飼草植物對農村生活污水尾水氮磷營養鹽吸收特性

于如海，汪思宇，王昀晨，程方奎，呂錫武,*

(1.東南大學能源與環境學院，江蘇南京 210000；2.東南大學無錫太湖水環境工程研究中心，江蘇無錫 214000)

隨著國家經濟技術的高速發展，村落水環境污染呈現日趨嚴重的現象[1]，我國農村地區污水處理水平較低，80%以上的污水未經處理直接排放[2]，黃季琨等[3]對農村實地情況的調查表明，鄉鎮企業的發展、人口城鎮化等因素均對農村環境產生了不良影響。2007年，徐洪斌等[4]對太湖流域的典型村落調查發現農村生活污水污染物濃度略高于城鎮生活污水，提出了水解-生物轉盤-人工濕地組合處理工藝。2019年7月，中央農辦、農業農村部、生態環境部等九部門印發《關于推進農村生活污水治理的指導意見》[5]，指出治理農村生活污水應本著綠色為本、生態發展的原則，鼓勵通過栽植植物實現生態化改造。人工濕地作為生態單元，通過植物、基質、微生物三者協同作用[6]進行水質凈化，具有投資省、易維護的特點[7]，已被廣泛應用于尾水處理。傳統的濕地植物如水生蔬菜——金花菜畝產量低[8]，花卉植物生長速度慢，因此，在保證出水水質的情況下，如何強化濕地植物氮磷資源化利用是進行生態化改造的關鍵問題。

1 試驗材料和方法

1.1 飼草植物的選擇

根據飼草植物的生物量、生長耐受性進行篩選，選定江西洪紹農業發展有限公司的巨菌草、甜象草、皇竹草3種飼草作為本次研究對象。

1.2 試驗方法

1.2.1 植物吸收動力學試驗

吸收動力學研究在20世紀50年代初開創并發展，能有效地將不同植物每個時間段對不同營養元素的吸收過程進行量化，該研究引入最大吸收速率和離子親和力這2個參數，為植物的篩選提供了有力依據[18]。20世紀70年代，Nielsen[19]提出最低平衡濃度(Cmin)，為更全面的定量描述植物根系對不同養分的吸收情況提供新的指標。因此，開展飼草植物對各種營養鹽吸收動力學試驗有助于進一步明確飼草植物對濕地系統中氮磷等營養元素的去除機理，為在不同營養環境水體中篩選能有效去除氮素磷素的植物提供理論依據。

試驗結束后立即將植物從溶液中取出，用去離子水將植株根系沖洗干凈，放入烘箱，先將烘箱溫度調至105 ℃，烘干30 min進行殺青，再將溫度調至80 ℃，烘至恒重，稱量干重。

1.2.2 飼草型濕地凈化尾水試驗

圖1 人工濕地剖視圖

1.3 測定方法

2 結果與討論

2.1 植物吸收動力學參數計算

采用一元二次多項式擬合離子消耗曲線方程，方程如式(1)。

y=ax2+bx+c

(1)

其中：x——植物在溶液中的吸收時間，h；

y——燒杯中經植物吸收后的溶液質量濃度，mg/L。

對式(1)求一階導數，可得到溶液濃度變化速率隨時間的方程，方程如式(2)。

y′=2ax+b

(2)

令x→0，則y′=b即濃度的最大變化速率，由此得最大吸收速率，計算如式(3)。

Imax=b·V/m

(3)

其中：V——加入溶液體積，L；

m——根干重，g；

Imax——最大吸收速率，μg/(g·h)。

將y′=1/2b帶入式(2)中求出x，再將x帶入式(1)，所求得的y為Km，Km為親和力常數。Imax越大，表明植物對該離子的潛在吸收能力越大。1/Km表示根系親和力，與Km成反比，Km越小，植物對該離子的親和力越強。

令y′=0，求出植物在溶液中吸收速率為0的時間，代入式(1)，求出體系的Cmin，Cmin越小，說明植物能從養分貧瘠的環境吸收營養的能力越強，耐貧瘠能力越好。另外，再引入α、β來比較根系吸收速率、植物對養分的耐瘠能力，計算如式(4)～(5)。

α=Imax/Km

(4)

(5)

其中：Km——親和力常數，mg/L；

Cmin——平衡質量濃度，mg/L。

α越大，離子進入植物體內速率越快；β越小，植物耐瘠能力越強，越能在低濃度養分條件下生存，α和β的引入可以有效地克服親和力常數、平衡濃度排序不一致的矛盾。

Cacco等[23]將植物Imax和Km分成4種組合。(1)高Imax、低Km，適應于廣泛營養；(2)高Imax、高Km，適應于高濃度營養；(3)低Imax、低Km，適應于低濃度營養；(4)低Imax、高Km，任何條件都不利。最大吸收速率越大，植物對該離子的吸收潛力越大，親和力常數越小，植物對該離子的親和力越強。

2.2 3種飼草氮、磷吸收動力學試驗

圖2 3種飼草植物對吸收動力學曲線

表1 3種飼草植物對吸收動力學參數

圖3 3種飼草植物對吸收動力學曲線

表2 3種飼草植物對的吸收動力學參數

2.2.3 3種飼草對氨氮的吸收動力學

圖4 3種飼草植物對氨氮吸收動力學曲線

表3 3種飼草植物對氨氮吸收動力學參數

3種飼草對氨氮的吸收與其他種類的植物存在較大差異，檀香逸等[28]對8種觀賞植物的研究表明，梔子花、紅掌、吊蘭的Imax分別為43.54、82.36、102.22 μg/(g·h)，均小于飼草；其余5種觀賞植物的Imax與巨菌草相似，為125.45～451.33 μg/(g·h)；梔子花的Km為14.96 mg/L，大于巨菌草；觀音竹、龜背竹、發財樹、白掌、綠蘿的Km均小于12.80 mg/L，小于飼草，可見觀賞植物對氨氮的親和力整體優于飼草。鞏佳佳等[27]對4種冷季型禾草的研究表明，禾草的Km為15.66～20.16 mg/L，大于飼草；3種飼草中巨菌草的Imax最大為450.96 μg/(g·h)，優于禾草，禾草對氨氮的Imax為166.91～219.00 μg/(g·h)，可見飼草對于氨氮的親和力優于禾草，巨菌草對氨氮的吸收效果優于禾草。唐藝璇等[24]和張熙靈等[25]的研究發現，挺水植物的Imax均大于349.20 μg/(g·h)且大于飼草，Km均大于14.60 mg/L且大于飼草，可見挺水植物比飼草適合在高氨氮濃度的環境下生存。綜上，飼草對氨氮的親和力比挺水植物和禾草好，具有明顯優勢，這可能與飼草生長期氮肥需求量大有關，而3種飼草中巨菌草對氨氮的吸收效果最佳。

2.3 飼草型人工濕地尾水凈化效果

人工濕地對尾水的凈化是由基質吸附、植物吸收、微生物降解三者協同完成，巨菌草、皇竹草、甜象草的生長特性如表4所示，同時考慮對氮磷營養元素的吸收動力學結果以及植物耐受性，選擇巨菌草和皇竹草進行濕地種植，進一步探究飼草對濕地運行效果的影響。

表4 3種飼草生長特性對比

由表4可知，巨菌草、皇竹草均有良好的溫度耐受性，在0 ℃以上的氣溫條件植株可正常生長，因此在南方地區冬季采用合適的保暖措施如搭建濕地溫室大棚既可保證飼草植物順利越冬，又可保證濕地冬季出水水質的穩定性。

試驗濕地位于江蘇省無錫市溫室大棚內，自2020年8月通入低污染負荷污水，經過2周的穩苗期，植株長勢良好，出水水質穩定，之后進行水力負荷對出水水質影響的探究。試驗過程中通過控制蠕動泵改變水力負荷，探究在0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m3/(m2·d)這5種水力負荷下無植物種植與飼草植物種植的人工濕地處理效果差異。

圖5 不同水力負荷下的變化

圖6 不同水力負荷下的變化

圖7 不同水力負荷下氨氮的變化

3 結論

(3)飼草應用于農村生活污水生物處理尾水的研究表明，巨菌草和皇竹草可有效提高污染物去除效果，實現氮磷資源化利用。將擁有良好經濟附加值的飼草引入人工濕地，可在實現尾水污染物凈化的同時資源化利用氮磷，為農村生活污水處理提供新思路。