3種挺水植物對(duì)農(nóng)村生活污水的凈化效果比較

郭杏妹 王代容 曾春山

摘要[目的]篩選對(duì)農(nóng)村生活污水凈化效果較好的挺水植物。[方法]選用花葉蘆竹（Arundo donax）、翠蘆莉（Ruellia brittoniana）、水蔥（Scirpus tabernaemontani）3種挺水植物模擬潛流人工濕地處理生活廢水，研究3種植物對(duì)氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（COD）的凈化效果。[結(jié)果]花葉蘆竹、翠蘆莉、水蔥對(duì)水體中NH4+-N、TP、COD的去除效果明顯，168 h后3種植物對(duì)NH4+-N的去除效率達(dá)到94.6%，而最低的COD的去除效率也達(dá)到89.8%。[結(jié)論]采用濕地植物處理農(nóng)村生活污水具有投資成本少、處理效果好、出水水質(zhì)好等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞生活廢水；挺水植物；去除效率；凈化效果

中圖分類號(hào)S181文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2017）20-0070-03

Abstract[Objective] To screen the emergent plants which have better purifying effect on rural sewage.[Method] Subsurface flow constructed wetland for treatment of domestic wastewater by simulation of Arundo donax，Ruellia brittoniana，Scirpus validus

.The purification effects of three plants on NH4+-N，TP and COD were studied.[Result] The results showed that the removal rate of NH4+-N，TP and COD in the water of the three plants was obvious.After 168 hours，the removal rate of ammonia nitrogen for the three plants reached 94.6%，while the minimum COD removal rate was 89.8%.[Conclusion] The treatment of rural domestic sewage with wetland plants has the characteristics of low investment cost，good treatment effect and good effluent quality.

Key wordsDomestic sewage；Emergent plants；Disposal rate；Cleansing effect

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的背景下，農(nóng)村水污染問(wèn)題日益突出[1]。近年來(lái)，伴隨一系列環(huán)境問(wèn)題的出現(xiàn)，全社會(huì)的環(huán)境意識(shí)隨之加強(qiáng)，我國(guó)大力加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)工作的力度取得了一定成效，但由于種種因素制約，農(nóng)村水污染問(wèn)題不容樂(lè)觀[2-3]。農(nóng)村水污染影響環(huán)境的同時(shí)，還嚴(yán)重?fù)p害了群眾的身體健康和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，解決農(nóng)村水環(huán)境現(xiàn)狀成為刻不容緩的問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用于生活污水的處理技術(shù)大致可歸為2類，第一類是“污水處理廠”工藝，第二類是“自然處理系統(tǒng)”[4-5]，如土壤滲濾、生物濾池和人工濕地技術(shù)。另外，還有一些示范工程采用2種工藝混合技術(shù)。人工濕地技術(shù)處理農(nóng)村生活污水具有廣泛的應(yīng)用前景[6-7]，其中，植物是人工濕地的核心。因此，尋找生長(zhǎng)快、生物量大、去污能力強(qiáng)的挺水植物是人工濕地技術(shù)處理農(nóng)村生活污水的重要環(huán)節(jié)[8-9]。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用于實(shí)際濕地工程的植物種類較少。筆者通過(guò)靜態(tài)試驗(yàn)，篩選具有較高污水凈化能力的濕地植物，研究植物密度和停留時(shí)間對(duì)污染物去除率的影響，旨在為今后的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1材料與方法

1.1系統(tǒng)組成

該試驗(yàn)采用自制的栽培箱，規(guī)格為65 cm×46 cm×40 cm，每個(gè)箱子的同一側(cè)在23 cm×25 cm處（進(jìn)水口）和底部（出水口）均開(kāi)孔，安裝可開(kāi)關(guān)控制的水龍頭。試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)采用的模塊化人工生態(tài)填料是一種多孔透水混凝土，主要是粗骨科、粉煤灰、水泥、化學(xué)添加劑和水等攪拌而成，是一種不含細(xì)骨科，表面包裹一層膠結(jié)材料的緊密鑲嵌、隨機(jī)堆疊、相互粘結(jié)而成的均勻連續(xù)分布的蜂窩狀沙琪瑪結(jié)構(gòu)，為10 cm×10 cm×10 cm的立方體模具。每個(gè)培養(yǎng)箱整齊均勻置入12塊人工生態(tài)填料，把10個(gè)培養(yǎng)箱分為4組，前3組培養(yǎng)箱每組分別栽種3種挺水植物，即花葉蘆竹（Arundo donax）[10]、翠蘆莉（Ruellia brittoniana）[11]、水蔥（Scirpus tabernaemontani）[12]。3種植物均來(lái)源于中山綠草原花木場(chǎng)，平均株高8～15 cm，栽種密度分別為每槽4、6、8株。最后1組只放模擬濕地材料，作為空白對(duì)照（CK）。

1.2試驗(yàn)材料和原水水質(zhì)

試驗(yàn)原水主要是人工配水，取自然污水作為實(shí)際研究，人工配水為實(shí)驗(yàn)室配水，配制方法：往300 L清水中加入硝酸銨42.70 g、磷酸二氫鉀5.27 g、鄰苯二酸氫鉀102.00 g，以及一定量的硝酸鉀和硝酸鎂。自然污水取自華南師范大學(xué)大學(xué)城校區(qū)理一棟附近水閘前，該處污水主要來(lái)源為大學(xué)城校區(qū)的部分生活污水。試驗(yàn)期間模擬潛流人工濕地系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1植物適應(yīng)性培養(yǎng)。

每個(gè)培養(yǎng)箱中加入約20 L清水進(jìn)行適應(yīng)性培養(yǎng)，培養(yǎng)時(shí)間約30 d，每5～7 d更換1次水，以保持水質(zhì)清潔。30 d后將培養(yǎng)箱中的清水完全傾倒干凈后，向每個(gè)培養(yǎng)箱加入約20 L人工污水。

1.3.2污水處理。人工污水處理過(guò)程中，每隔24 h取1次水樣，并分析污水中各種污染物的含量，得出模擬潛流人工濕地系統(tǒng)處理結(jié)果。試驗(yàn)水質(zhì)常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目的測(cè)定方法參照《水和廢監(jiān)測(cè)分析方法（第4 版）》。

2結(jié)果與分析

2.1模擬潛流人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水中NH4+-N、TP、COD的凈化效果在人工濕地系統(tǒng)中，NH4+-N的去除途徑主要有揮發(fā)氨化、硝化、反硝化、植物攝取和基質(zhì)吸附[13]。由圖2可知，3種植物對(duì)NH4+-N的去除率隨著停留時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，符合正常規(guī)律。在144 h以內(nèi)，3種植物對(duì)NH4+-N的去除率相當(dāng)，當(dāng)停留時(shí)間達(dá)到168 h時(shí)，翠蘆莉比另外2種植物的去除率稍高，達(dá)到94.6%，花葉蘆竹和水蔥為92.0%。花葉蘆竹處理效果稍差的原因是其根系活力相對(duì)較低，導(dǎo)致其吸收與轉(zhuǎn)化污染物的能力較弱[14]。

對(duì)于3種植物對(duì)TP的去除率， 72 h以內(nèi)從大到小依次為水蔥、花葉蘆竹、翠蘆莉。水蔥有較高去除率的原因可能是其莖具有蠟質(zhì)，能吸附較多的磷[15]。

人工濕地對(duì)CODCr的去除主要是依靠污水中有機(jī)物的沉淀、基質(zhì)吸附和植物根系微生物的降解作用[16]。在120 h內(nèi)3種植物對(duì)COD的去除率相當(dāng)，但停留時(shí)間為120～168 h時(shí)，3種植物對(duì)COD的去除率從大到小依次為翠蘆莉、花葉蘆竹、水蔥。

水蔥對(duì)COD的去除率低于前兩者的原因是試驗(yàn)過(guò)程中水蔥的生物量并未明顯增大，可判斷其對(duì)水中有機(jī)污染物的吸收量較少，且生長(zhǎng)周期較短[17]，枯萎脫落的器官使污染物容易返回水中。因此，應(yīng)定期對(duì)水蔥采取收割措施，以防凈化的污水被重新污染。

2.2株數(shù)對(duì)3種挺水植物去除污水中NH4+-N、TP和COD的影響

水生植物對(duì)水體環(huán)境中污染物的富集量和凈化效率與植物生物量密切相關(guān)， 因而提高水生植物凈化效率的一個(gè)重要途徑就是提高植物密度量[18]。由圖3可知，3種植物的株數(shù)對(duì)NH4+-N去除率的影響在前72 h有較為明顯的規(guī)律，從大到小依次為8株、6株、4株，但是72 h以后3種植物的株數(shù)對(duì)NH4+-N去除率的影響明顯變小。這說(shuō)明植物對(duì)于NH4+-N的去除效果主要在試驗(yàn)前期，隨著停留時(shí)間的延長(zhǎng)，植物對(duì)NH4+-N的吸附和吸收逐漸飽和，并且其飽和值相當(dāng)接近。

不同株數(shù)的花葉蘆竹、翠蘆莉和水蔥對(duì)TP的去除率不是隨生物量增多而增高的一般規(guī)律，花葉蘆竹、翠蘆莉?qū)P的去除率從大到小依次為8株、4株、6株，這說(shuō)明并非株數(shù)栽種與去除率一定成正比，還與植物本身凈光合速率有關(guān)，株數(shù)越多，同等空間占比較小，影響光合作用導(dǎo)致降低凈化作用。3種植物對(duì)污水中TP的去除效果以水蔥為最佳，停留時(shí)間為168 h，去除率達(dá)到93.8%，而花葉蘆竹、翠蘆莉的處理效果次之。對(duì)于TP的去除主要是化學(xué)吸附和沉積去除兩者的結(jié)合，并在過(guò)程中伴隨植物本身釋放的磷酸酶產(chǎn)生抑制作用。

試驗(yàn)過(guò)程中，停留時(shí)間96 h以內(nèi)不同株數(shù)的3種植物對(duì)COD的去除率基本符合“8株>6株>4株”的一般規(guī)律。而96 h之后，3種植物的株數(shù)對(duì)COD去除率的影響小。3種植物對(duì)COD的去除能力從大到小依次為翠蘆莉、花葉蘆竹、水蔥，株數(shù)為8時(shí)，去除率分別為89.8%、81.7%、78.7%。通過(guò)構(gòu)建微型潛流人工濕地，發(fā)揮挺水植物和濕地基質(zhì)的共同凈污效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)3種植物中翠蘆莉?qū)ξ鬯蠧OD總體表現(xiàn)出較高的凈污能力。

2.3停留時(shí)間對(duì)3種挺水植物去除污水中NH4+-N、TP、COD的影響由圖4可知，168 h內(nèi)3種植物對(duì)NH4+-N、COD、TP的去除率總體呈前期上升、后期平緩趨勢(shì)，這符合一般規(guī)律。污水進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)初期，基質(zhì)和根系的吸附作用、微生物的分解作用及植物的吸收作用三者共同存在，且植物與微生物均處于快速生長(zhǎng)或繁殖階段，利用了大量污染物，使得污染物的去除速率較大。后期因?yàn)榛|(zhì)和根系的吸附作用已經(jīng)逐漸飽和，根系生長(zhǎng)也趨于成熟，微生物由于最大生物量的限制，其繁殖速率也有所減慢，這些因素均導(dǎo)致污染物的去除速率有所減慢。污水處理后的水質(zhì)可以滿足廣東省水污染物排放限（DB 44/26—2001）第2時(shí)段一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明該研究具有良好的實(shí)際應(yīng)用前景。

3結(jié)論

（1）該研究結(jié)果表明，翠蘆莉、花葉蘆竹、水蔥3種挺水植物對(duì)水中污染物的去除率均較高，但是對(duì)不同污染物的處理能力不盡相同，植物株數(shù)為8時(shí)，3種植物對(duì)NH4+-N的去除能力從大到小依次為翠蘆莉、水蔥、花葉蘆竹，去除率分別為94.6%、91.9%、91.4%；3種植物對(duì)TP的去除能力從大到小依次為水蔥、翠蘆莉、花葉蘆竹，去除率分別為93.8%、92.0%、91.3%；對(duì)COD的去除能力從大到小依次為翠蘆莉、花葉蘆竹、水蔥，去除率分別為89.8%、81.7%、78.7%。通過(guò)構(gòu)建微型潛流人工濕地，發(fā)揮挺水植物和濕地基質(zhì)的共同凈污效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)3種挺水植物中翠蘆莉?qū)ξ鬯蠳H4+-N、TP、COD總體表現(xiàn)出較高的凈污能力[19]。

（2）當(dāng)種植株數(shù)為8時(shí)，植物對(duì)污染物的去除率總體最高，這表明污染物的去除率一般隨植物株數(shù)的增多而增大。

（3）污染物的去除率隨停留時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，且前96 h的去除速率明顯比后72 h要大，這與介質(zhì)的吸附和植物與微生物的生長(zhǎng)有關(guān)。

（4）2種污水處理后的水質(zhì)均滿足廣東省水污染物排放限（DB 44/26—2001）第2時(shí)段一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明該研究具有廣闊實(shí)際應(yīng)用前景。

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