人工濕地植物對(duì)北方河流凈化效果模型研究

趙　楊（石家莊市崗黃水庫監(jiān)督監(jiān)測(cè)站，河北石家莊050031）

人工濕地植物對(duì)北方河流凈化效果模型研究

趙楊
（石家莊市崗黃水庫監(jiān)督監(jiān)測(cè)站，河北石家莊050031）

水環(huán)境的持續(xù)性惡化已嚴(yán)重影響了社會(huì)的可持續(xù)性發(fā)展，人工濕地作為地球之肺在美化環(huán)境、改善氣候、涵養(yǎng)水源等方面越來越受關(guān)注，水生植物是人工濕地的核心之一。選取9種有代表性的水生植物作為研究對(duì)象，考察了水生植物對(duì)北方河流實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬艋Ч?，結(jié)果表明，人工濕地植物均有較好的凈化效果，綜合凈化能力依次為沉水植物>浮水植物>挺水植物。

人工濕地；水生植物；水環(huán)境

多年來中國水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)惡化，由于水污染所導(dǎo)致的缺水現(xiàn)象不斷發(fā)生，造成了不良的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。濕地是地球上廣泛分布的陸地生態(tài)系統(tǒng)之一，因其生態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣且具有較高的自然生產(chǎn)力，為人類生產(chǎn)、生活提供了極為豐富的自然資源，在調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、蓄洪抗旱、控制土壤侵蝕、凈化水質(zhì)等方面發(fā)揮了巨大作用，被譽(yù)為“地球之肺”。人工濕地作為一種低能耗、投資少、簡易有效的生態(tài)化污水處理技術(shù)，近些年來越來越受到重視〔1-3〕。水生植物是人工濕地的核心之一，可通過吸收、吸附和富集等作用直接從水層和底泥中吸收氮、磷等污染物，同時(shí)植物的合理配置會(huì)充分顯示觀賞價(jià)值，增強(qiáng)景觀性。近些年，水生植物的重要生態(tài)功能與生態(tài)地位在淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)中得以充分體現(xiàn)〔4〕。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1水生植物的選取

科學(xué)合理地選取水生植物是保障人工濕地正常運(yùn)轉(zhuǎn)和充分發(fā)揮作用的重要環(huán)節(jié)〔5-6〕。本實(shí)驗(yàn)依據(jù)生態(tài)學(xué)原理并結(jié)合北方城市水環(huán)境特點(diǎn)，在考慮了成本的基礎(chǔ)上選取9種水生植物作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，如表1所示。實(shí)驗(yàn)中的全部水生植物均為當(dāng)年移栽種植。

表1　實(shí)驗(yàn)選取的水生植物

1.2實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪x取及構(gòu)建

選取石家莊市動(dòng)物園人工濕地為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?-9〕：一是其水體氮磷有時(shí)候超標(biāo)，符合自然水體狀態(tài)；二是水體較小，漲落頻率低，易于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析比較。石家莊市動(dòng)物園位于河北省鹿泉市，地處東經(jīng)114°18′，北緯38°05′，位于河北省中南部偏西，太行山東麓，其西部為丘陵，東部為沖積扇平原，海拔由100m逐漸降至65m，屬溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，氣候溫和。人工濕地位于園區(qū)東部平原地區(qū)的自然行洪沖溝內(nèi)，總占地面積15 000m2，動(dòng)物生活及展示面積為10 000m2，主要種植柳樹、構(gòu)樹、蘆葦、黃花鳶尾、慈姑、香蒲等，并飼養(yǎng)有丹頂鶴、白鶴、紅面鶴、蓑羽鶴、東非冠鶴等。

本實(shí)驗(yàn)區(qū)主體為石家莊市動(dòng)物園的人工池塘，面積約1 000m2，平均深度2m，共建立了10個(gè)4m×3m的圍隔靜態(tài)實(shí)驗(yàn)區(qū)，選取1個(gè)為對(duì)照區(qū)，其余9個(gè)分別種植蘆葦、香蒲、菖蒲、黃花鳶尾、美人蕉、金魚藻、黑藻、馬來眼子菜和鳳眼蓮。池壁四周為水泥面，池底為夯實(shí)泥土，在泥土表面覆蓋一層35～45 cm厚底泥。用防水布封閉每個(gè)圍隔的四壁，上口用PVC管材搭建框架，并用長竹竿和鐵絲固定，如此可將每個(gè)圍隔內(nèi)的水體近似看作封閉體系。底泥取自崗南、黃壁莊水庫，實(shí)驗(yàn)用水取自崗南、黃壁莊水庫。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2015年7月10日至2015年8月29日，歷時(shí)52 d。

實(shí)驗(yàn)開始，在移栽水生植物前，向每個(gè)圍隔內(nèi)加水至水深1.0m。實(shí)驗(yàn)原水主要污染物指標(biāo)為總氮（TN）1.07~1.94 mg/L，總磷（TP）0.07~0.13 mg/L，氨氮（NH4+-N）0.17~0.26mg/L，高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）4.68~7.01mg/L。

1.3實(shí)驗(yàn)分析項(xiàng)目及方法

根據(jù)北方城市水環(huán)境特點(diǎn)和國家水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，選取了7個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行水質(zhì)分析。水質(zhì)分析項(xiàng)目及方法見表2。

表2　水質(zhì)分析項(xiàng)目及方法

2　結(jié)果與討論

2.1水生植物對(duì)水體溶解氧的影響

溶解氧是水生生物生存和水體感官的重要指標(biāo)之一，水體中溶解氧含量的多少還可直觀反映水體富營養(yǎng)化狀態(tài)。一般清潔地表水中的溶解氧高于7.5mg/L。當(dāng)溶解氧為3～4mg/L時(shí)，魚類已難以生存；當(dāng)溶解氧＜2mg/L，厭氧菌易繁殖，導(dǎo)致水體惡化、發(fā)臭。水生植物對(duì)水體溶解氧的影響如表3所示。

表3　不同水生植物存在下水體溶解氧的變化

由表3可知，只有鳳眼蓮實(shí)驗(yàn)區(qū)水體中的溶解氧濃度比對(duì)照區(qū)低，其余均始終高于對(duì)照區(qū)。鳳眼蓮實(shí)驗(yàn)區(qū)溶解氧濃度開始偏低，后逐漸升高，最大增幅為230%，說明種植鳳眼蓮能夠明顯增加水體溶解氧濃度。

2.2水生植物對(duì)水體CODMn的凈化效果

CODMn常用來表征水體受有機(jī)污染物和還原性無機(jī)污染物污染的程度。我國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，Ⅱ類水的CODMn≤4mg/L，Ⅲ類水的CODMn≤6 mg/L。水生植物對(duì)水體CODMn的凈化效果分別如圖1、圖2所示。

由圖1和圖2可以看出，由于水體自凈作用，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，對(duì)照區(qū)水體CODMn降低了23.3%。香蒲、菖蒲、黃花鳶尾和美人蕉實(shí)驗(yàn)區(qū)水體CODMn去除率分別為45.6%、32.6%、47.5%和46.6%，上述實(shí)驗(yàn)區(qū)對(duì)水體CODMn有較好的去除效果，均高于對(duì)照區(qū)。浮水植物鳳眼蓮實(shí)驗(yàn)區(qū)的水體CODMn在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)一直高于對(duì)照區(qū)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，CODMn去除率僅為18.8%。沉水植物金魚藻、黑藻、馬來眼子菜實(shí)驗(yàn)區(qū)水體CODMn整體呈下降趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，水體CODMn比對(duì)照區(qū)分別低32.9%、11.9%和17.9%。

圖1　挺水植物實(shí)驗(yàn)區(qū)水體CODMn的變化

圖2　浮水、沉水植物實(shí)驗(yàn)區(qū)水體CODMn的變化

圖3　挺水植物實(shí)驗(yàn)區(qū)水體氨氮的變化

圖4　浮水、沉水植物實(shí)驗(yàn)區(qū)水體氨氮的變化

2.3水生植物對(duì)水體氮的凈化效果

氮是衡量水體富營養(yǎng)化程度的重要指標(biāo)之一〔10〕。生活污水中的有機(jī)物、工業(yè)廢水和農(nóng)田排水均是氨氮的主要來源，氨氮濃度過高會(huì)對(duì)水生生物產(chǎn)生毒害作用。我國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，Ⅱ類地表水氨氮質(zhì)量濃度≤0.5mg/L，Ⅲ類地表水氨氮質(zhì)量濃度≤1.0mg/L。水生植物對(duì)水體氨氮的凈化效果分別如圖3、圖4所示。

圖3和圖4表明，由于水體自凈作用，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，對(duì)照區(qū)水體氨氮下降了30.32%，但水體自凈能力有限，實(shí)驗(yàn)最后10 d內(nèi)對(duì)照區(qū)水體氨氮變化很小。實(shí)驗(yàn)前20 d，挺水植物實(shí)驗(yàn)區(qū)水體氨氮濃度呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)，菖蒲實(shí)驗(yàn)區(qū)水體氨氮濃度在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第30天時(shí)達(dá)到最高，后又有所下降但始終高于對(duì)照區(qū)水體氨氮濃度，氨氮去除效果不理想；香蒲實(shí)驗(yàn)區(qū)水體氨氮濃度在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第40天時(shí)出現(xiàn)回升，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，水體氨氮濃度比對(duì)照區(qū)低25.89%；蘆葦實(shí)驗(yàn)區(qū)水體氨氮濃度一直保持緩慢下降趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，氨氮去除率為42.68%；實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，黃花鳶尾、美人蕉實(shí)驗(yàn)區(qū)水體氨氮濃度分別比對(duì)照區(qū)低18.96%、10.88%。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，浮水植物鳳眼蓮實(shí)驗(yàn)區(qū)水體氨氮去除率為44.6%。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，沉水植物實(shí)驗(yàn)區(qū)水體氨氮質(zhì)量濃度均減少到0.10 mg/L左右，優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Ⅱ類水氨氮質(zhì)量濃度≤0.5mg/L，分析其原因是因?yàn)槌了参镎w生長在水下且每個(gè)部位均能充分吸收營養(yǎng)物質(zhì)。

國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Ⅱ類水總氮質(zhì)量濃度≤0.5mg/L，Ⅲ類水總氮質(zhì)量濃度≤1.0mg/L。實(shí)驗(yàn)初期，由于水體自凈和水生植物凈化作用相疊加，各實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)水體總氮含量均呈下降趨勢(shì)。但水體自凈能力有限，后期水體自凈能力減弱，植物凈化作用顯現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各水生植物實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)水體總氮含量均比對(duì)照組低，對(duì)照區(qū)水體總氮質(zhì)量濃度為1.02 mg/L，挺水植物實(shí)驗(yàn)區(qū)水體總氮質(zhì)量濃度為0.40～0.98mg/L，浮水植物鳳眼蓮實(shí)驗(yàn)區(qū)水體總氮質(zhì)量濃度為0.88mg/L，沉水植物實(shí)驗(yàn)區(qū)水體總氮質(zhì)量濃度為0.86～0.89mg/L。其中蘆葦和香蒲對(duì)水體總氮凈化效果最好；黃花鳶尾和鳳眼蓮次之；美人蕉和菖蒲最差。

2.4水生植物對(duì)水體磷的凈化效果

磷同氮一樣是引起水體富營養(yǎng)化的主要因素之一，磷在湖泊、水庫的富營養(yǎng)評(píng)價(jià)中，通常的臨界質(zhì)量濃度為0.11mg/L，重富營養(yǎng)磷臨界質(zhì)量濃度為0.25mg/L〔11〕。水生植物對(duì)水體磷的凈化效果分別如圖5、圖6所示。

圖5　挺水植物實(shí)驗(yàn)區(qū)水體總磷的變化

圖6　浮水、沉水植物實(shí)驗(yàn)區(qū)水體總磷的變化

從圖5和圖6可以看出，實(shí)驗(yàn)前10 d，每個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)水體總磷濃度均有下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，對(duì)照區(qū)水體總磷濃度下降了38.9%；挺水植物蘆葦、香蒲、菖蒲、黃花鳶尾和美人蕉實(shí)驗(yàn)區(qū)水體總磷去除率分別為33.78%、41.97%、63.21%、49.50%和43.11%，菖蒲對(duì)水體總磷的去除效果較好；浮水植物鳳眼蓮實(shí)驗(yàn)區(qū)水體總磷去除率為35.89%；沉水植物金魚藻、黑藻和馬來眼子菜實(shí)驗(yàn)區(qū)水體總磷去除率分別為64.21%、 59.20%和60.70%。

3　結(jié)論

人工濕地是一個(gè)較完整的生態(tài)系統(tǒng)，我國人工濕地污水處理技術(shù)發(fā)展相對(duì)較晚，目前仍處于起步階段。研究結(jié)果表明，人工濕地植物對(duì)北方河流實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬艋Ч^好，其能有效去除水體中的營養(yǎng)物質(zhì)，凈化水質(zhì)，使水體的透明度及溶解氧有顯著提高。不同類型水生植物對(duì)水體的綜合凈化能力依次為沉水植物>浮水植物>挺水植物。在以人工濕地植物凈化水體的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)考慮環(huán)境特點(diǎn)合理搭配物種，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，使人工濕地凈化能力達(dá)到最佳效果。

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Study on the purification effects ofconstructed wetland p lants on the northern rivers

Zhao Yang（Gangnan and Huangbizhuang Reservoir Supervision and Monitoring Station of Shijiazhuang，Shijiazhuang050031，China）

The on going deterioration ofwater environmentaffects the socialsustainable developmentseriously.The constructed wetland as the lungs of earth to beautify the environment，improve the climate，and nourish water sources，etc.is attracting people’s attention more and more.The water plant are one of the cores of constructed wetland.9 kinds of typicalwater plants have been chosen as the research object.The purification effects ofwater plants on the experimental model of northern rivers are investigated.The results show that all of the plants in constructed wetland have pretty good purification effects.The order of purifying capabilities are summarized as follows：submerged plants>floating plants>emergentaquatic plants.

constructed wetland；water plants；waterenvironment

X703

A

1005-829X（2016）10-0052-04

河北省環(huán)?？蒲薪?jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目

趙楊（1985—），碩士，工程師。E-mail：812591663@qq. com。

2016-07-26（修改稿）