柊葉和象草波式潛流人工濕地的對(duì)比研究

陳福坤 張麗微 陳雷 鄧?yán)?/p>

摘 要：為探索柊葉和象草在人工濕地中的應(yīng)用及其凈化機(jī)理，該研究以柊葉和象草為人工濕地植物分別構(gòu)建了波式潛流人工濕地系統(tǒng)，分析了柊葉和象草波式潛流人工濕地對(duì)生活污水中CODcr、TN和TP的凈化效果，觀察了柊葉和象草兩種植物在不同季節(jié)的生長(zhǎng)狀況。結(jié)果表明：經(jīng)過15個(gè)月的連續(xù)運(yùn)行，在表面水力負(fù)荷約0.3 m·d1的條件下，柊葉和象草波式潛流人工濕地平均去除率是CODcr分別為66.1%和70.1%，TN分別為60.4%和63.7%，TP分別為74.1%和75.1%。兩種植物生長(zhǎng)良好，根系發(fā)達(dá)，象草的地上生物量是柊葉的2.1倍，地下生物量相當(dāng)；冬季象草生長(zhǎng)緩慢，柊葉部分葉片的四周干枯，但二者都不會(huì)枯亡。這說明兩個(gè)人工濕地對(duì)CODcr、TN和TP都具有較好的去除效果，但無顯著性差異，柊葉和象草能明顯提高潛流人工濕地的凈化效果。

關(guān)鍵詞：柊葉，象草，波式潛流人工濕地，濕地植物，凈化效果

中圖分類號(hào)：X52

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：10003142（2018）06075507

Abstract：By building wavy subsurface flow constructed wetland with Phrynium capitatum and Pennisetum purpureum as artificial wetland plant，we studied the growth characteristics of Phrynium capitatum and Pennisetum purpureum，the purification effects of CODcr，total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） in domestic sewage by wavy subsurface flow constructed wetland. The results after fifteen months of continuous running showed that under a condition of hydraulic surface loading for around 0.3 m·d1，the average removal rate of them were 66.1% and 70.1% （CODcr），60.4% and 63.7% （TN），74.1% and 75.1% （TP）. Both plants grew well，the roots were well developed，the aboveground biomass of P. purpureum was 2.1 of Phrynium capitatum，and the underground biomass was quite the same. The growth of P. purpureum was slow in the winter，and the part of leaves were dry around with Phrynium capitatum，but they would not wither in winter. The results showed that they had a good purification effect on CODcr，TN and TP without significant difference. Phrynium capitatum and Pennisetum purpureum can significantly improve the purification effect of subsurface flow constructed wetland.

Key words：Phrynium capitatum，Pennisetum purpureum，wavy subsurface flow constructed wetland，wetland plant，purification effect

自20世紀(jì)70年代以來，人工濕地的研究和應(yīng)用得到了快速發(fā)展（陳長(zhǎng)太等，2003）。由于具有投資及運(yùn)行費(fèi)用低、運(yùn)行管理方便、處理效果好、景觀生態(tài)相容性好、較好的生態(tài)環(huán)境效益等諸多優(yōu)點(diǎn)（胡世琴，2017），所以已廣泛應(yīng)用于生活廢水、工業(yè)污水、富營(yíng)養(yǎng)化湖水、養(yǎng)豬廢水等的處理中（高紅杰等，2010）。

濕地植物的選擇和凈化機(jī)理是人工濕地研究的重點(diǎn)之一。人工濕地去除污染物的機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，其中濕地植物起著非常重要的作用（袁東海等，2009）；濕地植物不僅能吸收同化污水中的營(yíng)養(yǎng)元素，富集重金屬等其它有害物質(zhì)（胡世琴，2017），而且發(fā)達(dá)的根系能為微生物提供巨大的物理表面，同時(shí)向根部和根際輸氧，創(chuàng)造有利于污染物去除的好氧、缺氧和厭氧的根際微環(huán)境，提高根際微生物種群數(shù)量，有利于根際的氧化還原反應(yīng)（梁雪等，2012）；另外，植物發(fā)達(dá)的根系能增加填料的疏松度，提高濕地床的透水性（謝龍和汪德爟，2009）。因此，選擇合適的人工濕地植物尤為重要。近年來諸多學(xué)者對(duì)美人蕉（Canna indica）（盛辛辛等，2013）、蘆葦（Phragmites austral）（王萌等，2010）、風(fēng)車草（Cyperus alternifolius）（靖元孝等，2002）、香根草（Vetiveria zizanoides）（楊林等，2011）和再力花（Thalia doalbata）（石雷和楊璇，2010）等水生植物人工濕地的凈化效果、機(jī)理和影響因素開展了較多的研究，但有關(guān)柊葉和象草在人工濕地中的應(yīng)用研究鮮見報(bào)道。本研究以柊葉（Phrynium capitatum）、象草（Pennisetum purpureum）為濕地植物構(gòu)建波式潛流人工濕地系統(tǒng)，研究它們對(duì)生活污水中CODcr、TN和TP的去除效果，觀察柊葉和象草不同季節(jié)的生長(zhǎng)情況，并探索了凈化機(jī)理，為柊葉和象草在華南地區(qū)作為人工濕地植物提供參考和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 人工濕地的構(gòu)建

1.1.1 波式潛流人工濕地的設(shè)計(jì) 在本學(xué)院排污口附近構(gòu)建兩個(gè)波式潛流人工濕地床（Wavy Subsurface Flow Constructed Wetland，簡(jiǎn)稱WSFCW），詳見圖1。編為1號(hào)床和2號(hào)床，每個(gè)濕地床設(shè)布水區(qū)、濕地床層和集水區(qū)。每個(gè)濕地床長(zhǎng)3 m，寬1 m，深0.7 m，床底坡度i=0.01，其中布水區(qū)0.25 m，集水區(qū)0.25 m。濕地床層的進(jìn)水和出水處設(shè)1 cm厚的穿孔隔板，有利于均勻布水。濕地床層設(shè)2個(gè)導(dǎo)流板（與水平方向成45度角），導(dǎo)流板使污水呈波式流態(tài)，污水多次經(jīng)過濕地內(nèi)部具有不同處理特性的構(gòu)造層，達(dá)到增強(qiáng)污水凈化效果的目的（何成達(dá)等，2004）。床體填料為50 cm厚的建筑碎石層（直徑0.5～1.5 cm）和10 cm 的土壤表層，總厚度為60 cm。

1.1.2 濕地植物 柊葉是竹芋科，象草是禾本科、黍族多年生叢生大型草本植物，兩種植物在亞洲南部分布極廣，用途較多。柊葉的葉片較大，晾干可用于包裹物品，也可入藥；象草是優(yōu)良牧草，經(jīng)濟(jì)價(jià)值極高，應(yīng)用前景也十分廣闊（溫曉娜等，2009）。

1號(hào)床種植柊葉，柊葉采自學(xué)院標(biāo)本園，從母株中挖取植株作為種苗，每蔸2個(gè)地上莖，修剪為25 cm高，種植間隔為30 cm × 30 cm。2號(hào)床種植象草，象草采自學(xué)院附近農(nóng)戶種植地，采用扦插種植，選擇生長(zhǎng)在100 d以上的粗壯、無病蟲害的莖桿作種莖，按3節(jié)切成一段，扦插間隔為20 cm × 20 cm。栽植后每天進(jìn)污水1 h，30 d后開始連續(xù)進(jìn)水，一方面有利于植物逐漸適應(yīng)污水，另一方面培養(yǎng)填料表面的生物膜。

1.1.3 工藝流程 首先，污水經(jīng)格柵進(jìn)入集水池（長(zhǎng)寬高為1.2 m × 1.2 m × 1.0 m）；然后，經(jīng)提升泵進(jìn)入好氧塘（長(zhǎng)寬高為2.0 m × 2.0 m × 1.8 m）進(jìn)行預(yù)曝氣；最后，通過PVC 管流入1號(hào)床和2號(hào)床，WSFCW工藝流程見圖2。

1.2 人工濕地的運(yùn)行

試驗(yàn)污水取自學(xué)院的生活污水，植物栽植后每天進(jìn)污水1 h，30 d后開始連續(xù)進(jìn)水，1號(hào)和2號(hào)床以相同水力負(fù)荷運(yùn)行（表面水力負(fù)荷約為0.3 m·d1）。2014年3月2日種植柊葉和象草，4月1開始連續(xù)進(jìn)水，從4月15日至2015年7月約半個(gè)月監(jiān)測(cè)一次數(shù)據(jù)，系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)見表1。

1.3 分析測(cè)試

1.3.1 水質(zhì)分析方法 CODcr采用COD測(cè)定儀消解—滴定法。TN采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法。TP采用鉬酸銨分光光度法。

1.3.2 植物分析方法 株高：每個(gè)濕地床選擇5個(gè)典型單株做好標(biāo)記，每個(gè)月測(cè)量一次單株高度，取平均值作為濕地植物的平均株高。桿徑：在收割時(shí)，對(duì)選擇的5個(gè)典型單株測(cè)量桿徑（離地20 cm測(cè)量），取平均值作為濕地植物的平均桿徑。生物量：選擇具有代表性樣地0.5 m2，挖取樣地中的柊葉和象草，將地上部分和地下部分用自來水洗凈分離，70 ℃烘干至恒重，稱量，計(jì)算出每平方米的生物量。生長(zhǎng)狀況：觀測(cè)柊葉和象草不同季節(jié)的生長(zhǎng)情況，挖取典型柊葉和象草的根系，觀測(cè)根系分布、組成和粗細(xì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 柊葉、象草的生長(zhǎng)狀況

由于低溫會(huì)影響大部分水生植物的生長(zhǎng)，因此水生植物人工濕地冬季處理效果普遍較差（馮琳，2009）。近五年來，柳州城區(qū)3—11月間，平均氣溫為15～29 ℃，12月至次年2月平均氣溫為10～13 ℃，極端低溫為0 ℃。本研究持續(xù)15個(gè)月，時(shí)間橫跨一年四季，能更好的研究柊葉和象草在WSFCW的生長(zhǎng)狀況。

柊葉和象草株高增長(zhǎng)情況如圖3所示，3—11月柊葉和象草的月均生長(zhǎng)高度分別為14.6 cm和31.28 cm，象草株高生長(zhǎng)速度極顯著高于柊葉（P<0.01），而12月至次年2月兩種植物株高增加都很小。進(jìn)入冬季后，50%～60%柊葉葉片的四周出現(xiàn)干枯，但葉片中間呈綠色；象草葉片沒有干枯，可常綠過冬，幾乎所有的象草都開花結(jié)果；說明溫度大于10 ℃時(shí)，兩種植物生長(zhǎng)較快，冬季兩種植物生長(zhǎng)緩慢。經(jīng)過1 a的生長(zhǎng)，兩種植物生物量增加放緩，因此于2015年3月對(duì)兩種植物進(jìn)行了收割，經(jīng)測(cè)量柊葉和象草的桿徑分別為7.6和21.1 mm，象草的桿莖是柊葉的2.8倍；柊葉和象草的株高分別為1.16 和2.24 m，象草的株高是柊葉的1.9倍。

2015年7月，觀察樣地中挖出的所有柊葉和象草，發(fā)現(xiàn)柊葉根系主要分布在表層20 cm以上，根莖發(fā)達(dá)，須根短但多，須根上生長(zhǎng)大量的短細(xì)根毛；而象草根系主要分布在表層30 cm以上，根莖發(fā)達(dá)，但較細(xì)，須根相對(duì)少一些，但須根和根毛都較細(xì)長(zhǎng)。柊葉和象草的地上生物量（干質(zhì)量）分別為1 320和2 719 g·m2，象草的地上生物量是柊葉的2.1倍，柊葉和象草的地下生物量（干質(zhì)量）分別為872 和901 g·m2?？梢?，象草的地上生物量顯著大于柊葉，更有利于污染物的吸收去除。兩種植物的地下生物量相當(dāng)，但由于象草的根系較細(xì)長(zhǎng)，可以判斷象草比表面積較大，能為微生物生長(zhǎng)提供更多的附著面積，更有利于微生物的生長(zhǎng)。

2.2 CODcr的去除

CODcr進(jìn)水濃度和去除率如圖4所示，1、2號(hào)床CODcr平均出水分別為44.8 mg·L1和39.3 mg·L1，平均去除率分別為66.1%和70.1%，其中2號(hào)床去除率比1號(hào)床略高4.0%，2號(hào)床對(duì)CODcr的凈化效果略好。

在7月以前，1、2號(hào)床CODcr的去除率始終處于上升的過程，研究認(rèn)為主要是基質(zhì)和根區(qū)的降解性微生物處于增長(zhǎng)期，還未形成穩(wěn)定的微生物種群；其次，初期柊葉和象草的根莖生物量較小，還處于一個(gè)快速增長(zhǎng)期，植物的作用逐漸增強(qiáng)。濕地系統(tǒng)穩(wěn)定后，溫度較高的7—11月，1、2號(hào)床平均去除率分別為69.5%和74.7%，2號(hào)床略高，研究認(rèn)為主要是因?yàn)橄蟛莸牡厣仙锪匡@著高于柊葉。溫度較低的12月至次年2月，1、2號(hào)床平均去除率分別為60.7%和63.7%，相比7—11月分別下降8.8%和11.0%，研究認(rèn)為主要是因?yàn)榈蜏赜绊懥宋⑸锓N群的活性；另外，柊葉受低溫的影響，50%～60%葉片四周出現(xiàn)干枯，而象草開花結(jié)果，生長(zhǎng)正常，但生長(zhǎng)緩慢，使得系統(tǒng)對(duì)有機(jī)污染物的去除率明顯下降。

1、2號(hào)床對(duì)有機(jī)污染物都有較好的去除效果，在W-SFCW中，有機(jī)物傳質(zhì)附著在基質(zhì)表面、植物莖部和根區(qū)的生物膜上，被微生物降解或植物吸收（馮琳，2009）。分析認(rèn)為：（1）預(yù)曝氣增加了濕地進(jìn)水的溶解氧，平均達(dá)到2.9 mg·L1，有利于有機(jī)物的氧化去除。（2）兩種植物的地下生物量相當(dāng)，莖和根的輸氧和泌氧作用使得根區(qū)附近依次形成好氧區(qū)、缺氧區(qū)、厭氧區(qū)，有利于有機(jī)物的去除（馮琳，2009）。（3）WSFCW的波式流態(tài)基本使所有水流反復(fù)處于好氧-缺氧-厭氧狀態(tài)，類似于A2/O工藝，有利于有機(jī)物的去除（何成達(dá)等，2004）。（4）進(jìn)水CODcr負(fù)荷波動(dòng)較大，說明系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)。

2.3 TN的去除

TN進(jìn)水濃度和去除率如圖5所示，1、2號(hào)床TN平均出水分別為11.7和10.8 mg·L1，平均去除率分別為60.4%和63.7%，其中2號(hào)床去除率比1號(hào)床略高3.3%，2號(hào)床對(duì)TN的凈化較果略好。

在7月中旬以前，1、2號(hào)床TN的去除率始終處于上升的過程，研究認(rèn)為主要是基質(zhì)和根區(qū)的硝化菌和反硝化菌處于增長(zhǎng)期。3—7月溫度逐漸增加，溫度越高越有利于硝化和反硝化（靖元孝等，2002）。另外，兩種植物的生物量處于快速增長(zhǎng)期，對(duì)N的吸收逐漸增多，同時(shí)根區(qū)的輸氧作用也逐漸增強(qiáng)），有利于氮的硝化（劉春常等，2005。濕地系統(tǒng)較穩(wěn)定后，在溫度較高的7—11月，1、2號(hào)床平均去除率分別為64.8%和69.1%，2號(hào)床略高4.3%，研究認(rèn)為主要是象草的生物量明顯高于柊葉。2號(hào)床中象草的根系分布較深，根據(jù)植物泌氧作用，2號(hào)床的好氧區(qū)體積會(huì)略大一些，更有利于氮的硝化。溫度較低的12月至次年2月，1、2號(hào)床平均去除率分別為49.0%和50.0%，兩者幾乎無差異，但相比7—11月分別下降了15.8%和18.8%，分析認(rèn)為低溫使柊葉和象草生長(zhǎng)緩慢，植物吸收作用減弱，此時(shí)N的去除主要依靠硝化和反硝化，而且低溫環(huán)境下植物根系的泌氧作用很?。ㄒ啄丝档龋?016），使得植物向土壤輸送的溶解氧極小，濕地中的好氧區(qū)縮小，不利于氮的硝化。此外，低溫嚴(yán)重影響了硝化菌和反硝化菌的活性（楊林等，2011），使得冬季人工濕地脫氮的效果顯著下降。7—8月進(jìn)水TN濃度低于9 mg·L1，但1、2號(hào)床去除率均較其它月份高，分析認(rèn)為夏季高溫是硝化和反硝化的最佳溫度（張政等，2006），非常有利于N的去除。雖然進(jìn)水CODcr較低，但COD/TN比值大于5，加上基質(zhì)中原先截留的有機(jī)物能為反硝化提供充足的碳源（連小瑩等，2008）；另外，夏季兩種植物生長(zhǎng)旺盛。

1、2號(hào)床對(duì)TN都有較好的去除效果，人工濕地脫氮的機(jī)理主要包括微生物的硝化-反硝化脫氮、濕地植物的吸收、基質(zhì)的截留吸附和氨的揮發(fā)（張政等，2006）。Gottschal et al（2007）認(rèn)為根據(jù)植物的種類和設(shè)計(jì)參數(shù)，植物對(duì)N的吸收占濕地TN去除的3%～47%。從圖5可以看出，雖然柊葉和象草的生物量相差顯著，但是兩個(gè)濕地脫氮的效果差異不明顯，說明硝化、反硝化作用才是脫氮的最主要途徑。一般在潛流型人工濕地中，植物根系基本分布在表層，由于植物根系輸氧泌氧和大氣復(fù)氧的作用，好氧區(qū)主要分布在植物根系的附近和人工濕地的淺層，故厭氧、缺氧區(qū)體積大于好氧區(qū)體積，使得硝化作用成為脫氮的限制因子（Antoniou et al，1990）；而W-SFCW的波式流態(tài)使水流能把氧帶到離表面更深的區(qū)域，有效增加好氧區(qū)體積，有利于氮的硝化，同時(shí)波式流態(tài)使水流反復(fù)處于好氧-缺氧-厭氧狀態(tài)，污水中的氮反復(fù)進(jìn)行硝化和反硝化（馮琳，2009），更有利于TN的去除。

2.4 TP的去除

TP進(jìn)水濃度和去除率如圖6所示，1、2號(hào)床TP平均出水分別為0.87 mg·L1和0.83 mg·L1，平均去除率分別為74.1%和75.1%，其中2號(hào)床去除率比1號(hào)床略高1.0%，差異很小。

研究結(jié)果表明，1、2號(hào)床對(duì)TP的去除率都穩(wěn)定在70%以上，未見較大的波動(dòng)，系統(tǒng)運(yùn)行初期也未出現(xiàn)類似于CODcr和TN去除率逐漸升高的過程。溫度較高的7—11月，1、2號(hào)床平均去除率分別為77.9%和79.3%；溫度較低的12月至次年1月，1、2號(hào)床平均去除率分別為71.0%和72.1%。溫度雖然影響了植物的生長(zhǎng)和微生物的活性，但對(duì)TP的去除影響并不顯著。通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，1、2號(hào)床2015年4—7月TP平均去除率比2014年4—7月分別下降了3.2%和1.7%。植物生物量增大和微生物種群穩(wěn)定的情況下TP去除率反而下降，說明濕地床經(jīng)過一年的運(yùn)行后，基質(zhì)中Ca、Fe等離子逐漸減少，基質(zhì)對(duì)磷的吸附沉淀作用逐漸減弱。以上說明柊葉和象草對(duì)P的吸收并不是該濕地除磷的主要途徑。

人工濕地除磷的機(jī)理主要包括基質(zhì)的吸附沉淀作用、植物的吸收作用和微生物的轉(zhuǎn)化吸收作用（劉霄等，2011）。從圖6可以看出，雖然柊葉和象草的生物量相差顯著，但兩個(gè)濕地除磷的效果差異很小，而且溫度對(duì)除磷的影響也并不顯著，說明植物吸收和微生物吸磷的量比較有限，基質(zhì)的吸附沉淀作用才是除磷的主要途徑。本研究的濕地填料（建筑碎石，主要是石灰?guī)r）含有大量Ca、Fe等離子，它們可與磷酸生成不溶物沉積下來，說明以石灰?guī)r為填料的W-SFCW可以達(dá)到較好的除磷效果。

3 結(jié)論

（1）在相同試驗(yàn)條件下，柊葉和象草波式潛流人工濕地平均去除率分別為CODcr，66.1%和70.1%；TN，60.4%和63.7%；TP，74.1%和75.1%；兩者對(duì)以上污染物都具有較好的去除效果。

（2）濕地床建成初期，有機(jī)物和總氮的去除率會(huì)隨著柊葉、象草生物量的增加而增加，可見柊葉和象草能明顯提高人工濕地系統(tǒng)的凈化效果。

（3）柊葉和象草都能很好的適應(yīng)潛流人工濕地環(huán)境，生長(zhǎng)茂盛，根系發(fā)達(dá)，柊葉株高可達(dá)1.3 m，象草株高可達(dá)2.5 m，象草地上生物量顯著大于柊葉；在0 ℃以上二者都可安全過冬，但象草更耐寒；在華南地區(qū)，兩種植物都可以作為人工濕地植物。

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