濕地植物在不同水力條件下對中水的凈化效果

胡碧瑩 王海洋

摘要 [目的]研究濕地植物在不同水力條件下對中水的凈化功效。[方法]在人工構建的濕地系統中，將中水回用作為濕地水源，研究了5種濕地植物菖蒲、美人蕉、梭魚草、再力花和狐尾藻在不同水力停留時間、水深和水流速度（濕地表面流速和濕地滲濾流速）下對供試中水總氮（TN）、總磷（TP）的去除效果。[結果]濕地植物在適宜水力條件下對中水具有一定的凈化效果，其中菖蒲和美人蕉的TN系統出水含量符合“地表水環境質量標準Ⅲ類”水體要求，TP系統出水含量符合“地表水環境質量標準Ⅱ類”水體要求。綜合考慮5種植物對TN、TP的去除效果，模擬濕地系統適宜采用的水力停留時間為2 d，水深為20 cm。該情況下，不同表面流速處理對中水TN平均表面去除率達到21.08%，TP平均表面去除率達到17.63%。而不同滲濾流速處理對中水TN、TP系統去除均值分別為57.72%和64.84%。[結論]該研究可為中水污染治理提供科學依據。

關鍵詞濕地植物；水力停留時間；水深；水流速度；中水凈化

中圖分類號X52文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2017）08-0081-05

Purification Effects of Wetland Plants in Reclaimed Water under Different Hydraulic Conditions

HU Biying，WANG Haiyang*（School of Horticulture and Landscape Architecture，Southwest University，Chongqing 400715）

Abstract[Objective]To study the purification efficiency of wetland plants under different hydraulic conditions.[Method]Based on the constructed wetland system with reclaimed water，the experiments on removal efficiency of TN，TP under different hydraulic retention time，water depth and velocity （surface flow velocity and percolation flow velocity） in Acorus calamus L.，Canna indica L.，Pontederia cordata L.，Thalia dealbata L and Myriophyllum verticillatum L.were conducted.[Result]The results showed that wetland plants under varying hydraulic conditions have significant effects on reclaimed water purification.Above all the five plants ，Acorus calamus L.and Canna indica L.have optimal performance on pollutants removal.The concentrations of TN in the treated effluent of Acorus calamus L.and Canna indica L.could achieve the “Environmental Quality Standards For Surface Water Class Ⅲ Standard”，and which of TP could achieve “Environmental Quality Standards For Surface Water Class Ⅱ Standard”.Comprehensively considering the removal capability of five plants，suitable hydraulic conditions was suggested as 2 d of hydraulic retention time，20 cm of water depth.Under this circumstances，the average surface removal rate of TN，TP were 21.08%，17.63%，the mean values of TN，TP in system treated effluent were 57.72%，64.84% respectively.[Conclusion]The study can provide scientific basis for water pollution control.

Key wordsWetland plants；Hydraulic retention time；Water depth；Water velocity；Reclaimed water purification

面對日趨嚴重的水資源匱乏問題，城市污水再利用變得尤為重要，中水因其回用成本較低、水源含量相對豐富等特點，適合作為濕地水源的補給。在中水回用作濕地水源的過程中，不同水力條件處理對凈化效果的影響顯著，在模擬多個不同特征的濕地水流運動過程后發現，水力停留時間、水深和水力負荷是影響濕地凈化效果的三大水力要素，在實際運行中均存在一個最佳值，大于或小于該值均會使去除率有所下降[1]。

在實地考察和規劃中，濕地水流速度比水力負荷更易于獲取，有研究表明，濕地表面流具有高阻力、低流速的特點[2]，而濕地滲濾流則依據達西定律（Darcys law），其數值隨著濕地蓄水量的下降而下降[3-4]，用于表示濕地系統內水流速度。筆者引入濕地水流速度這一要素，并將其細化為濕地表面流速和濕地滲濾流速，與水力停留時間以及水深一起作為試驗水力條件。選取5種常用濕地植物菖蒲（Acorus calamus L.）、美人蕉（Canna indica L.）、梭魚草（Pontederia cordata L.）、再力花（Thalia dealbataL.）和狐尾藻（Myriophyllum verticillatum L.），人工構建5個基質成分相同的單物種濕地單元，將中水回用作為系統水源，研究分析了5種濕地植物在不同水力條件下對中水總氮（TN）、總磷（TP）的去除效果，旨在為中水污染治理提供科學依據。

1材料與方法

1.1人工濕地系統構建

該試驗在重慶市北碚區西南大學植物大棚內進行。依據《人工濕地污水處理技術導則》（RISN-TG 006—2009）[5]要求，共構建了5個長2 m、寬1 m、高1 m的濕地系統，每個系統內僅栽單種植物，種植密度為16～25株/m2。濕地系統構造如圖1所示。

注：1～3號出口為調節水深處理；4號為表面凈化率檢測水樣出口；5號為系統凈化率檢測水樣出口

Note：No.1-3 stand for exports of regulating water level treatments；No.4 stands for export of surface purification rate；No.5 stands for export of system purificantion rate

1.2試驗進水水質試驗進水模擬中水各項指標，參照《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）[6]中一級A排放標準進行人工配置，主要成分包括NH4NO3、KH2PO4、葡萄糖等。各項水質指標見表1。

1.3試驗處理

于2016年3—11月研究5種濕地植物在不同水力停留時間、水深和水流速度（濕地表面流速和濕地滲濾流速）下的凈化效果，考慮所選植物性狀，試驗期間配以恒流泵保持系統連續進出水。水力停留時間和水深試驗先進行，共設置

1、2、3 d 3組水力停留時間處理；10、20、40 cm 3組水深處理。以上每組控制試驗重復3次，試驗結束后及時取水樣進行檢測。

水流速度試驗在水力停留時間和水深試驗之后進行，試驗期間配以流速儀監控水層流速。通過對彩云湖國家濕地公園、璧山觀音塘濕地公園和九曲河濕地公園的實地考察及水速測量，共設置0.01、0.03、0.05 m/s 3組濕地表面流速處理；依據《人工濕地污水處理技術導則》要求，設置0.05、0.10、0.20 m/d 3組濕地滲濾流速處理。以上每組控制試驗重復3次，取樣后及時進行檢測。

5種濕地植物進入成熟期后啟動試驗，期間采用間歇進水方式，試驗期連續進出水，非試驗期則不進水，將試驗系統置于“濕潤—干旱—濕潤”的水循環中模擬天然濕地水環境，最大程度地還原天然濕地水文特點。

1.4數據分析

用Excel和SPSS 19對數據進行統計分析，包括比較各供試植物在不同水力停留時間、水深和水流速度下對中水TN、TP的去除率，以及供試植物種間去除率差異等。

2結果與分析

2.1不同水力停留時間和水深處理對植物去除TN、TP能力的影響

2.1.1不同水力停留時間處理下5種植物對TN、TP的去除效果。人工濕地去除TN、TP的能力與植物類型、溫度、土壤等條件相關，不同水力停留時間對污染物去除率造成影響[7-8]。由圖2可見，5種植物對TN的平均去除率從大到小依次為菖蒲、美人蕉、再力花、梭魚草、狐尾藻，其中菖蒲對TN的平均去除率為94.62%，狐尾藻的平均去除率僅為22.50%。每種植物的TN去除率都在2 d達到峰值，之后降低。

由圖3可見，5種植物對TP的平均去除率從大到小依次為美人蕉、菖蒲、再力花、梭魚草、狐尾藻。除再力花外，其余植物均在2 d達到去除峰值。所有試驗處理中，去除效果最好的是2 d處理下的美人蕉，TP平均去除率達到93.41%，而狐尾藻的TP平均去除率僅32.79%。有研究表明，適當延長水力停留時間可以提高人工濕地磷的去除率，因為水力停留時間影響污水中磷向基質微孔表面擴散和向吸附點靠近的概率[9]，而且隨著水力停留時間的延長，濕地植物對磷的吸收量也會增加。

濕地系統中氮、磷的去除一方面可以借由植物的吸收同化作用，另一方面，植物可為微生物的生長繁殖提供良好的環境，通過微生物和植物的協同作用也能降解水體中污染物含量[10]。水力停留時間過短會導致生化反應不充分，停留時間過長則會引起污染物的滯留，結合圖2、3可知，水力停留時間設置為2 d較為合適。

2.1.2不同水深處理下5種植物對TN、TP的去除效果。

水深會直接影響濕地植物的生長、繁殖、分布等過程，其對植物種群競爭和群落演替具有重要意義[11]。有研究表明，隨著水深的增加，污染物的去除率呈先增大后降低的趨勢，污染物的主要去除途徑也會發生變化[12]。

從圖4可見，不同水深處理下5種植物對TN的去除效果差異明顯，其中菖蒲的平均TN去除率最大，達93.75%。每種植物的最適水深差異較大，其中，狐尾藻、美人蕉的凈化峰值出現在10 cm水深處，菖蒲的凈化峰值出現在20 cm水深處，而梭魚草、再力花的凈化峰值出現在40 cm水深處。這與供試植物 “機會窗”[13]水深不同有關，同時也表明植物去除TN的能力受種間差異影響或水深差異影響。

從圖5可見，5種植物中以20 cm水深處的美人蕉對TP的去除率最大，平均去除率達95.80%。菖蒲和梭魚草的TP去除峰值也出現在水深20 cm處，再力花和狐尾藻的去除峰值出現在水深10 cm處。水體中磷素的去除途徑與氮素有很大不同，磷素無法通過氣態揮發離開水體，絕大部分磷以不溶性磷酸鹽的形式存在，在同樣的停留時間下，雖然深水位磷的負荷量更大，但從試驗結果來看，水深40 cm處磷的去除率并不高，這可能是由于進水中磷濃度較低的緣故。

以上分析表明，水深處理對5種植物去除TN、TP的效果均有顯著影響，但最適水深在不同植物間差別較大。5種供試植物“機會窗”水深不同，試驗結果也顯示在“機會窗”水深附近的去除效果顯著優于其他水深處理。Holland等[14]利用羅丹明對人工濕地不同水深和流量情況下的水流過程進行試驗，發現隨著水深的增大，濕地的水力性能逐漸減弱。郭長強等[15]研究指出，水深較大時會致使濕地水環境分布不均，影響植物凈化效果，這與筆者的研究結論相似，水深40 cm處5種植物TN、TP的凈化效果普遍不如水深20、10 cm處。

2.2不同水流速度處理對植物去除TN、TP能力的影響

依據上述試驗結果，將流速試驗的水力停留時間設置為2 d，水深設置為20 cm。

2.2.1不同表面流速處理下5種植物對TN、TP的去除效果。

由表2可知，5種植物對TN、TP的表面去除率均高于空白對照（CK），說明濕地植物有良好的去污效果。5種植物中美人蕉對TN、TP的平均去除率最高，這是由于其根系最為發達，自身吸收作用效果顯著[16]。

可見，美人蕉、再力花、狐尾藻在表面流速0.01 m/s時對TN、TP的去除效果最好，菖蒲在0.03 m/s時對TN的去除效果最好。各處理以表面流速0.01 m/s時的美人蕉對TN的去除效果最好，去除率達57.40%。菖蒲、梭魚草、狐尾藻在表面流速0.01 m/s時對TP的去除效果最好，美人蕉和再力花在表面流速0.03 m/s時的去除效率最好，5種植物中對TP去除率最高的是表面流速0.03 m/s時的再力花，去除率達32.53%。

低流速時水源在基質中的穿行速度較慢，有利于對氮、磷的吸附和沉淀，而流速過快會造成水體中的微小顆粒難于被基質和植物根系上的生物膜吸附，甚至將生物膜沖刷脫落，不利于植物對營養物質的吸收和濕地內生化反應的進行。對不同表面流速處理下的TN、TP去除率進行One-way ANOVA分析，結合圖6、7的去除均值動態，可知TN去除效果比TP去除效果稍好，二者平均去除率分別為21.08%和17.63%，均在0.01 m/s處達到峰值。

2.2.2不同滲濾流速處理下5種植物對TN、TP的去除效果。

由表3可知，5種植物對TN、TP的去除率均高于空白對照。5種植物中對TN去除效果最好的是菖蒲，對TP去除效果最好的是美人蕉。將表3和表2進行比較，發現各植物對TN、TP的系統去除率明顯高于表面去除率，說明氮、磷的主要去除途徑為植物根系與微生物的協同作用[17]，植物體自身吸收同化所占比例不高。

對不同滲濾流速處理下的TN、TP去除率分別進行One-way ANOVA分析，結果顯示，其平均去除率分別為57.72%和64.84% 。雖然不同滲濾流速處理對TN、TP的去除率影響不顯著，但結合圖8、9去除均值動態可知，5種植物在0.10、0.20 m/d時對TN、TP的去除效果不如0.05 m/d時，表明在一定范圍內，較低的滲濾流速有利于植物對氮、磷的吸收和濕地內生化反應的進行。

3討論

3.1濕地植物凈化中水效果

參照《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）[18]中關于景觀用水的要求，該試驗中除表面流速試驗因采集系統表層水樣凈化率不高以外，其余處理下各植物對中水TN、TP去除效果較好，尤以菖蒲和美人蕉優勢最為明顯，其TP去除效果達到 Ⅱ 類水體要求、TN去除效果達到Ⅲ類水體要求，顯示出中水用于濕地供水的優勢。我國水資源短缺，中水因其回用成本較低及水源含量相對豐富等特點，非常適合作為景觀水體的補給。

3.2凈化效果與水力條件的相關性

水力條件對濕地凈化效果影響顯著，且在各水力條件間存在動態平衡，以達到最優去除率。結合該試驗結果，適當延長水力停留時間可以提高人工濕地氮、磷的去除率；而水深試驗結果在不同植物間受“機會窗”影響較大，但總體趨勢表明，一定范圍內，水深增大會導致濕地凈化性能降低。水流速度的減緩有利于植物和基質對氮、磷的吸附和沉淀，在連續進出水的情況下，表面流速設置在0.01 m/s時效果最好；而滲濾流速處理對TN、TP的去除率影響不明顯。

3.35種植物消氮納磷能力及配置建議

在5種供試植物中，菖蒲、美人蕉為濕生植物或挺水植物，梭魚草、再力花為挺水植物，狐尾藻為沉水植物，試驗結果顯示，狐尾藻對TN、TP的去除率低于另外4種植物。這是由于挺水植物比沉水植物有更大的生物量和更為發達的根系，因此挺水植物對污水的凈化效果和對污染負荷變化的適應性均優于沉水植物。本著人工濕地景觀美化及污水凈化的功能需求，結合各濕地植物生長特性及氮、磷去除效果的動態特征，以“高+中+低”立體式層次搭配為基礎訴求，在實際植物配置應用中，可以考慮將沉水植物區域置于挺水植物區域之前。

4結論

（1）5種供試植物對中水TN、TP均有一定的去除效果，其中美人蕉和菖蒲去除率較高，且去除效果穩定，其TP系統出水含量符合《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅱ類水體要求，TN含量符合Ⅲ類水體要求。

（2）在3組水力停留時間（1、2、3 d）處理下，5種供試植物對TN、TP的去除率基本呈先上升后下降的趨勢，因此可將水力停留時間設置在2 d最為合適。不同水深處理（10、20、40 cm）下對TN、TP的去除效果在植物種間差別較大，但總體趨勢顯示水深40 cm處效果不如水深20或10 cm處。

（3）不同表面流速處理（0.01、0.03、0.05 m/s）對中水TN、TP的去除效果影響明顯，TN平均表面去除率達到21.08%，TP平均表面去除率達到17.63%。而不同滲濾流速處理（0.05、0.10、0.20m/d）對中水TN、TP的去除效果影響不明顯，TN和TP的平均系統去除率分別為57.72%和64.84%。

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