人工濕地中不同植物對生活污水的凈化研究

姜新佩，張 歡，李 瑩，劉龍龍

（1.河北工程大學(xué) 水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038;2.魏縣河務(wù)局，河北 邯鄲 056038）

在現(xiàn)代城市建設(shè)中，人與生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展與進(jìn)步是建設(shè)的主要目標(biāo)。隨著人民物質(zhì)生活水平的提高和現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境的破壞也日漸嚴(yán)重，近來已經(jīng)席卷全國的霧霾，就是生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞的結(jié)果。而濕地生態(tài)系統(tǒng)具有水文功能、生物地球化學(xué)功能和生態(tài)功能。它是地球表層最獨特的生態(tài)系統(tǒng)和過渡性景觀，能夠蓄水、調(diào)節(jié)徑流和均化洪水，截留沉積物，補給地下水;促進(jìn)養(yǎng)分的輸入、遷移與輸出，相當(dāng)于一個養(yǎng)分庫;亦能夠維持生物鏈，是鳥類棲息地和魚類豐富多樣的索餌場，是重要的物種基因庫，也是區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的緩沖場。本文闡述了不同植物在處理生活污水的研究中對不同污染物的凈化效果，并針對水體的污染情況將其應(yīng)用到岳城水庫水源地水生態(tài)環(huán)境綜合治理中。

1 試驗方法

1.1 人工濕地設(shè)計

該試驗在河北工程大學(xué)水利館進(jìn)行初步實踐，試驗設(shè)計了并列的2組復(fù)合型人工濕地，均是矩形磚混結(jié)構(gòu)［1］，規(guī)格均為12 m ×3 m ×1.5 m，濕地設(shè)計均為5個單元，基質(zhì)是粒徑在0.2～5 cm之間的礫石和沙土。在穩(wěn)定運行期間該復(fù)合型人工濕地 HLR 為 0.17 ～1.39 m3/m2.d，HRT 為 0.92～8.91d。現(xiàn)就一組來詳細(xì)介紹，工藝流程為:集水井—生物塘—水平潛流—生物塘—水平潛流—垂流濕地。圖1為人工濕地的一個剖面圖。

1.2 試驗方法

該復(fù)合型人工濕地模型于2012年8月建設(shè)完畢，試驗用水來自滏陽河，其河水主要是城市污水，試驗移栽了香蒲、菖蒲、美人蕉、水葫蘆、蘆葦?shù)戎参铮囼炃捌陂g歇進(jìn)水，系統(tǒng)培育半個月，植物生長狀況良好，于9月開始連續(xù)進(jìn)水進(jìn)行實驗。

該試驗檢測了 pH、濁度、TN、TP、NO3－－N、－ N、CODmn、NH4+－N等水質(zhì)指標(biāo)，在試驗期間會定期撈取枯枝死葉以減少其對濕地水質(zhì)的影響，每周采樣2～3次，根據(jù)系統(tǒng)運行情況適當(dāng)增加檢測水質(zhì)次數(shù)。試驗中的各水質(zhì)指標(biāo)則根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》進(jìn)行水質(zhì)檢測［2－3］。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 人工濕地污水凈化效果

表1為人工濕地水質(zhì)情況。從表1可以看出:人工濕地TP的進(jìn)水指標(biāo)為Ⅲ類水，經(jīng)過5個單元的凈化，出水水質(zhì)在Ⅱ類水及以上;而人工濕地TN的進(jìn)水指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)要高于Ⅴ類水，經(jīng)過人工濕地五個單元的凈化后，出水水質(zhì)也相對提高，但效果也不太理想;進(jìn)水CODmn指標(biāo)為Ⅳ類水，經(jīng)過凈化后，平均達(dá)到了Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn);可見，該人工濕地處理對生活污水的處理是相對成功的。

其中，第 1、2、3、4、5 單元中的植物依次為水葫蘆、菖蒲、水葫蘆、美人蕉、蘆葦。

表1 人工濕地水質(zhì)情況Tab.1 The water quality of the wetland

2.2 濕地對TP的凈化效果

人工濕地系統(tǒng)對磷的去除過程是由植物吸收、微生物去除和填料的物理化學(xué)作用共同完成的，其中被廣泛認(rèn)同的主要去除途徑是填料對P的物化吸附和化學(xué)沉降作用［4］。

圖2是濕地TP在濕地單元中的沿程變化圖，圖3是不同濕地植物單元對TP的凈化效果圖。

從圖2可以看出，TP含量在濕地單元中不斷沿程降低，不同植物床除磷效果不同，在第2個單元中去除率最高，是因為第2單元是一個水平潛流池，而第1單元為生物塘，潛流濕地中基質(zhì)富含磷細(xì)菌，將不可直接利用的、有機(jī)態(tài)的磷降解為簡單的可供植物和微生物吸收的磷化物，并且在厭氧條件下提供短鏈脂肪酸，因此潛流池中基質(zhì)對P的物化吸附和化學(xué)沉降作用使得TP含量迅速降低。第4單元的凈化效果優(yōu)于第3單元，依然是這個原因。

圖3中大量試驗也證實了上面結(jié)論，大量試驗表明，該濕地系統(tǒng)對TP的凈化效果良好，平均去除率均在90%以上，且無論進(jìn)水TP含量如何變化，其出水總能維持一個穩(wěn)定的、較好的質(zhì)量，TP出水質(zhì)量濃度在 0～0.02 mg/L之間，達(dá)到GB18918－2002的一級排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 濕地對TN的凈化效果

濕地中氮的凈化途徑有6種，分別為:①氨化合物的物理轉(zhuǎn)移;②氨化作用;③硝化作用;④反硝化作用;⑤固氮作用;⑥氮的同化作用。許多研究表明，微生物的硝化與反硝化作用是脫氮的主要途徑。TN的去除主要依靠植物根系大表面積附著的大量微生物，增強(qiáng)和維持介質(zhì)的水力傳輸，植物為根區(qū)好氧微生物輸送氧氣，促進(jìn)硝化細(xì)菌的生長，從而達(dá)到脫氮的目的［5］。

圖4是濕地TN在濕地單元中的沿程變化圖，圖5是不同濕地植物單元對TN的凈化效果圖。

由圖4可見，濕地系統(tǒng)中TN濃度沿程降低，第2和第5單元凈化效果相對較好，第2單元菖蒲對TN的去除率平均為21.4%，第4單元蘆葦對TN的去除率平均為14.5%。可能與N在濕地中的存在形式有關(guān)，在濕地中無機(jī)氮最重要的存在形式是NH4+，還有 NO2－、NO3－、N2O以及溶解的N2，氮的有機(jī)形式包括尿素、氨基酸、胺類、嘌呤和嘧啶。在濕地系統(tǒng)這個大的反應(yīng)場所中，各種反應(yīng)可能相互促進(jìn)，也有可能相互抑制，使得反應(yīng)不能有效地進(jìn)行。

從圖5可以看出，濕地中TN的凈化效果相對TP較差，總?cè)コ势骄?0%左右。在該人工濕地系統(tǒng)中，菖蒲和蘆葦是凈化污水中TN的主要植物。

2.4 濕地對NO3－－N 的凈化效果

濕地水中硝酸鹽是在有氧環(huán)境下，亞硝氮、氨氮等各種形態(tài)的含氮化合物中最穩(wěn)定的氮化合物，也是含氮有機(jī)物經(jīng)無機(jī)化作用最終的分解產(chǎn)物［6］。亞硝酸鹽可以經(jīng)氧化而生成硝酸鹽，硝酸鹽在缺氧的環(huán)境中，也可受微生物的作用而還原成亞硝酸鹽。

圖6是濕地NO3－－N在濕地單元中的沿程變化圖，圖7是不同濕地植物單元對NO3－－N 的凈化效果圖。

從圖6可以看出，濕地中NO3－－N 的質(zhì)量濃度沿程降低，尤其在第2單元和第4單元去除效果最好，說明菖蒲和美人蕉對NO3－－N有良好的去除效果。經(jīng)測定，濕地系統(tǒng)中亞硝酸鹽含量很低，而NO3－－N的含量相對較高，可能是亞硝酸鹽在有氧的環(huán)境下轉(zhuǎn)變而來，從而影響了NO3－－N 的去除。

從圖7可以看出，無論濕地進(jìn)水NO3－－N 的質(zhì)量濃度如何變化，其出水質(zhì)量濃度總能保持一個比較穩(wěn)定的范圍，說明濕地系統(tǒng)的納污能力較高。濕地單元內(nèi)NO3－－N的總?cè)コ势骄鶠?0.48%。

2.5 濕地對CODmn的凈化效果

高錳酸鹽指數(shù)是指在酸性或堿性介質(zhì)中，以高錳酸鉀為氧化劑，處理水樣時消耗的量［7］。因此，高錳酸鹽指數(shù)也常被作為地表水受還原性無機(jī)物質(zhì)和有機(jī)污染物污染程度的綜合指標(biāo)。

圖8是濕地CODmn在濕地單元中的沿程變化圖，圖9是不同濕地植物單元對CODmn的凈化效果圖。

有研究表明，人工濕地對CODmn的去除，主要是通過濕地系統(tǒng)內(nèi)部微生物的吸附降解、植物吸收以及填料的物理化學(xué)作用。從圖8可以看出，濕地系統(tǒng)CODmn的質(zhì)量濃度沿程降低，尤其在水葫蘆單元和菖蒲單元凈化效果明顯，去除率分別達(dá)到15%、24%。有研究分析比較了不同程度富營養(yǎng)化水中植物的凈化能力，發(fā)現(xiàn)植物的凈化能力在重度富營養(yǎng)化水中優(yōu)于在輕度富營養(yǎng)化水中.其原因可能是低濃度污水不能夠滿足植物的生長需要，從而影響到植物的凈化能力，使得系統(tǒng)第1、2單元的處理效果明顯。

由圖9可以看出，濕地進(jìn)水CODmn的質(zhì)量濃度變化較大，但是出水CODmn的濃度變化很小，保持在 2.3～3 mg/L之間，從而保證了出水CODmn的質(zhì)量，從圖中也可以看出，濕地CODmn的出水質(zhì)量達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。

2.6 人工濕地對濁度的凈化效果

濁度是由于水體中含有泥沙、粘土、有機(jī)物、無機(jī)物、浮游生物和微生物等懸浮物質(zhì)所造成的，可使光散射或吸收，可經(jīng)過混凝、沉淀和過濾等處理，使水變得清澈［8－9］。

圖10是濕地濁度在濕地單元中的沿程變化圖，圖11是不同濕地植物單元對濁度的凈化效果圖。

從圖10可以看出，濕地水體的濁度在第1第2單元降低最快，分別達(dá)到30%和70%，主要是由于潛流濕地中的基質(zhì)對于泥沙、粘土、有機(jī)物、無機(jī)物等起到了攔截的作用;水中濁度到了第三單元就有小幅度增加，可能是由于攜帶了濕地生物塘系統(tǒng)中植物腐爛的根系以及枯死的枝葉，使得水體濁度增大。但是最后也保持了一個穩(wěn)定的范圍。

由圖11可以看出，濕地進(jìn)水的濁度變化較大，在第一第二單元中濁度也變化較大，但是經(jīng)過五個單元的逐層降解，濕地水體出水的濁度保持穩(wěn)定。使得平均去除率在90%以上，保證了出水水質(zhì)。

3 結(jié)論

1）潛流人工濕地對滏陽河水的凈化效果較好，對 TP、TN、NO3－－N、CODmn、以及濁度的去除率分別達(dá)到了90%、40%、41%、53%和93%，出水質(zhì)量濃度分別為 0.01 mg/L、3.1 mg/L、3.5 mg/L、2.7 mg/L和0.085度。按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838－2002），出水水質(zhì)除TN低于Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)外，其余指標(biāo)均達(dá)到Ⅱ類水甚至Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)。

2）第2個單元潛流濕地對TP及濁度的去除效果較好，去除率達(dá)到了60%和70%，由于進(jìn)水水質(zhì)影響，第2單元對各指標(biāo)都有較高的去除率;第5單元蘆葦對TN的去除效果較好，去除率達(dá)到15%;第4第5單元美人蕉和蘆葦是NO3－－N 凈化的主要場所，去除率達(dá)分別到12.2%和11.9%;而5個單元對于CODmn的凈化效率相當(dāng)。

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