人工濕地植物對農村生活污水污染物去除機制的研究進展

吳星杰,韋雅妮,李 麗

(西南林業大學土木工程學院,云南昆明 650224)

目前我國的主要污染已經從城市向農村蔓延,水環境的惡化導致黑臭水體的產生,嚴重影響農村人居環境,并嚴重制約著綠色生態美麗鄉村的建設和發展。從2017年中共十九大報告首次提出鄉村振興戰略,到2020年中央1號文件提到要扎實搞好農村人居環境整治,分類推進農村廁所革命,各地要選擇適宜的技術和改廁模式,梯次推進農村生活污水治理,開展農村黑臭水體整治,開展村莊清潔和綠化行動。再到2021年中央1號文件《中共中央國務院關于全面推進鄉村振興加快農業農村現代化的意見》提出整治中國農村人居環境的5年行動方案,目的是把中國農村生活所產生的污水治理提高到一個重要的戰略層級。

農村生活污水主要來源于日常生活的廚衛排水[1-2]。主要污染物包括有機質、洗滌劑、懸浮物、氮磷營養成分、細菌病毒和寄生蟲等。村莊生活污水的主要特點是:①流量較小,日變化系數大;②濃度較低,波動性大,可生化性強; ③分布分散,排水管網不完善,集中收集處理難度大[3]。基于農村污水本身水質和水量的特點以及薄弱的經濟實力和缺乏專業技術人員配備等現實問題,城市集中污水處理工藝并不適合村鎮,因地制宜地分散式生態處理模式是目前傾向采用的方式,在處理成本、管養維護、處理效果方面有著較大的優勢,在高效處理污水的同時,還可以提高生物多樣性,美化生態景觀,具備經濟和環境的雙重效益。因此,研究適合農村生活污水生態處理的濕地植物及其選擇優化策略具有十分重要的意義。

1 人工濕地的類型及其特征

基于農村生活污水的特點,其處理工藝應力求高效、低耗、可再生、廉價、操作簡便的原則[3]。根據技術原理、特點以及耗能模式,常用濕地處理工藝按照水流方式的差異分為表流人工濕地、垂直潛流人工濕地、水平潛流人工濕地、復合型人工濕地等類型[4],各類人工濕地類型特征見表1[5-10]。

2 人工濕地植物的選擇與應用現狀

濕地植物是人工濕地處理技術的主體,我國水生維管束植物計有 61 科 145 屬 400 余種及變種[11],但僅有幾十種處理效果良好的植物被運用在國內人工濕地處理中,現階段屢見的人工濕地植物為東方香蒲、菖蒲、荷花、蘆葦、美人蕉、蔥蒲等大型挺水植物;黑藻、蓼萍草、狐尾藻、蝦藻、金魚藻等沉水植物;還有浮萍、槐葉蘋、鳳眼藍、大薸等浮水植物。它們具有較好的耐污性質,不過在我國經濟受限的農村地區,僅僅具有觀賞價值的濕地植物無法調動村民參與人工濕地管理的積極性;且生長較快、收割頻次高的濕地植物,會加重管理負擔,使得處理設施“曬太陽”的問題頻發,因此人工濕地植物的選擇要因地制宜考慮南北氣候差異,不僅要有較強的凈化能力,還需要有一定的經濟價值讓它們得以廣泛地推廣應用。

2.1 觀賞類植物種植具有景觀價值的濕地植物,農村生活污水作為觀賞性人工濕地植物的營養液,氮磷實現資源化利用,化肥用量減少,濕地植物還具有觀賞性和經濟性,通過水生植物的出售為農民帶來經濟收益,這對于經濟水平相對落后農村地區人工濕地的持續性運行意義深遠。關于觀賞類植物的凈化效果研究發現,水蔥和黃花蘭對COD的去除率達到93.5%和91.05%,玫瑰、姜花、非洲菊對BOD5的去除率也達84.82%[12],幾種濕地花卉對于TN和TP的去除率也分別達到了57.88%和96.35%。姜花、水蔥、黃花蘭、鶴望蘭等花卉對生活污水有較好的凈化效果, BOD5去除率高達 92.04%,對TP 的去除率甚至可超過 97.77%。采用濕地植物銅錢草對TP、氨氮、TOC的去除率分別達到89.44%、91.86%、85.00%[13]。觀賞性植物觀音竹、發財樹、白掌和綠蘿對NO3--N和NH4+-N都具有較高的接觸度和吸收傳質速率,適宜處理氮素濃度較高的污水[14]。因此觀賞性人工濕地植物的應用是有廣闊前景和積極效益的。

表1 人工濕地類型及其特征Table 1 Types of constructed wetlands and their characteristics

2.2 蔬菜類植物運用于污染河水治理的“水耕型蔬菜人工濕地”具有良好的效果,經日本學者中里廣幸于1984年提出[15],此后,各地學者因地制宜開展研究,蔬菜型人工濕地得到了極大的優化和發展。我國的水生蔬菜分為深水和淺水兩大類,屬于深水的有蓮、菱、莼菜、芡實、水雍菜等,屬于淺水的有茭白、水芹、慈姑、荸薺等。在我國農村地區的人工濕地污水處理中,水芹、空心菜等經濟型蔬菜逐漸進入人們的視線,不僅表現出較強的氮磷吸收能力,被收割的經濟作物還可創造一定的經濟效益,推廣前景廣闊。有研究表明,通過種植空心菜構建人工濕地系統處理川渝地區的農村生活污水,結果表明“生物接觸氧化+水生蔬菜型濕地”一體化裝置COD、TN 和NH4+-N 出水濃度均能達到一級A 排放標準[16]。在進行農村落污水的凈化試驗過程中,引入 OAO 水生蔬菜型人工濕地,結果顯示,處于水力負荷為 0.3 m3/(m2·d) 的狀態時,水生蔬菜型人工濕地對 TN、TP 的去除率分別可達到 69.13%、75.33%[17],水生蔬菜表現出較好的污染物凈化能力。將水生蔬菜推廣應用將極大提高濕地工程的經濟收益。

3 去除污染物的機理

人工濕地處理污水的基本原理是在自然形成或人工挖掘的洼地中,充填土壤和填料,并種植一些對營養物吸收效果良好且生長周期較長的水生植物于床體表面,便于污水流動在其表面或內部的填料縫隙間,植物根系在填料中生長,不僅帶入氧氣,還使得根部填料區形成微小生境,從而使各種能夠分解或去除污染物的微生物在其內生長,將整個人工濕地構造成為一個基質-植物-微生物的生態系統,利用它們的協同作用來處理污水[18-20]。

3.1 有機物的去除機理農村生活污水中的有機物分為不溶性和溶解性2種,借助人工濕地中沸石、土壤、砂土等基質和植物的圍擋、吸收、過濾、沉積作用可去除不溶性有機物;通過微生物好氧及厭氧降解作用可去除溶解性有機物[21-22]。結果顯示,植物作用于有機物的攝取與生物降解相比較小,但植物對有機物的去除有明顯的作用效果[23]。微生物體內細胞物質、CO2及水來源于廢水中的大部分有機物。通過微生物本身的好氧代謝,并在厭氧環境下,先分解成有機酸、脂、CO2和H2,再進一步反應生成CH4、H2S等[24]。

據相關數據結果顯示,當低濃度進水時,人工濕地對 BOD5、COD的清除效率比較高,分別在78%和65%以上,最終排出符合污水廠一級排放標準的出水水質,與此同時,水流的進水方式影響到 COD 的去除程度,通常間歇運行比連續運行的去除率高[25-26]。研究表明,隨著時間的推移,不溶性有機物作為人工濕地基質中的主要有機物類型會逐漸累積,造成人工濕地的堵塞。如要改進對生活污水中有機物的治理效益,防止堵塞,延長系統運行壽命可采取生物+生態組合工藝,生物段運用微生物降解的方法,生態段則采用人工濕地,同時強化回流工藝,可達到比較理想的效果[27]。

3.2 脫氮機理氮素在農村生活污水中的存在形式主要為有機氮和無機氮,一般通過微生物的分解,有機氮可形成無機氮。人工濕地生態系統主要通過基質吸附、植物吸收和微生物降解等途徑來處理氮素。污水中適宜的氮是人工濕地植物生長的營養元素,植物吸取水中的無機氮并變換為有機氮蓄積體內,同時在根系形成的好氧和厭氧微環境,能夠促進微生物的生長,并通過硝化和反硝化作用將氮素去除[28]。對比不同狀態人工濕地處理效果,種植植物的要勝過沒有種植植物的,原因主要有以下幾方面。

3.2.1根系直接吸收與富集作用。植物能吸收利用離子態的無機氮,并促進硝化作用的進行。有研究表明,控制植物組織中的氮濃度以及植物純生長量,能提高植物攝取氮的速率,并且傳統活性污泥處理系統的除氮能力遠比不上人工濕地[29]。根系離子吸收動力學有效地揭示了植物對無機離子吸收過程,對在營養特征方面具有不同特質的水體進行濕地植物的選擇和配置,提供科學證明,吸收動力學中米氏常數Km代表了植物對離子的親和能力,Km越小,親和力越強;植物對離子的吸收能力用最大吸收速率Imax來表示,Imax越大吸收潛力越大。不同濕地植物對不同形態的氮素吸收特性見表2。

表2 中國農村常見的人工濕地植物吸收的動力學特征Table 2 Kinetic characteristics of and NO3--N absorption by economical wetland plants

不同濕地植物對不同形態的氮素吸收特性存在一定的差異,但均表現出親氨性。通過對比Imax、Km值得出,空心菜、香根草和觀音竹對NH4+-N和NO3--N 污水的適應性范圍較寬;韭菜、薄荷和白掌對NH4+-N的適應性較廣;紫蘇和雪里蕻對NO3--N的適應性較廣;艾草和金菜花適宜處理較高NH4+-N濃度的污水;迷迭香、綠蘿適宜較高NO3--N濃度的污水。人工濕地植物配置時,可以考慮多種植物混合種植,也可以在濕地的前后端分別選擇適宜的濕地植物,以達到最優的處理效果。比如可以選擇Imax值大、Km值小的濕地植物來處理高氮素濃度的污水,而在低氮素濃度的濕地末端選擇低NH4+-N和NO3--N水平的植物進一步改善出水水質。

在總氮去除中,植物吸收的貢獻率在8.9%～20.8%,均值為 14.0%[34],但在很大程度上,植物根系提供的微環境和傳導作用以及釋放的酶等物質加強了凈化的成效。因而不能單從植物體的氮含量來衡量植物對氮的去除貢獻率。

3.2.2根系沁氧功能。實際工程中污水水質更加復雜,要實現氮素資源的最大化,還要考慮植物的根系泌氧能力。決定人工濕地處理系統凈化效果的一個重要因素是基質中的氧含量,而植物在濕地系統中充當了“曝氣機”持續輸入氧氣,它們通過光合作用將空氣中的氧借助氣道運送到根區,再通過擴散作用,在根區周圍依次形成好氧區、兼氧區和厭氧區的微環境[35],為硝化、反硝化作用和其他吸附代謝作用創造了合適的條件,促進微生物生長,強化氮素的分解代謝。

3.2.3提供微生物棲息地。人工濕地中微生物種群豐富,它們是氮素脫除的主力軍,而微生物的生長離不開適宜的生存條件。濕地植物的根系附近會形成呈網狀結構的微環境,為微生物的吸附和代謝提供條件,為其提供了生長棲息地;同時,大量糖類、有機酸和無機離子等分泌物會在植物的根系細胞生長過程中出現,這些物質正好提供了多種易降解的有機碳源給微生物代謝,促進反硝化進行。與非植物濕地系統相比較,微生物數量在植物濕地系統明顯更高,尤其在植物根部,是非植物系統的1～2 個數量尺度,微生物的數量尤其是硝化細菌、反硝化細菌的數量與脫氮效果呈直線相關關系,因此濕地內部微生物數量較多時,脫氮效率也較高,進而間接影響著人工濕地的凈化效果[29,35-36]。

3.2.4加強水力傳導作用。農村生活污水流經后的濕地基質,在攔截、黏附、過濾等作用下極易發生堵塞,堵塞后的濕地系統水流循環降低,致使處理效率降低甚至失效。植物根系能夠穿透介質層并穿插在基質層中,提高孔隙度,提高滲水能力和水流運輸作用,疏松基質,緩解堵塞,避免板結;與此同時,濕地植物的根系附近區域的微生物通過根系傳輸能量物質,在此過程中快速傳輸水分、溶質和O2獲得充足的生長條件,形成微生物膜。最終形成對污染物的凈化和降解起到關鍵作用的植物根系水力傳導-微生物分解代謝-氧氣傳輸-溶質流動的持續界面。

3.2.5葉片吸收。經濟型濕地植物給村民帶來一定的經濟效益,凈化能量來源于植物的光合作用,將污水中的氮素轉化為自身能量,植物葉片對氨進行吸收轉化并揮發[37]。基質中氮含量的增加與植物葉片內氮含量增加成正比,并且植物葉片葉綠素含量與土壤氮含量成正比,定期收割植物可最終去除廢水中氮素。在污水負荷、提高氮肥利用效率和減少氮肥損失方面,氨的揮發量及其影響因素對這3種情況起著至關重要的作用,由于是植株生長后階段體內含氮化合物的水解和氨的揮發,因此植株成熟時的總氮量通常明顯低于植株氮素最大累積量[38]。

3.3 除磷機理有機磷和無機磷是農村生活污水中2種形式[39],分別來源于人畜排泄食品殘渣和洗滌劑。基質的吸附、微生物的降解和濕地植物吸收利用可以作為存在人工濕地中的磷的去除方式。其中主要途徑是基質吸附,基質對磷的吸附與水體酸堿環境、溫度有關,在pH≤7條件下,含Fe3+、Al3+的基質在吸附磷的情況下比其他元素吸附磷的效果更優,而在pH>7條件下,不含Fe3+、Al3+而僅有 Ca2+的基質效果對磷的去除效果較佳[29]。吸附過程中環境溫度越高,基質對磷的吸附量越大,濕地的除磷效果越好。微生物的分解作用稱為生物除磷,聚磷菌可以在厭氧環境下釋放磷儲存聚β-羥基丁酸(PHB)及糖原等有機顆粒,在好氧條件下分解聚β-羥基丁酸(PHB)而過量地蓄積污水中的無機磷并大量增殖。當植物處于人造濕地的情況下,植物對該濕地的污水處理凈化有著無法替代的重要性,在植物的生長過程中磷是最重要的營養元素之一,植物的吸收和同化作用可以把存在于農村生活污水中的可溶性磷酸鹽分解,等被儲存在根莖葉中時,變成了ATP、DNA和RNA等有機成分;濕地植物同時將氧氣輸送至根部,促進根部微生物的同化吸收與聚磷菌的積累,在植物停止生長開始枯萎前及時收割最終實現去除磷的目的。

人工濕地最關鍵的磷蓄積部位就是植物的根表膜,對磷的吸附效率遠超植物的其他組織,此外相比較于其他植物,磷的累積量有較大的差別。植物組織磷的質量分數和最終生物量蓄積能力及單位面積生物量關乎磷的積累和儲存,因此選擇快速生長、高組織磷含量和高直立產量的經濟型濕地植物,比如空心菜、水芹等能達到較好的除磷效果。

不同濕地植物對磷的吸收特性存在一定的差異,比較Imax、Km值可知,空心菜、水芹對H2OP4-污水的適應性范圍較寬;韭菜和金菜花適宜處理較高 H2OP4-濃度的污水(表3)。人工濕地植物配置時,應根據水質情況和植物吸收動力學結果選擇合適的濕地植物,以達到最優的處理效果。同時也有研究表明在去除總磷過程中植物吸收的貢獻率范圍處于14.2%～31.5%,均值為 21.7%[35]。

4 問題與對策

從實際應用出發,人工濕地植物在處理農村生活污水中確實能夠有針對性地解決問題,一定程度上保證出水水質,節能降耗,美化環境,并產生經濟效益,但是由于農村分散的生活污水處理和運行中存在多因素的干擾,比如氣候條件,污水水質變化波動大等,需要綜合考慮這些因素,提升處理的效果,目前還存在以下難點亟待解決:

4.1 濕地植物與微生物的協同效應微生物是人工濕地處理的主力軍,植物提供了棲息地并給予生存條件,雖然植物本身對污染物去除的貢獻率非常有限,但植物與微生物之間的協同作用是打開污染物降解去除的重要密匙。不同植物根系與微生物群落的結構組成、分布、功能基因的定量等方面的研究有待進一步優化完善[40],以不斷提高脫氮除磷效率。

表3 常見經濟型濕地植物吸收H2OP4-的動力學特征Table 3 Kinetic characteristics of H2OP4- absorption by economical wetland plants

4.2 安全性問題濕地植物要兼有凈化功能和經濟性,而蔬菜型植物的食用安全問題尤其重要,關系是否能帶動當地經濟的發展和處理系統在我國廣泛推廣。應采取措施嚴格監控進入人工濕地的進水水質,并對水生蔬菜型濕地植物開展安全性研究和評價,切實保障濕地蔬菜作物的食用安全性,讓農業的生產發展與農村區域的污水治理進行有機結合,保證處理設施的持續運行。

4.3 植物評價體系目前濕地植物的選擇與配置大多還停留在定性的描述,沒有更為科學客觀的評價體系,如果能定性地對植物生長量、植物根系密集度與氮磷濃度及其積累能力做評價分析[41],并構建植物凈化能力、經濟效能的定量評價體系,對今后濕地植物的篩選與優化有深遠意義。

5 結語

人工濕地植物對農村生活污水污染物去除有很大的優勢,濕地植物的攔截、吸收、過濾、沉積作用有促進效果,但為了強化處理效果,需采取人工濕地與活性污泥連續工藝;濕地植物通過直接吸收與富集作用、根系沁氧作用、提供微生物棲息地、加強水力傳導作用、葉片吸收等途徑實現氮素的去除;濕地植物通過空氣傳輸,在根區促進微生物的同化吸收與聚磷菌的積累,好氧條件下吸收的無機磷在根莖葉中進行儲存,并在儲存的基礎上加以利用,以收割方式實現最終除磷。根據濕地植物的脫氮除磷基質,在植物選擇和配置上,應根據水質情況和植物吸收動力學結果選擇合適的濕地植物,以達到最優的處理效果。此外,今后需要在濕地微生物群落與植物的協同效應、水生蔬菜安全性問題、建立科學植物評價體系等方面進一步開展研究,為構建高效的人工濕地解決農村生活用水污水處理系統提供理論依據。