植物配置對人工濕地污水處理效果的影響

摘要：選擇貴州省正常運行狀態下的3種不同植物配置的生活污水處理人工濕地，定期測定污水中的化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、磷酸鹽、氨氮、總磷（TP）等水質因子。結果表明，香蒲（Typha orientalis Presl）+茭白（Zizania latifolia）+美人蕉（Canna indica）+水蔥（Scirpus validus Vahl）+睡蓮（Nymphaea tetragona Georgi）的植物配置對COD、磷酸鹽的去除率最高，分別為86.36%、73.20%；BOD的去除率以水葫蘆（Eichoimia crassips） + 風車草（Cyperus alternifolius） + 美人蕉 + 再力花（Thalia dealbata） + 香蒲植物組合為最好，達到81.28%；氨氮、總磷的去除率以風車草+再力花+菖蒲（Acorus calamus Linn.）+千屈菜（Lythrun salicaria）+水葫蘆+美人蕉+花葉蘆竹（Arundo donax var.versicolor）的植物組合為最高，分別為75.96%和72.28%。

關鍵詞：人工濕地；植物配置；生活污水；處理效果；應用

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）11-2748-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.11.009

人工濕地污水處理系統是一項運用生態學原理加上工程方法而形成的生態工程水處理技術。人工濕地處理污水的方法同時還兼具生物濾池法和活性污泥法處理污水的某些性能[1，2]。人工濕地對污水處理效果受植物種類、溫度以及根區微生物等多種因素的制約[3-7]。因此，人工濕地植物選擇是否恰當，配置是否合理，將直接影響到人工濕地的處理效果。已有研究表明，多種植物的合理搭配較單一植物具有較好的處理效果，混合種植不僅使濕地凈化率提高，且凈化效果更穩定[8，9]。植物根系發達程度、放氧速率和微生物活性等對污水的凈化效果同樣有影響[10，11]，且不同植物的凈化效果差異很大[12]。

本研究以貴州省人工濕地常用植物風車草（Cyperus alternifolius）、再力花（Thalia dealbata）、菖蒲（Acorus calamus Linn.）、千屈菜（Lythrun salicaria）、水葫蘆（Eichoimia crassips）、美人蕉（Canna indica）、花葉蘆竹（Arundo donax var.versicolor）、香蒲（Typha orientalis Presl）、茭白（Zizania latifolia）、水蔥（Scirpus validus Vahl）、睡蓮（Nymphaea tetragona Georgi）作為配置植物，試驗樣地均采用表面流+潛流+垂直復合流的人工濕地類型。通過檢測出水水質研究不同植物配置下的人工濕地對生活污水的凈化效果及作用機理，為喀斯特地區人工濕地植物配置提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗樣地的選取

試驗樣地選擇貴州省內處于正常運行，且濕地類型和基質一致，僅在植物配置類型上有差異的人工濕地作為本研究的試驗樣地，試驗樣地的基本特性如表1所示。

試驗樣地基質為礫石+沙土。濕地生物反應床底部和四周均以水泥沙漿封閉，并進行防滲處理，每一級生物反應床種植不同植物，相對獨立。收集的城鎮生活污水依次經過沉沙-曝氣-沉淀，然后由布水管接入第一級生物反應床，出水經收集后再經布水管接入第二級生物反應床，以此類推，直至污水經處理后排放。3個人工濕地污水處理系統均采用全天候連續供水模式。對3個樣地進行連續3年的取樣分析，各試驗樣地的化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、磷酸鹽、氨氮、總磷（TP）等水質因子濃度見表2。

1.2 試驗樣地中植物配置

3個人工濕地試驗樣地中，各級的生物反應床種植不同的植物，各人工濕地的植物種植詳見表1。

1.3 水樣采集及測定

2011年12月至2014年8月，對各人工濕地進行了水樣采集分析，在人工濕地各級生物床進出口均進行采樣，每個采樣點同時采集3個平行樣用于水樣分析，每個采樣點分別測定COD、BOD、磷酸鹽、氨氮、TP等水質因子。各水質因子檢測方法見表3。

1.4 統計分析

數據在Excel軟件中進行初步錄入和處理。使用SPSS19.0軟件對數據進行初步計算和統計分析，即計算均值和標準差，利用配對t檢驗（Pair sample t-test）和一般線性模型（General linear model）對數據進行方差分析（One-way ANOVA），分別按濕地類型來分析其效應（基于Type Ⅲ平方和基礎上）。同時，差異顯著性用Tukey檢驗，統計顯著性α=0.05，且所有數據以均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 不同植物配置人工濕地對污水處理效率的差異

不同植物配置人工濕地的水質因子去除率的方差分析結果見表4。由表4可知，3種植物配置的人工濕地在COD、BOD的去除率上存在極顯著差異（P<0.01），而對其他水質因子的去除率沒有顯著差異。

2.2 單個水質因子的處理效率

由表5可以看出，3種人工濕地對COD的去除率均在80%以上，BOD、氨氮在70%以上，對磷酸鹽和TP的去除率在64%以上。草海人工濕地（CH）對COD、磷酸鹽的去除率最高，朱昌鎮人工濕地（ZC）對BOD的去除率最高，楓香鎮人工濕地（FX）對TP、氨氮的去除率最高，對COD的去除率較低。

2.3 不同植物配置人工濕地對污水處理效果的影響

不同植物配置的人工濕地在COD、BOD的處理效率上存在差異。

COD處理效率以草海人工濕地的處理效率為最高，楓香鎮人工濕地最低；而BOD的處理效率以朱昌鎮人工濕地的處理效率為最高，草海人工濕地的處理效率為最低。針對其他3種污染物，雖然在不同植物配置濕地間沒有顯著差異，但從表5可以看出，草海人工濕地對磷酸鹽和氨氮的去除率較高，而對總磷的去除率在3種人工濕地中是最低的。

根據濕地的植物配置可以看出，草海人工濕地與其他兩種人工濕地植物不同，主要有茭白、水蔥、睡蓮3種植物，其對COD、磷酸鹽、氨氮去除率較高的原因可能是：①選擇效應導致[13，14]，即植物豐富度高的植物群落越有可能選中生產力高的物種，如本研究中草海人工濕地的美人蕉、香蒲、茭白和水蔥等；②植物多樣性對根區微生物生物量C、N與酶活性有顯著影響[4]，進而影響基質中的N[15]，以及植物吸收、生長速率（生產力）[16]；③多個對氮磷有較強吸收作用的植物共同作用。有研究表明，單位面積上水蔥對氮磷的吸收速率高[17]，美人蕉對總氮的去除效果好[18]，茭白對總磷的去除效果好[19]。

BOD去除率較高的兩種人工濕地為楓香鎮人工濕地和朱昌鎮人工濕地，從兩者的植物配置中可以看出，楓香鎮人工濕地比朱昌鎮人工濕地多了千屈菜、菖蒲和花葉蘆竹3種植物，但對BOD去除率并無太大影響（表5）。由此可見，對BOD去除效率較高的植物配置組合為水葫蘆、風車草、美人蕉、再力花和香蒲。

3 結論

1）比較不同植物配置人工濕地的污水處理效果，對COD的去除效率以香蒲+茭白+美人蕉+水蔥+睡蓮的植物配置的去除率為最高，去除率達到86.36%。

2）對BOD的去除率以風車草+再力花+菖蒲+千屈菜+水葫蘆+美人蕉+花葉蘆竹的組合與水葫蘆+風車草+美人蕉+再力花+香蒲的組合較好，分別為79.21%和81.28%；而香蒲+茭白+美人蕉+水蔥+睡蓮這種植物配置的人工濕地對BOD的去除率較低，只有70.26%。

3）風車草+再力花+菖蒲+千屈菜+水葫蘆+美人蕉+花葉蘆竹這種植物配置人工濕地對氨氮的去除率較高，為75.96%。

4）磷酸鹽的去除率在不同植物配置濕地間沒有顯著差異（P>0.05）。香蒲+茭白+美人蕉+水蔥+睡蓮植物組合最高，達到73.20%。

5）對總磷的去除率，不同植物配置間的人工濕地處理效率沒有顯著差異，以風車草+再力花+菖蒲+千屈菜+水葫蘆+美人蕉+花葉蘆竹植物組合最高，為72.28%。

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