植物浮床和人工濕地污水處理系統(tǒng)中風(fēng)車草生長(zhǎng)特性比較

徐嬋枝，靖元孝*，楊丹菁，王忠正，吳方猛，呂改云

(1.華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣東省高等學(xué)校生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510631; 2.廣州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，廣東廣州 510620)

植物浮床和人工濕地污水處理系統(tǒng)中風(fēng)車草生長(zhǎng)特性比較

徐嬋枝1，靖元孝1*，楊丹菁2，王忠正1，吳方猛1，呂改云1

(1.華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣東省高等學(xué)校生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510631; 2.廣州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，廣東廣州 510620)

在塑料水箱(67 cm×51 cm×40 cm)中分別構(gòu)建風(fēng)車草浮床和人工濕地生活污水處理系統(tǒng)，研究2個(gè)系統(tǒng)中風(fēng)車草的生長(zhǎng)特性.結(jié)果表明，植物浮床和人工濕地系統(tǒng)中風(fēng)車草生長(zhǎng)的季節(jié)變化規(guī)律基本相似，在4—8月生長(zhǎng)較快，9—12月生長(zhǎng)較慢.整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，植物浮床中風(fēng)車草的分蘗數(shù)、一級(jí)側(cè)根的數(shù)量和孔隙度大于人工濕地，而株高、基徑、葉長(zhǎng)和葉寬、一級(jí)側(cè)根的長(zhǎng)度和直徑小于人工濕地.8月收獲植物時(shí)，植物浮床風(fēng)車草的生物量大于人工濕地，當(dāng)12月收獲植物時(shí)，前者小于后者.

風(fēng)車草; 植物浮床; 人工濕地; 生長(zhǎng)特性

植物浮床技術(shù)是人工把高等水生植物或改良的陸生植物，以浮床作為載體種植到污染水體的水面，通過(guò)植物吸收和微生物降解等來(lái)凈化污染物、改善水質(zhì)的水面無(wú)土種植植物技術(shù).該技術(shù)具有不消耗能量、不受水深限制、原位去除污染物和不出現(xiàn)系統(tǒng)堵塞等優(yōu)點(diǎn)[1-3].目前，植物浮床技術(shù)主要用于水體污染物濃度較低的富營(yíng)養(yǎng)化水體的原位修復(fù)[4-5].人工濕地技術(shù)已被廣泛用于處理含各種濃度污染物的污水，是一種低投資、低能耗、低成本和能脫氮除磷的污水處理技術(shù)，但其基質(zhì)中有機(jī)質(zhì)積累過(guò)高以及雜質(zhì)的沉淀會(huì)引起堵塞[6-9].植物浮床能否處理較高濃度污水?系統(tǒng)中植物的生長(zhǎng)特性與其在人工濕地相比有什么特點(diǎn)?需要在相同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行研究比較，目前這方面的研究報(bào)道甚少.LENNARD等[10]研究了萵苣(Lactucasativa)浮床和人工濕地系統(tǒng)對(duì)養(yǎng)魚廢水的凈化效果和植物的生長(zhǎng)狀況，發(fā)現(xiàn)人工濕地系統(tǒng)中萵苣的生物量大于植物浮床系統(tǒng).

在熱帶和亞熱帶，風(fēng)車草(Cyperusalternifolius)是用于構(gòu)建植物浮床和人工濕地的優(yōu)秀物種之一，它全年保持生長(zhǎng)，即使在冬天仍能維持一定的生長(zhǎng)速率，根系發(fā)達(dá)，根生物量大，在人工濕地[11-13]和植物浮床[14-15]均生長(zhǎng)良好.本文在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，研究植物浮床和人工濕地生活污水處理系統(tǒng)中風(fēng)車草的生長(zhǎng)狀況，為更好地利用植物浮床凈化生活污水提供理論依據(jù)和指導(dǎo).

1 材料和方法

1.1風(fēng)車草浮床和人工濕地系統(tǒng)的構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)于2009年3—12月在廣州華南師范大學(xué)生物試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行.廣州屬南亞熱帶氣候，年平均氣溫22 ℃，最冷月1月和最熱月7月的平均氣溫分別為13.3 ℃和28.4 ℃，年平均降雨量1 694 mm.用塑料水箱(67 cm×51 cm×40 cm)構(gòu)建植物浮床和人工濕地系統(tǒng).植物浮床用聚乙烯泡沫板(59 cm×45 cm×3 cm)為漂浮載體，在泡沫板上均勻打孔栽種植物.人工濕地水箱中填料由下至上分別為粗礫石(粒徑為20 mm)和細(xì)礫石(粒徑為10 mm)，厚度均為20 cm.2009年3月，選取長(zhǎng)勢(shì)良好、株高50 cm的風(fēng)車草分別移入植物浮床和人工濕地,每箱4株，每株5個(gè)分蘗，每個(gè)處理15箱，水箱隨機(jī)排列于平坦空地上.生活污水來(lái)自華南師范大學(xué)學(xué)生宿舍，污水CODCr：90～270 mg/L、BOD5：30～80 mg/L、總氮：30～81 mg/L、總磷：1.5～5.5 mg/L.用水泵從化糞池出水口抽取污水，至蓄水池中沉淀，調(diào)蓄后進(jìn)入各塑料水箱中進(jìn)行處理.塑料水箱每周灌污水1次，2009年3—4月對(duì)風(fēng)車草浮床和人工濕地系統(tǒng)馴化培養(yǎng)，2009年5月開始正式記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

1.2植物生長(zhǎng)和生物量的測(cè)定

每月測(cè)定植物浮床和人工濕地風(fēng)車草的分蘗、株高、基徑、葉長(zhǎng)與葉寬.

2009年8月、12月抽取各處理風(fēng)車草5箱進(jìn)行收割，分成根、莖和葉，測(cè)量一級(jí)側(cè)根的數(shù)量、長(zhǎng)度與直徑.將根沖洗干凈后，按照KLUDZE等[16]方法測(cè)定根孔隙度.用精度0.1 g天平稱取各器官新鮮材料100～500 g左右,80 ℃烘箱中烘干48 h,用精度0.1 mg電子天平稱干質(zhì)量.根據(jù)含水量計(jì)算植株各器官的干質(zhì)量.

1.3數(shù)據(jù)處理

采用SPSS15.for Windows進(jìn)行重復(fù)測(cè)定方差分析，并用LSD進(jìn)行多重比較，檢驗(yàn)各測(cè)定指標(biāo)在處理間的差異顯著性.

2 結(jié)果與分析

2.1植物浮床和人工濕地風(fēng)車草根生長(zhǎng)狀況

圖1(a)表明,8—12月植物浮床風(fēng)車草一級(jí)側(cè)根的數(shù)量均大于人工濕地.8月植物浮床和人工濕地風(fēng)車草根的數(shù)量分別為2 172和1 556條，前者遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者(P<0.01)，這主要是因?yàn)楫?dāng)年5—8月植物浮床風(fēng)車草分蘗速率快，分蘗數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人工濕地.12月人工濕地風(fēng)車草根的數(shù)量急劇增長(zhǎng)，產(chǎn)生了大量新根，平均值達(dá)2 552條，比8月增加了64%.而植物浮床風(fēng)車草根的數(shù)量增加不多，平均值為2 797條，與人工濕地差異不顯著(P>0.05).這主要是由于植物浮床風(fēng)車草在9—12月生長(zhǎng)空間有限，分蘗速率慢，從而影響其根數(shù)量的增加.圖1(b)顯示，8—12月植物浮床風(fēng)車草一級(jí)側(cè)根的長(zhǎng)度均低于人工濕地(P<0.05).8月植物浮床與人工濕地風(fēng)車草的根長(zhǎng)分別為20.3 cm和23.9 cm，前者稍小于后者 (P<0.05).12月植物浮床與人工濕地風(fēng)車草的根長(zhǎng)分別為20.4 cm和30.6 cm，前者遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于后者(P<0.01)，前者較8月沒有明顯變化，而后者較8月增加了28%.圖1(c)可見，8月植物浮床與人工濕地風(fēng)車草一級(jí)側(cè)根的直徑分別為0.173 mm和0.177 mm，兩者差異不顯著(P>0.05).12月植物浮床與人工濕地風(fēng)車草根的直徑分別為0.20 mm和0.28 mm，前者遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于后者(P<0.01)，前者較8月稍有增加，而后者較8月增加了57%.圖1(d)顯示，植物浮床風(fēng)車草的根孔隙度明顯高于人工濕地(P<0.01)，這可能是植物浮床風(fēng)車草適應(yīng)淹水環(huán)境的一種表現(xiàn).

圖1 植物浮床和人工濕地污水處理系統(tǒng)中風(fēng)車草一級(jí)側(cè)根的數(shù)量、長(zhǎng)度、直徑和孔隙度

Figure 1 Number,length,diameter and porosity of first-class lateral roots ofCyperusalternifoliusin plant floating-bed and constructed wetland sewage treatment systems

2.2植物浮床與人工濕地風(fēng)車草莖生長(zhǎng)狀況

圖2(a)表明，植物浮床與人工濕地風(fēng)車草分蘗數(shù)均不斷增加，分蘗從實(shí)驗(yàn)開始的5個(gè)，分別增至(160±4.5)個(gè)和(86±1.6)個(gè).植物浮床風(fēng)車草的分蘗數(shù)明顯大于人工濕地.圖2(b)顯示，植物浮床和人工濕地風(fēng)車草分蘗數(shù)月增量在5—7月不斷增加，7月份均達(dá)到最大值，分別為32個(gè)和12個(gè)，隨后植物浮床不斷下降，而人工濕地仍保持穩(wěn)定.另外，植物浮床風(fēng)車草分蘗月增量在5—10月明顯高于人工濕地，隨后逐漸接近人工濕地.

圖2(c)表明，2個(gè)系統(tǒng)風(fēng)車草株高在5—8月增長(zhǎng)較快，隨后人工濕地風(fēng)車草株高仍保持一定的增長(zhǎng)，而植物浮床風(fēng)車草株高幾乎停止增長(zhǎng).實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，植物浮床與人工濕地風(fēng)車草株高分別為(90±1.5)、(158±5.5) cm.整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，人工濕地風(fēng)車草株高明顯大于植物浮床(P<0.01).植物浮床風(fēng)車草的基徑明顯小于人工濕地(P<0.01)(圖2(d)).

圖2 植物浮床和人工濕地污水處理系統(tǒng)中風(fēng)車草的分蘗數(shù)、分蘗數(shù)月增量、株高和基徑

Figure 2 Tillers,monthly increment of tillers,plant height and basal diameter ofCyperusalternifoliusin plant floating-bed and constructed wetland sewage treatment systems

2.3植物浮床與人工濕地風(fēng)車草葉的生長(zhǎng)狀況

植物浮床與人工濕地系統(tǒng)風(fēng)車草葉長(zhǎng)和葉寬的變化見圖3.人工濕地風(fēng)車草的葉片長(zhǎng)勢(shì)比植物浮床好，葉長(zhǎng)與葉寬均明顯大于植物浮床(P<0.01).

2.4植物浮床與人工濕地風(fēng)車草根生物量變化情況

圖4表明，8月收獲時(shí)，植物浮床風(fēng)車草根、莖、葉的生物量和總生物量分別較人工濕地大,兩者差異顯著 (P<0.05).12月收獲時(shí)，植物浮床風(fēng)車草根、莖、葉的生物量和總生物量分別較人工濕地小前者遠(yuǎn)，兩者差異顯著(P<0.01).8—12月植物浮床和人工濕地風(fēng)車草根、莖、葉的生物量和總生物量的增量分別為602、34、184、820 g/箱和2 334、247、461、3 072 g/箱，兩者差異顯著(P<0.01).

圖3 植物浮床和人工濕地污水處理系統(tǒng)中風(fēng)車草的葉長(zhǎng)和葉寬

Figure 3 Leaf length and leaf width ofCyperusalternifoliusin plant floating-bed and constructed wetland sewage treatment systems

圖4 植物浮床和人工濕地污水處理系統(tǒng)中風(fēng)車草的生物量

3 討論

本實(shí)驗(yàn)在8月份收獲植物時(shí)，植物浮床風(fēng)車草的生物量大于人工濕地，12月收獲植物時(shí)，前者小于后者.這主要是因?yàn)?—8月植物浮床風(fēng)車草的分蘗速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人工濕地，而 9—12月植物浮床風(fēng)車草由于前期分蘗速率過(guò)快，后期生長(zhǎng)空間受到較大限制，分蘗速率急劇下降.雖然植物浮床風(fēng)車草分蘗速度和分蘗數(shù)大于人工濕地，但植物浮床風(fēng)車草每個(gè)分蘗的生長(zhǎng)狀況比人工濕地差，其株高、基徑、葉長(zhǎng)和葉寬、一級(jí)側(cè)根的長(zhǎng)度和直徑均小于人工濕地.

通氣組織的形成是植物適應(yīng)淹水環(huán)境的一個(gè)重要機(jī)制[17]，可用孔隙度來(lái)間接評(píng)價(jià)根的通氣組織發(fā)達(dá)程度.通氣組織的形成增加了地下部分氧氣的供應(yīng)，提高了植物對(duì)水分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收.本研究中，植物浮床風(fēng)車草的根孔隙度明顯大于人工濕地，這可能是其適應(yīng)植物浮床系統(tǒng)中完全淹水環(huán)境的表現(xiàn).王忠正[18]在同期進(jìn)行的風(fēng)車草對(duì)生活污水凈化效果的結(jié)果表明，在相同水力負(fù)荷條件下，植物浮床系統(tǒng)TN、BOD5和CODCr去除率顯著大于人工濕地，TP去除率顯著小于人工濕地.風(fēng)車草浮床可優(yōu)先考慮用于富含氮和有機(jī)物污水的處理，風(fēng)車草人工濕地可用于富含磷污水的處理.本實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)后期植物浮床風(fēng)車草生長(zhǎng)空間受到較大限制，生物量積累明顯下降，能否通過(guò)收割植株而保持風(fēng)車草良好的生長(zhǎng)，進(jìn)而維持好的凈化效果，這有待于進(jìn)一步研究.

由于實(shí)驗(yàn)條件所限，本實(shí)驗(yàn)在空間和時(shí)間上略顯不夠.本研究的植物浮床和人工濕地系統(tǒng)由塑料水箱構(gòu)成，規(guī)模較小，且為定期人工灌水，系統(tǒng)處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，與實(shí)際運(yùn)行有一定差別.另外，風(fēng)車草屬于多年生草本植物，它們的生長(zhǎng)狀況隨著時(shí)間的推移可能會(huì)發(fā)生變化，本研究只是反映了特定生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)狀況,結(jié)果有待在實(shí)際應(yīng)用中在更大的空間和時(shí)間上加以進(jìn)一步驗(yàn)證.

[1] LI W,FRIEDRICH R.In situ removal of dissolved phosphorus in irrigation drainage water by planted floats:preliminary results from growth chamber experiment[J].Agriculture,Ecosystems and Environment,2002,90(1):9-15.

[2] LI M,WU Y J,YU Z L,et al.Nitrogen removal from eutrophic water by floating-bed grown water spinach (IpomoeaaquaticaForsk.) with ion implantation[J].Water Research,2007,41(14):3152-3158.

[3] YANG Z F,ZHENG S K,CHEN J J,et al. Purification of nitrate-rich agricultural runoff by a hydroponic system[J].Bioresource Technology,2008,99(17):8049-8053.

[4] 羅固源,鄭劍鋒,許曉毅.4種浮床栽培植物生長(zhǎng)特性及吸收氮磷能力的比較[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2009,29 (2):285-290.

LUO Guoyuan,ZHENG Jianfeng,XU Xiaoyi. Comparison of the growth characteristics and nutrient uptake of four kinds of plants cultivated on a floating-bed[J].Acta Scientiae Circumstantiae，2009,29 (2):285-290.

[5] SUN L,LIU Y,JIN H.Nitrogen removal from polluted river by enhanced floating bed grown canna[J].Ecological Engineering,2009,35(1):135-140.

[6] 黃翔峰,沈捷,聞岳,等.生物法-人工濕地工藝處理采油廢水及其有機(jī)物的降解特性[J].環(huán)境科學(xué),2010,31(2):338-344.

HUANG Xiangfeng，SHEN Jie，WEN Yue，et al. Treatment of oil-field produced water by biological methods-constructed wetland process and degradation characteristics of organic substances[J].Environmental Science,2010,31(2):338-344.

[7] LIN Y F,JING S R,LEE D Y.Nitrate removal from groundwater using constructed wetlands under various hydraulic loading rates[J].Bioresource Technology,2008,99(16):7504-7513.

[8] 李麗娜，李亞治，達(dá)良俊，等.復(fù)合垂直流人工濕地處理廢紙?jiān)旒垙U水的研究[J].中國(guó)造紙,2009,28(9):43-46.

LI Lina,LI Yazhi,DA Liangjun，et al. Treatment of effluent from the recycled paper mill by using integrated vertical-flow constructed wetland[J].China Pulp & Paper，2009,28(9):43-46.

[9] 鄢璐，王世和，黃娟，等.潛流型人工濕地基質(zhì)堵塞特性試驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué),2008,29(3):627-631.

YAN Lu,WANG Shihe，HUANG Juan，et al.Clogging characteristics of the subsurface flow wetland[J].Environmental Science，2008,29(3):627-631.

[10] LENNARD W A,LEONARD B V.A comparison of three different hydroponic sub-systems (gravel bed,floating and nutrient film technique) in an Aquaponic test system[J].Aquaculture International,2006,14(6):539-550.

[11] 靖元孝，陳兆平，楊丹菁.風(fēng)車草對(duì)生活污水的凈化效果及其在人工濕地的應(yīng)用[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào),2002,8(6):614-617.

JING Yuanxiao，CHEN Zhaoping，YANG Danjing.Purifying efficiency ofCyperusalternifoliusto domestic sewage and its application in constructed wetland[J].Chinese Journal of Applied & Environmental Biology,2002,8(6):614-617.

[12] KANTAWANICHKUL S,PILAILA S,TANAPIYAWANICH W.Wastewater treatment by tropical plants in vertical-flow constructed wetland[J].Water Science and Technology,1999,40 (3):173-178.

[13] STECHER M C,WEAVER R W.Effects of umbrella palms and wastewater depth on wastewater treatment in a subsurface flow constructed wetland[J].Environmental Technology,2003,24(4):471-478.

[14] MIYAZAKI A,TAKEUCHI T,NAKAMURA H,et al.Characteristics of nutrient absorption and water purification in some plant species grown by floating culture system[J].Soil Science and Plant Nutrition,2004,50(3):357-363.

[15] 劉士哲，林東教，唐淑軍，等.利用漂浮植物修復(fù)系統(tǒng)栽培風(fēng)車草、彩葉草和茉莉凈化富營(yíng)養(yǎng)化污水的研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2004,15(7):1261-1265.

LIU Shizhe,LIN Dongjiao，TANG Shujun，et al. Purification of eutrophic wastewater byCyperusalternifolius,ColeusblumeiandJasminumsambacplanted in a floating phytoremediation system[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2004,15(7):1261-1265.

[16] KLUDZE H K,DELAUNE R D,PATRICK W H.Aerenchyma formation and methane and oxygen exchange in rice[J].Soil Science Society of America Journal,1993,57(2):386-391.

[17] VARTAPETION B B,JACKSON M B.Plant adaptation to anaerobic stress[J].Annals of Botany,1997,79(Supplement A):3-20.

[18] 王忠正.風(fēng)車草浮床和人工濕地系統(tǒng)對(duì)生活污水凈化效果的比較研究[D].廣州:華南師范大學(xué),2010.

WANG Zhongzheng.Purification efficiency ofCyperusalternifoliusin floating-bed and constructed wetland system on domestic sewage[D].Guangzhou:South China Normal University,2010.

Keywords:Cyperusalternifolius, plant floating-bed, constructed wetland, porosity, growth characteristics

【責(zé)任編輯 成 文】

COMPARISONOFGROWTHCHARACTERISTICSOFCYPERUSALTERNIFOLIUSINPLANTFLOATING-BEDANDCONSTRUCTEDWETLANDSEWAGETREATMENTSYSTEMS

XU Chanzhi1, JING Yuanxiao1*, Yang Danjing2, WANG Zhongzheng1, Wu Fangmeng1, LV Gaiyun1

(1.School of Life Science, South China Normal University, Key Laboratory of Ecology and Environmental Science in Guangdong Higher Education, Guangzhou 510631, China; 2.Guangzhou Research Academy of Environmental Protection, Guangzhou 510620, China)

Little is known about the comparative study of plant growth between plant floating-beds and constructed wetland wastewater treatment systems.Cyperusalternifoliusfloating-beds and constructed wetland domestic sewage treatment systems were established in plastic tanks (67 cm×51 cm×40 cm) in South China Normal University.The seasonal changes of growth characteristics ofC.alternifoliusin plant floating beds and constructed wetland systems were similar.C.alternifoliusmaintained high growth rate from May to August, but had low growth rate from September to December.The tillers, number and porosity of first-class lateral roots ofC.alternifoliusin plant floating-beds were greater than those in constructed wetlands, but plant height, basal diameter, length and width of leaf, length and diameter of first-class lateral root ofC.alternifoliusin plant floating-beds were less than those in constructed wetlands.The biomass ofC.alternifoliusin plant floating-beds were greater than those in constructed wetlands in August, but lower in December.

2010-09-19

廣東省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2005B33302014)

*通訊作者，jingyx@scnu.edu.cn

1000-5463(2011)02-0097-06

Q948

A