以粉煤灰陶粒為基質(zhì)的人工濕地中植物的生長特性與去污機(jī)制研究

曹世瑋,荊肇乾,王祝來,黃新

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,江蘇 南京 210037)

人工濕地是一種高效水處理生態(tài)工藝[1-2],提高系統(tǒng)效能應(yīng)從優(yōu)化基質(zhì)、篩選水生植物及改變水力停留時(shí)間和水流態(tài)方面來進(jìn)行[3-5]。植物根系在基質(zhì)中能減緩床體堵塞[6],通過泌氧改變內(nèi)部溶解氧狀態(tài)影響到物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程[7-9],因此植物在基質(zhì)上生長特性是影響人工濕地效能的重要影響因素[10]。

粉煤灰陶粒是發(fā)電廠廢棄物,將鈣含量較高的粉煤灰制作成陶粒作為基質(zhì),不僅能節(jié)能減排,而且能提高磷的去除率[11-13]。本研究以粉煤灰陶粒作為基質(zhì)的人工濕地中不同植物的生長特性及對(duì)污染物去除效果為研究對(duì)象,探討植物協(xié)同粉煤灰陶粒去除污染物機(jī)制,為人工濕地設(shè)計(jì)及植物的選擇提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

高鈣粉煤灰陶粒,粒徑3～5 mm,孔隙面積79.605 m2/g,平均孔徑20.4 nm。陶粒的主要化學(xué)成分O,Si,Al,Fe,Ca等,無重金屬,其中鈣的重量組成23.16%。碎磚,平均粒徑4～6 mm；細(xì)砂,平均粒徑1～2 mm；城市內(nèi)河污染河水,COD濃度在12～82 mg/L,氨氮濃度在1.58～3.33 mg/L,TN濃度控制在15.17～39.39 mg/L,濁度1.84～12.5,TP濃度2.03～2.05 mg/L。

YX280手提式不銹鋼壓力蒸汽滅菌器；752N紫外可見分光光度計(jì)；GXZ-9140MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

人工濕地包括內(nèi)部的基質(zhì)和所種植的植物?；|(zhì)包括上部起固定植物作用的細(xì)砂,中部生物載體高鈣粉煤灰陶粒層及底部用于排水的碎磚層。實(shí)驗(yàn)在江蘇省南京進(jìn)行,結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn),在本地區(qū)域生長性能良好的水生植物調(diào)研的基礎(chǔ)上選擇旱傘竹、水蔥、菖蒲等3種植物。

為了提高人工濕地中處理水與基質(zhì)、植物根系的接觸時(shí)間和接觸面積,人工濕地設(shè)計(jì)為四段式復(fù)合垂直流, 段內(nèi)垂直動(dòng),段間水平流,兼具有垂直流和水平潛流人工濕地的優(yōu)點(diǎn)。植物按照215 mm的間距分行列種植在人工濕地的前3格中。考慮到景觀和強(qiáng)化水處理效果,最后一格種植美人蕉。人工濕地平剖面見圖1、圖2。

圖1 人工濕地平面布置圖Fig.1 Floor plan of constructed wetland

圖2 人工濕地剖面圖Fig.2 Cross-section drawn of constructed wetland

人工濕地進(jìn)水為經(jīng)復(fù)合生物濾池預(yù)處理后氮磷物質(zhì)仍然超標(biāo)的河水,設(shè)計(jì)人工濕地深度處理后達(dá)到回用水標(biāo)準(zhǔn),處理水量為8 m3/d。

實(shí)驗(yàn)為連續(xù)進(jìn)水動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn),運(yùn)行時(shí)間為5月到12月,試驗(yàn)所在地區(qū)先后經(jīng)歷中溫、高溫、中溫、低溫4個(gè)階段,水質(zhì)條件、氣候條件具有一定的代表性。實(shí)驗(yàn)期間對(duì)每天的進(jìn)出水濃度中相關(guān)污染物指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),同時(shí)對(duì)每種植物的生長特征進(jìn)行記錄。研究河水中特征污染物在不同季節(jié),不同空氣溫度及進(jìn)水濃度波動(dòng)下的去除率變化,研究植物在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行期間不同季節(jié)的生長狀況,監(jiān)測(cè)不同水生植物的生長速率,研究3種水生植物在相同營養(yǎng)水平下的生長適應(yīng)性,并對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行4個(gè)月后的植物的根系特征和氮磷吸收情況進(jìn)行檢測(cè)分析,結(jié)合水處理效果分析以粉煤灰陶粒為基質(zhì)的人工濕地的生長特性及污染物去除效果。

1.3 檢測(cè)指標(biāo)

植物分析從生長狀況、根系特征、除磷效果及吸收氮磷分析幾個(gè)方面進(jìn)行。生長狀況包括植物生長高度及繁殖株數(shù)測(cè)定；采用快速消煮法[14]測(cè)定植物根莖葉中氮磷含量判斷植物對(duì)氮磷的吸收能力；采用簡易實(shí)驗(yàn)法[15-17]測(cè)定植物根系泌氧量,評(píng)價(jià)植物根系泌氧能力,綜合分析探討與粉煤灰陶?；|(zhì)協(xié)調(diào)性好的具有較佳處理效果的水生植物。

2 結(jié)果與討論

2.1 人工濕地對(duì)水中污染物質(zhì)各指標(biāo)去除性能

圖3是人工濕地穩(wěn)定運(yùn)行期間各月的COD、氨氮、總氮、總磷的去除情況,重點(diǎn)是對(duì)水中的氮磷超標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的去除。

圖3 人工濕地對(duì)水中各污染指標(biāo)去除性能Fig.3 Removal performance of constructed wetland for various pollution indexes 平均進(jìn)水濃度平均出水濃度平均去除率

潛流人工濕地中水流呈層流、推流運(yùn)動(dòng),水中的有機(jī)物在流動(dòng)的過程中與濕地中的填料上的生物膜和植物根系接觸,在相對(duì)充足溶解氧下的微生物作用下被降解[18],出水中COD濃度維持在20 mg/L左右。運(yùn)行初期氨氮去除效果較差,這是因?yàn)榛茏责B(yǎng)型微生物菌種具有較長的世代時(shí)間,而且由于濕地內(nèi)部食料競爭上的劣勢(shì)使得硝化菌種達(dá)到相當(dāng)數(shù)量并產(chǎn)生效果需要較長時(shí)期[19],因此初期硝化作用不明顯。但是運(yùn)行兩個(gè)月后,此時(shí)增殖的硝化菌種發(fā)揮了重要作用,氨氮去除率達(dá)到65%。硝化細(xì)菌對(duì)溫度比較敏感,7月份氣候溫度高,同時(shí)水生植物生長旺盛,光合作用產(chǎn)氧能力強(qiáng),因此輸送到根系的氧量增加,進(jìn)一步促進(jìn)了硝化細(xì)菌的繁殖和生長[20-21]。8、9月份溫度逐漸降低,硝化細(xì)菌的活性受到抑制,硝化作用受到影響,因此氨氮去除率略有降低,但總體上出水氨氮濃度維持在較低水平,均在1 mg/L以下。TN去除和氨氮的去除規(guī)律類似,7、8月在硝化菌和反硝化菌菌群成熟的條件下,去除率在40%左右,9月后受低溫環(huán)境的影響[22],去除率又開始逐漸降低,但是由于人工濕地有較好的保溫性,去除率仍穩(wěn)定在25%左右。濕地運(yùn)行初期除磷效果較好,去除率在85%左右。該人工濕地里填充的基質(zhì)包括具有較大的磷吸附容量高鈣粉煤灰陶粒,運(yùn)行初期基質(zhì)對(duì)磷吸附是TP去除效率高的關(guān)鍵因素。到8月份,植物生長旺盛,在生物降解和植物同化的共同作用下,TP去除率達(dá)到95%左右。10月份以后,由于環(huán)境溫度的降低及植物本身的生長特性,TP去除率逐漸降低,后3個(gè)月的平均去除率僅為50%。本系統(tǒng)選擇了對(duì)磷吸附效果好的高鈣粉煤灰陶粒在冬季對(duì)水中磷污染物質(zhì)的去除起到了重要的作用[23]。

通過以上分析表明,以高鈣粉煤灰陶粒作為基質(zhì)的人工濕地能夠在水生植物的協(xié)同下經(jīng)過一定的成熟期后達(dá)到一定的污染物質(zhì)去除效果,出水中COD濃度40 mg/L以下,氨氮濃度5.0 mg/L以下,總氮15 mg/L以下,總磷濃度0.3 mg/L以下。在不同水質(zhì)的沖擊負(fù)荷下,能夠保持一定的穩(wěn)定性,出水滿足回用水要求。

2.2 人工濕地植物生長特性研究

試驗(yàn)中觀察到菖蒲葉片在8月份時(shí)有病蟲害現(xiàn)象,水蔥在高度增長到50 mm后易倒伏,旱傘竹生長良好,枝繁葉茂。在同等營養(yǎng)水平下生長4個(gè)月后,旱傘竹植物地上部分生物量是菖蒲的2.45倍,水蔥的1.50倍,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于菖蒲和水蔥,生長速度和耐寒能力均優(yōu)于其他兩種水生植物。人工濕地中進(jìn)水濃度沿段縱向逐漸遞減,營養(yǎng)水平逐漸降低,同期種植的植物高度增長均要低10～15 cm,株數(shù)增長均少2～5株。營養(yǎng)供給上的差異導(dǎo)致了植物株均(叢)生物量上的差異,植物生長的脅迫因子主要是污水濃度的差異[24]。

2.2.1 植物根系特征及泌氧量測(cè)定 通氣組織越發(fā)達(dá),越有利于氧氣的輸送,不同水生植物的根系泌氧能力不同[25],人工濕地最后一格種植了美人蕉,所以對(duì)4種植物的根系的泌氧能力分別進(jìn)行了測(cè)定。由圖4可知,旱傘竹和美人蕉的根系較另兩種植物根系發(fā)達(dá),其中旱傘竹的根系最長部分長度達(dá)到10 cm。

根據(jù)植物泌氧隨光照變化規(guī)律可以看出,光照強(qiáng)時(shí),泌氧能力較強(qiáng),在光照逐漸變?nèi)醯那? h,泌氧量持續(xù)增加,并且增加的速率在增大。植物只有在有光照的時(shí)候才能光合作用,但是在沒有光照的情況下,旱傘竹根系還能大量泌氧,分析可能是植物根系的滯后效應(yīng)和溶解氧的累積效應(yīng),滯后時(shí)間約為2 h。4種植物中旱傘竹的根系泌氧能力最強(qiáng),在有光照的11～19時(shí),光照情況較好,植物以光合作用為主,每小時(shí)平均泌氧0.06 mg/L,水蔥的次之,0.03 mg/L,菖蒲和美人蕉根系泌氧能力相當(dāng),只有0.01 mg/L左右。隨著光線逐漸變?nèi)?植物以呼吸作用為主,消耗了水體中的溶解氧,導(dǎo)致水體中溶解氧下降。這種現(xiàn)象在旱傘竹上表現(xiàn)尤其明顯,在沒有光照的23時(shí)到早上9時(shí),根系泌氧量由最高1.6 mg/L 減少到0.36 mg/L,到了11時(shí)才開始緩慢增加。4種植物的泌氧能力大小為旱傘竹>水蔥>美人蕉>菖蒲。

圖4 4種水生植物根系及根系泌氧量測(cè)定Fig.4 Roots of four macrophytes and corresponding oxygen excretion

2.2.2 人工濕地植物吸收氮磷分析 污水中氮、磷的減少除了污水蒸騰損失和基質(zhì)吸附固定外主要是被植物吸收[26],由于菖蒲有病蟲害,直接排除,直接對(duì)另外3種植物的根莖葉吸收氮磷進(jìn)行分析。由圖5可知,3種植物各部位硝酸鹽氮含量基本相當(dāng),但是全氮和全磷含量有差異,旱傘竹平均全氮含量高于其他兩類植物,51.69 mg/g,分別是水蔥平均全氮含量的1.43倍,是美人蕉平均全氮含量的1.33倍；美人蕉平均全磷含量是32.01 mg/g,分別是水蔥和旱傘竹的2.0倍和2.7倍。因此,3種植物中旱傘竹吸收污水中氮磷能力較強(qiáng)的人工濕地植物。

進(jìn)一步分析同一種植物的不同部分對(duì)氮磷的吸收量也不相同,旱傘竹吸收總氮量和硝酸鹽氮量最多,且集中在葉部和莖部；美人蕉莖葉總磷吸收量最大,其次是旱傘竹,分別達(dá)到6.0 mg/g以上。植物對(duì)氮磷的吸收也主要集中在地上部分,所以在秋冬季對(duì)植物的地面部分進(jìn)行收割是比較有效的人工濕地去除水體中磷的植物輪種形式。

圖5 植物不同部位全磷全氮分析圖Fig.5 Analysis of total phosphorus and nitrogen in different parts of macrophytes

3 結(jié)論

(1)采用充填高鈣粉煤灰陶粒為主要基質(zhì)并種植3種不同水生植物的的人工濕地處理城市內(nèi)河污染河水,在7個(gè)月的中式連續(xù)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中,水生植物生長良好,出水指標(biāo)穩(wěn)定,COD濃度40 mg/L以下,氨氮濃度5.0 mg/L以下,總氮15 mg/L以下,總磷濃度0.3 mg/L以下,濁度5NTU以下。該類型人工濕地工藝耐沖擊能力強(qiáng),穩(wěn)定性好,出水COD、TN、TP、濁度均達(dá)到回用水相關(guān)指標(biāo)要求。

(2)水生植物的生長特性及污染物去除效果研究表明,與粉煤灰陶粒協(xié)調(diào)性良好的水生植物是旱傘竹,其生長速度快,根系發(fā)達(dá),在光照條件下根系泌氧能力為0.06 mg/L,全氮含量為51.69 mg/g,全磷含量15.5 mg/g,莖葉部分吸收氮磷的含量占總吸收氮磷含量的84%和70%。