飼草植物對農(nóng)村生活污水尾水氮磷營養(yǎng)鹽吸收特性

于如海，汪思宇，王昀晨，程方奎，呂錫武,*

(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210000；2.東南大學(xué)無錫太湖水環(huán)境工程研究中心，江蘇無錫 214000)

隨著國家經(jīng)濟技術(shù)的高速發(fā)展，村落水環(huán)境污染呈現(xiàn)日趨嚴重的現(xiàn)象[1]，我國農(nóng)村地區(qū)污水處理水平較低，80%以上的污水未經(jīng)處理直接排放[2]，黃季琨等[3]對農(nóng)村實地情況的調(diào)查表明，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)展、人口城鎮(zhèn)化等因素均對農(nóng)村環(huán)境產(chǎn)生了不良影響。2007年，徐洪斌等[4]對太湖流域的典型村落調(diào)查發(fā)現(xiàn)農(nóng)村生活污水污染物濃度略高于城鎮(zhèn)生活污水，提出了水解-生物轉(zhuǎn)盤-人工濕地組合處理工藝。2019年7月，中央農(nóng)辦、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、生態(tài)環(huán)境部等九部門印發(fā)《關(guān)于推進農(nóng)村生活污水治理的指導(dǎo)意見》[5]，指出治理農(nóng)村生活污水應(yīng)本著綠色為本、生態(tài)發(fā)展的原則，鼓勵通過栽植植物實現(xiàn)生態(tài)化改造。人工濕地作為生態(tài)單元，通過植物、基質(zhì)、微生物三者協(xié)同作用[6]進行水質(zhì)凈化，具有投資省、易維護的特點[7]，已被廣泛應(yīng)用于尾水處理。傳統(tǒng)的濕地植物如水生蔬菜——金花菜畝產(chǎn)量低[8]，花卉植物生長速度慢，因此，在保證出水水質(zhì)的情況下，如何強化濕地植物氮磷資源化利用是進行生態(tài)化改造的關(guān)鍵問題。

1 試驗材料和方法

1.1 飼草植物的選擇

根據(jù)飼草植物的生物量、生長耐受性進行篩選，選定江西洪紹農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司的巨菌草、甜象草、皇竹草3種飼草作為本次研究對象。

1.2 試驗方法

1.2.1 植物吸收動力學(xué)試驗

吸收動力學(xué)研究在20世紀(jì)50年代初開創(chuàng)并發(fā)展，能有效地將不同植物每個時間段對不同營養(yǎng)元素的吸收過程進行量化，該研究引入最大吸收速率和離子親和力這2個參數(shù)，為植物的篩選提供了有力依據(jù)[18]。20世紀(jì)70年代，Nielsen[19]提出最低平衡濃度(Cmin)，為更全面的定量描述植物根系對不同養(yǎng)分的吸收情況提供新的指標(biāo)。因此，開展飼草植物對各種營養(yǎng)鹽吸收動力學(xué)試驗有助于進一步明確飼草植物對濕地系統(tǒng)中氮磷等營養(yǎng)元素的去除機理，為在不同營養(yǎng)環(huán)境水體中篩選能有效去除氮素磷素的植物提供理論依據(jù)。

試驗結(jié)束后立即將植物從溶液中取出，用去離子水將植株根系沖洗干凈，放入烘箱，先將烘箱溫度調(diào)至105 ℃，烘干30 min進行殺青，再將溫度調(diào)至80 ℃，烘至恒重，稱量干重。

1.2.2 飼草型濕地凈化尾水試驗

圖1 人工濕地剖視圖

1.3 測定方法

2 結(jié)果與討論

2.1 植物吸收動力學(xué)參數(shù)計算

采用一元二次多項式擬合離子消耗曲線方程，方程如式(1)。

y=ax2+bx+c

(1)

其中：x——植物在溶液中的吸收時間，h；

y——燒杯中經(jīng)植物吸收后的溶液質(zhì)量濃度，mg/L。

對式(1)求一階導(dǎo)數(shù)，可得到溶液濃度變化速率隨時間的方程，方程如式(2)。

y′=2ax+b

(2)

令x→0，則y′=b即濃度的最大變化速率，由此得最大吸收速率，計算如式(3)。

Imax=b·V/m

(3)

其中：V——加入溶液體積，L；

m——根干重，g；

Imax——最大吸收速率，μg/(g·h)。

將y′=1/2b帶入式(2)中求出x，再將x帶入式(1)，所求得的y為Km，Km為親和力常數(shù)。Imax越大，表明植物對該離子的潛在吸收能力越大。1/Km表示根系親和力，與Km成反比，Km越小，植物對該離子的親和力越強。

令y′=0，求出植物在溶液中吸收速率為0的時間，代入式(1)，求出體系的Cmin，Cmin越小，說明植物能從養(yǎng)分貧瘠的環(huán)境吸收營養(yǎng)的能力越強，耐貧瘠能力越好。另外，再引入α、β來比較根系吸收速率、植物對養(yǎng)分的耐瘠能力，計算如式(4)～(5)。

α=Imax/Km

(4)

(5)

其中：Km——親和力常數(shù)，mg/L；

Cmin——平衡質(zhì)量濃度，mg/L。

α越大，離子進入植物體內(nèi)速率越快；β越小，植物耐瘠能力越強，越能在低濃度養(yǎng)分條件下生存，α和β的引入可以有效地克服親和力常數(shù)、平衡濃度排序不一致的矛盾。

Cacco等[23]將植物Imax和Km分成4種組合。(1)高Imax、低Km，適應(yīng)于廣泛營養(yǎng)；(2)高Imax、高Km，適應(yīng)于高濃度營養(yǎng)；(3)低Imax、低Km，適應(yīng)于低濃度營養(yǎng)；(4)低Imax、高Km，任何條件都不利。最大吸收速率越大，植物對該離子的吸收潛力越大，親和力常數(shù)越小，植物對該離子的親和力越強。

2.2 3種飼草氮、磷吸收動力學(xué)試驗

圖2 3種飼草植物對吸收動力學(xué)曲線

表1 3種飼草植物對吸收動力學(xué)參數(shù)

圖3 3種飼草植物對吸收動力學(xué)曲線

表2 3種飼草植物對的吸收動力學(xué)參數(shù)

2.2.3 3種飼草對氨氮的吸收動力學(xué)

圖4 3種飼草植物對氨氮吸收動力學(xué)曲線

表3 3種飼草植物對氨氮吸收動力學(xué)參數(shù)

3種飼草對氨氮的吸收與其他種類的植物存在較大差異，檀香逸等[28]對8種觀賞植物的研究表明，梔子花、紅掌、吊蘭的Imax分別為43.54、82.36、102.22 μg/(g·h)，均小于飼草；其余5種觀賞植物的Imax與巨菌草相似，為125.45～451.33 μg/(g·h)；梔子花的Km為14.96 mg/L，大于巨菌草；觀音竹、龜背竹、發(fā)財樹、白掌、綠蘿的Km均小于12.80 mg/L，小于飼草，可見觀賞植物對氨氮的親和力整體優(yōu)于飼草。鞏佳佳等[27]對4種冷季型禾草的研究表明，禾草的Km為15.66～20.16 mg/L，大于飼草；3種飼草中巨菌草的Imax最大為450.96 μg/(g·h)，優(yōu)于禾草，禾草對氨氮的Imax為166.91～219.00 μg/(g·h)，可見飼草對于氨氮的親和力優(yōu)于禾草，巨菌草對氨氮的吸收效果優(yōu)于禾草。唐藝璇等[24]和張熙靈等[25]的研究發(fā)現(xiàn)，挺水植物的Imax均大于349.20 μg/(g·h)且大于飼草，Km均大于14.60 mg/L且大于飼草，可見挺水植物比飼草適合在高氨氮濃度的環(huán)境下生存。綜上，飼草對氨氮的親和力比挺水植物和禾草好，具有明顯優(yōu)勢，這可能與飼草生長期氮肥需求量大有關(guān)，而3種飼草中巨菌草對氨氮的吸收效果最佳。

2.3 飼草型人工濕地尾水凈化效果

人工濕地對尾水的凈化是由基質(zhì)吸附、植物吸收、微生物降解三者協(xié)同完成，巨菌草、皇竹草、甜象草的生長特性如表4所示，同時考慮對氮磷營養(yǎng)元素的吸收動力學(xué)結(jié)果以及植物耐受性，選擇巨菌草和皇竹草進行濕地種植，進一步探究飼草對濕地運行效果的影響。

表4 3種飼草生長特性對比

由表4可知，巨菌草、皇竹草均有良好的溫度耐受性，在0 ℃以上的氣溫條件植株可正常生長，因此在南方地區(qū)冬季采用合適的保暖措施如搭建濕地溫室大棚既可保證飼草植物順利越冬，又可保證濕地冬季出水水質(zhì)的穩(wěn)定性。

試驗濕地位于江蘇省無錫市溫室大棚內(nèi)，自2020年8月通入低污染負荷污水，經(jīng)過2周的穩(wěn)苗期，植株長勢良好，出水水質(zhì)穩(wěn)定，之后進行水力負荷對出水水質(zhì)影響的探究。試驗過程中通過控制蠕動泵改變水力負荷，探究在0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m3/(m2·d)這5種水力負荷下無植物種植與飼草植物種植的人工濕地處理效果差異。

圖5 不同水力負荷下的變化

圖6 不同水力負荷下的變化

圖7 不同水力負荷下氨氮的變化

3 結(jié)論

(3)飼草應(yīng)用于農(nóng)村生活污水生物處理尾水的研究表明，巨菌草和皇竹草可有效提高污染物去除效果，實現(xiàn)氮磷資源化利用。將擁有良好經(jīng)濟附加值的飼草引入人工濕地，可在實現(xiàn)尾水污染物凈化的同時資源化利用氮磷，為農(nóng)村生活污水處理提供新思路。