用于城市徑流凈化的岸堤漫流技術的植物與基質的組配方式

李海波 王鵬飛 李英華

摘要：面對越來越嚴重的城市面源污染問題，提出岸堤式漫流阻控技術，其中植物與基質是漫流系統的重要組成部分，植物與基質的組配是否合理嚴重影響漫流系統對污水的凈化效果。試驗通過建立不同的岸堤漫流系統研究不同基質和不同植物組合對漫流系統凈化效率和效率穩定性的影響。結果表明，爐渣、黃土和沙子的混合基質比黃土、棕壤土這種單一基質的凈化效率高，特別是對懸浮固體（SS）、氨態氮（NH3-N）、總磷（TP）的去除，去除率均在60%以上；高羊茅（Festuca elata Keng ex E. Alexeev）比黑麥草（Lolium perenne L.）更適合于漫流系統。高羊茅與混合基質的組合為岸堤漫流系統最優的基質、植物配置方式。

關鍵詞：城市徑流凈化；岸堤漫流系統；基質；植物；去除率；面源污染

中圖分類號：X522 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）07-0357-03

點源污染與面源污染是造成水環境污染的兩大來源[1]。目前，隨著點源污染治理力度的加大及治理技術的不斷完善，城市面源污染已成為造成城市水體污染的主要原因[2]，與點源污染不同，城市面源污染隨降雨的發成而發生，污染的發生具有隨機性和間歇性，污染源分布廣泛、不集中且污染物濃度變化很大[3]。目前成型的污水生物處理技術對有機物的去除效果很好，但不能有效去除N和P；化學方法雖能較好地去除污水中的N和P，但成本較高且會產生嚴重的二次污染[4]；而岸堤漫流技術作為一種污水生態處理技術，是地表漫流技術的演變，在城市面源污染的控制中有很好的應用前景。

岸堤式漫流技術使污水以薄層的形式在地表流動的過程中利用“土壤—微生物—植物”系統，通過土壤的沉淀、吸附、過濾作用，根系微生物的生物降解以及植物的吸收作用將污染物去除[5]，不僅對N、P的去除效果好，而且具有運行經濟、操作簡便的優點。漫流技術是由土壤基質、植物和微生物共同組成的復合系統，通過三者之間的一系列物理、化學和生物途徑對污染物高效去除，其中植物和土壤基質是在工程中相對容易調節的2個因素。

植物作為漫流系統的重要組成部分，為微生物提供適宜生存的場所，減緩污水沿岸坡流動的速度，防止污水對地表的沖刷，同時還能促進污水中懸浮顆粒物沉淀和吸收N、P等營養物質。土壤基質在為植物和微生物提供生長介質的同時，還能通過沉淀、過濾和吸附等作用直接帶走污染物[6-7]。國內外的研究多是從植物的篩選、坡度、水利運行條件等方面探討地表漫流技術的凈化效率，而本試驗則是通過研究不同種類的植物與不同種類的基質組合在相同的外部條件下對污染物的凈化效果來探討漫流技術的凈化機理，從而探求出一種科學、高效的漫流系統構建模式，并為工程實踐提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗水質

試驗在沈陽某大學污水模擬處理二室進行，根據城市徑流污染物的一般濃度，限于遼寧省沈陽市雨水較少，為了試驗的順利進行，在無雨期采用的是人工配制模擬雨水的方式進水，主要采用城市內河河水添加化學藥品配制模擬雨水。河水取自沈陽大學附近的新開河河水，通過添加化學藥品來分別模擬懸浮固體（SS）、化學需氧量（COD）、氨態氮（NH3-N）、總磷（TP）含量等指標（表1）。采用模擬雨水的優點是：水質穩定且易于控制，在試驗運行過程中可根據不同的試驗要求適時調整配水成分，改變進水的濃度和配比，以研究不同進水濃度下漫流系統對污染物的去除效果[8]。

1.2 試驗流程

試驗主要流程：配制廢水被灌入儲水桶，桶的容積為 10 L，放置在1.5 m高的鐵架子上，桶底設有布水管，通過出水閥門的調節均勻地分配到試驗主體裝置漫流槽中，這樣可以靈活模擬實際降雨的水量與水質，反映岸堤漫流系統對污水的控制效果。

1.3 主要設計參數

根據地表漫流系統的要求，結合場地要求以及徑流污染的實際特點，設計的漫流槽長2.4 m、寬1.6 m、高60 cm，平均分為3個子單元格，每個單元格面積均為1.44 m2，裝置見圖1。每個單元中，漫流坡坡度取4%，坡長2 m，水力負荷LW統一取10 cm/d，投配時間T取8 h/d，投配頻率取5 d/周[9]。

1.4 植物與基質的選取

1.4.1 植物 黑麥草（Lolium perenne L.）禾本科黑麥屬一年生或多年生草本，具細弱根狀莖，稈叢生，高30～90 cm，具3～4 節，質軟，基部節上生根。高羊茅（Festuca elata Keng ex E. Alexeev）禾本科羊茅屬，稈成疏叢，直立，粗糙；莖圓形，直立，粗壯，簇生；根系深，耐貧瘠土壤。本試驗的2種植物事先進行選種、栽培以及耐污試驗后，移植到漫流試驗裝置中進行試驗。

1.4.2 基質 棕壤土（經過2 mm篩子篩選）；黃土（經過 2 mm 篩子篩選）；黃土、細沙和爐渣（經過2 mm篩子篩選） 6 ∶3 ∶1 混合[10]。鋪設方法：在基質的最下層是防滲層，采用滲透性小的黏土，防滲層高10 cm，逐層鋪設，即鋪 2 cm 壓實后進行水旱，然后再鋪2 cm，再水旱，直到10 cm。這樣鋪設后，經過測試，土壤滲透系數K=0.46 cm/h，符合地表漫流系統的要求。然后將3種上層基質分別布置在3個單元格中（圖2）。

1.5 試驗運行

根據所選植物的種類，試驗分2個階段，即第1階段在3種基質上種植黑麥草，第2階段在3種基質上種植高羊茅。種植植物后，每天以清水布水運行，運行2周后，植物長勢良好，出水中不再有大量土粒沖出，系統穩定，然后開始試驗[11]。在每個試驗階段，每天試驗開始前用蒸餾水澆灌儲水桶，落干后再灌入人工污水正式開始運行。儲水桶中灌入人工污水后，打開控制開關，水在重力作用下緩慢均勻地流入漫流槽。每天08：00開始布水，16：00停止布水，11：00和15：00取2次樣，連續共取4 d，即每個階段取8個樣。

1.6 測定項目與方法

根據雨水徑流污染的普遍特征，選用的水質分析指標包括懸浮固體含量、化學需氧量、氨態氮含量和總磷含量。以上指標根據文獻[10]規定的方法進行測定，結果見表2。

2 結果與分析

2.1 SS的凈化效果

在種植黑麥草時，混合基質、黃土基質、棕壤土基質對SS的平均去除率分別為74.02%、70.95%、70.25%；在種植高羊茅時，混合基質、黃土基質、棕壤土基質對SS的平均去除率分別為73.15%、64.58%、56.13%（圖3）。排除植物的影響只看基質，3種基質對SS的去除效果由好到差依次為混合基質、黃土基質、棕壤土基質。取樣時發現，混合基質的出水明顯好于其他2種基質，混合基質出水清澈，黃土和黑土基質的出水較混濁。這主要是因為爐渣的加入，有利于對顆粒的吸附，又由于黃土的黏性好于黑土，所以黑土顆粒更容易被沖刷出來。排除基質的影響只看植物，就平均去除率來看，高羊茅對SS的去除效果優于黑麥草，但是由圖3可知，高羊茅的去除效果變化較大，沒有黑麥草穩定，這是由于在移植高羊茅后未能等到系統完全穩定就開始試驗造成的，若能運行一段時間，其穩定性會提高。在本試驗過程中還發現，硅藻土的去除主要發生在系統前端，前端有明顯的硅藻土堆積現象，即在漫流系統下，污水中的SS在短距離流動后就能被有效去除，其去除率和坡長有關，即坡長越大，去除率越好[12]。

2.2 COD的凈化效果

在種植黑麥草時，混合基質、黃土基質、棕壤土基質對COD的平均去除率為20.96%、21.34%、29.33%；在種植高羊茅時，混合基質、黃土基質、棕壤土基質對COD的平均去除率為34.88%、29.98%、29.55%（圖4）。當種植黑麥草時，3種基質對COD的去除效果由好到差依次為黑土基質、黃土基質、

混合基質；當種植植物為高羊茅時，3種基質對COD的去除效果由好到差依次為混合基質、黃土基質、黑土基質。兩種情況下出現了不一致的結果，因為COD的去除主要還是靠微生物的降解，黑麥草是在漫流槽內種植的，黑土中含有豐富的腐殖質，更有利于植物生長，黑土基質中的黑麥草稠密度明顯大于黃土基質和混合基質，因而根系更發達，更有利于微生物生長繁殖，所以去除效果最佳；然而，在移植高羊茅以后，人工移植的結果造成三者中植物的稠密度幾乎相同，此時微生物降解作用幾乎一致，有研究表明，有機物會有一部分附著在懸浮顆粒的表面，混合基質更有利于懸浮顆粒的去除，因而造成對有機物的去除率更高一些。但是，不管哪種組合對COD的去除率基本保持在30%左右，相差不大，即本系統對COD的去除效果不是很好，這與植物還處在生長期又很關系，如果系統能夠長時間運行之后，對COD的去除效果會有所提高。

2.3 NH3-N的凈化效果

在種植黑麥草時，混合基質、黃土基質、棕壤土基質對NH3-N的平均去除率為61.53%、38.45%、59.61%；在種植高羊茅時，混合基質、黃土基質、棕壤土基質對NH3-N的平均去除率為90.18%、83.04%、83.93%（圖5）。排除植物的影響只看基質，對氨態氮去除效果最好的都是混合基質；排除基質的影響只看植物，高羊茅對氨態氮的去除效果最好，能達到85%左右，明顯好于黑麥草。NH3-N的去除是揮發、植物吸收、土壤基質吸附和微生物的硝化與反硝化作用的結果。總體上看，漫流系統具有一定的抗氨態氮負荷沖擊的能力。

2.4 TP的凈化效果

在種植黑麥草時，混合基質、黃土基質、棕壤土基質對TP的平均去除率為64.60%、54.68%、60.41%；在種植高羊茅時，混合基質、黃土基質、棕壤土基質對TP的平均去除率為66.09%、 58.55%、 57.89%（圖6）。 排除植物的影響只看基

質，對氨態氮去除效果最好的都是混合基質；排除基質的影響只看植物，2種植物對總磷的去除效果幾乎相同，高羊茅稍好于黑麥草。這主要是因為磷的去除主要還是靠土壤基質的吸附作用，混合基質中爐渣的加入促進了這種吸附作用。

3 結論

本試驗采用室內模擬的方式研究岸堤漫流系統中不同植物與基質的配置方式對污水凈化的效果，結果顯示，3種基質對污染物的整體去除效果依次為混合基質>棕壤土基質>黃土基質；2種植物對污染物的整體去除效果依次為高羊茅>黑麥草。岸堤漫流系統對SS、NH3-N、TP有較好的去除效果，去除率均在60%以上，對COD的去除率僅達到30%左右。岸堤式漫流系統可以應用于城市面源污染的控制中，特別是對SS的去除效果較好。混合基質較單一基質對污染物的去除效果更好。

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