七種凈水植物的人工濕地處理生活污水的研究對比
摘要：研究香蒲、美人蕉、燈芯草、蘆葦、菖蒲、茭白和黃花鳶尾這7種武漢地區(qū)常見濕地植物對生活污水的處理效果，分別實(shí)驗(yàn)停留時間為1天，3天和7天時的處理效果。研究表明停留時間選擇1天比較合適，各種植物的人工濕地對CODcr，TN，TP和濁度有明顯的去除，其中香蒲、美人蕉、黃花鳶尾、茭白和菖蒲的處理效果相對較好。
關(guān)鍵詞：人工濕地；植物；生活污水；處理
從生態(tài)學(xué)上說，濕地是由水、永久性或間隙性處于水飽和狀態(tài)下的基質(zhì)以及水生植物和水生生物多組成的，是一具有較高的生產(chǎn)力和較大活性、處于水陸交接相的復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。而所謂的人工濕地，則是為處理污水而認(rèn)為設(shè)計(jì)建造的、工程化的濕地狀系統(tǒng)。用人工濕地系統(tǒng)處理污水是國內(nèi)外方興未艾的治理技術(shù)，它在保護(hù)生態(tài)環(huán)境和節(jié)約能源及投資方面具有傳統(tǒng)二級生化處理技術(shù)難以比擬的優(yōu)點(diǎn)；作為一項(xiàng)低投資、低能耗、低運(yùn)行費(fèi)、高生態(tài)環(huán)境效益的治理工程技術(shù)[1~[4]，目前人工濕地已廣泛地應(yīng)用于城市污水或工業(yè)廢水處理的實(shí)踐中[1,5]。在人工濕地污水處理系統(tǒng)中，水生植物，特別是挺水植物是人工濕地處理系統(tǒng)的重要有機(jī)組成部分[6,7]，選擇得恰當(dāng)與否，將直接關(guān)系到人工濕地的處理效果。但目前對于不同濕地植物對濕地環(huán)境的適應(yīng)性及其處理效果的研究仍然較少[8]。
有許多水生植物可用于人工濕地廢水處理系統(tǒng)中。目前，據(jù)文獻(xiàn)報道在部分利用種類有藨草、蘆葦、香蒲、燈心草、菖蒲、莎草、荊三棱、茭草、水花生和田邊草[9]，我國運(yùn)用的最多的為蘆葦、香蒲等少量種類，各地對濕地植物的選擇一定程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)，而對各種植物應(yīng)用于污水處理的效果的系統(tǒng)研究較為缺乏。在武漢地區(qū)，建成的人工濕地處理污水的經(jīng)驗(yàn)較少，而對濕地植物研究的積累也不多，本文研究了長苞香蒲、美人蕉、菖蒲、蘆葦、茭白、燈心草及黃花鳶尾這幾種濕地植物對生活污水的處理能力，旨在為武漢地區(qū)人工濕地的建設(shè)及濕地植物的研究提供一定的科學(xué)依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 小型人工濕地的結(jié)構(gòu)
采用長 48.3厘米、寬 37.0厘米、高 28.8 厘米的塑料箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。塑料箱內(nèi)從下至上依次填充礫石層（粒徑 1-3厘米） 、沙層、土壤層，厚度均大約為 9厘米。在箱中埋設(shè) PVC管，一端插入箱底步，另一端伸出土壤層外，用于進(jìn)、排水。箱體的容水體積在實(shí)驗(yàn)初期較高，穩(wěn)定后維持在 5L左右。
1.2 植物的引種及栽培
菖蒲、美人蕉、燈芯草、蘆葦、香蒲、茭白、黃花鳶尾均來源于中國科學(xué)院武漢植物研究所，引種時每種植物盡量控制在中等密度，如香蒲每箱為6株，菖蒲、茭白、黃花鳶尾、美人蕉每箱控制在10株左右， 蘆葦每箱包括3叢，每叢5-10株。每種植物分別栽種在兩個塑料箱內(nèi)，作為重復(fù)。
1.3 實(shí)驗(yàn)安排
植物的引種在2003年4月上旬結(jié)束，植物移栽到塑料箱中后先灌入自來水，待植物適應(yīng)一周后，再灌入污水，使植物適應(yīng)并使箱體內(nèi)生物膜掛上，兩周后開始實(shí)驗(yàn)污水處理效果。每次實(shí)驗(yàn)灌入污水量為5L，生活污水來自附近建筑的化糞池，試驗(yàn)了 7天、3天及1天這3個停留時間的處理效果，對這3個停留時間的處理均進(jìn)行了 3次試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束時抽出箱內(nèi)的水并測量出水體積，以根據(jù)進(jìn)出水體積及水質(zhì)指標(biāo)的變化計(jì)算去除率。進(jìn)出水的水質(zhì)指標(biāo)測量了CODcr、TP和 TN，測量方法采用國標(biāo)方法。由WZS-185型高濁度儀（上海經(jīng)科雷磁）測定。溶解氧（D.O.）用溶解氧測定儀（Model 862A，美國奧立龍公司）測定。
2 結(jié)果與討論
2.1 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)
試驗(yàn)期間生活污水的 CODcr值的范圍為 126.9-290.7mgl-1，TN-N濃度范圍為 10.7-22.2 mgl-1， TP-P的濃度范圍為2.32-10.17 mgl-1，濁度 93-453，溶解氧濃度均為 1.2左右。
2.2 各種植物濕地不同停留時間的出水水質(zhì)
試驗(yàn)期間各種植物除了蘆葦外均長勢良好，蘆葦?shù)纳L明顯比其它種類緩慢。從箱體外可觀察到，各種植物的根均達(dá)到礫石層。本試驗(yàn)中，地上生物量較高的種類有：香蒲、美人蕉、茭白、黃花鳶尾；地上生物量中等的種類為菖蒲；地上生物量較低的種類為燈心草和蘆葦。 各種植物處理不同時間后出水的各水質(zhì)指標(biāo)見表 1，各種植物通過不同處理時間后對各水質(zhì)指標(biāo)的去除率見圖1。
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從表 1 可見，經(jīng)各種人工濕地處理一天后的出水水質(zhì)已經(jīng)有顯著的改善，其中出水中 CODcr、TP 和TN的濃度基本上已達(dá)到污水綜合排放的標(biāo)準(zhǔn)（GB8978-1996） ， 出水中溶解氧的濃度各種植物均達(dá)到 4mgl-1以上，濁度的下降也非常的明顯。由于一般進(jìn)入人工濕地的污水是原污水經(jīng)過沉淀池處理過的污水，污染物質(zhì)濃度一定程度下降，而本實(shí)驗(yàn)所用的污水沒有經(jīng)過預(yù)處理，因此可見停留時間為 1天應(yīng)該能夠達(dá)到污水處理的要求。隨著處理時間的延長，出水的水質(zhì)也進(jìn)一步改善，因此停留時間 1天以上可適用于污水的深度處理。
2.3 各種濕地植物不同停留時間的去除率
在本實(shí)驗(yàn)中，由于植物的蒸發(fā)量較大，出水通常比進(jìn)水體積小得多，并且不同植物差異較大，出水體積還受到降雨的影響，所以計(jì)算污染物質(zhì)的去除率還考慮到了進(jìn)出水的體積變化。
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| 圖1 各種植物在停留時間為7天，3天和1天時分別對CODcr、TP和TN的去除率 |
由圖1可見，除了黃花鳶尾，其他植物處理 7天的COD與 TP的去除率反而比 3天的要低，這主要與實(shí)驗(yàn)期間降雨的影響有關(guān)，同時也說明黃花鳶尾濕地處理效果受不良天氣的影響相對較小。TN 的去除相對COD與TP的去除受降雨的影響相對較小。 停留時間為 3 天時，各種植物人工濕地對 COD 的去除率均較高，以香蒲、美人蕉與菖蒲相對較高，其余的比較接近。而停留時間為 1天時各種植物人工濕地的差異相對較大，以蘆葦人工濕地的去除率最高，其次為香蒲、美人蕉、茭白、菖蒲和燈心草，效果最差的為黃花鳶尾。
由圖1可看出蘆葦人工濕地對 TP和TN的去除相對于其它植物比較差， 其他植物人工濕地的去除效果均較好，TP的去除尤其以燈心草、黃花鳶尾與美人蕉最好。 總體上看，對各種污染物去除效果較好的種類有香蒲、美人蕉、茭白、黃花鳶尾和菖蒲，這幾種植物中香蒲、美人蕉、黃花鳶尾和菖蒲還兼具一定的觀賞價值，因此是幾種較好的人工濕地植物。燈心草對 TP的去除特別高，但對 COD 的去除能力較差，考慮到該種植物冬季能夠繼續(xù)生長，因此燈心草也是一種值得推薦的濕地植物。蘆葦是目前為止應(yīng)用得最多的濕地植物，但本實(shí)驗(yàn)中，蘆葦對 COD 的去除能力比較好，但去除 TN和 TP的能力比較差，反映出該種植物處理污水效果不是很穩(wěn)定，Tanner[8]的研究也與本研究結(jié)果類似。
3 結(jié)論
本文的研究可得出以下結(jié)論：
(1) 香蒲、美人蕉、黃花鳶尾和菖蒲人工濕地兼具處理效果好和美觀的特點(diǎn)，是較好的濕地植物；
(2) 燈心草可彌補(bǔ)其他植物在冬季處理效果下降的不足；
(3) 本實(shí)驗(yàn)中蘆葦人工濕地的處理效果不佳，因此蘆葦在武漢地區(qū)人工濕地的應(yīng)用還有必要繼續(xù)研究。
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