冷季型禾草人工濕地處理生活污水的應(yīng)用

李 丹，呂錫武,*，鞏佳佳，汪思宇

(1. 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210096；2.無(wú)錫太湖水環(huán)境工程研究中心，江蘇無(wú)錫 214061)

鑒于常規(guī)水處理設(shè)施在小型分散式農(nóng)村生活污水處理技術(shù)中的限制，具有代替性、小規(guī)模和創(chuàng)新性的污水處理技術(shù)愈發(fā)受到關(guān)注，人工濕地技術(shù)即是其中的一種[1-3]。其中，植物是人工濕地的重要一環(huán)，選擇適宜的植物不但可以有效去除水體中的污染物，加速營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)和再利用，而且對(duì)農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有促進(jìn)作用[4-7]。

目前，用于人工濕地的常用植物有蘆葦[Phragmitesaustralis(Clav.)Trin.]、香蒲(TyphaorientalisPresl.)、燈心草(JuncuseffusesL.)、美人蕉(CanaindicaL.)、鳳眼蓮[Eichhorniacrassipes(Mart.) Solms]等[8-11]。這些適用于春夏季人工濕地的植物種類多且處理效果較好，但因秋冬季溫度較低，大部分植物出現(xiàn)枯黃甚至枯萎腐爛，導(dǎo)致去除效果不佳[12-13]，出水水質(zhì)受到影響，不能滿足污水排放標(biāo)準(zhǔn)限制。相對(duì)貧乏的冬季濕地植物種類限制了實(shí)際工程中的選擇應(yīng)用[14]，郝明旭等[8]也認(rèn)為，尋找更多適用于人工濕地的植物品種并合理配置與管理已成為亟待解決的問(wèn)題。目前，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，人工濕地系統(tǒng)冬季植物枯萎和凈化能力下降等問(wèn)題不可避免。基于上述背景，種植生長(zhǎng)周期短[15]、根系密集、可選種類多[16]的冷季型禾草物種，以適應(yīng)低氣溫條件，從而提高處理效果和增加景觀效益。另外，太湖流域形成的禾草型草坪大規(guī)模培育產(chǎn)業(yè)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。因此，秉承“污染凈化型農(nóng)業(yè)、實(shí)現(xiàn)氮磷資源化利用”的創(chuàng)新理念，將冷季型禾草應(yīng)用到小型分散式農(nóng)村生活污水處理的技術(shù)中，有機(jī)耦合污水處理與種植業(yè)，在保證冬季去除效果的前提下，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，降低農(nóng)村生活污水的處理成本。

此前，已有學(xué)者對(duì)早熟禾、剪股穎、葦狀羊茅和黑麥草這4種冷季型禾草根系進(jìn)行了吸收氮磷動(dòng)力學(xué)研究，并計(jì)算出最大吸收速率(Imax)和親和力常數(shù)(Km)[17]，表明了冷季型禾草對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽具有一定的吸收作用，但仍缺乏在實(shí)際濕地系統(tǒng)中進(jìn)一步探究其對(duì)氮磷污染物的去除性能。因此，本文以上述4種冷季型禾草作為研究對(duì)象，開(kāi)展氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽長(zhǎng)期凈化效果研究，旨在拓寬濕地植物種類，一定程度上改善冬季濕地植物缺乏的現(xiàn)狀，以期為禾草植物應(yīng)用于實(shí)際工程的可行性提供一定的理論與實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 裝置結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成

試驗(yàn)裝置為建造在東南大學(xué)無(wú)錫分校大棚內(nèi)的4條潛流型人工濕地廊道系統(tǒng)(圖1)，廊道采用磚混結(jié)構(gòu)，并以特殊材料進(jìn)行防滲處理。先將經(jīng)跌水充氧接觸氧化單元處理后的出水引入高位配水槽，后由高位配水槽底部的配水管把所需水量引入潛流型人工濕地的4個(gè)廊道，通過(guò)球閥控制水量。每條廊道的平面尺寸為2 m×0.2 m，有效池深為0.2 m，坡度為5‰。濕地底部鋪設(shè)一薄層陶粒作為濾水層，其上為黃土、河沙、蛭石和加氣混凝土，且質(zhì)量比為4∶2∶1∶1，經(jīng)常州化學(xué)研究所檢測(cè)，其元素含量如表1所示，基質(zhì)層總厚度為0.1 m。本文選取多年生黑麥草、葦狀羊茅、匍莖剪股穎、草地早熟禾這4種冷季型禾草作為人工濕地植物進(jìn)行研究。

圖1 冷季型禾草人工濕地系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Constructed Wetland System with Cold-Season Grasses

表1 基質(zhì)元素含量 (單位：g/kg)Tab.1 Analysis of Substrate’s Element (Unit：g/kg)

1.2 試驗(yàn)材料及處理

試驗(yàn)原水為某高校宿舍樓和食堂的生活污水，試驗(yàn)前端經(jīng)“水解池-曝氣池”生物段處理后引入此人工濕地廊道系統(tǒng)，人工濕地進(jìn)水水質(zhì)如表2所示。

表2 人工濕地進(jìn)水水質(zhì)Tab.2 Quality of Influent Water in Constructed Wetland

根據(jù)冷季型禾草的適宜播種量范圍[18-19]并考慮濕地實(shí)際情況確定黑麥草、葦狀羊茅、草地早熟禾、匍匐剪股穎的播種量分別為35、48、18、9 g/m2。播種后通以清水保持濕地基質(zhì)潮濕促進(jìn)種子發(fā)芽，為了其盡快適應(yīng)污水環(huán)境，當(dāng)植株高度達(dá)到1～2 cm時(shí)開(kāi)始接入生物處理單元出水，待植株生長(zhǎng)成型且濕地系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后開(kāi)始連續(xù)監(jiān)測(cè)進(jìn)出水水質(zhì)，監(jiān)測(cè)時(shí)間從第一年10月—次年3月。本試驗(yàn)中，濕地進(jìn)水流量為20 L/d，平均水力負(fù)荷為0.027 m3/(m2·d-1)，1周取樣3次(每次均測(cè)3個(gè)平行樣取平均值)，為了更直觀地展示數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，取平均值作為本周的出水濃度，即每月有4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，以此作曲線圖。各月份氣溫如表3所示。

表3 運(yùn)行期間氣溫條件Tab.3 Temperature Conditions during Operation Period

1.3 測(cè)定分析方法

光度法》(HJ 535—2009)，TN的測(cè)定采用《水質(zhì)總氮的測(cè)定堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB/T 11894—1989)，TP的測(cè)定采用《水質(zhì)總磷的測(cè)定鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—1989)。全氮全磷含量參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》，其中，植物全氮含量測(cè)定采用H2SO4-H2O2消煮-凱式定氮法，植物全磷含量測(cè)定采用H2SO4-H2O2消煮-釩鉬黃比色分光光度法；土壤全氮含量測(cè)定采用濃硫酸消煮-蒸餾定量法，土壤全磷含量測(cè)定采用濃硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法。

2 結(jié)果與分析

2.1 冷季型禾草人工濕地對(duì)氮磷的深度凈化效果

2.1.1 TP的去除效果及分析

圖2為種植冷季型禾草植物潛流人工濕地進(jìn)出水TP濃度及去除率變化的趨勢(shì)，TP的進(jìn)水濃度在1.03 ～2.23 mg/L。種植初期，由于禾草植物剛生長(zhǎng)成型，對(duì)照組與種植早熟禾、剪股穎濕地?zé)o顯著差異(P=0.521>0.05)，均在較低水平。隨著禾草根系大量滋生，從11月起禾草濕地對(duì)TP的去除率迅速增加，尤為顯著的是黑麥草和葦狀羊茅，平均去除率為83.27%和81.34%，在進(jìn)水濃度相差不大的情況下，比番茄-常綠鳶尾、番茄-再力花、番茄-美人蕉組合生態(tài)系統(tǒng)對(duì)TP的平均去除率高11.51%[20]；比經(jīng)濟(jì)植物水稻、水雍菜潮汐流人工濕地系統(tǒng)去除率約高20%[21]。比花卉植物綠蘿、發(fā)財(cái)樹(shù)、觀音竹、白掌的組合系統(tǒng)去除率高約13%[22]；通過(guò)對(duì)比可知，黑麥草和葦狀羊茅在去除TP方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，這可能是因?yàn)楹邴湶莺腿敔钛蛎┰谏L(zhǎng)期對(duì)磷需求較大。經(jīng)黑麥草和葦狀羊茅處理后的出水TP濃度達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002) 一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。匍匐剪股穎對(duì)TP的去除率維持在中等水平且較平穩(wěn)，為62.80%～75.10%。總體來(lái)說(shuō)，隨時(shí)間變化禾草對(duì)TP的去除率逐漸增加，同一月份去除率大致表現(xiàn)為黑麥草>葦狀羊茅>剪股穎>CK>早熟禾。

圖2 冷季型禾草人工濕地TP濃度及去除率Fig.2 Concentration and TP Removal Rate by Constructed Wetland with Cold-Season Grasses

2.1.2 TN的去除效果及分析

圖3 冷季型禾草人工濕地TN濃度及去除率Fig.3 Concentration and TN Removal Rate by Constructed Wetland with Cold-Season Grasses

圖4 冷季型禾草人工濕地濃度及去除率Fig.4 Concentration and Removal Rate by Constructed Wetland with Cold-Season Grasses

2.2 冷季型禾草人工濕地系統(tǒng)氮磷物料平衡分析

2.2.1 冷季型禾草人工濕地系統(tǒng)磷素平衡分析

此人工濕地對(duì)磷的去除主要通過(guò)基質(zhì)的吸附和交換，還有一少部分磷元素通過(guò)植物的吸收與同化、微生物的同化、聚磷菌的攝取以及草皮收割而去除[29]。表4為冷季型禾草人工濕地系統(tǒng)磷素平衡分析，圖5為磷的各遷移途徑占濕地系統(tǒng)進(jìn)水磷負(fù)荷的比率。

由圖5可知，具植物濕地系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水中磷的去除率在58.64%～84.03%，無(wú)植物對(duì)照組對(duì)磷的去除率為50.34%，由此可知，植物的存在對(duì)于濕地系統(tǒng)對(duì)磷的去除有著不可忽視的作用[30]。濕地基質(zhì)對(duì)磷的去除率為49.73%～70.60%，占進(jìn)水磷負(fù)荷幾乎一半以上，比植物吸收和微生物作用對(duì)磷的去除作用強(qiáng)，與前人研究一致[31]，基質(zhì)吸附是人工濕地中磷去除的主要途徑。研究表明，填料中含有Fe、Al氧化物時(shí)，磷酸根可通過(guò)配位體交換吸附到鐵和鋁離子表面，也有利于形成溶解度很低的磷酸鐵與磷酸鋁[32]；填料中含Ca高時(shí)，磷可與Ca反應(yīng)生成不溶性的磷酸鈣沉淀，且微生物和植物的存在可以促進(jìn)此反應(yīng)[33]。本研究中，各植物濕地對(duì)磷的去除率較好，可能與所用基質(zhì)中含大量Fe、Al、Ca有關(guān)。由表4可知：4種濕地基質(zhì)富集的磷含量在22.23～27.13 mg P/(m2·d)，從大到小排序?yàn)槿敔钛蛎?黑麥草>剪股穎>早熟禾；無(wú)植物對(duì)照組富集的磷含量為19.89 mg P/(m2·d)，低于濕地組，說(shuō)明種植植物有利于濕地基質(zhì)對(duì)磷的富集。植物吸收對(duì)磷的去除率有所差別，其中，黑麥草和剪股穎吸收10%左右，葦狀羊茅吸收9.5%左右，而早熟禾僅吸收2.77%，表明植物吸收只占磷去除的小部分，不是主要途徑[34]。綜上，濕地系統(tǒng)對(duì)磷的去除主要依靠基質(zhì)的富集，植物和微生物對(duì)磷的去除具有一定的作用。

表4 冷季型禾草人工濕地系統(tǒng)磷素平衡分析 [單位：mg P/(m2·d)]Tab.4 Analysis of Phosphorus Balance in Constructed Wetland System with Cold-Season Grasses [Unit: mg P/(m2·d)]

圖5 各除磷途徑占濕地系統(tǒng)進(jìn)水磷負(fù)荷的比率Fig.5 Ratio of Phosphorus Removal Pathways to Influent Phosphorus Load in Wetland System

2.2.2 冷季型禾草人工濕地系統(tǒng)氮素平衡分析

表5 冷季型禾草人工濕地系統(tǒng)氮素平衡分析 [單位：mg N/(m2·d)]Tab.5 Analysis of Nitrogen Balance in Constructed Wetland System with Cold-Season Grasses [Unit: mg N/(m2·d)]

圖6 各除氮途徑占濕地系統(tǒng)進(jìn)水氮負(fù)荷的比率Fig.6 Ratio of Nitrogen Removal Pathways to Influent Nitrogen Load in Wetland System

2.3 冷季型禾草人工濕地系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在本試驗(yàn)構(gòu)建的冷季型禾草人工濕地系統(tǒng)中，黑麥草和葦狀羊茅對(duì)氮磷的去除效果較好且適應(yīng)濕地環(huán)境，可作為冬季濕地植物的同時(shí)產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；剪股穎和早熟禾效果欠佳，不考慮作為可選冷季濕地植物。為了更好地評(píng)估黑麥草和葦狀羊茅2種禾草的應(yīng)用價(jià)值，現(xiàn)將其與其他冬季濕地植物對(duì)氮磷的去除率、經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行對(duì)比，如表6所示。

由表6可知：從TN、TP的去除效果來(lái)看，水芹(OenantheJavanica)、美人蕉(Cannaindica)、黃菖蒲(Irispseudacorus)、蘆葦(Phragmitesaustralis)等在冬季不可避免地出現(xiàn)衰敗現(xiàn)象，導(dǎo)致其在夏秋季去除率較好，冬季去除率大幅下降，影響人工濕地冬季的去除效果和在我國(guó)北方地區(qū)的推廣，而本是冷季型禾草的黑麥草和高羊茅由于適應(yīng)低溫且根系繁密，在冬季仍表現(xiàn)出較高的去除率。從各種濕地植物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值看，水芹作為主要經(jīng)濟(jì)作物，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；美人蕉、黃菖蒲作為水生觀賞植物，可以營(yíng)造優(yōu)美的水體景觀，主要表現(xiàn)為觀賞價(jià)值；蘆葦木質(zhì)素含量較高，導(dǎo)致其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值難以開(kāi)發(fā)利用，而經(jīng)濟(jì)價(jià)值較差；黑麥草和葦狀羊茅成坪速度快，可進(jìn)行多次換茬且市場(chǎng)需求量大，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高于其他幾種常規(guī)濕地植物。此外，禾草可在一個(gè)生長(zhǎng)周期完成后連帶黃土、細(xì)沙等少量基質(zhì)用草鏟切取后進(jìn)行后續(xù)移植，缺少的基質(zhì)可以通過(guò)換新達(dá)到增加濕地系統(tǒng)去除效果的作用。綜上，黑麥草、葦狀羊茅以其獨(dú)特的冬季去除率和較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值從各種濕地植物中脫穎而出，具有廣闊的應(yīng)用前景。

表6 冷季濕地植物氮磷去除效果及經(jīng)濟(jì)價(jià)值對(duì)比Tab.6 Nitrogen and Phosphorus Removal Effect of Cold-Season Grasses and Economic Comparison in Constructed Wetland

3 結(jié)論

(2)對(duì)進(jìn)水氮和磷在濕地中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究表明，濕地系統(tǒng)對(duì)磷的去除主要依靠基質(zhì)的富集，去除量占進(jìn)水磷負(fù)荷的49.73%～70.60%，通過(guò)植物吸收去除的磷占進(jìn)水磷負(fù)荷的2.77%～9.96%。濕地系統(tǒng)對(duì)氮的去除主要依靠微生物作用，去除量占進(jìn)水氮負(fù)荷的22.62%～37.22%，其次是基質(zhì)的富集作用，去除量占進(jìn)水氮負(fù)荷的20.60%～26.11%，植物的吸收只占很小部分，比例為0.50%～3.81%。

(3)去除效果方面，黑麥草和葦狀羊茅在冬春季對(duì)氮磷的去除效果遠(yuǎn)高于其他幾種常規(guī)濕地植物。經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面，水芹作為主要經(jīng)濟(jì)作物，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；美人蕉、黃菖蒲作為水生觀賞植物可以營(yíng)造優(yōu)美的水體景觀，主要表現(xiàn)為觀賞價(jià)值；蘆葦木質(zhì)素含量較高，導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)價(jià)值難以開(kāi)發(fā)利用而經(jīng)濟(jì)價(jià)值較差；黑麥草和葦狀羊茅成坪速度快可進(jìn)行多次換茬且市場(chǎng)需求量大，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高于其他幾種常規(guī)濕地植物。