段夢瑤 段譽(yù)梅 趙磊 李興南 朱芳雨 張雨豪 李佳偉 龔丹丹 王芮 李莉

摘要 [目的] 研究人工濕地景觀設(shè)計效果及不同人工濕地植物對生活污水的處理效果。[方法] 選擇美人蕉+菖蒲+野菱+輪葉黑藻構(gòu)成人工濕地植物組合，測定該組合對試驗(yàn)水樣NH3-N、CODCr、TP的去除率。[結(jié)果] 組合植物對NH3-N的削弱作用最為顯著，其次是CODCr、TP。水力停留時間3 d對NH3-N、CODCr、TP的去除率分別為：50.25%～99.40%、37.10%～72.83%、-28.48%～91.81%;最高去除率分別為99.40%、72.83%、91.81%。第一周期到第四周期NH3-N、CODCr、TP的去除效率曲線表明：曲線的斜率呈現(xiàn)出增加趨勢。[結(jié)論] 該研究可為復(fù)合人工濕地植物群落對生活污水的去除效果提供重要的運(yùn)行參數(shù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞 人工濕地;菖蒲;野菱;生活污水

中圖分類號 S181.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）33-11836-03

Research on Removal Efficiency of Interplanting Constructed Wetland Plants on Domestic Sewage from Campus

DUAN Meng-yao， DUAN Yu-mei， ZHAO Lei* et al （Department of Agricultural Science， Xichang College， Xichang， Sichuan 615000）

Abstract [Objective] The research aimed to study the effects of landscape design and the treatment effects of different constructed wetland plants on domestic sewage.[Method] Taken constructed wetland plants combination of Canna indica+ Acorus calamus Linn+ Trapa incise +Hydrilla verticillata as materials， and its removal efficiencies on NH3-N， CODCr and TP were determined.[Result] The results showed that constructed wetland plants combination had the best removal efficiency on NH3-N， followed with CODCr and TP. During 3 d hydraulic retention time， the removal efficiency on NH3-N， CODCr and TP was 50.25%-99.40%， 37.10%-72.83% and -28.48%-91.81%， with highest rates of 99.40%， 72.83% and 91.81%， respectively. The slope of removal efficiency curves of NH3-N， CODCr and TP from first cycle to fourth cycle demonstrated increasing trends.[Conclusion] This study could provide important operation parameters and technological supports for the removal effects of domestic sewage using plants community from combined constructed wetland.

Key words Constructed wetland; Acorus calamus Linn; Trapa incise; Domestic sewage

基金項(xiàng)目 國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目（201210628002）。

作者簡介 段夢瑤（1994- ），女，四川眉山人，本科生，專業(yè)：煙草。*通訊作者，本科生，專業(yè)：資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理。

收稿日期 2014-10-20

人工濕地污水處理系統(tǒng)始于20世紀(jì)70年代的德國，它是一項(xiàng)生態(tài)學(xué)原理加上工程方法而形成的生態(tài)工程水處理技術(shù)。人工濕地通過濕地基質(zhì)、植物與微生物的相互作用達(dá)到凈化水質(zhì)、美化環(huán)境的功能，已在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[1-2]。它具有投資費(fèi)用低，出水水質(zhì)好，抗沖擊力強(qiáng)，改善和美化生態(tài)景觀，操作簡單，維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)，植物可進(jìn)行收割回收資源，具有經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

濕地植物的選擇是濕地系統(tǒng)設(shè)計的核心，濕地中的水生植物有挺水、浮葉、浮水和沉水植物，不同的植物、不同的組合具有不同去污效果。植物發(fā)達(dá)的根系使系統(tǒng)內(nèi)侵蝕溝不容易形成，植物根系的生長使系統(tǒng)不容易被阻塞; 另外，大部分植物外形美觀可以起到美化環(huán)境的作用。張洪洋等研究發(fā)現(xiàn)，水平潛流人工濕地系統(tǒng)對微污染原水有較好的處理效果，植物生長旺盛程度直接影響整個系統(tǒng)的處理效果[3]。韓瀟源等的組合試驗(yàn)結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)乃参锝M合能提高氨氮與總磷的凈化效果[4]。李莎莎等對濕地植物群落物種組合和空間格局對水體凈化效果的研究表明，3種植物配置對生活污水的凈化效果比2種植物配置模式的好[5]。適當(dāng)增加沉水植物的配置比例，可提高人工濕地對氮的去除效果;根系發(fā)達(dá)的植物具有更強(qiáng)的凈化效果。

間種式植物人工濕地往往是結(jié)合挺水植物、浮水植物以及沉水植物進(jìn)行間種，這樣可以充分利用光能和CO2，更有利于濕地植物對生活污水中污染物的去除。已有大量研究證明濕地植物具有凈化水質(zhì)的作用[6-7]。不同濕地植物的生長速度，對污染物吸收轉(zhuǎn)化能力、提供氧氣能力等存在顯著差異，從而使得凈化功能不同[8]，而不同物種或同一物種在不同濕地環(huán)境中凈化效果也有較大差異，所以選擇搭配多種濕地植物，有利于植物間優(yōu)勢互補(bǔ)，保持對營養(yǎng)及有機(jī)物較好且更穩(wěn)定地凈化效果，使?jié)竦叵到y(tǒng)更穩(wěn)定地發(fā)揮生態(tài)功能。已有試驗(yàn)證明，多種植物合理搭配具有較好的處理效果[9-10]。且沉水植物通過根部吸收底質(zhì)中的氮，植物體吸收水中的氮，從而比浮水植物具有更強(qiáng)的富集氮的能力[11]。李莎莎等研究表明，選擇合適的植物配置，可以增加系統(tǒng)的生物多樣性并且有利于凈化效果的增強(qiáng)[5]。但目前關(guān)于間種式植物人工濕地組合去除生活污水的研究很少，因此間種式植物人工濕地充分利用自然條件，既有利于植物生長，又能發(fā)揮其去污能力的優(yōu)點(diǎn)為該研究提供了思路。該研究構(gòu)造不同植物間種式組合的人工濕地，采用挺水植物菖蒲（Acorus calamus）+挺水植物美人蕉（Canna indica）+浮水植物野菱（Trapa incisa）+沉水植物輪葉黑藻（Hydrilla verticillata），研究其去除CODcr、NH3-N和TP等方面的效果，以期為復(fù)合人工濕地植物群落對生活污水的去除提供重要的運(yùn)行參數(shù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 供試植物

試驗(yàn)植物采自天然濕地生長植物。組合植物為挺水植物美人蕉和菖蒲，浮水植物野菱，沉水植物輪葉黑藻，其數(shù)量分別為6、8、5和10株。采栽時間為2013年5月上旬。間種式人工濕地植物在裝置中栽種位置如圖1所示。

注：圖中①、②、③、④分別表示美人蕉、菖蒲、野菱、輪葉黑藻。

圖1 裝置植物間種式機(jī)構(gòu)示意

1.2 試驗(yàn)水質(zhì) 水樣取自于西昌市西昌學(xué)院北校區(qū)生活污水，試驗(yàn)水質(zhì)各項(xiàng)理化指標(biāo)中pH為7.8～8.2，NH3-N、CODcr和TP分別為2.7～9.2、80～110、0.3～1.7 mg/L。此水樣為輕度富營養(yǎng)化水體。

1.3 試驗(yàn)裝置 試驗(yàn)在人工濕地裝置中進(jìn)行，規(guī)格為1.3 m×1.0 m×0.8 m。裝置基質(zhì)為最下層2 cm的細(xì)沙和栽種植物的18 cm土壤（見圖2）。池中采用均勻取樣，分為5個點(diǎn)取樣，分別為裝置周圍4個角加上裝置中間一個點(diǎn)，取5個水樣點(diǎn)后混合為一個進(jìn)水或出水水樣。出水水樣和進(jìn)水水樣的采樣方式相同。

圖2 人工濕地裝置結(jié)構(gòu)示意

1.4 試驗(yàn)方案

移栽植物后，待長勢穩(wěn)定，用清水馴養(yǎng)7 d后，進(jìn)行生活污水處理試驗(yàn)。分別向裝置中進(jìn)水15 L、30 L、45 L、60 L、75 L、90 L，然后用自來水稀釋至裝置40 cm處，共進(jìn)行6個周期試驗(yàn)，每3 d測定一次指標(biāo)，3個水質(zhì)指標(biāo)中某個指標(biāo)達(dá)到國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-2002）三級以上，則在該周期之后的試驗(yàn)期間不測定達(dá)標(biāo)指標(biāo)，當(dāng)3個水質(zhì)指標(biāo)都達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)時，結(jié)束該周期試驗(yàn)。6個周期試驗(yàn)結(jié)束后，將地面上植物全部收割，作為氮肥和磷肥的原料。

1.5 試驗(yàn)器材及測定方法

電阻爐（kxx-A-10 A）、可見光分光光度計（722N）、電子天平（ESJ120-4）、pH計（PHS-25）。 測定的方法：水質(zhì)指標(biāo)CODCr、TP、NH3-N和pH分別采用重鉻酸鹽法（GB 11914-89）、鉬酸銨分光光度法（GB 11893-89）、納氏試劑分光光度法（HJ 535-2009）、玻璃電極法 （GB 6920-86）。

2 結(jié)果與分析

2.1 間種式人工濕地植物的景觀效果

由于該試驗(yàn)的種植方式以及對植物的選擇不同于以往單一型的人工濕地，所以在沉水、浮水、挺水植物的交叉搭配中，更能體現(xiàn)層次感和多樣性，給人以視覺上的美感。試驗(yàn)在選擇植物時，充分考慮了植物的生長周期及本地的天氣情況，能確保人工濕地內(nèi)全年都有水生植物生長，避免了秋冬季節(jié)植物地上部分枯死的情況。

2.2 植物的生長狀況

2013年5月下旬進(jìn)行植物組合移栽，并進(jìn)行日常維護(hù)。6月初，植物均能正常生長，引進(jìn)生活污水進(jìn)行試驗(yàn)。人工濕地系統(tǒng)中，去除效率隨著植株密度的增大而提高，植株生長越茂盛，根系越發(fā)達(dá)，對于污水的凈化能力就越強(qiáng)[12]。在第一、二和三周期，所有植物的生長量都明顯增加，根系逐漸粗壯，葉片變寬變大，葉尖組織水分飽滿，莖稈與引種時相比明顯變粗，移栽時美人蕉和菖蒲平均高度分別為65 cm和54 cm，試驗(yàn)結(jié)束后平均高度分別為137 cm和149 cm;第三周期到第四周期，野菱和輪葉黑藻到枯萎期，葉片大幅度地變黃并開始枯萎，野菱結(jié)出大量果實(shí)，菖蒲少數(shù)葉片出現(xiàn)萎蔫癥狀，美人蕉生長較好。菖蒲具有較大的處理水質(zhì)濁度的效果，在每個試驗(yàn)周期結(jié)束后水質(zhì)良好、透明并散發(fā)清香氣味。

2.3 人工濕地對生活污水中氨氮的去除效果

人工濕地對氮的去除主要依靠植物生長直接吸收和微生物的硝化、反硝化、氨化等作用完成[13]。生活污水中的氨氮可以作為植物生長過程中不可缺少的養(yǎng)分被植物吸收，從而促進(jìn)植物生長，達(dá)到對生活污水中氨氮的有效去除。由圖3可知，間種植物人工濕地對水體中氨氮的去除效果很明顯，不同濃度的生活污水中的氨氮均能得到有效凈化，且水體中的氨氮均能在一定的時期內(nèi)降到1.0 mg/L及以下。隨著運(yùn)行時間的增加，去除效果和去除率從總體上看均呈上升趨勢。由于每個周期處理時間存在差異，從第一周期到第六周期的水力停留3 d的去除率分別為：82.56%、87.37%、96.99%、50.25%、89.13%、99.40%，其最高去除率為99.40%。上述數(shù)據(jù)表明：植物組合對NH3-N的去除效果較好，而第四周期水力停留3 d的去除率僅為50.25%，去除效果較差，可能由于在第四周期時，前面3個周期植物吸收氮之后植物的生長量增加，植物的枯枝敗葉也同時增加，由于沒有及時清理植物的枯枝敗葉導(dǎo)致掉入濕地中，之前吸收的氮通過水解作用又重新釋放到了水中從而導(dǎo)致第四周期去除率出現(xiàn)異常情況。

圖3 組合植物對不同濃度NH3-N的去除效果

2.4 人工濕地對生活污水中CODCr的去除效果

人工濕地對CODCr的去除機(jī)理為：在人工濕地系統(tǒng)中，廢水中的可溶性有機(jī)物通過植物根系在生長過程中形成生物膜進(jìn)行吸附、吸收及生物降解而被分解去除，而廢水中的不溶性有機(jī)物主要是通過濕地的過濾、沉淀作用而被截留在人工濕地中[14]。由圖4可知，植物組合對水體中CODCr的去除率效果雖不如氨氮顯著，但對CODCr也具有一定的去除效果。除第一周期外，其他周期均能經(jīng)過3～9 d的處理時間把CODCr含量降到50 mg/L以下，第一周期至第六周期水力停留3 d去除率分別為：37.10%、72.83%、56.82%、57.30%、62.00%、53.81%，最高去除率為72.83%。而第一周期的去除率較低，為37.10%，可能由于學(xué)校周末學(xué)生用水量增加，相關(guān)的有機(jī)污染物含量也同時增加，從而導(dǎo)致第一周期的CODCr進(jìn)水濃度升高，增加了自身間種式植物人工濕地的去除污染物的負(fù)荷，導(dǎo)致去除效果不理想。而第二周期至第六周期去除率穩(wěn)定到50%以上，主要是因?yàn)榻?jīng)過第一周期高負(fù)荷的工作后馴化了間種式人工濕地的去污能力，使間種式植物人工濕地的去污能力得到了提高。

圖4 組合植物對不同濃度CODCr的去除效果

2.5 模擬人工濕地裝置中水體總磷（TP）的變化

生活污水中的無機(jī)磷在植物的吸收以及同化作用下變成植物的ATP、DNA和RNA等有機(jī)成分，即在第一周期到第二周期間種植物人工濕地對TP的去除效果經(jīng)過水力停留3 d后去除率上升，這可能是由于植物地上部分對磷的吸收達(dá)飽和狀態(tài)[15]。由圖5可知，6個周期試驗(yàn)中，對總磷的去除效果總的來說較好，在3～6 d試驗(yàn)期間能控制在0.1 mg/L及以下，水力停留3 d去除率分別為：67.21%、67.90%、91.81%、-28.48%、70.07%、48.30%，最高能達(dá)到91.81%。TP在第四周期出現(xiàn)去除效果明顯異常和氨氮在第四周期去除效果出現(xiàn)異常相一致，同樣也是由于植物枯枝敗葉溶解于水體中，磷溶解進(jìn)入水體速率大于植物對磷的吸收，而導(dǎo)致水體中磷

含量的上升。這也說明清理間種式植物人工濕地的枯枝敗葉有利于提高人工濕地去除氮磷能力。

3 結(jié)論

（1）該間種式植物組合處理生活污水效果好，處理后水質(zhì)透明度變好，水質(zhì)清澈，水體的酸堿性趨于中性（pH為7.31～7.94）。

（2）水質(zhì)指標(biāo)逐漸下降，組合植物對污染物的去除效果

圖5 組合植物對不同濃度TP的去除效果

大小依次為NH3-N、CODCr、TP，對TP的去除效果較低。水力

停留3 d NH3-N、CODCr、TP去除率分別為：50.25%～99.40%、37.10%～72.83%、-28.48%～91.81%;最高去除率分別為99.40%、72.83%、91.81%。

（3）6個周期試驗(yàn)中CODCr、TP和NH3-N濃度均達(dá)到國家地表水Ⅲ級排放標(biāo)準(zhǔn)。

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