蘆葦、香蒲等濕地植物對總磷去除效率的比較

劉 陽

(山東省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250013)

1 簡介

1.1 我國在污水處理面臨的問題

目前隨著工業(yè)的發(fā)展，在帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也對環(huán)境造成了不可小視的破壞，水質(zhì)的不斷惡化引起了政府的高度重視，在最近的20多年，各級政府建立了數(shù)量眾多的污水處理廠用于治理污水，水質(zhì)惡化問題在一定程度上得到了緩解，但就目前的處理情況看，水體污染的形勢依舊嚴(yán)峻，水體污染主要表現(xiàn)在以下三個(gè)指標(biāo)，CODcr、N、P的超標(biāo)，引起水體富營養(yǎng)化等重大環(huán)境事故頻繁發(fā)生，對社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的影響較大[1]。針對目前的現(xiàn)狀，治理水環(huán)境的側(cè)重點(diǎn)在于對工藝的優(yōu)化以及改善，控制水體中氮磷的含量，從而逐步對整體的水體進(jìn)行改善，提高水體質(zhì)量。

生活污水深度處理再利用不僅有利于緩解水資源的緊缺的現(xiàn)狀，也有利于對水資源綜合整治，達(dá)到節(jié)省新鮮水資源且獲取一定的環(huán)境效益[2]，二級生化處理后排放的水可用于農(nóng)業(yè)灌溉，以減少對地下水的抽取，把節(jié)約出來的水供給水資源匱乏的城市用水，解決水資源匱乏地區(qū)的用水問題，由此可見，研究發(fā)展深度處理技術(shù)是很有必要的。

目前現(xiàn)有的深度處理技術(shù)足夠解決傳統(tǒng)污水引起的N、P超標(biāo)對水體的污染問題，同時(shí)高昂的運(yùn)營費(fèi)用也制約了現(xiàn)有的工藝技術(shù)很難大面積進(jìn)行推廣，同時(shí)效果也達(dá)不到最理想的狀態(tài)。由此，迫切需要新的工藝來技術(shù)來解決上述面臨的問題，用什么樣的技術(shù)，怎樣的工藝組合更適合運(yùn)用于污水的深度處理是非常值得研究的[3]。

1.2 人工濕地技術(shù)

人工濕地是通過人為創(chuàng)造的一種適合水生植物生長，控制其中某些條件用于處理污水的新技術(shù)[4]，人工濕地具有建造以及運(yùn)行費(fèi)用低、后期維護(hù)簡單、適用范圍廣，抗污性高、處理污染物范圍廣泛，不僅對氮磷有很明顯的去除效果，而且對重金屬以及酸性的有機(jī)物無機(jī)礦物質(zhì)也就有不錯(cuò)的去除能力。

1.3 不同植物對總磷的去除效果

大量研究證明，在選擇濕地中植物的種類對整個(gè)系統(tǒng)及其重要，在選擇植物時(shí)應(yīng)該遵循以下原則：①適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境；②耐污性強(qiáng)；③根系發(fā)達(dá)④植物間的合理搭配；⑤具有較高的觀賞價(jià)值。本試驗(yàn)由于試驗(yàn)環(huán)境為北方地區(qū)，北方冬季氣溫低，因此在選擇植物方面優(yōu)先考慮具有生長周期長，耐凍、扛逆型的植物，比如蘆葦、香蒲、水燭等，本試驗(yàn)研究選擇了蘆葦與香蒲，由于蘆葦中空、有利于氧氣傳輸，根系發(fā)達(dá)分泌氧氣的能力較強(qiáng)，光合速率也高于其他植物，香蒲生長速度快，根部生物數(shù)量較多，抗污性較強(qiáng)，同時(shí)具有觀賞性美化環(huán)境的作用，蘆葦與香蒲對惡劣水質(zhì)具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

2 試驗(yàn)裝置與方法

2.1 試驗(yàn)方法

人工濕地由于要進(jìn)行栽種植物，所以濕地系統(tǒng)之前就開始準(zhǔn)備，包括植物的栽培，四套人工濕地系統(tǒng)，試驗(yàn)用水為長清西區(qū)污水處理廠二級出水。試驗(yàn)期間，正值春夏季，氣溫高，植物生長旺盛，污水廠二級出水進(jìn)入到配水箱，再經(jīng)過配水槽進(jìn)入濕地反應(yīng)區(qū)，最后出水進(jìn)行檢測后達(dá)標(biāo)排放至河里。

2.2 試驗(yàn)裝置

圖1 濕地裝置整體構(gòu)造圖

人工濕地反應(yīng)裝置采用PVC材料加工制成，裝置規(guī)格為長70 cm，寬25 cm，高15 cm，進(jìn)水方式為裝置前端進(jìn)水，末端出水，分別設(shè)置進(jìn)水區(qū)和出水區(qū)，反應(yīng)區(qū)間為60 cm，為了保證試驗(yàn)的結(jié)果的準(zhǔn)確性，本次試驗(yàn)將進(jìn)行平行試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

本套試驗(yàn)裝置在進(jìn)水與反應(yīng)區(qū)和反應(yīng)區(qū)隔板上打孔是為了使布水更加均勻，進(jìn)出水能夠保持均衡不出現(xiàn)死水區(qū)和短流，這樣可以通過進(jìn)水區(qū)水位控制反應(yīng)區(qū)內(nèi)的水位。本試驗(yàn)?zāi)M的濕地為水平潛流濕地。反應(yīng)區(qū)的容積為70 cm×25 cm×15 cm=26.25 L，人工濕地試驗(yàn)?zāi)Ｐ途唧w裝填分為：

(1)蘆葦潛流式人工濕地；

(2)香蒲潛流式人工濕地。

濕地模擬系統(tǒng)反應(yīng)區(qū)分為濕地植物與土壤層，土壤厚度10 cm，土壤層包括了少量的沙石和濕地旁邊的土壤。

試驗(yàn)流程：二沉池出水→配水箱→配水槽→濕地反應(yīng)區(qū)→集水槽(檢測)。

2.2.1 試驗(yàn)進(jìn)水

本試驗(yàn)采用長清污水處理廠二沉池出水，長清污水處理廠主要處理濟(jì)南市生活污水，二沉池出水具體水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 二沉池進(jìn)水各項(xiàng)指標(biāo)

2.2.2 濕地試驗(yàn)植物

本試驗(yàn)選擇蘆葦和香蒲作為本次試驗(yàn)中的水生植物，蘆葦根莖十分發(fā)達(dá)，能長到高3 m以上，直徑1～5 cm，蘆葦生于江河湖澤，池塘溝渠，蘆葦可以造紙，建材，根部也可以入藥，有利尿解毒清涼等價(jià)值。

香蒲屬于水生或沼生草本植物，根狀乳白色，葉片條形，葉鞘抱莖，香蒲經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高，花粉可入藥，葉片用于編織，幼葉基部和根狀莖先端可作蔬菜食用，香蒲生長溫度在15～30 ℃時(shí)候生長最為迅速，當(dāng)溫度降到10 ℃以下時(shí)候，生長基本停止，香蒲抗凍，根系發(fā)達(dá)。

2.3 總磷的檢測方法(鉬銻抗分光光度法)

在試驗(yàn)過程中主要對濕地系統(tǒng)的進(jìn)出水進(jìn)行取樣檢測，每隔2天取一次樣，檢測項(xiàng)目為pH值，CODcr，TP。并觀察水生植物在人工濕地中的長勢。CODcr，TP、pH值的檢測方法以《水和廢水監(jiān)測分析方法》為準(zhǔn)。如表2所示。

表2 水質(zhì)指標(biāo)檢測方法

2.3.1 方法原理

在酸性條件下，正磷酸鹽與鉬酸銨、酒石酸銻氧鉀反應(yīng)，生成磷鉬雜多酸，被還原劑抗壞血酸還原，則變成藍(lán)色絡(luò)合物，通常即稱為磷酸藍(lán)。

2.3.2 干擾及消除

磷含量大于2 mg/L有干擾，可用硫代硫酸納除去，硫化物含量大于2 mg/L有干擾，在酸性條件下通氯氣可去除，六價(jià)鉻大于50 mg/L有干擾，用亞硫酸納法去除，亞硝酸鹽大于1 mg/L有干擾，用氧化消解或者加氨磺酸均可以消除，鐵的濃度為20 mg/L會使結(jié)果偏低5%，銅的濃度達(dá)10 mg/L不干擾，氟化物小于70 mg/L也不干擾。

2.3.3 方法適用范圍

本方法最低檢測濃度0.01 mg/L，測定濃度上限為0.6 mg/L。適用于地表水，生活污水等污水中正磷酸鹽分析。

2.3.4 儀器與試劑

儀器：分光光度計(jì)。

試劑：① (1+1)硫酸；② 10%抗壞血酸溶液：溶解10 g抗壞血酸于水中，并稀釋至100 mL/L，該溶液存于棕色瓶中，在約4 ℃可穩(wěn)定保存幾周，如顏色變黃，則丟棄重新配；③ 酸鹽溶液：溶解13 g鉬酸銨于100 mL水中，溶解0.35 g酒石酸銻氧鉀于100 mL。在不斷攪拌下，將鉬酸銨溶液徐徐加到300 mL(1+1)硫酸中，加酒石酸銻氧鉀溶液并且混合均勻，儲存在棕色瓶中于4℃保存；④ 濁度-色度補(bǔ)償液：混合兩份體積(1+1)硫酸和一份體積10%的抗壞血酸，當(dāng)天用當(dāng)天配制；⑤ 酸鹽儲備液：將優(yōu)級磷酸氫二鉀于110 ℃下干燥2 h，在干燥箱中放冷，稱取0.2197 g溶于水，移入1000 mL容量瓶，加(1+1)硫酸5 mL，用水稀釋至標(biāo)線，此溶液每毫升含2.00 μg磷。

2.3.5 試驗(yàn)步驟

標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制，顯色，測量。

2.3.6 計(jì)算

磷酸鹽(P，mg/L)=m/v

以上公式中m-由校準(zhǔn)曲線查的磷含量(μg)；

V-水樣體積(mL)。

3 試驗(yàn)過程以及試驗(yàn)結(jié)果

3.1 蘆葦潛流人工濕地、香蒲潛流式人工濕地對總磷的去除效果

本組試驗(yàn)主要土壤基質(zhì)相同，植物不同對總磷的去除效果影響，去除效果由圖2所示。

圖2 蘆葦、香蒲對總磷的去除效果

由圖2可知，當(dāng)土壤基質(zhì)相同時(shí)，水生植物為蘆葦時(shí)對水體中總磷的去除效果略大于香蒲對總磷的去除，通過圖表也得知總磷的去除主要依賴濕地的物理化學(xué)生物協(xié)同作用得以去除。對于總磷的含量，前五天的去除總量達(dá)到了全部進(jìn)水總磷的40%左右。

3.2 土壤基質(zhì)對總磷的去除

當(dāng)無水生植物時(shí)，土壤基質(zhì)對總磷的去除效果如圖3所示。

由圖3可知，無水生植物時(shí)，系統(tǒng)對總磷的去除效率在5%～7%之間，通過以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)初步得出結(jié)論，整體而言，人工濕地的除磷主要依靠植物物理化學(xué)生物作用。

圖3 土壤基質(zhì)對總磷的去除效果

不同植物的人工濕地對總磷的去除不同，蘆葦潛流濕地對磷的去除效率達(dá)到了本次試驗(yàn)最高。不同植物對總磷的去除效果差異明顯，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 不同植物對總磷的去除效果

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由以上試驗(yàn)可以看出蘆葦對總磷的去除能力是高于香蒲對總磷的去除能力的。在人工濕地系統(tǒng)中，選擇合適的植物是極其重要的，目前有大量研究表明水生植物直接具有相生相克的特性，相生相克主要體現(xiàn)在：①生化克制，一些水生植物在生長過程中根部會分泌某些物質(zhì)對其他的物種進(jìn)行抑制或者殺死[5]。②資源的爭奪，植物都需要吸收光能和吸收二氧化碳以及營養(yǎng)物質(zhì)來維持自身的生長，生長速度快，生命力旺盛的植物在營養(yǎng)競爭方面占有具有巨大優(yōu)勢[6]。人工濕地根系附近有氧區(qū)和缺氧區(qū)的存在為好氧厭氧以及兼氧微生物的活動(dòng)提供了各自的生活區(qū)使得根系周圍有明顯的好氧菌和厭氧菌[7]。根系發(fā)達(dá)，植物也可向土壤中釋放糖類、酚類和酸類分泌物，以此來影響對污染物的處理效率。

據(jù)參考文獻(xiàn)表明，蘆葦和香蒲中的微生物也不同，導(dǎo)致了蘆葦對總磷的去除效率高于香蒲對總磷的去除效率。

4 結(jié)論與建議

在人工濕地中，進(jìn)水濃度一致時(shí)，蘆葦人工潛流濕地對總磷的去除能力強(qiáng)于香蒲潛流人工濕地。每天都有新的總磷進(jìn)入到水體之中，所以試驗(yàn)只能以一段時(shí)間的總磷去除率來判斷濕地對總磷的去除效果。

在本次試驗(yàn)中有新的發(fā)現(xiàn)，在今后關(guān)于人工濕地的試驗(yàn)過程中可以嘗試把水力負(fù)荷考慮進(jìn)去；對濕地進(jìn)行分段，嘗試設(shè)置曝氣管，通過是否曝氣來探究充氧對人工濕地除磷效果的影響。

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