不同配置人工濕地植物群落對(duì)生活污水凈化效果

吳雨涵, 余 俊, 王銳涵

(1.蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 蘇州 215000; 2.南京林業(yè)大學(xué) 藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院, 南京 210037)

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷深入發(fā)展的同時(shí)，水污染等問題也日益突出，為了有效解決這一問題，多種污水處理方式應(yīng)運(yùn)而生，尤其是人工濕地的運(yùn)用很大程度上提升了污水處理水平，這種人工構(gòu)建的濕地興起于20世紀(jì)70年代，是對(duì)土壤、礫石及爐渣的綜合運(yùn)用，充分發(fā)揮了三者有機(jī)結(jié)合的凈化效果，三者經(jīng)過一定比例混合后形成特定的基底，加之相應(yīng)植被的種植，能夠?qū)ξ廴疚镞M(jìn)行較好的凈化[1-2]；作為重要的污水處理系統(tǒng)，其不僅包括了基底及植被，同時(shí)還有水體及微生物，這4大基本要素借助于相應(yīng)的理化反應(yīng)來吸附過濾污染物，從而形成較好的去污效果，不僅成本較低，且具有低能耗的明顯益處，在現(xiàn)代社會(huì)水體凈化方面效果突出，同時(shí)利于水體富營養(yǎng)化的治理，在很多地區(qū)的實(shí)驗(yàn)及實(shí)地運(yùn)用效果顯著[3]。對(duì)于人工濕地而言，其凈化效果不僅通過吸附過濾，同時(shí)還有沉積等作用，此外，不同類型的濕地，其對(duì)不同污染物的處理能力存在較明顯差異，因此能夠有針對(duì)性地處理不同污染物[4-5]。常用的基質(zhì)不僅有礫石和爐渣，同時(shí)還可以利用工業(yè)副產(chǎn)品作為基質(zhì)填充，近些年來混合基質(zhì)應(yīng)用較為廣泛，尤其是沸石、白云石等[6]。隨著研究的不斷深入，關(guān)于濕地的研究不僅僅在于基質(zhì)填充物及植被的研究，更向其不同處理能力的深入分析進(jìn)行探討，大量研究表明，對(duì)于香蒲(Typhaorientalis)，美人蕉(Cannaindica)而言，其能夠作為良好的濕地植被，在凈化水質(zhì)方面效果顯著，且其能夠憑借良好的適應(yīng)性而被廣泛運(yùn)用[7-8]。隨著生活污染和工業(yè)廢水的不斷排放，污水治理已經(jīng)刻不容緩，這直接關(guān)乎社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，更關(guān)乎居民社會(huì)生活，因此開展此方面的研究能夠帶來較大的現(xiàn)實(shí)意義[9]，且具有現(xiàn)實(shí)必要性，這將對(duì)于水質(zhì)的優(yōu)化起著積極的意義，能夠?yàn)樯鐣?huì)生活創(chuàng)造更好的環(huán)境[10]。

對(duì)于濕地而言，植被在其中起著重要的過濾及吸附作用，且能夠利于微生物活動(dòng)，為之創(chuàng)造較好的新陳代謝環(huán)境[11]，不同的濕地植被起著不同的吸附過濾效果，通過有側(cè)重地進(jìn)行植被種植，能夠?qū)μ囟ㄎ廴疚镞M(jìn)行有效去除，從而提升凈化水質(zhì)的效果，尤其是不同植被的混合能夠顯著增強(qiáng)污水的綜合治理水平，對(duì)其營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行有效平衡，利于濕地物質(zhì)和能量交換，同時(shí)促進(jìn)水生生物發(fā)育，促進(jìn)濕地生態(tài)平衡，最終提升的是濕地的綜合凈化能力[12-13]。對(duì)于濕地而言，不同濕地植被的組合能夠產(chǎn)生不同的水質(zhì)凈化效果，且其能夠產(chǎn)生相互作用，最終促使?jié)竦叵到y(tǒng)產(chǎn)生不同的污水去除效果，提升濕地的功能差異，尤其是在污水具有多種污染物的情況下，植被錯(cuò)配能夠起到良好的綜合凈化效果，最終提升整個(gè)濕地的凈化水質(zhì)能力。近年來，大量學(xué)者開展?jié)竦叵嚓P(guān)研究，尤其是基質(zhì)填充物方面及植被方面[14]，但多集中在單植被方面，對(duì)于植被的錯(cuò)配研究相對(duì)較少。基于此，本研究從多種植被錯(cuò)配的角度開展相應(yīng)的研究，從而探究人工濕地在凈化水質(zhì)方面的效果，研究所選的植被不僅包括茭草、鳶尾，還有菖蒲及眼子菜，這些都是常用的植被，為了進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，特設(shè)定未進(jìn)行植被種植的對(duì)照組，從而通過綜合對(duì)比來探究植被在濕地污水治理方面的效果，從而為提升濕地的綜合凈化能力提供有益參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.2 人工濕地設(shè)計(jì)與流程

本試驗(yàn)在南京林業(yè)大學(xué)進(jìn)行，所構(gòu)造的人工濕地將底部作為集水區(qū)，并將尼龍網(wǎng)鋪放其上，根據(jù)所選擇的濕地植被，共構(gòu)造了4類濕地單元，為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，特對(duì)各單元開展5次重復(fù)，要求各單元的長、寬、深分別達(dá)到20，5，1 m，其間借助于0.5 m的土埂分開；對(duì)于基質(zhì)填充物主要進(jìn)行3層分布，其鋪放厚度均為25 cm：最底層為排水層，其用大粒礫石填充，要求粒徑在20～30 mm；將中號(hào)爐渣作為中層基質(zhì)填充物，要求粒徑在15～25 mm；最上層則用小號(hào)爐渣作為填充，要求其粒徑在10～15 mm，同時(shí)用泥沙加以填充；對(duì)于濕地植被種植而言，要求其密度為3～7顆/m2，由于集水區(qū)位于單元底部，因此需要在其上鋪放尼龍網(wǎng)，這樣能夠有效降低填料的下滲，同時(shí)在對(duì)角線方向鋪放PVC管，要求其直徑達(dá)到10 mm，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)水的流通，能夠很好地進(jìn)行樣品采集。

本實(shí)驗(yàn)開始于2016年5月，為了較好地進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，首先需要開展植被的馴化，采取的是微污染水培養(yǎng)，時(shí)間長達(dá)一個(gè)月，選用的植被不僅有茭草(Zizaniacaduciflora)、鳶尾(Iristectorum)，還有菖蒲(Acoruscalamus)及眼子菜(Potamogetonaceae)，將長勢較為接近的植株植于沙質(zhì)基質(zhì)，首先用自來水灌溉至飽和，然后利用地下水開展長達(dá)1個(gè)月的培養(yǎng)，要求其上的水層厚度約為2 cm，并進(jìn)行3～5次的換水；于7月20日在濕地中注入污水，并通過布水管逐漸下滲，放水時(shí)間長達(dá)12 h；最終處理過的污水將通過PVC管排出，待植被生長1年后開展相應(yīng)的指標(biāo)測定。

圖1 人工濕地植物群落構(gòu)建示意圖[14]

1.3 測定方法

當(dāng)濕地的運(yùn)營時(shí)間長達(dá)1年后方進(jìn)行取水實(shí)驗(yàn)， 并對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)開展分析，各水質(zhì)指標(biāo)的去除率=[(進(jìn)水口值-出水口值)/出水口值]×100%[15]。

同時(shí)對(duì)各單元植被情況進(jìn)行對(duì)比分析，并做好記錄，尤其是其中1 m2樣方的植被數(shù)量、長勢情況，為了對(duì)比地上及地下部分生物量，需要將其進(jìn)行收割，并分為地上及地下兩部分，指標(biāo)測定之前首先進(jìn)行烘干處理，并粉碎后經(jīng)過H2SO4—H2O2消煮使之成為溶液，對(duì)于TN、TP的測定分別采用光度法、釩鉬藍(lán)法進(jìn)行。

植被N，P積累量=植被體內(nèi)N，P濃度×植被生物量[16]

2 結(jié)果與分析

2.1 水體BOD5變化

由圖2可知，不同空間配置的4種濕地植物群落中BOD5質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化逐漸降低，CK質(zhì)量濃度變化范圍為83.6～102.3 mol/L，茭草BOD5質(zhì)量濃度變化范圍為42.3～102.3 mol/L，鳶尾質(zhì)量濃度變化范圍為38.7～102.3 mol/L，菖蒲質(zhì)量濃度變化范圍為35.9～102.3 mol/L，眼子菜質(zhì)量濃度變化范圍為32.6～102.3 mol/L，相同月份BOD5質(zhì)量濃度大致表現(xiàn)為CK>茭草>鳶尾>菖蒲>眼子菜；BOD5去除率隨時(shí)間變化逐漸增加，茭草BOD5去除率變化范圍為0～49.4%，鳶尾去除率變化范圍為0～53.7%，菖蒲去除率變化范圍為0～57.1%，眼子菜去除率變化范圍為0～61.0%，相同月份BOD5去除率大致表現(xiàn)為眼子菜>菖蒲>鳶尾>鳶尾。

圖2 水體BOD5變化及去除率

2.2 水體CODCr變化

由圖3可知，不同空間配置的4種濕地植物群落中CODCr質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化逐漸降低，CK質(zhì)量濃度變化范圍為92.3～156.3 mol/L，茭草CODCr質(zhì)量濃度變化范圍為85.6～156.3 mol/L，鳶尾質(zhì)量濃度變化范圍為72.3～156.3 mol/L，菖蒲質(zhì)量濃度變化范圍為65.9～156.3 mol/L，眼子菜質(zhì)量濃度變化范圍為52.1～156.3 mol/L，相同月份CODCr質(zhì)量濃度大致表現(xiàn)為CK>茭草>鳶尾>菖蒲>眼子菜；CODCr去除率隨時(shí)間變化逐漸增加，茭草CODCr去除率變化范圍為0～7.3%，鳶尾去除率變化范圍為0～20.7%，菖蒲去除率變化范圍為0～28.6%，眼子菜去除率變化范圍為0～43.6%，相同月份CODCr去除率大致表現(xiàn)為眼子菜>菖蒲>鳶尾>鳶尾。

圖3 水體CODCr變化及去除率

2.3 水體TN變化

由圖4可知，不同空間配置的4種濕地植物群落中TN質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化逐漸降低，CK質(zhì)量濃度變化范圍為19.2～23.6 mol/L，茭草TN質(zhì)量濃度變化范圍為17.3～23.6 mol/L，鳶尾質(zhì)量濃度變化范圍為16.5～23.6 mol/L，菖蒲質(zhì)量濃度變化范圍為16.2～23.6 mol/L，眼子菜質(zhì)量濃度變化范圍為15.7～23.6 mol/L，相同月份TN質(zhì)量濃度大致表現(xiàn)為CK>茭草>鳶尾>菖蒲>眼子菜；TN去除率隨時(shí)間變化逐漸增加，茭草TN去除率變化范圍為0～9.9%，鳶尾去除率變化范圍為0～14.1%，菖蒲去除率變化范圍為0～15.7%，眼子菜去除率變化范圍為0～18.2%，相同月份TN去除率大致表現(xiàn)為眼子菜>菖蒲>鳶尾>鳶尾。

圖4 水體TN變化及去除率

2.4 水體變化

圖5 水體變化及去除率

2.5 水體變化

圖6 水體變化及去除率

2.6 水體TP變化

由圖7可知，不同空間配置的4種濕地植物群落中TP質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化逐漸降低，CK質(zhì)量濃度變化范圍為0.23～0.39 mol/L，茭草TP質(zhì)量濃度變化范圍為0.19～0.39 mol/L，鳶尾質(zhì)量濃度變化范圍為0.17～0.39 mol/L，菖蒲質(zhì)量濃度變化范圍為0.15～0.39 mol/L，眼子菜質(zhì)量濃度變化范圍為0.14～0.39 mol/L，相同月份TP質(zhì)量濃度大致表現(xiàn)為CK>茭草>鳶尾>菖蒲>眼子菜；TP去除率隨時(shí)間變化逐漸增加，茭草TP去除率變化范圍為0～32.1%，鳶尾去除率變化范圍為0～39.2%，菖蒲去除率變化范圍為0～46.4%，眼子菜去除率變化范圍為0～50.0%，相同月份TP去除率大致表現(xiàn)為眼子菜>菖蒲>鳶尾>鳶尾。

圖7 水體TP變化及去除率

2.7 濕地植被生物量及氮、磷積累量

由圖8可知，濕地植被地上生物量變化范圍為25.9～39.6 g/m2，大致表現(xiàn)為眼子菜>菖蒲>鳶尾>茭草，其中眼子菜和菖蒲差異不顯著(p>0.05)，鳶尾和茭草差異不顯著(p>0.05)；地下生物量變化范圍為31.2～41.3 g/m2，大致表現(xiàn)為眼子菜>菖蒲>鳶尾>茭草，不同植物差異均顯著(p<0.05)。地上N累積量變化范圍為18.3～25.7 g/m2，地下N累積量變化范圍為35.9～52.4 g/m2，地上P累積量變化范圍為8.2～9.5 g/m2，地下P累積量變化范圍為10.5～11.4 g/m2，大致表現(xiàn)為眼子菜>菖蒲>鳶尾>茭草，不同植物地上和地下P累積量差異均不顯著(p>0.05)。

2.8 生活污水各指標(biāo)之間的相關(guān)性

注：不同小寫字母表示不同濕地植被生物量及氮、磷積累量在0.05水平差異顯著(p<0.05)。
圖8 濕地植被生物量及氮、磷積累量

表1 生活污水各指標(biāo)之間的相關(guān)性(n=20)

注：**代表相關(guān)性在0.01水平上顯著(雙尾)，*代表相關(guān)性在0.05水平上顯著(雙尾)。

3 討論與結(jié)論

對(duì)于濕地植被而言，其不僅通過莖葉有效吸附過濾水質(zhì)中的污染物，還能夠通過根系對(duì)基底污染物吸附，從而形成較強(qiáng)的污水凈化效果；另外，還能夠?yàn)槲⑸锘顒?dòng)提供良好的環(huán)境，促進(jìn)其對(duì)污染物的分解及利用，最終促進(jìn)水質(zhì)凈化效果的提升，促進(jìn)濕地凈化效果。更為發(fā)達(dá)的根系能夠促進(jìn)植被對(duì)污染物的吸附及過濾效果的提升[25-26]，從而促進(jìn)凈化效果的提升，尤其是挺水植被，其根系尤為發(fā)達(dá)，尤其是植被錯(cuò)配能夠帶來較突出的凈化效果。通過研究分析得知，隨著濕地運(yùn)行的增加，其去污效果不斷增強(qiáng)，在其運(yùn)行初期，由于植被尚未形成較為發(fā)達(dá)的根系及莖葉，無法產(chǎn)生明顯的吸附過濾效果，因此在去污方面的效果弱于其成熟期，而經(jīng)過1年的運(yùn)行，其效果日益凸顯；但是盡管在其進(jìn)入衰老期，其凈化效果依然未發(fā)生顯著的下降，這說明其具有較好的凈化持續(xù)性，也從另一個(gè)方面說明根系在水質(zhì)凈化方面的突出效果。通過對(duì)比植株體內(nèi)N，P含量可知，其地上部分高于地下部分，這主要與其養(yǎng)分供給有關(guān)；植被對(duì)其積累量反映著其直接的去除能力，也可以通過收割的方式將其積累量去除。