范 晶，郜 瑩，肖 洋

(黑龍江大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱150080)

當(dāng)前，水資源短缺，建立穩(wěn)定的污水凈化系統(tǒng)，達(dá)到生活用水綠色循環(huán)，已成為城市可持續(xù)發(fā)展的重要問(wèn)題。以人工濕地為主，利用植物凈化污水的處理模式，同傳統(tǒng)污水處理工藝相比，費(fèi)用低廉、處理效率高等優(yōu)勢(shì)突出［1－3］，在國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展研究多年，在實(shí)踐工程中也取得顯著的效果。在人工濕地污水凈化系統(tǒng)中，植物起著重要的作用，主要表現(xiàn)在吸收利用污水中的氮磷、吸附和富集重金屬，向根區(qū)輸送氧氣，為微生物提供適宜的生存環(huán)境，加強(qiáng)水力傳導(dǎo)，疏松基質(zhì)及植物的景觀綠化價(jià)值等方面［4－5］。但是在哈爾濱地區(qū)，對(duì)于利用人工濕地系統(tǒng)處理城市生活污水技術(shù)的研究還處于初步階段，而該區(qū)四季氣候差異大，冬季會(huì)出現(xiàn)霜凍結(jié)冰現(xiàn)象，不利于濕地植物在人工濕地中的運(yùn)作，使得在濕地植物選擇方面缺乏理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。開(kāi)展哈爾濱地區(qū)濕地植物的篩選研究，在黑龍江省乃至北方地區(qū)都具有重要的意義。本文通過(guò)構(gòu)建小型潛流碎石人工濕地，比較研究不同種植物在不同水力停留時(shí)間 (HRT)下，對(duì)生活污水的凈化能力，旨在為哈爾濱市人工濕地植物的理論研究和實(shí)際應(yīng)用建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

哈爾濱市白漁泡濕地公園，位于黑龍江省哈爾濱市道外區(qū)巨源鎮(zhèn)白漁屯北部500 m處，地處松嫩平原西部，距市區(qū)25 km，規(guī)劃面積10萬(wàn)hm2，年均氣溫3.2℃，本區(qū)主要為平原區(qū)河湖相沖積地貌類型，地勢(shì)低洼平坦，坡降小，由周邊坡耕地雨水匯集而成，常年積水，豐水期水深可達(dá)3 m。本地位于大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫在－5～4℃，有效積溫在2400～2800℃，年平均降水量569.1 mm，降雨量年內(nèi)分布不均，主要集中在6～8月;該區(qū)植物區(qū)系屬長(zhǎng)白植物區(qū)系，松嫩平原分布的大部分植物在濕地公園內(nèi)均有分布。

2 試驗(yàn)裝置與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

選取高40 cm，容積為29L(上口直徑35 cm，底面直徑25 cm)的塑料桶為試驗(yàn)裝置，該裝置下層鋪設(shè)10 cm粗砂 (粒徑1～2 cm)，上層為15 cm細(xì)砂 (粒徑＜1 cm)。距桶底10 cm處有出水檢測(cè)口，桶底側(cè)設(shè)有出水口。栽種植物前，向裝置中澆灌蒸餾水3次，每次將水排空后進(jìn)行第二次注水。植物植入裝置后，一次性向每個(gè)試驗(yàn)桶中注入配置好的人工污水10L，污水表面高出基質(zhì)層大約5 cm。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用植物均來(lái)自哈爾濱市白漁泡國(guó)家濕地公園，所選植物有:慈姑(Sagittaria trifolia)，水蔥(Scirpus validus)，香蒲(Typha orientalis)，小葉章(Deyeuxia angustifolia)，菖蒲(Acorus calamus)，澤瀉(Alisma plantagoaquatica)，蘆葦(Phragmites australis)，地榆(Sanguisorba officinalis)，水莎草(Juncellus serotinus)。為使植物適應(yīng)室內(nèi)生長(zhǎng)環(huán)境，野外采回的植株根部用蒸餾水沖洗3遍，在清水中預(yù)培養(yǎng)一周生長(zhǎng)穩(wěn)定后，再植入試驗(yàn)桶中，每個(gè)裝置大約種植3～4株，每個(gè)處理重復(fù)三次，灌入預(yù)先配好的生活污水，植物適應(yīng)一周后，開(kāi)始取樣，測(cè)定水質(zhì)指標(biāo)。

為保證進(jìn)水水質(zhì)穩(wěn)定，參考城市典型生活污水范圍系統(tǒng)采用人工配置的模擬生活污水［6］。各進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo):化學(xué)需氧量 (COD)為250 mg/L左右;總氮 (TN)為20 mg/L左右;總磷 (TP)為4 mg/L左右，pH值為6～7。

試驗(yàn)同時(shí)設(shè)置不種植任何植物的空白對(duì)照組，即裝置中裝入相同的基質(zhì)，不栽種任何植物。

2.3 水樣檢測(cè)方法

本試驗(yàn)僅研究在不同HRT下，所選植物對(duì)污水中N、P等污染物去除效果，其他因素影響忽略不計(jì)。試驗(yàn)期間，設(shè)5個(gè)HRT，即在HRT=1 d、3 d、5 d、7 d、9 d時(shí)，取樣，分別測(cè)定出水水質(zhì)指標(biāo):COD、TN、TP，具體試驗(yàn)室測(cè)定方法如下［7］:COD采用重鉻酸鉀氧化法;TN采用過(guò)硫酸鉀氧化－紫外分光光度法;TP采用鉬銻抗分光光度法。每個(gè)處理重復(fù)3次，取其平均值。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，將桶內(nèi)水全部抽出，稱量出水體積，算出水體積變化。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同HRT下植物對(duì)COD的凈化效果

圖1 不同HRT下各植物對(duì)COD的去除率Fig.1 The removal rate of COD among wetland plants under different HRT

如圖1所示，植物對(duì)COD有一定的凈化效果，一方面通過(guò)植物對(duì)有機(jī)物的吸收，積累在植物體內(nèi)，另一方面被微生物加以利用代謝除去。從整體看，隨著HRT的延長(zhǎng)，各植物和空白對(duì)照組對(duì)COD的去除率均有一定幅度的提高。HRT＜5 d時(shí)，植物對(duì)COD的去除率高于空白對(duì)照組，說(shuō)明大部分植物可吸收有機(jī)物，同時(shí)也促進(jìn)微生物對(duì)有機(jī)物的降解，但植物的平均去除率與空白對(duì)照組相差不大，在試驗(yàn)第5 d，僅相差4.62%，主要由于基質(zhì)也能夠過(guò)濾吸附有機(jī)物。HRT=5 d時(shí)，植物對(duì)COD的去除率達(dá)到最高，除蘆葦、地榆外，其余均高于空白對(duì)照，其中，香蒲的去除率排首位，為68.27%。植物對(duì)COD去除率大小排序依次為:香蒲＞菖蒲＞水莎草＞水蔥＞慈姑＞小葉章＞澤瀉＞地榆＞蘆葦。當(dāng)HRT＞6 d，植物對(duì)COD的去除率呈緩慢下降的趨勢(shì)，甚至部分植物的去除率低于空白對(duì)照組，原因在于試驗(yàn)第6 d后，開(kāi)始出現(xiàn)大量的藻類，對(duì)植物的去除能力有抑制的作用，導(dǎo)致植物的凈化能力下降。試驗(yàn)結(jié)果表明，HRT=5 d，對(duì)COD而言是最佳水力停留時(shí)間。

3.2 不同HRT下植物對(duì)TN的凈化效果

圖2 不同HRT下各植物對(duì)TN的去除率Fig.2 The removal rate of TN among wetland plants under different HRT

由圖2可看出，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，植物對(duì)TN的去除率上升迅速，HRT=5 d時(shí)，凈化效果最好，其中香蒲、慈姑和菖蒲的去除率均達(dá)到較高水平，分別為98.3%、96.5%和95.23%，高于空白對(duì)照組20%左右。植物對(duì)TN去除率大小排序依次為:香蒲＞慈姑＞菖蒲＞小葉章＞水莎草＞水蔥＞澤瀉＞地榆＞蘆葦。當(dāng)HRT＞5 d時(shí)，植物對(duì)TN的去除率不再上升，趨于平穩(wěn)，維持在80%左右，對(duì)照組則呈下降趨勢(shì)，由于植物對(duì)TN的吸收達(dá)到飽和，而對(duì)照組基質(zhì)的吸附能力有限，且微生物硝化和反硝化能力下降造成的。脫氮的主要途徑有氨揮發(fā)、微生物硝化和反硝化、植物的吸收、基質(zhì)的吸附［8］。除了地榆、蘆葦，其余植物的去除率明顯高于對(duì)照組，兩者的差值范圍在19%～33%，在HRT=9 d時(shí)，差距最明顯，植物的平均去除率與對(duì)照組的去除率相差32.62%。說(shuō)明對(duì)TN的去除機(jī)理主要依靠硝化和反硝化途徑及植物的吸收，基質(zhì)的吸附僅占較小的比例，植物自身的直接攝取和對(duì)微生物的輔助作用共同增強(qiáng)了脫氮效果。

3.3 不同HRT下植物對(duì)TP的凈化效果

圖3 不同HRT下各植物TP的去除率Fig.3 The removal rate of TP among wetland plants under different HRT

如圖3可知，各植物對(duì)TP的去除率，整體呈先升后降的趨勢(shì)，第7 d達(dá)到最高點(diǎn)。試驗(yàn)初期，TP的濃度變化不大，平均去除率只有9%左右。隨著HRT的延長(zhǎng)，植物和空白對(duì)照組對(duì)TP的去除率均有大幅度的升高。HRT=7 d時(shí)，香蒲對(duì)TP的去除率增加的幅度最大，由HRT=1 d時(shí)的9.76%增加到86.23%，空白對(duì)照組的去除率也由8.27%提高到65.66%，各植物的去除率大小排序依次為:香蒲＞小葉章＞慈姑＞水蔥＞菖蒲＞水莎草＞澤瀉＞地榆＞蘆葦，但當(dāng)HRT＞7 d時(shí)，植物和空白對(duì)照組對(duì)TP的去除率均下降。人工濕地除P的途徑由基質(zhì)的吸附過(guò)濾、植物的攝取吸收以及微生物的分解代謝這三種共同作用完成。本試驗(yàn)的基質(zhì)選擇碎石，空白對(duì)照組與植物組無(wú)顯著差異，說(shuō)明碎石基質(zhì)對(duì)P也有較好的去除能力，于軍亭等也得出相似的結(jié)論［9］。但植物的去除率仍高于空白對(duì)照組，說(shuō)明濕地植物除了直接吸收P外，還可強(qiáng)化基質(zhì)對(duì)P的滯留和促進(jìn)微生物對(duì)P的吸收，從而提高TP的去除率。而基質(zhì)對(duì)P的吸附能力有限，當(dāng)基質(zhì)吸附飽和時(shí)，對(duì)P的去除能力下降，因此空白對(duì)照組在第7 d后去除率降低了19.13%，而植物對(duì)TP的去除率下降幅度則較小。從去除率的曲線趨勢(shì)分析，確定出對(duì)TP最佳的水力停留時(shí)間為5 d。

4 結(jié)論

不同濕地植物對(duì)污染物的去除能力是不同的，且隨著HRT的延長(zhǎng)，呈現(xiàn)先迅速上升后緩慢下降或趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。適宜的HRT可增加植物對(duì)污水的凈化能力，高于或者低于此臨界值，都會(huì)降低植物的凈化效果。本試驗(yàn)綜合評(píng)定，HRT=5 d確定為本試驗(yàn)最佳水力停留時(shí)間。

研究結(jié)果表明，除了蘆葦和地榆在試驗(yàn)中的生長(zhǎng)狀況欠佳，導(dǎo)致去除能力較低外，其余植物能有效的吸收生活污水中的N、P，HRT=5d時(shí)，植物對(duì)TP和TN的去除率基本都達(dá)到70%以上。而植物對(duì)COD的去除率相對(duì)較低，對(duì)COD的去除率范圍僅在60%～70%之間。

所選擇的9種濕地植物中，香蒲、菖蒲、水蔥、慈姑的適應(yīng)能力強(qiáng)，生長(zhǎng)旺盛，對(duì)生活污水的綜合凈化效果佳，景觀價(jià)值高，可以成為哈爾濱市人工濕地的首選植物。地榆和蘆葦?shù)倪m應(yīng)性差，生長(zhǎng)狀況不佳，對(duì)污水的綜合凈化效果差，不是理想的人工濕地植物。其他濕地植物有一定的去污能力，可根據(jù)景觀搭配的需要適當(dāng)進(jìn)行配置。

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