四川盆地以本土濕地植物處理農(nóng)村生活污水研究及工程實(shí)例

楊子堯

摘要：研究了蘆葦、旱傘竹、美人蕉、香蒲、菖蒲及姜花6種四川盆地目前應(yīng)用較廣的濕地植物對(duì)農(nóng)村生活污水的凈化效果及對(duì)植株生長(zhǎng)狀況的影響。生物量和相對(duì)生長(zhǎng)速率表明旱傘竹與蘆葦生長(zhǎng)最快，香蒲與美人蕉次之，菖蒲與姜花生長(zhǎng)較慢。同時(shí)，6種濕地植物對(duì)農(nóng)村生活污水中CODCr、TP、NH4+-N和TN的凈化能力存在差別。人工培養(yǎng)箱試驗(yàn)25 d后，菖蒲對(duì)于生活污水中CODCr的處理效果最佳，使其由217 mg/L降低至39 mg/L，香蒲與蘆葦次之，分別降低至45 mg/L與47 mg/L；菖蒲對(duì)于TP的去除效果最佳，使其由9.4 mg/L降低至3.7 mg/L，香蒲與蘆葦次之，分別降低至3.9 mg/L和4.0 mg/L；美人蕉和姜花對(duì)于TN的去除效果最好，使其由21.9 mg/L降低至5.4 mg/L和5.6 mg/L；旱傘竹與蘆葦分別使污水中NH4+-N濃度由15.6 mg/L降低至1.58 mg/L和1.62 mg/L。以避免選用旱傘竹、美人蕉與菖蒲這3類外來物種為前提，小型人工濕地工程可安全采用蘆葦、香蒲與姜花3類本土濕地植物，農(nóng)村生活污水經(jīng)該小型人工濕地工程處理后，CODCr、TP、NH4+-N、TN、DO和濁度凈化效果明顯，可滿足國(guó)家農(nóng)田一類灌溉水質(zhì)要求。

關(guān)鍵詞：人工濕地；濕地植物；農(nóng)村生活污水；生物入侵；凈化效果

中圖分類號(hào)：X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2014）13-3043-05

Rural Domestic Sewage Treatment by Native Wetland Plants in Sichuan Basin

and the Case Study

YANG Zi-yao

（School of Soil and Water Conservation， Beijing Forestry University， Beijing 100083， China）

Abstract： To treat rural domestic sewage， the purification effect and plant growth of six kinds of wetland plants induding reeds， cyperus alternifolius， canna indica， typha latifola， acorus calamus， and hedychium coronarium was studied in Sichuan Basin. Results of the biomass and the relative growth rate showed that the growth characteristic of cyperus alternifolius and reeds had the fastest growth， followed by typha latifola and canna indica， while acorus calamus and hedychium coronarium had the slowest growth. Treatment capacities of six kinds of wetland plants on CODCr， TP， NH4+-N， TN， DO and turbidity were quite different. After 25 days， acorus calamus worked best for CODCr purification with reduction from 217 mg/L to 39 mg/L， followed by typha latifola and reeds with reduction from 217 mg/L to 45 mg/L and 47 mg/L. Acorus calamus worked best for TP purification with reduction rom 9.4 mg/L to 3.7 mg/L， followed by typha latifola and reeds with reduction from 217 mg/L to 3.9 mg/L and 4.0mg/L. Canna indica and hedychium coronarium worked best for TN purification with reduction from 21.9 mg/L to 5.4 mg/L and 5.6 mg/L. Cyperus alternifolius and reeds worked best for NH4+-N purification with reduction from 15.6 mg/L to 1.58 mg/L and 1.62 mg/L. To avoid using alien species including cyperus alternifolius， canna indica and acorus calamus， three native wetland plants including reeds， typha latifola and hedychium coronarium can be used safely. After the small wetland engineering treatment， the purification effect of CODCr， TP， NH4+-N， TN， DO and turbidity of rural domestic sewage was obvious， which can meet the requirement of a class national farm irrigation water.

Key words： artificial wetland； wetland plants； rural domestic sewage； biological invasions； purification effect

農(nóng)村生活污水主要來源于廚房炊事用水、洗滌用水、沖廁用水，養(yǎng)殖用水及糞尿廢水，生活垃圾、糞肥滲濾及沼氣池廢液等，污水中含有較高的氮、磷、微生物和碳?xì)浠衔铩Ｄ壳皣?guó)內(nèi)研究中，針對(duì)生活污水最佳處理方式之一就是建設(shè)小型人工濕地，利用濕地植物凈化生活污水。人工濕地系統(tǒng)的關(guān)鍵在于凈化工藝和濕地植物的配置，但此方面的研究較為缺乏[1-5]。通常，濕地植物以高生物量的草本植物為主。常見的濕地植物種類有蘆葦、香蒲、燈芯草、菖蒲、水蔥、水芹等[6]。常見的濕地植物主要來源于園林植物，部分為外來物種，其中一部分已被界定為入侵物種。例如水葫蘆和大薸已被界定為入侵植物，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)極大，應(yīng)盡量避免使用；粉綠狐尾藻和再力花具有一定的潛在入侵風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)慎用；旱傘竹與美人蕉的風(fēng)險(xiǎn)性相對(duì)較低[7]。本土植物以蘆葦、香蒲與姜花等為代表，可以安全采用。

四川盆地具有獨(dú)特的氣候與地理?xiàng)l件，河流、湖泊、稻田、水庫(kù)和魚塘等水生生態(tài)系統(tǒng)廣泛分布，也極易受到外來物種的入侵威脅。為此，應(yīng)加大對(duì)本土濕地植物的研究與培育，使其替代具有環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的外來濕地植物。但目前國(guó)內(nèi)針對(duì)此方面的研究或工程實(shí)例均較為空白。為利用濕地植物處理農(nóng)村生活污水，同時(shí)從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮避免生物入侵，本研究以蘆葦、旱傘竹、美人蕉、香蒲、菖蒲及姜花6種濕地植物為研究對(duì)象（旱傘竹、美人蕉與菖蒲為常見的且具有一定生物入侵風(fēng)險(xiǎn)的外來濕地植物，蘆葦、香蒲與姜花為零風(fēng)險(xiǎn)的本土濕地植物），比較其處理農(nóng)村生活污水的植物生長(zhǎng)狀況和凈化效率，同時(shí)介紹四川省小型人工濕地工程選定蘆葦、香蒲與姜花3種本土濕地植物對(duì)農(nóng)村生活污水進(jìn)行處理的工程實(shí)例。

1 材料與方法

1.1 濕地植物

選用四川盆地常見的6種濕地植物（表1）。引種時(shí)每種植物盡量控制在中等密度。種植初期，植物均為幼苗，生長(zhǎng)狀況觀測(cè)時(shí)間持續(xù)1年。每種植物同時(shí)種植生長(zhǎng)狀況相近的較多植株（超過150株）作為試驗(yàn)樣本。

1.2 植物生長(zhǎng)狀況、生物量及相對(duì)生長(zhǎng)速率的測(cè)定方法

植物生長(zhǎng)狀況等各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定時(shí)間持續(xù)1年。測(cè)定前隨機(jī)抽取同期蘆葦、旱傘竹、美人蕉、香蒲、菖蒲及姜花的標(biāo)準(zhǔn)苗各45株，逐株測(cè)定株高和基徑，并將植株各部分（根、莖、葉、果、花）在105 ℃烘干至恒重，分別記錄其干質(zhì)量，并計(jì)算總生物量（B）。并根據(jù)植物生長(zhǎng)相關(guān)法[8]，植株的基徑（D）、株高（H）與生物量（B）之間的關(guān)系如下：

lgB=lga+b·lg（D2H）

相對(duì)生長(zhǎng)速率（R）的計(jì)算：

R=（lnB2-lnB1）/（T2-T1）

式中，R為相對(duì)生長(zhǎng)速率，B1和B2分別為時(shí)間T1和T2時(shí)的植株干重。

1.3 濕地植物培養(yǎng)箱

為了分別研究6種植物對(duì)農(nóng)村生活污水的水質(zhì)凈化效率，在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建多個(gè)人工培養(yǎng)箱，分別種植相等數(shù)量的6種濕地植物。每個(gè)培養(yǎng)箱采用長(zhǎng)50 cm、寬45 cm、高30 cm的塑料箱進(jìn)行試驗(yàn)。塑料箱內(nèi)從下至上依次填充礫石層（粒徑1～3 cm）、砂層、土壤層，厚度均大約為10 cm。在箱中埋設(shè)PVC管，一端插入箱底，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5 L。試驗(yàn)用水均采用農(nóng)村生活污水，分別在0、5、10、15、20、25 d 6個(gè)時(shí)間點(diǎn)監(jiān)測(cè)培養(yǎng)箱內(nèi)相關(guān)水質(zhì)數(shù)據(jù)，同時(shí)增設(shè)一組空白。

1.4 水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定方法

水樣檢測(cè)指標(biāo)包括6類：CODCr、TP-P、NH4+-N、TN-N、DO和濁度。CODcr、TP和TN的測(cè)量方法采用國(guó)標(biāo)方法；NH4+-N的測(cè)定采用納氏試劑比色法；濁度由WZS-185型高濁度儀測(cè)定；DO用溶解氧測(cè)定儀測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，如存在顯著差異，采用Student-Newman-Keuls多項(xiàng)比較法檢驗(yàn)差異的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物的生長(zhǎng)狀況

2.1.1 株高、基徑及其年增量 植物的株高與基徑是衡量植物外部形態(tài)的重要指標(biāo)。結(jié)果（表2）表明，蘆葦、旱傘竹、美人蕉、香蒲、菖蒲及姜花株高年增量分別為24、76、39、77、34和41 cm，試驗(yàn)后（1年后）株高分別為試驗(yàn)前的1.2、1.9、1.3、1.8、1.7和1.4倍。株高年增量為香蒲≈旱傘竹>姜花>美人蕉>菖蒲>蘆葦，且差異較為顯著。同樣，6種植物的基徑年增量分別為11、5、16、15、13和12 cm，試驗(yàn)后（1年后）基徑分別為試驗(yàn)前（1年前）的1.3、1.8、2.2、1.8、3.2和2.5倍。基徑年增量為美人蕉>香蒲>菖蒲>姜花>蘆葦>旱傘竹，且差異顯著。

2.1.2 生物量及其相對(duì)生長(zhǎng)速率 為了估算生物量，建立了6種植物生物量（B）與株高（H）和基徑（D）的回歸方程[9]（表3）。根據(jù)回歸方程分別計(jì)算出6種植物試驗(yàn)前后的生物量及其相對(duì)生長(zhǎng)速率（表4）。表4的結(jié)果表明，從生物量可以看出，蘆葦、旱傘竹、美人蕉、香蒲、菖蒲及姜花的植株生物量年增量分別為135、706、93、245、201和64 g，試驗(yàn)后（1年后）生物量分別為試驗(yàn)前（1年前）的3.4、3.8、2.9、3.0、2.2和1.8倍。生物量年增量為旱傘竹>蘆葦>香蒲>美人蕉>菖蒲>姜花，且差異較為顯著。另外，相對(duì)生長(zhǎng)速率也反映出了旱傘竹與蘆葦生長(zhǎng)最快，香蒲與美人蕉次之，菖蒲與姜花較慢的植物生長(zhǎng)特性。

2.2 濕地植物對(duì)污水水質(zhì)的影響

2.2.1 對(duì)CODCr的去除效果 由圖1可知，蘆葦、旱傘竹、美人蕉、香蒲、菖蒲及姜花均能有效降低農(nóng)村生活污水中的CODCr。在培養(yǎng)25 d時(shí)，CODCr的濃度均小于或等于65 mg/L，此時(shí)對(duì)CODCr的凈化效率依次為79.3%、70.0%、75.1%、78.3%、82.0%和72.8%。其中，菖蒲對(duì)于水體中CODCr的處理效果最佳，使其由217 mg/L降低至39 mg/L，其為外來物種；香蒲與蘆葦其次，分別降低至45 mg/L與47 mg/L，為本土物種；旱傘竹相比最差。針對(duì)污水中CODCr的凈化，小型人工濕地工程采用香蒲與蘆葦具有較高的可行性。

2.2.2 對(duì)TP的去除效果 由圖2可知，6種濕地植物對(duì)于污水中TP的去除效果均優(yōu)于對(duì)照組，但效果差異較明顯。一方面，濕地植物通過根際微生態(tài)環(huán)境吸附污水中的部分磷，用于自身生長(zhǎng)合成；另一方面，濕地植物根系產(chǎn)生的氧，使水體溶氧量增加呈好氧狀態(tài)，水體微生物中聚磷菌等活躍，也發(fā)揮了一定的固磷作用。同時(shí)，濕地基質(zhì)也能吸附一部分磷，最終使得污水中TP含量大幅下降。在培養(yǎng)25 d時(shí)，濕地植物對(duì)TP的凈化效率依次為57.4%、52.1%、45.7%、58.5%、63.8%和48.9%。其中，空白的TP濃度為9.4 mg/L，菖蒲對(duì)于生活污水中TP的去除效果最好，使TP的濃度降低至3.7 mg/L，香蒲與蘆葦其次，分別降低至3.9 mg/L與4.0 mg/L，美人蕉和姜花的去除效果相對(duì)較差。針對(duì)污水中TP的凈化，小型人工濕地工程采用香蒲與蘆葦具有較高的可行性。

2.2.3 對(duì)TN的去除效果 在人工濕地環(huán)境下，生活污水中的N，一部分被植物根系直接吸收，滿足植物生長(zhǎng)需要；一部分通過微生物的氨化、硝化、反硝化作用被消耗掉。植物的存在能增強(qiáng)濕地系統(tǒng)中微生物的活性。由圖3可知，蘆葦、旱傘竹、美人蕉、香蒲、菖蒲及姜花均能有效去除農(nóng)村生活污水中的TN。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，污水中TN含量持續(xù)下降，在培養(yǎng)25 d時(shí)，人工濕地植物對(duì)TN的凈化效率分別為71.2%、65.3%、75.3%、56.6%、73.5%和74.4%，而對(duì)照的TN含量變化較小，去除率僅為4.4%，表明濕地植物對(duì)污水中TN的去除效果較好。其中，空白的TN濃度為21.9 mg/L，美人蕉和姜花對(duì)于TN的去除效果最好，分別使TN的濃度降低至5.4 mg/L和5.6 mg/L，香蒲的去除效果相比略差。針對(duì)污水中TN的凈化，小型人工濕地工程可采用姜花。

2.2.4 對(duì)NH4+-N的去除效果 濕地植物根系長(zhǎng)期處于水生環(huán)境中，其供氧能力決定了微生物對(duì)水體中NH4+-N的去除效果。對(duì)于NH4+-N的去除效果，有植物的濕地系統(tǒng)要優(yōu)于沒有植物的濕地系統(tǒng)。此外，NH4+-N的去除同時(shí)也靠植物根部吸收，且去除率與植物生長(zhǎng)情況成正相關(guān)，生長(zhǎng)情況好的植物對(duì)NH4+-N的吸收量也高[2]。

由圖4可知，6種濕地植物對(duì)NH4+-N的去除效果有一定的差別。濕地植物生長(zhǎng)水體中的NH4+-N含量隨著培養(yǎng)時(shí)間先上升后持續(xù)下降。其中，在25 d時(shí)，蘆葦、旱傘竹、美人蕉、香蒲、菖蒲及姜花對(duì)NH4+-N的凈化效率依次為89.8%、89.9%、89.4%、88.1%、89.6%、87.6%和85.7%，而空白僅為8.8%，表明濕地植物對(duì)污水中NH4+-N的去除效果較好。旱傘竹與蘆葦分別使污水中NH4+-N濃度由15.60 mg/L降低至1.58 mg/L與1.62 mg/L。不同植物去除效果由高到低：旱傘竹≈蘆葦>香蒲>美人蕉>菖蒲>姜花。針對(duì)污水中NH4+-N的凈化，小型人工濕地工程可采用蘆葦。

2.3 工程實(shí)例應(yīng)用

依托四川省小型人工濕地示范工程項(xiàng)目，在四川某村落建設(shè)占地面積為800 m2的小型人工濕地系統(tǒng)，處理水量為80 m3/d，設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間為5 d。該項(xiàng)目村居民80余戶，總?cè)丝?53人，該村通自來水，同時(shí)也使用地下水作生活用水。目前生活污水直接排入該村附近河溝。本工程試驗(yàn)用水直接取自該河溝（與實(shí)驗(yàn)室用污水來源相同）。根據(jù)前述試驗(yàn)結(jié)論，小型人工濕地工程主要采用蘆葦、香蒲與姜花3類濕地植物，種植密度約6株/m2。工程運(yùn)行初期采用間歇進(jìn)水、逐漸加大進(jìn)水量，經(jīng)過60 d的培養(yǎng)馴化調(diào)試后進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段[10]。穩(wěn)定運(yùn)行階段后，經(jīng)本系統(tǒng)處理后的污水（試驗(yàn)組）與未經(jīng)處理的污水（對(duì)照組）年平均水質(zhì)指標(biāo)如表5。

由表5可知，由蘆葦、香蒲與姜花3類濕地植物構(gòu)成的人工濕地系統(tǒng)對(duì)于農(nóng)村生活污水CODCr的凈化效率達(dá)到了69.7%～79.7%。有研究表明，不溶性有機(jī)物通過人工濕地的沉淀和過濾可以很快從污水中截留下來，被人工濕地中的微小生物加以利用，可溶性有機(jī)物則可通過微生物的代謝過程被去除，使其濃度降低[1]。另外，對(duì)于TP與TN的凈化效率也分別達(dá)到了19.2%～58.0%和50.5%～59.5%，可見生活污水中N和P含量有大幅降低。此外，經(jīng)人工濕地植物處理后，生活污水中NH4+-N的凈化效率達(dá)到了25.8%～77.5%；DO含量達(dá)到了6.7 mg/L，高于4 mg/L，水體條件呈好氧狀態(tài)；濁度達(dá)到了60～87 NTU，水體濁度有所改善。經(jīng)該人工濕地系統(tǒng)處理后的出水水質(zhì)可滿足國(guó)家農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB5084-92）對(duì)于一類（水作）灌溉水質(zhì)（CODcr≤200 mg/L、TP≤5.0 mg/L和TN≤12 mg/L）的要求。

3 小結(jié)與討論

四川盆地目前應(yīng)用較廣的蘆葦、旱傘竹、美人蕉、香蒲、菖蒲及姜花6種濕地植物，研究其株高、基徑、生物量較試驗(yàn)前均有不同程度的增加。生物量以及相對(duì)生長(zhǎng)速率反映了旱傘竹與蘆葦生長(zhǎng)最快，香蒲與美人蕉次之，菖蒲與姜花較慢的濕地植物生長(zhǎng)特性，這對(duì)于濕地植物的培育有指導(dǎo)意義。

在本研究中，實(shí)驗(yàn)室人工培養(yǎng)箱試驗(yàn)25 d后，菖蒲對(duì)于農(nóng)村生活污水中CODCr的處理效果最佳，使其由217 mg/L降低至39 mg/L，香蒲與蘆葦其次，分別降低至45 mg/L與47 mg/L，旱傘竹相比最差；菖蒲對(duì)于TP的去除效果最好，使其由9.4 mg/L降低至3.7 mg/L，香蒲與蘆葦其次，分別降低至3.9 mg/L與4.0 mg/L，美人蕉和姜花相對(duì)較差；美人蕉和姜花對(duì)于TN的去除效果最好，分別使TN的濃度由21.9 mg/L降低至5.4 mg/L和5.6 mg/L，香蒲的去除效果相比略差；旱傘竹與蘆葦分別使污水中NH4+-N濃度由15.6 mg/L降低至1.58 mg/L與1.62 mg/L。以避免選用外來濕地植物為前提，小型人工濕地工程可以安全采用蘆葦、香蒲與姜花3類濕地植物。

農(nóng)村生活污水經(jīng)小型人工濕地系統(tǒng)處理后，CODCr、TP、NH4+-N、TN、DO和濁度與試驗(yàn)前差別較為明顯，處理后的出水水質(zhì)可滿足國(guó)家農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于一類灌溉水質(zhì)關(guān)于CODcr、TP和TN的要求，表明其應(yīng)用價(jià)值較高。

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農(nóng)村生活污水經(jīng)小型人工濕地系統(tǒng)處理后，CODCr、TP、NH4+-N、TN、DO和濁度與試驗(yàn)前差別較為明顯，處理后的出水水質(zhì)可滿足國(guó)家農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于一類灌溉水質(zhì)關(guān)于CODcr、TP和TN的要求，表明其應(yīng)用價(jià)值較高。

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農(nóng)村生活污水經(jīng)小型人工濕地系統(tǒng)處理后，CODCr、TP、NH4+-N、TN、DO和濁度與試驗(yàn)前差別較為明顯，處理后的出水水質(zhì)可滿足國(guó)家農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于一類灌溉水質(zhì)關(guān)于CODcr、TP和TN的要求，表明其應(yīng)用價(jià)值較高。

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