混合式植物生態(tài)島對污水處理廠污水的凈化效果研究

張牧園

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300381）

1 引言

我國工業(yè)化高速發(fā)展，許多工業(yè)廢水與生活污水在未完全處理的情況下排放至河流中，導(dǎo)致水環(huán)境惡化，污染嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，影響水質(zhì)安全和生態(tài)安全，阻礙我國的可持續(xù)綠色發(fā)展。針對這一問題，一些學(xué)者提出利用水生植物的水質(zhì)凈化功能去除水體中的污染物，進(jìn)而實現(xiàn)污水處理廠污水的凈化[1]。閆濱等[2]探討了不同組合模式下的多孔混凝土與水生植物對水體中TN 和TP 的去除效果，從而為水體凈化提供新的思路和途徑。朱彬等[3]研究了生態(tài)濾池中不同種類的水生植物對生活污水的凈化能力，并且分析了水生植物對生態(tài)濾池中微生物群落組成的影響。在現(xiàn)有的研究中已經(jīng)得到證實，不同的水生植物進(jìn)行混合種植，構(gòu)建混合式植物生態(tài)島，可以形成優(yōu)勢互補，從而提升凈化效果。為此，本文以太湖流域污水處理廠為例，選取了5 種常見的水生植物，并對不同組合之間的污水凈化效果進(jìn)行對比，以獲取污水凈化效果最佳的組合。本研究為污水處理廠的污水凈化提供了新的思路與途徑，對我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有積極意義。

2 材料與方法

2.1 水生植物選擇

研究選擇5 種不同類型的水生植物構(gòu)建植物生態(tài)島，分別為慈姑（A）、水生美人蕉（B）、千屈菜（C）、垂花水竹芋（D）、鳳眼藍(lán)（E）。所有植物均來源于太湖流域污水處理廠附近的池塘。其中，慈姑是澤瀉科慈姑屬的直立水生草本植物，是一種挺水植物，有纖匍枝，且慈姑葉柄較長，葉片形狀的差異較大。水生美人蕉是一種蕓香科花椒屬的挺水植物，其葉片寬大，通常為闊橢圓形，水生美人蕉葉片顏色一般是黃綠相間或紫色。千屈菜是千屈菜科千屈菜屬的多年生草本植物，是一種水生挺水植物，千屈菜的根莖一般在地下橫向生長，較為粗壯，直立生長，多有分枝，整體為青綠色，其上覆蓋有粗毛或密集的絨毛。垂花水竹芋是一種竹芋科垂花水竹芋屬的多年生草本植物，是一種挺水植物，其葉互生，葉片通常呈橢圓形；垂花水竹芋葉片為青綠色、葉片邊緣覆有一層紫色，葉片上有白色粉末狀物質(zhì)覆蓋；垂花水竹芋的葉片長度在20～40 cm，寬度在10～15 cm，其葉柄較長。鳳眼藍(lán)是一種雨久花科鳳眼藍(lán)屬的浮水草本植物，是一種浮水植物，鳳眼藍(lán)高度通常在30～60 cm，其根須十分發(fā)達(dá)，呈棕黑色，一般長度在30 cm 左右；鳳眼藍(lán)的莖非常短，有長匍匐枝，匍匐枝通常呈淡綠色或淡紫色，當(dāng)匍匐枝與母株分離后，會成長為一株新的鳳眼藍(lán)。

水生植物組合：水生植物組合共有5 種，分別為組合1（E+A+B）、組合2（E+B+C）、組合3（E+C+D）、組合4（E+B+C）以及組合5（B+C+D）。上述所有水生植物均通過塑料材質(zhì)花盆式浮床和無紡纖維材質(zhì)浮床進(jìn)行種植，如圖1 所示，以方便后續(xù)的生態(tài)島構(gòu)建。不同的浮床之間采用鋼絲實現(xiàn)串聯(lián)固定。

圖1 兩種類型的浮床

2.2 實驗方法

實驗地點為太湖流域官林污水處理廠尾水生態(tài)處理實驗基地。于該地點構(gòu)建一個面積為100 m×50 m，且被均勻分成5 部分的人工濕地，每塊長度的長為50 m，寬為20 m，如圖2 所示。

圖2 實驗構(gòu)建的人工濕地

分別種植組合1、組合2、組合3、組合4 以及組合5，對應(yīng)圖2 中的人工濕地1、人工濕地2、人工濕地3、人工濕地4 以及人工濕地5。圖2 中顯示，在污水處理廠的排口中流出尾水，通過配水槽，均勻地流向各塊人工濕地，且每塊人工濕地中的尾水停留時間均為3 d。通過水生植物的吸收作用以及生態(tài)島中微生物群落的分解作用，去除水體中的污染物。

3 結(jié)果分析

3.1 水生植物的高度變化

實驗時間為2022 年8 月1 日—2022 年10 月1 日，實驗的總時長為2 個月。在實驗前，各個水生植物的平均高度如下：慈姑在實驗前的平均高度為20.8 cm；水生美人蕉在實驗前的平均高度為22.5 cm；千屈菜在實驗前的平均高度為23.6 cm；垂花水竹芋在實驗前的平均高度為23.5 cm；鳳眼藍(lán)是漂浮植物，因此不計算其高度。在實驗兩個月后，除了鳳眼藍(lán)以外，其他水生植物的平均高度均有明顯增長。慈姑在實驗后的平均高度為38.8 cm，比實驗前高18.0 cm；水生美人蕉在實驗后的平均高度為52.3 cm，比實驗前高29.8 cm；千屈菜在實驗后的平均高度為43.3 cm，比實驗前高19.7 cm；垂花水竹芋在實驗后的平均高度為54.5 cm，比實驗前高31.0 cm?？梢钥吹?，在兩個月后，各個水生植物的成長都十分明顯，這表明上述水生植物均能夠在污水中較好地生長，適合用于水體凈化和生態(tài)修復(fù)。

3.2 各個組合中水體的COD變化

對5 種水生植物組合構(gòu)成的生態(tài)島對水體COD 的去除效果進(jìn)行測試，如表1 所示?？梢钥吹?，在實驗初期，基于組合1、組合2、組合3、組合4 以及組合5 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的COD 含量均為138.0 mg/L。在實驗中期，基于組合1 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的COD 含量為105.3 mg/L；基于組合2 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的COD 含量116.3 mg/L；基于組合3 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的COD 含量為108.5 mg/L；基于組合4 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的COD 含量為115.4 mg/L；基于組合5 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的COD含量為112.4 mg/L。在實驗后，基于組合1 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的COD 含量為94.2 mg/L；基于組合2 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的COD 含量為101.4 mg/L；基于組合3 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的COD 含量為96.3 mg/L；基于組合4 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的COD 含量為99.6 mg/L；基于組合5 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的COD 含量98.4 mg/L。在上述內(nèi)容中可以看到，組合1 處理后的水體COD 含量下降幅度最大。

表1 各個組合中水體的COD變化

3.3 各個組合中水體的TP 變化

對5 種水生植物組合構(gòu)成的生態(tài)島對水體TP 的去除效果進(jìn)行測試。在實驗初期，基于組合1、組合2、組合3、組合4 以及組合5 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的TP 含量均為0.36 mg/L。在實驗中期，基于組合1 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的TP 含量為0.15 mg/L；基于組合2 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的TP 含量為0.12 mg/L；基于組合3 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的TP含量為0.14 mg/L；基于組合4 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的TP含量為0.13 mg/L；基于組合5 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的TP含量為0.12 mg/L。在實驗后，基于組合1 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的TP 含量為0.07 mg/L；基于組合2 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的TP 含量為0.10 mg/L；基于組合3 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的TP 含量為0.11 mg/L；基于組合4 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的TP 含量為0.12 mg/L；基于組合5 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的TP 含量為0.11 mg/L。在上述內(nèi)容中可以看到，在實驗中，組合1 處理后的水體TP 含量下降幅度最大。

3.4 各個組合中水體的TN變化

對5 種水生植物組合構(gòu)成的生態(tài)島對水體TN 的去除效果進(jìn)行測試。在實驗初期，基于組合1、組合2、組合3、組合4 及組合5 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的TN 含量均為15.2 mg/L。在實驗中期，基于組合1 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的TN含量為10.5 mg/L；基于組合2 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的TN含量為11.7 mg/L；基于組合3 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的TN 含量為12.5 mg/L；基于組合4 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的TN 含量為11.3 mg/L；基于組合5 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的TN 含量為10.9 mg/L。在實驗后，基于組合1構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的TN 含量為7.9 mg/L；基于組合2 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的TN 含量為8.4 mg/L；基于組合3構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的TN 含量為9.2 mg/L；基于組合4 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的TN 含量為9.1 mg/L；基于組合5 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的TN 含量為8.7 mg/L。綜上，在實驗中，組合1 處理后的水體TN 含量下降幅度最大。

3.5 各個組合中水體的NH4+變化

對5 種水生植物組合構(gòu)成的生態(tài)島對水體NH4+的去除效果進(jìn)行測試。在實驗初期，基于組合1、組合2、組合3、組合4 以及組合5 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的NH4+含量均為1.25 mg/L。在實驗中期，基于組合1 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的NH4+含量為0.67 mg/L；基于組合2 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的NH4+含量為0.74 mg/L；基于組合3 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的NH4+含量為0.82 mg/L；基于組合4 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的NH4+含量為0.75 mg/L；基于組合5 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的NH4+含量為0.77 mg/L。在實驗后，基于組合1 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的NH4+含量為0.58 mg/L；基于組合2 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的NH4+含量為0.61 mg/L；基于組合3 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的NH4+含量為0.59 mg/L；基于組合4 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的NH4+含量為0.60 mg/L；基于組合5 構(gòu)建的生態(tài)島處理后，水體的NH4+含量為0.64 mg/L。在上述內(nèi)容中可以看到，在實驗中，組合1 處理后的水體NH4+含量下降幅度最大。綜上所述，基于組合1 構(gòu)建的生態(tài)島的水體凈化效果最好，能夠有效地降低水體中COD、TP、TN 以及NH4+的含量。

4 結(jié)語

由于工業(yè)化進(jìn)展加快，工業(yè)廢水和生活廢水的排量也在加大，各個河流中的水體污染問題較為嚴(yán)重，影響水生態(tài)和人們的用水、飲水安全。在這種情況下，污水處理廠的建立十分必要。污水處理廠尾水的生態(tài)處理也因此受到了較為廣泛的關(guān)注。為此，研究提出構(gòu)建混合式植物生態(tài)島的策略，以實現(xiàn)污水凈化，提高水質(zhì)。實驗結(jié)果證明，研究構(gòu)建的混合式植物生態(tài)島的成長態(tài)勢良好，對污水處理廠污水中的污染物去除率高，能夠有效實現(xiàn)污水處理廠污水凈化。