用于城市徑流凈化的岸堤漫流技術(shù)的植物與基質(zhì)的組配方式

李海波 王鵬飛 李英華

摘要：面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)重的城市面源污染問(wèn)題，提出岸堤式漫流阻控技術(shù)，其中植物與基質(zhì)是漫流系統(tǒng)的重要組成部分，植物與基質(zhì)的組配是否合理嚴(yán)重影響漫流系統(tǒng)對(duì)污水的凈化效果。試驗(yàn)通過(guò)建立不同的岸堤漫流系統(tǒng)研究不同基質(zhì)和不同植物組合對(duì)漫流系統(tǒng)凈化效率和效率穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，爐渣、黃土和沙子的混合基質(zhì)比黃土、棕壤土這種單一基質(zhì)的凈化效率高，特別是對(duì)懸浮固體（SS）、氨態(tài)氮（NH3-N）、總磷（TP）的去除，去除率均在60%以上；高羊茅（Festuca elata Keng ex E. Alexeev）比黑麥草（Lolium perenne L.）更適合于漫流系統(tǒng)。高羊茅與混合基質(zhì)的組合為岸堤漫流系統(tǒng)最優(yōu)的基質(zhì)、植物配置方式。

關(guān)鍵詞：城市徑流凈化；岸堤漫流系統(tǒng)；基質(zhì)；植物；去除率；面源污染

中圖分類號(hào)：X522 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2015）07-0357-03

點(diǎn)源污染與面源污染是造成水環(huán)境污染的兩大來(lái)源[1]。目前，隨著點(diǎn)源污染治理力度的加大及治理技術(shù)的不斷完善，城市面源污染已成為造成城市水體污染的主要原因[2]，與點(diǎn)源污染不同，城市面源污染隨降雨的發(fā)成而發(fā)生，污染的發(fā)生具有隨機(jī)性和間歇性，污染源分布廣泛、不集中且污染物濃度變化很大[3]。目前成型的污水生物處理技術(shù)對(duì)有機(jī)物的去除效果很好，但不能有效去除N和P；化學(xué)方法雖能較好地去除污水中的N和P，但成本較高且會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的二次污染[4]；而岸堤漫流技術(shù)作為一種污水生態(tài)處理技術(shù)，是地表漫流技術(shù)的演變，在城市面源污染的控制中有很好的應(yīng)用前景。

岸堤式漫流技術(shù)使污水以薄層的形式在地表流動(dòng)的過(guò)程中利用“土壤—微生物—植物”系統(tǒng)，通過(guò)土壤的沉淀、吸附、過(guò)濾作用，根系微生物的生物降解以及植物的吸收作用將污染物去除[5]，不僅對(duì)N、P的去除效果好，而且具有運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。漫流技術(shù)是由土壤基質(zhì)、植物和微生物共同組成的復(fù)合系統(tǒng)，通過(guò)三者之間的一系列物理、化學(xué)和生物途徑對(duì)污染物高效去除，其中植物和土壤基質(zhì)是在工程中相對(duì)容易調(diào)節(jié)的2個(gè)因素。

植物作為漫流系統(tǒng)的重要組成部分，為微生物提供適宜生存的場(chǎng)所，減緩污水沿岸坡流動(dòng)的速度，防止污水對(duì)地表的沖刷，同時(shí)還能促進(jìn)污水中懸浮顆粒物沉淀和吸收N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。土壤基質(zhì)在為植物和微生物提供生長(zhǎng)介質(zhì)的同時(shí)，還能通過(guò)沉淀、過(guò)濾和吸附等作用直接帶走污染物[6-7]。國(guó)內(nèi)外的研究多是從植物的篩選、坡度、水利運(yùn)行條件等方面探討地表漫流技術(shù)的凈化效率，而本試驗(yàn)則是通過(guò)研究不同種類的植物與不同種類的基質(zhì)組合在相同的外部條件下對(duì)污染物的凈化效果來(lái)探討漫流技術(shù)的凈化機(jī)理，從而探求出一種科學(xué)、高效的漫流系統(tǒng)構(gòu)建模式，并為工程實(shí)踐提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)在沈陽(yáng)某大學(xué)污水模擬處理二室進(jìn)行，根據(jù)城市徑流污染物的一般濃度，限于遼寧省沈陽(yáng)市雨水較少，為了試驗(yàn)的順利進(jìn)行，在無(wú)雨期采用的是人工配制模擬雨水的方式進(jìn)水，主要采用城市內(nèi)河河水添加化學(xué)藥品配制模擬雨水。河水取自沈陽(yáng)大學(xué)附近的新開河河水，通過(guò)添加化學(xué)藥品來(lái)分別模擬懸浮固體（SS）、化學(xué)需氧量（COD）、氨態(tài)氮（NH3-N）、總磷（TP）含量等指標(biāo)（表1）。采用模擬雨水的優(yōu)點(diǎn)是：水質(zhì)穩(wěn)定且易于控制，在試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中可根據(jù)不同的試驗(yàn)要求適時(shí)調(diào)整配水成分，改變進(jìn)水的濃度和配比，以研究不同進(jìn)水濃度下漫流系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果[8]。

1.2 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)主要流程：配制廢水被灌入儲(chǔ)水桶，桶的容積為 10 L，放置在1.5 m高的鐵架子上，桶底設(shè)有布水管，通過(guò)出水閥門的調(diào)節(jié)均勻地分配到試驗(yàn)主體裝置漫流槽中，這樣可以靈活模擬實(shí)際降雨的水量與水質(zhì)，反映岸堤漫流系統(tǒng)對(duì)污水的控制效果。

1.3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)地表漫流系統(tǒng)的要求，結(jié)合場(chǎng)地要求以及徑流污染的實(shí)際特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的漫流槽長(zhǎng)2.4 m、寬1.6 m、高60 cm，平均分為3個(gè)子單元格，每個(gè)單元格面積均為1.44 m2，裝置見圖1。每個(gè)單元中，漫流坡坡度取4%，坡長(zhǎng)2 m，水力負(fù)荷LW統(tǒng)一取10 cm/d，投配時(shí)間T取8 h/d，投配頻率取5 d/周[9]。

1.4 植物與基質(zhì)的選取

1.4.1 植物 黑麥草（Lolium perenne L.）禾本科黑麥屬一年生或多年生草本，具細(xì)弱根狀莖，稈叢生，高30～90 cm，具3～4 節(jié)，質(zhì)軟，基部節(jié)上生根。高羊茅（Festuca elata Keng ex E. Alexeev）禾本科羊茅屬，稈成疏叢，直立，粗糙；莖圓形，直立，粗壯，簇生；根系深，耐貧瘠土壤。本試驗(yàn)的2種植物事先進(jìn)行選種、栽培以及耐污試驗(yàn)后，移植到漫流試驗(yàn)裝置中進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4.2 基質(zhì) 棕壤土（經(jīng)過(guò)2 mm篩子篩選）；黃土（經(jīng)過(guò) 2 mm 篩子篩選）；黃土、細(xì)沙和爐渣（經(jīng)過(guò)2 mm篩子篩選） 6 ∶3 ∶1 混合[10]。鋪設(shè)方法：在基質(zhì)的最下層是防滲層，采用滲透性小的黏土，防滲層高10 cm，逐層鋪設(shè)，即鋪 2 cm 壓實(shí)后進(jìn)行水旱，然后再鋪2 cm，再水旱，直到10 cm。這樣鋪設(shè)后，經(jīng)過(guò)測(cè)試，土壤滲透系數(shù)K=0.46 cm/h，符合地表漫流系統(tǒng)的要求。然后將3種上層基質(zhì)分別布置在3個(gè)單元格中（圖2）。

1.5 試驗(yàn)運(yùn)行

根據(jù)所選植物的種類，試驗(yàn)分2個(gè)階段，即第1階段在3種基質(zhì)上種植黑麥草，第2階段在3種基質(zhì)上種植高羊茅。種植植物后，每天以清水布水運(yùn)行，運(yùn)行2周后，植物長(zhǎng)勢(shì)良好，出水中不再有大量土粒沖出，系統(tǒng)穩(wěn)定，然后開始試驗(yàn)[11]。在每個(gè)試驗(yàn)階段，每天試驗(yàn)開始前用蒸餾水澆灌儲(chǔ)水桶，落干后再灌入人工污水正式開始運(yùn)行。儲(chǔ)水桶中灌入人工污水后，打開控制開關(guān)，水在重力作用下緩慢均勻地流入漫流槽。每天08：00開始布水，16：00停止布水，11：00和15：00取2次樣，連續(xù)共取4 d，即每個(gè)階段取8個(gè)樣。

1.6 測(cè)定項(xiàng)目與方法

根據(jù)雨水徑流污染的普遍特征，選用的水質(zhì)分析指標(biāo)包括懸浮固體含量、化學(xué)需氧量、氨態(tài)氮含量和總磷含量。以上指標(biāo)根據(jù)文獻(xiàn)[10]規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見表2。

2 結(jié)果與分析

2.1 SS的凈化效果

在種植黑麥草時(shí)，混合基質(zhì)、黃土基質(zhì)、棕壤土基質(zhì)對(duì)SS的平均去除率分別為74.02%、70.95%、70.25%；在種植高羊茅時(shí)，混合基質(zhì)、黃土基質(zhì)、棕壤土基質(zhì)對(duì)SS的平均去除率分別為73.15%、64.58%、56.13%（圖3）。排除植物的影響只看基質(zhì)，3種基質(zhì)對(duì)SS的去除效果由好到差依次為混合基質(zhì)、黃土基質(zhì)、棕壤土基質(zhì)。取樣時(shí)發(fā)現(xiàn)，混合基質(zhì)的出水明顯好于其他2種基質(zhì)，混合基質(zhì)出水清澈，黃土和黑土基質(zhì)的出水較混濁。這主要是因?yàn)闋t渣的加入，有利于對(duì)顆粒的吸附，又由于黃土的黏性好于黑土，所以黑土顆粒更容易被沖刷出來(lái)。排除基質(zhì)的影響只看植物，就平均去除率來(lái)看，高羊茅對(duì)SS的去除效果優(yōu)于黑麥草，但是由圖3可知，高羊茅的去除效果變化較大，沒(méi)有黑麥草穩(wěn)定，這是由于在移植高羊茅后未能等到系統(tǒng)完全穩(wěn)定就開始試驗(yàn)造成的，若能運(yùn)行一段時(shí)間，其穩(wěn)定性會(huì)提高。在本試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，硅藻土的去除主要發(fā)生在系統(tǒng)前端，前端有明顯的硅藻土堆積現(xiàn)象，即在漫流系統(tǒng)下，污水中的SS在短距離流動(dòng)后就能被有效去除，其去除率和坡長(zhǎng)有關(guān)，即坡長(zhǎng)越大，去除率越好[12]。

2.2 COD的凈化效果

在種植黑麥草時(shí)，混合基質(zhì)、黃土基質(zhì)、棕壤土基質(zhì)對(duì)COD的平均去除率為20.96%、21.34%、29.33%；在種植高羊茅時(shí)，混合基質(zhì)、黃土基質(zhì)、棕壤土基質(zhì)對(duì)COD的平均去除率為34.88%、29.98%、29.55%（圖4）。當(dāng)種植黑麥草時(shí)，3種基質(zhì)對(duì)COD的去除效果由好到差依次為黑土基質(zhì)、黃土基質(zhì)、

混合基質(zhì)；當(dāng)種植植物為高羊茅時(shí)，3種基質(zhì)對(duì)COD的去除效果由好到差依次為混合基質(zhì)、黃土基質(zhì)、黑土基質(zhì)。兩種情況下出現(xiàn)了不一致的結(jié)果，因?yàn)镃OD的去除主要還是靠微生物的降解，黑麥草是在漫流槽內(nèi)種植的，黑土中含有豐富的腐殖質(zhì)，更有利于植物生長(zhǎng)，黑土基質(zhì)中的黑麥草稠密度明顯大于黃土基質(zhì)和混合基質(zhì)，因而根系更發(fā)達(dá)，更有利于微生物生長(zhǎng)繁殖，所以去除效果最佳；然而，在移植高羊茅以后，人工移植的結(jié)果造成三者中植物的稠密度幾乎相同，此時(shí)微生物降解作用幾乎一致，有研究表明，有機(jī)物會(huì)有一部分附著在懸浮顆粒的表面，混合基質(zhì)更有利于懸浮顆粒的去除，因而造成對(duì)有機(jī)物的去除率更高一些。但是，不管哪種組合對(duì)COD的去除率基本保持在30%左右，相差不大，即本系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果不是很好，這與植物還處在生長(zhǎng)期又很關(guān)系，如果系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行之后，對(duì)COD的去除效果會(huì)有所提高。

2.3 NH3-N的凈化效果

在種植黑麥草時(shí)，混合基質(zhì)、黃土基質(zhì)、棕壤土基質(zhì)對(duì)NH3-N的平均去除率為61.53%、38.45%、59.61%；在種植高羊茅時(shí)，混合基質(zhì)、黃土基質(zhì)、棕壤土基質(zhì)對(duì)NH3-N的平均去除率為90.18%、83.04%、83.93%（圖5）。排除植物的影響只看基質(zhì)，對(duì)氨態(tài)氮去除效果最好的都是混合基質(zhì)；排除基質(zhì)的影響只看植物，高羊茅對(duì)氨態(tài)氮的去除效果最好，能達(dá)到85%左右，明顯好于黑麥草。NH3-N的去除是揮發(fā)、植物吸收、土壤基質(zhì)吸附和微生物的硝化與反硝化作用的結(jié)果?？傮w上看，漫流系統(tǒng)具有一定的抗氨態(tài)氮負(fù)荷沖擊的能力。

2.4 TP的凈化效果

在種植黑麥草時(shí)，混合基質(zhì)、黃土基質(zhì)、棕壤土基質(zhì)對(duì)TP的平均去除率為64.60%、54.68%、60.41%；在種植高羊茅時(shí)，混合基質(zhì)、黃土基質(zhì)、棕壤土基質(zhì)對(duì)TP的平均去除率為66.09%、 58.55%、 57.89%（圖6）。 排除植物的影響只看基

質(zhì)，對(duì)氨態(tài)氮去除效果最好的都是混合基質(zhì)；排除基質(zhì)的影響只看植物，2種植物對(duì)總磷的去除效果幾乎相同，高羊茅稍好于黑麥草。這主要是因?yàn)榱椎娜コ饕€是靠土壤基質(zhì)的吸附作用，混合基質(zhì)中爐渣的加入促進(jìn)了這種吸附作用。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)采用室內(nèi)模擬的方式研究岸堤漫流系統(tǒng)中不同植物與基質(zhì)的配置方式對(duì)污水凈化的效果，結(jié)果顯示，3種基質(zhì)對(duì)污染物的整體去除效果依次為混合基質(zhì)>棕壤土基質(zhì)>黃土基質(zhì)；2種植物對(duì)污染物的整體去除效果依次為高羊茅>黑麥草。岸堤漫流系統(tǒng)對(duì)SS、NH3-N、TP有較好的去除效果，去除率均在60%以上，對(duì)COD的去除率僅達(dá)到30%左右。岸堤式漫流系統(tǒng)可以應(yīng)用于城市面源污染的控制中，特別是對(duì)SS的去除效果較好。混合基質(zhì)較單一基質(zhì)對(duì)污染物的去除效果更好。

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