不同生物量苦草對(duì)生活污水尾水的凈化效果研究

殷金巖趙秀芳韋依伶徐曼

(1.嶺南生態(tài)文旅股份有限公司，廣東 東莞 523007；2.廣東省園林綠化生態(tài)營(yíng)建與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，廣東 東莞 523001)

生活污水的尾水水質(zhì)是制約尾水利用的關(guān)鍵[1]。當(dāng)前我國(guó)污水處理廠尾水通常執(zhí)行一級(jí)Ⅰ級(jí)A和Ⅰ級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，出水中仍含有少量的懸浮顆粒物、氮磷有機(jī)物、細(xì)菌和重金屬等有毒物質(zhì)，這些物質(zhì)的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地表水Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，排入水體會(huì)造成水環(huán)境容量減少和水體污染，需要深度處理后才能進(jìn)行排放利用[2]?，F(xiàn)有的尾水深度處理技術(shù)主要有膜分離、混凝沉淀、生物濾池和人工濕地[3]，與其它技術(shù)相比較，以“綠色系統(tǒng)”為核心的人工濕地，不僅基建及運(yùn)行費(fèi)用低，而且污染物處理能力強(qiáng)、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、景觀營(yíng)造效果好，可實(shí)現(xiàn)對(duì)氮磷等營(yíng)養(yǎng)物的高效降解，是實(shí)現(xiàn)尾水水質(zhì)提升的優(yōu)選方案。植物是人工濕地的重要組成部分，本文以苦草(Vallisneria natans)為研究對(duì)象，開(kāi)展不同生物量的苦草對(duì)生活污水的尾水凈化效果，以期對(duì)工程實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

苦草(Vallisneria natans)，水鱉科苦草屬沉水植物，選擇生長(zhǎng)狀態(tài)良好的植株，洗凈后修剪至規(guī)格一致(10～15cm)待用；實(shí)驗(yàn)用水為生活污水尾水；實(shí)驗(yàn)裝置為500L白色聚乙烯桶，規(guī)格為直徑1m、高0.84m。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)共設(shè)A、B、C、D、E 5個(gè)處理組，見(jiàn)表1，每個(gè)處理組3個(gè)平行處理。各實(shí)驗(yàn)桶均鋪設(shè)約10cm厚底泥，加水至距桶上沿約5cm處，待桶內(nèi)水體條件穩(wěn)定后，種植沉水植物。

表1 實(shí)驗(yàn)組別設(shè)計(jì)

1.3 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)及測(cè)定方法

2 結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)于2022年8月24日—10月9日進(jìn)行，共計(jì)47d；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中及時(shí)觀察各實(shí)驗(yàn)桶內(nèi)情況，去除水面雜物及滋生的水綿和螺類(lèi)，減少對(duì)實(shí)驗(yàn)桶的影響；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中降雨量少，整體氣溫較高。

2.1 不同處理組對(duì)水體濁度的影響

從圖1可以看出，實(shí)驗(yàn)初期各處理組濁度成波動(dòng)趨勢(shì)，其原因可能是種植植物對(duì)水體的攪動(dòng)作用以及植物對(duì)水體存在適應(yīng)階段所導(dǎo)致；實(shí)驗(yàn)中期開(kāi)始，A、B、C、D 4個(gè)處理組濁度均逐漸穩(wěn)定下降，且A、B 2組的下降速度要高于其他組別，C、D 2組呈交叉下降趨勢(shì)，空白E組則從中期開(kāi)始呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)上升趨勢(shì)；實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各處理組濁度分別為A組1.89、B組7.30、C組13.07、D組20.90、E組63.20，各處理組之間存在顯著差異。說(shuō)明高生物量的苦草對(duì)水體濁度的下降有更加明顯的促進(jìn)作用。

圖1 不同處理組濁度變化

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)初期各組去除率也呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)中期開(kāi)始，各有草處理組濁度去除率開(kāi)始明顯上升，空白E組則逐漸下降，且A組、B組濁度去除率始終高于其他2個(gè)組別；實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各處理組的濁度去除率分別為A組93.94%、B組76.61%、C組58.12%、D組33.03%、E組-102.51%，各處理組之間差異明顯。同樣說(shuō)明高生物量的苦草能更快的降低水體的濁度。

圖2 不同處理組濁度去除率變化

2.2 不同處理組對(duì)水體TN濃度的影響

不同處理組對(duì)TN濃度的影響如圖3所示，實(shí)驗(yàn)初期各處理組TN濃度均出現(xiàn)明顯的下降，這可能是由于水體本身的沉降作用所致，但與TP類(lèi)似，有草處理組TN濃度下降速度要高于空白E組，且A組下降速度最快；之后空白E組TN濃度開(kāi)始逐漸上升，其他組別則出現(xiàn)不同程度的逐步下降，且除C組TN濃度波動(dòng)較大外，其余組別均為高生物量處理組TN濃度低于低生物量處理組；實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各處理組TN濃度存在較顯著差異，分別為A組0.2505mg·L-1、B組0.4841mg·L-1、C組0.7111mg·L-1、D組1.6387mg·L-1、E組6.4898mg·L-1。說(shuō)明高生物量苦草對(duì)水體TN濃度有更好的去除作用，且去除效率更高。

在水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)上，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，各處理組TN濃度均為劣Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，第5天時(shí)，A組、B組、C組下降到Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，第10天時(shí)，A組下降到Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，第19天時(shí)，A組下降到Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，B組、C組下降到Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，D組下降到Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，第43天時(shí)，A組、B組下降到Ⅱ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，C組下降到Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各處理組TN濃度水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)分別為A組Ⅱ類(lèi)水、B組Ⅱ類(lèi)水、C組Ⅲ類(lèi)水、D組Ⅴ類(lèi)水、E組劣Ⅴ類(lèi)水。也能夠說(shuō)明高生物量處理組能更快的降低水體的TN含量，提高水質(zhì)。

圖3 不同處理組TN濃度變化

各處理組TN濃度去除率如圖4所示，與TN濃度變化相反，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，各處理組TN去除率均出現(xiàn)明顯的上升；之后空白E組出現(xiàn)顯著且持續(xù)的下降，而有草的其余組別則出現(xiàn)不同程度的上升，且除C組外，高生物量組別TN去除率要高于低生物量組別；實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各處理組TN去除率有明顯的差異，分別為A組90.70%、B組82.04%、C組73.62%、D組39.20%、E組-140.79%。

2.3 不同處理組對(duì)水體氨氮濃度的影響

不同處理組氨氮濃度變化如圖5所示，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，各處理組氨氮初始濃度均較低，屬于地表Ⅱ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，外界環(huán)境變化對(duì)水體的影響作用導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)中期呈波動(dòng)趨勢(shì)，至實(shí)驗(yàn)中后期，空白E組氨氮濃度顯著上升，其他處理組穩(wěn)定下降，且植物生物量高的組別氨氮濃度要低于植物生物量低的組別，說(shuō)明高生物量對(duì)氨氮濃度有更明顯的去除作用；實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，A組氨氮濃度為0.0912mg·L-1，達(dá)到地表Ⅰ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，B組濃度為0.1621mg·L-1，C組濃度為0.1571mg·L-1，D組濃度為0.2128mg·L-1，3組均達(dá)到地表Ⅱ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，E組濃度為0.6975mg·L-1，上升至地表Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。說(shuō)明高生物量苦草對(duì)水體氨氮濃度有更好的去除效果，且去除效率更高。

圖4 不同處理組TN去除率變化

圖5 不同處理組氨氮濃度變化

各處理組氨氮去除率如圖6所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，除A組外其他各處理組氨氮去除率均為負(fù)值，且植物生物量大的處理組去除率均高于植物生物量小的處理組，各組別去除率分別為A組40.33%，B組-6.08%，C組-2.76%，D組-39.23%，E組-356.35%，說(shuō)明高植物生物量對(duì)本實(shí)驗(yàn)水體氨氮的升高有更強(qiáng)的抑制作用。

2.4 不同處理組對(duì)水體TP濃度的影響

不同處理組對(duì)TP濃度的影響如圖7所示，實(shí)驗(yàn)初期各處理組TP濃度均出現(xiàn)一個(gè)明顯的下降，這可能是由于水體本身的沉降作用導(dǎo)致，但有草處理組下降速度要高于空白E組；之后空白E組TP濃度開(kāi)始逐漸升高，其余各處理組TP濃度開(kāi)始出現(xiàn)不同程度的下降，且除C組外，高生物量處理組下降速度要快于低生物量處理組；實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各處理組TP濃度有明顯的差異，分別為A組0.0128mg·L-1、B組0.0385mg·L-1、C組0.0428mg·L-1、D組0.1540mg·L-1、E組0.3251mg·L-1。說(shuō)明高的苦草植物生物量對(duì)水體TP含量有更好的去除作用，且去除效率更高。

圖6 不同處理組氨氮去除率變化

在水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)上，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，各組別TP濃度均為Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，第5天時(shí)，A組、B組、C組、D組均下降到Ⅲ類(lèi)水，E組下降到Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，第10天時(shí)，A組下降到Ⅱ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，第19天時(shí)，B組、C組下降到Ⅱ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，第43天時(shí)，A組下降到Ⅰ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各處理組TP濃度水質(zhì)類(lèi)別分別為A組Ⅰ類(lèi)水、B組Ⅱ類(lèi)水、C組Ⅱ類(lèi)水、D組Ⅲ類(lèi)水、E組Ⅴ類(lèi)水。也能夠說(shuō)明高生物量處理組能更快的降低水體的TP含量，提高水質(zhì)。

圖7 不同處理組TP濃度變化

各處理組TP去除率變化如圖8所示，與TP濃度變化相反，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)各處理組TP去除率先出現(xiàn)一個(gè)明顯的上升；之后空白E組開(kāi)始逐漸下降，其余組別TP去除率出現(xiàn)不同程度的上升，其中A組TP去除率始終高于其他組別，E組去除率始終最低；至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各處理組TP去除率存在明顯的差異，分別為A組95.84%、B組87.51%、C組86.12%、D組50.04%、E組-5.47%。

圖8 不同處理組TP去除率變化

2.5 不同處理組對(duì)水體葉綠素a濃度的影響

不同處理組葉綠素a濃度變化如圖9所示，實(shí)驗(yàn)初期，由于水體沉降作用，各個(gè)組別濃度均出現(xiàn)一定下降，但有草處理組下降速度均高于空白E組；之后空白E組葉綠素a濃度逐漸上升，其他各處理組均出現(xiàn)不同程度的下降，除C組外，其余3組均為高生物量組別下降速度快于低生物量組別；實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各處理組葉綠素a濃度分別為A組1.3303μg·L-1、B組16.15633μg·L-1、C組4.85033μg·L-1、D組43.44233μg·L-1、E組277.65943μg·L-1。說(shuō)明高生物量苦草對(duì)水體的葉綠素a濃度有更好的去除作用，且去除效率更高。

圖9 不同處理組葉綠素a濃度變化

各處理組葉綠素a去除率如圖10所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，除空白E組外，其余各處理組對(duì)葉綠素a均有明顯去除效果，其中A組去除率最高，為98.61%，B組、C組去除率分別為83.12%和94.93%，D組去除率最低，為54.61%，而空白E組去除率為-190.13%。也能夠說(shuō)明越高的苦草生物量能夠更好的去除水體中的葉綠素a含量。

圖10 不同處理組葉綠素a去除率

3 討論

本實(shí)驗(yàn)中，有苦草的處理組與空白組相比，均能夠有效去除水體中的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、懸浮顆粒及浮游藻類(lèi)含量。其中，A組為種植苦草300g的組別，與其他組別相比，其去除水體污染物的能力和去除速度均最高；D組的去除能力和去除速度在有草處理組中最差；C組則有與B組數(shù)據(jù)交叉的現(xiàn)象出現(xiàn)，這可能由于：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察到C組桶壁與其他組別相比有明顯的附著現(xiàn)象，可能是因?yàn)檫^(guò)多的螺類(lèi)生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)異常；C組桶內(nèi)生長(zhǎng)有過(guò)多的水綿，也起到了一定去除水體污染物的作用；C組植物生物量與B組相差不大，也可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)交叉。

苦草作為水體生態(tài)修復(fù)中常用沉水植物物種，對(duì)水體的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、懸浮顆粒含量及浮游藻類(lèi)含量有很好的去除作用[4]。本研究結(jié)果顯示，隨著苦草植物生物量的增大，其去除效果變好，去除速度也更快。這可能是因?yàn)殡S著苦草數(shù)量的增加其群落的穩(wěn)定性更強(qiáng)。因此在水生生態(tài)系統(tǒng)中，一定規(guī)模沉水植物的存在能夠使整個(gè)水體的水質(zhì)保持良好的水平，較好的緩解外界污染物所產(chǎn)生的影響。