不同水生植物對(duì)污水處理廠尾水的生態(tài)凈化效果分析

張瑞斌

不同水生植物對(duì)污水處理廠尾水的生態(tài)凈化效果分析

張瑞斌1，2

1.江蘇龍騰工程設(shè)計(jì)有限公司，江蘇宜興214206 2.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210023

通過構(gòu)建小型水生生態(tài)系統(tǒng)，研究了旱傘草、美人蕉、伊樂藻、金魚藻4種水生植物對(duì)太湖流域污水處理廠尾水中氮、磷等指標(biāo)去除效能的差異。結(jié)果表明，4種水生植物對(duì)污水中的氮、磷等均有明顯的去除效果，其中，挺水植物旱傘草和沉水植物金魚藻的綜合凈化效能較強(qiáng)，綜合凈化能力從強(qiáng)到弱依次為金魚藻、旱傘草、伊樂藻、美人蕉。

水生植物；污水處理廠；尾水；生態(tài)凈化；效果

張瑞斌.不同水生植物對(duì)污水處理廠尾水的生態(tài)凈化效果分析［J］.環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，5（6）：504-508.

ZHANG R B.Ecological purification efficiency of several aquatic plants on tailwater of sewage treatment plant［J］.Journal of Environmental Engineering Technology，2015，5（6）：504-508.

隨著水污染的加劇，高效低耗的水污染處理技術(shù)日益受到人們的重視，水生植物以其特有的組織和生態(tài)功能及易于人工操縱等原因而在凈化水體污染、防治富營養(yǎng)化方面發(fā)揮了重要作用［1-2］。利用水生植物凈化污水的工作國內(nèi)外已有大量報(bào)道［2-5］，但以往的研究主要針對(duì)挺水植物或挺水條件下進(jìn)行，對(duì)沉水植物或沉水條件下凈化污染物的研究較少，且多數(shù)研究主要集中于湖泊與河道水體，對(duì)污水處理廠尾水的研究報(bào)道不多［6-11］。筆者以太湖流域官林鎮(zhèn)污水處理廠尾水為對(duì)象，以在現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建的小型水生生態(tài)系統(tǒng)為試驗(yàn)平臺(tái)，研究了4種水生植物對(duì)氮、磷等水質(zhì)指標(biāo)的去除效能，以期為太湖流域生態(tài)處理技術(shù)優(yōu)化提供基礎(chǔ)，為污染防治與生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施提供技術(shù)支持。

1　研究方法

1.1試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)在太湖流域官林鎮(zhèn)污水處理廠尾水出水河道岸邊的實(shí)驗(yàn)基地開展。官林鎮(zhèn)污水處理廠位于江蘇省宜興市官林鎮(zhèn)積梅河北側(cè)工業(yè)區(qū)，污水處理廠服務(wù)范圍包括宜興市官林鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)和官林鎮(zhèn)工業(yè)園共10.88 km2范圍內(nèi)的企事業(yè)單位及居民區(qū)。污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為1×104m3/d，主要采用循環(huán)式活性污泥（cyclic activated sludge system，CASS）工藝。出水水質(zhì)達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，尾水經(jīng)300 m出水河道流入滆湖支流積梅河，該河按照地面水水域的功能類別劃分為Ⅳ類水體。

1.2試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用植物從太湖流域及周邊地區(qū)分布的各類水生植物品種中選取，選取原則是適應(yīng)性好、容易栽培、對(duì)氮磷富集效果好、美觀且具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值［12］。通過前期篩選，共選擇挺水植物旱傘草、美人蕉和沉水植物伊樂藻、金魚藻等4種水生植物。這些植物均栽植于長、寬、高分別為1 m的有機(jī)玻璃器皿中，模擬出水河道構(gòu)建小型水生生態(tài)系統(tǒng)。

水生植物固定在塑料篩里，進(jìn)行挺水或沉水培養(yǎng)，挺水培養(yǎng)以竹竿三角架固定塑料篩于水面，沉水培養(yǎng)將塑料篩固定在離水桶底部約20 cm處。各種植物栽種時(shí)的平均株距為5 cm，以保持各單元的植物覆蓋度約為40%，且植物生物量大體相同［13-14］。

1.3采樣及分析方法

試驗(yàn)時(shí)間是2015年4月，此時(shí)植物生長旺盛。試驗(yàn)期間，每周采集水樣1次，共采集4次。分別用0、7、14和21 d表示“初始、第1周、第2周、第3周”。

檢測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)及檢測(cè)方法：CODCr采用重鉻酸鉀消解法測(cè)定；TN濃度采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)定；TP濃度采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定；NO3-N濃度采用紫外分光光度法測(cè)定；NH3-N濃度采用納氏比色法進(jìn)行測(cè)定［15］。每個(gè)指標(biāo)重復(fù)測(cè)定3次，取平均值作為測(cè)試結(jié)果。

去除率=（水樣污染物初始值-水樣污染物終值）/水樣污染物初始值

2　結(jié)果與討論

2.1不同水生植物的理化指標(biāo)變化

試驗(yàn)水體的透明度、DO濃度初始值分別為53和3.6 mg/L。3周后，旱傘草、美人蕉、伊樂藻、金魚藻4種水生植物長勢(shì)均較好，稱重后對(duì)比得到生物量增長情況。生物量增長率、水體透明度和DO濃度如表1所示。

表1　試驗(yàn)水體理化性質(zhì)變化Table 1　The physical and chem ical properties of experimental waterbody

由表1可見，金魚藻生物量變化最大，已增至初始值的1.54倍。4種水生植物的水體透明度差異不大，這是因?yàn)閼腋∥锎蠖嘁殉两祷蛭皆谥参锉砻嫔希?種水生植物水體透明度增加量基本相同。金魚藻水體的DO濃度最高，是因?yàn)榻痿~藻生物量最大，光合作用釋放的氧含量相應(yīng)最高，而且金魚藻為沉水植物，光合作用產(chǎn)生的氧直接釋放到水中，而旱傘草、美人蕉光合作用產(chǎn)生的氧大多數(shù)通過莖葉傳送到外界環(huán)境中［11］。

2.2不同水生植物對(duì)CODCr的去除效能

圖1顯示試驗(yàn)期間CODCr的變化。由圖1可見，各種水生植物對(duì)污水中CODCr去除效果比較明顯，這是由于水生植物對(duì)水體中有機(jī)物的吸收利用以及對(duì)水體懸浮物的吸附作用，有效地降低了水體有機(jī)物濃度［16］。4種水生植物前2周CODCr下降速度較快，而第3周多數(shù)水生植物CODCr不降反升，可能是這些水生植物的腐敗和分解釋放出有機(jī)物所致。伊樂藻處理系統(tǒng)中CODCr上升較多，是因?yàn)樯蠈右翗吩鍖?duì)中下層的遮擋，使水體照度降低，進(jìn)而對(duì)植物光合作用產(chǎn)生影響，光照不足，導(dǎo)致葉綠素濃度降低，致使細(xì)胞活性下降，植物腐敗導(dǎo)致CODCr上升［17］。因而可采取定期收割植株的方式來減少通過植物活體或死亡腐爛釋放到水體中的有機(jī)物［18］。從CODCr平均去除率來看，旱傘草最高，為40.26%；金魚藻次之，為37.80%；雖然伊樂藻CODCr的最高去除率為46.25%，但由于其自身腐敗和分解釋放出有機(jī)物，最終去除率為23.40%；美人蕉CODCr下降速度最慢，去除率僅為20.84%。綜上，幾種植物去除CODCr的效能由大到小依次為旱傘草、金魚藻、伊樂藻、美人蕉，而短期（2周內(nèi)）伊樂藻的CODCr去除率最高。

圖1　試驗(yàn)期間CODCr變化Fig.1　The concentration changes of CODCrduring trial time

2.3不同水生植物對(duì)氮的去除效能

2.3.1對(duì)NH3-N的去除

圖2顯示各水生植物處理試驗(yàn)中NH3-N濃度的變化。由于試驗(yàn)初始水樣中NH3-N濃度較小，NH3-N負(fù)荷較低，所以第1周植物去除NH3-N的效果不明顯，而在持續(xù)處理一段時(shí)間后，4種水生植物水體的NH3-N濃度均明顯下降。在污水處理中，NH3-N主要通過微生物硝化、生物同化吸收去除，而各去除機(jī)制的效率都直接或間接地受浮游藻類的影響［19］。在各水生植物生物量大體相同的情況下，旱傘草、美人蕉、伊樂藻、金魚藻對(duì)NH3-N的去除率分別為 46.25%、34.58%、50.83%、57.50%。綜上，污水NH3-N負(fù)荷和植物群落共同影響NH3-N的去除，4種水生植物凈化NH3-N的效能由大到小依次為金魚藻、伊樂藻、旱傘草、美人蕉。

圖2　試驗(yàn)期間NH3-N濃度變化Fig.2　The concentration changes of NH3-N during trial time

2.3.2對(duì)NO3-N的去除

圖3顯示試驗(yàn)期間NO3-N濃度變化。由圖3可見，各水生植物處理試驗(yàn)中NO3-N濃度變化主要出現(xiàn)在第1周，雖然第1周后仍有處理效果，但不十分明顯?？傮w上4種水生植物對(duì)NO3-N的去除效果明顯。沉水植物伊樂藻、金魚藻凈化效果稍微強(qiáng)于挺水植物旱傘草、美人蕉，這與沉水植物與污水接觸面積比挺水植物大有關(guān)，說明接觸面積對(duì)植物吸收去除NO3-N具有重要作用［20-21］。而在幾種植物中，伊樂藻對(duì)NO3-N的凈化效果最好，去除率為90.91%，金魚藻次之，為 88.18%，旱傘草為83.64%，美人蕉最低，去除率為79.10%，因此對(duì)NO3-N去除的效能由大到小依次為伊樂藻、金魚藻、旱傘草、美人蕉。

圖3　試驗(yàn)期間NO3-N濃度變化Fig.3　The concentration changes of NO3-N during trial time

2.3.3對(duì)TN的去除

圖4顯示試驗(yàn)期間TN濃度變化。從圖4可以看出，試驗(yàn)期間TN濃度變化主要在第1周，第2周后呈緩慢下降趨勢(shì)或幾乎沒有效果。這說明初始TN中有一部分位于懸浮固體中，第1周TN濃度急劇降低主要原因是污水中懸浮固體的下沉與生物降解。在生態(tài)系統(tǒng)中，TN不僅來源于原水中的有機(jī)物，系統(tǒng)內(nèi)部大量生長的微生物及其釋放產(chǎn)物也是重要來源［22］。植物依靠根系的截濾作用能去除大部分懸浮有機(jī)物，從而去除水中的氮素，同時(shí)藻類的自沉降作用促進(jìn)TN濃度進(jìn)一步緩慢減?。?3］。由于懸浮固體的存在，以第1周的TN濃度作為初始濃度進(jìn)行TN去除率計(jì)算，幾種植物凈化TN的效能由大到小依次為美人蕉 （38.36%）、旱傘草（30.39%）、金魚藻（8.75%），伊樂藻的TN去除率為負(fù)值，說明伊樂藻本身腐爛釋放到水體中的TN多于吸收的TN?？梢?，挺水植物對(duì)TN的平均去除率要高于沉水植物。

圖4　試驗(yàn)期間TN濃度變化Fig.4　The concentration changes of TN during trial time

2.4不同水生植物對(duì)TP的去除效能

一般認(rèn)為，TP主要通過化學(xué)沉淀、藻類細(xì)菌的合成代謝、水生植物的吸收去除，有研究發(fā)現(xiàn)，微生物同化作用對(duì)TP的去除率為50%～60%，植物吸收為1%～3%，其余為物理作用、化學(xué)吸附和沉淀作用［24-25］。在該試驗(yàn)中，盡管植物對(duì)TP去除的直接貢獻(xiàn)不大，但是植物表面附著的微生物對(duì)磷的同化作用間接來自植物的貢獻(xiàn)［26］。從圖5可知，試驗(yàn)期間TP濃度變化趨勢(shì)與TN基本相同，說明TP濃度的變化也與污水中懸浮固體的下沉有關(guān)。與TN的計(jì)算方法相同，以第1周的TP濃度作為初始濃度計(jì)算TP去除率，則金魚藻對(duì)TP的凈化效果最好，去除率為59.38%；伊樂藻次之，為54.17%；旱傘草為31.25%；美人蕉為12.07%。

圖5　試驗(yàn)期間TP濃度變化Fig.5　The concentration changes of TP during trial time

2.5水生植物綜合凈化效能

采用模糊綜合評(píng)價(jià)法，得到與主要水質(zhì)指標(biāo)CODCr、NH3-N、NO3-N、TN、TP去除率對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)如表2所示［8，13］。根據(jù)權(quán)重系數(shù)對(duì)各指標(biāo)去除率進(jìn)行加權(quán)后得到各水生植物綜合凈化指數(shù)，結(jié)果見表3。

表2　各水質(zhì)指標(biāo)去除率權(quán)重系數(shù)Table 2　The weight coefficient ofwater quality indicators

表3　綜合凈化指數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 3　The results of comprehensive purification index

由表3可知，4種水生植物對(duì)污水的綜合凈化效能從強(qiáng)到弱依次為金魚藻、旱傘草、伊樂藻、美人蕉。

3　結(jié)論

（1）4種水生植物對(duì)污水的綜合凈化指數(shù)為32.95～47.90，凈化能力均較強(qiáng)，其中挺水植物旱傘草和沉水植物金魚藻的綜合凈化效能較強(qiáng)，綜合凈化能力從強(qiáng)到弱依次為金魚藻、旱傘草、伊樂藻、美人蕉。

（2）4種水生植物中，雖然金魚藻的綜合凈化能力最高，但其對(duì)TN的去除率卻不足10%。而旱傘草對(duì)污水中CODCr、NH3-N、NO3-N、TN和TP的去除率分別為 40.26%、46.25%、83.64%、30.39%、31.25%。

（3）金魚藻對(duì)NH3-N和TP的凈化效果最好，旱傘草對(duì)CODCr的凈化效果最好，伊樂藻對(duì)NO3-N的凈化效果最好，美人蕉對(duì)TN的凈化效果最好。去除污水中特定污染因子可選擇特定的水生植物，4種水生植物各有優(yōu)點(diǎn)，合理配置去除效果更佳。

綜上所述，對(duì)污水廠尾水以及河道污水進(jìn)行凈化處理時(shí)，不應(yīng)局限于傳統(tǒng)的理化方法和工程手段，應(yīng)用生態(tài)學(xué)方法特別是利用水生植物，通過合理選用和配置更能達(dá)到綜合防治的目的。

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《環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)》編輯部

Ecological Purification Efficiency of Several Aquatic Plants on TailW ater of Sewage Treatm ent Plant

ZHANG Rui-bin1，2
1.Jiangsu Long-leaping Engineering Design Co.，Ltd.，Yixing 214206，China 2.School of Environment，Nanjing University，Nanjing 210023，China

Based on building the small aquatic ecosystem，the removal efficiency of nitrogen and phosphorus in sewage treatment plant tail water of Taihu Lake Basin by Cyperus alternifolius，Canna indica，Elodea Canadensis Michx.and Ceratophyllum demersum L.was studied.The results showed that these four plants had good removal efficiency for nitrogen and phosphorus in wastewater.The comprehensive purification ability of emerged plants Cyperus alternifolius and submerged plants Ceratophyllum demersum L.was higher than thatof the others.The order of comprehensive purification ability from strong to weak was Ceratophyllum demersum L.，Cyperus alternifolius，Elodea Canadensis Michx.，Canna indica.

aquatic plants；sewage treatment plant；tailwater；ecological purification；efficiency

X522

1674-991X（2015）06-0504-05doi：10.3969/j.issn.1674-991X.2015.06.079

2015-07-14

江蘇省自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（BK20140603）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（20620140486）；太湖西岸（宜興地區(qū)）水環(huán)境綜合治理規(guī)劃研究（太湖流域水環(huán)境綜合治理專項(xiàng)）

張瑞斌（1985—），男，工程師，博士，主要從事水處理工程設(shè)計(jì)及水體污染治理方面的研究，zhangrb88@126.com