民,王華勝,等.濕地植物對(duì)富營養(yǎng)化水體中氮、磷吸收能研究[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2005,11(5):579-601.

XU Defu,XU Jianmin,WANG Huasheng,et al. Absorbability of wetland plants on N and P from eutrophic water[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2005,11(5):579-601.

Keywords： rural domestic sewage; constructed wetland; purifying effect of nitrogen and phosphorus

【責(zé)任編輯 成 文】

收稿日期： 2009-09-30

基金項(xiàng)目： 廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(9251063101000000)

作者簡介： 梁劍瑩(1982—),男,廣東雷州人,華南師范大學(xué)科技處實(shí)習(xí)研究員,Email: kyc12@scnu.edu.cn.

文章編號(hào): 1000-5463(2010)01-0123-04

EFFECTSOFTHREEPLANTSSPECIESINCONSTRUCTEDWETLANDSONTHETREATMENTFORRURALDOMESTICSEWAGE

GUO Xingmei1， LIU Su’e2， ZHANG Qiuyun1， HE Lichao1， ZHOU Huojun1

(1. School of Chemistry and Environment, South China Normal University,Guangzhou 510631, China; 2. Environmental Monitoring Station of Doumen District in Zhuhai, Zhuhai, Guangdong 519100, China)

The constructed wetland process was applied to treat rural domestic sewage．The results showed that the abilities of different macrophyte species to remove nitrogen and phosphorous were quite different with each other．AcoruscalamusLinnhas stronger ability to remove TP and NH3-N . After 7 days of treatment，the rates ofAcoruscalamusLinn,ThaliadealbataandPontederiacordatato remove TP and NH3-N were 93.4% and 77.6%, 72.4% and 71.6%,70.4% and 70.9% respectively. The effluent quality meets the first class standard specified in the discharge limits of water pollutants of Guangdong Province (DB44/26-2001). This process has the characteristics of low investment, good treatment effect, simple operation and low maintenance cost.

2009-05-20

廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006B36801005)

郭杏妹(1981—)，女，華南師范大學(xué)助理實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：水污染控制，Email: mei_gxm@163.com.

1000-5463(2010)01-0105-05

X703.1

A