張瑞斌

不同水生植物對污水處理廠尾水的生態(tài)凈化效果分析

張瑞斌1，2

1.江蘇龍騰工程設計有限公司，江蘇宜興214206 2.南京大學環(huán)境學院，江蘇南京210023

通過構建小型水生生態(tài)系統(tǒng)，研究了旱傘草、美人蕉、伊樂藻、金魚藻4種水生植物對太湖流域污水處理廠尾水中氮、磷等指標去除效能的差異。結果表明，4種水生植物對污水中的氮、磷等均有明顯的去除效果，其中，挺水植物旱傘草和沉水植物金魚藻的綜合凈化效能較強，綜合凈化能力從強到弱依次為金魚藻、旱傘草、伊樂藻、美人蕉。

水生植物；污水處理廠；尾水；生態(tài)凈化；效果

張瑞斌.不同水生植物對污水處理廠尾水的生態(tài)凈化效果分析［J］.環(huán)境工程技術學報，2015，5（6）：504-508.

ZHANG R B.Ecological purification efficiency of several aquatic plants on tailwater of sewage treatment plant［J］.Journal of Environmental Engineering Technology，2015，5（6）：504-508.

隨著水污染的加劇，高效低耗的水污染處理技術日益受到人們的重視，水生植物以其特有的組織和生態(tài)功能及易于人工操縱等原因而在凈化水體污染、防治富營養(yǎng)化方面發(fā)揮了重要作用［1-2］。利用水生植物凈化污水的工作國內外已有大量報道［2-5］，但以往的研究主要針對挺水植物或挺水條件下進行，對沉水植物或沉水條件下凈化污染物的研究較少，且多數(shù)研究主要集中于湖泊與河道水體，對污水處理廠尾水的研究報道不多［6-11］。筆者以太湖流域官林鎮(zhèn)污水處理廠尾水為對象，以在現(xiàn)場構建的小型水生生態(tài)系統(tǒng)為試驗平臺，研究了4種水生植物對氮、磷等水質指標的去除效能，以期為太湖流域生態(tài)處理技術優(yōu)化提供基礎，為污染防治與生態(tài)修復工程的實施提供技術支持。

1　研究方法

1.1試驗地點

試驗在太湖流域官林鎮(zhèn)污水處理廠尾水出水河道岸邊的實驗基地開展。官林鎮(zhèn)污水處理廠位于江蘇省宜興市官林鎮(zhèn)積梅河北側工業(yè)區(qū)，污水處理廠服務范圍包括宜興市官林鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)和官林鎮(zhèn)工業(yè)園共10.88 km2范圍內的企事業(yè)單位及居民區(qū)。污水處理廠設計規(guī)模為1×104m3/d，主要采用循環(huán)式活性污泥（cyclic activated sludge system，CASS）工藝。出水水質達到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，尾水經(jīng)300 m出水河道流入滆湖支流積梅河，該河按照地面水水域的功能類別劃分為Ⅳ類水體。

1.2試驗材料

試驗用植物從太湖流域及周邊地區(qū)分布的各類水生植物品種中選取，選取原則是適應性好、容易栽培、對氮磷富集效果好、美觀且具有經(jīng)濟價值［12］。通過前期篩選，共選擇挺水植物旱傘草、美人蕉和沉水植物伊樂藻、金魚藻等4種水生植物。這些植物均栽植于長、寬、高分別為1 m的有機玻璃器皿中，模擬出水河道構建小型水生生態(tài)系統(tǒng)。

水生植物固定在塑料篩里，進行挺水或沉水培養(yǎng)，挺水培養(yǎng)以竹竿三角架固定塑料篩于水面，沉水培養(yǎng)將塑料篩固定在離水桶底部約20 cm處。各種植物栽種時的平均株距為5 cm，以保持各單元的植物覆蓋度約為40%，且植物生物量大體相同［13-14］。

1.3采樣及分析方法

試驗時間是2015年4月，此時植物生長旺盛。試驗期間，每周采集水樣1次，共采集4次。分別用0、7、14和21 d表示“初始、第1周、第2周、第3周”。

檢測的水質指標及檢測方法：CODCr采用重鉻酸鉀消解法測定；TN濃度采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定；TP濃度采用鉬銻抗分光光度法測定；NO3-N濃度采用紫外分光光度法測定；NH3-N濃度采用納氏比色法進行測定［15］。每個指標重復測定3次，取平均值作為測試結果。

去除率=（水樣污染物初始值-水樣污染物終值）/水樣污染物初始值

2　結果與討論

2.1不同水生植物的理化指標變化

試驗水體的透明度、DO濃度初始值分別為53和3.6 mg/L。3周后，旱傘草、美人蕉、伊樂藻、金魚藻4種水生植物長勢均較好，稱重后對比得到生物量增長情況。生物量增長率、水體透明度和DO濃度如表1所示。

表1　試驗水體理化性質變化Table 1　The physical and chem ical properties of experimental waterbody

由表1可見，金魚藻生物量變化最大，已增至初始值的1.54倍。4種水生植物的水體透明度差異不大，這是因為懸浮物大多已沉降或吸附在植物表面上，4種水生植物水體透明度增加量基本相同。金魚藻水體的DO濃度最高，是因為金魚藻生物量最大，光合作用釋放的氧含量相應最高，而且金魚藻為沉水植物，光合作用產生的氧直接釋放到水中，而旱傘草、美人蕉光合作用產生的氧大多數(shù)通過莖葉傳送到外界環(huán)境中［11］。

2.2不同水生植物對CODCr的去除效能

圖1顯示試驗期間CODCr的變化。由圖1可見，各種水生植物對污水中CODCr去除效果比較明顯，這是由于水生植物對水體中有機物的吸收利用以及對水體懸浮物的吸附作用，有效地降低了水體有機物濃度［16］。4種水生植物前2周CODCr下降速度較快，而第3周多數(shù)水生植物CODCr不降反升，可能是這些水生植物的腐敗和分解釋放出有機物所致。伊樂藻處理系統(tǒng)中CODCr上升較多，是因為上層伊樂藻對中下層的遮擋，使水體照度降低，進而對植物光合作用產生影響，光照不足，導致葉綠素濃度降低，致使細胞活性下降，植物腐敗導致CODCr上升［17］。因而可采取定期收割植株的方式來減少通過植物活體或死亡腐爛釋放到水體中的有機物［18］。從CODCr平均去除率來看，旱傘草最高，為40.26%；金魚藻次之，為37.80%；雖然伊樂藻CODCr的最高去除率為46.25%，但由于其自身腐敗和分解釋放出有機物，最終去除率為23.40%；美人蕉CODCr下降速度最慢，去除率僅為20.84%。綜上，幾種植物去除CODCr的效能由大到小依次為旱傘草、金魚藻、伊樂藻、美人蕉，而短期（2周內）伊樂藻的CODCr去除率最高。

圖1　試驗期間CODCr變化Fig.1　The concentration changes of CODCrduring trial time

2.3不同水生植物對氮的去除效能

2.3.1對NH3-N的去除

圖2顯示各水生植物處理試驗中NH3-N濃度的變化。由于試驗初始水樣中NH3-N濃度較小，NH3-N負荷較低，所以第1周植物去除NH3-N的效果不明顯，而在持續(xù)處理一段時間后，4種水生植物水體的NH3-N濃度均明顯下降。在污水處理中，NH3-N主要通過微生物硝化、生物同化吸收去除，而各去除機制的效率都直接或間接地受浮游藻類的影響［19］。在各水生植物生物量大體相同的情況下，旱傘草、美人蕉、伊樂藻、金魚藻對NH3-N的去除率分別為 46.25%、34.58%、50.83%、57.50%。綜上，污水NH3-N負荷和植物群落共同影響NH3-N的去除，4種水生植物凈化NH3-N的效能由大到小依次為金魚藻、伊樂藻、旱傘草、美人蕉。

圖2　試驗期間NH3-N濃度變化Fig.2　The concentration changes of NH3-N during trial time

2.3.2對NO3-N的去除

圖3顯示試驗期間NO3-N濃度變化。由圖3可見，各水生植物處理試驗中NO3-N濃度變化主要出現(xiàn)在第1周，雖然第1周后仍有處理效果，但不十分明顯?？傮w上4種水生植物對NO3-N的去除效果明顯。沉水植物伊樂藻、金魚藻凈化效果稍微強于挺水植物旱傘草、美人蕉，這與沉水植物與污水接觸面積比挺水植物大有關，說明接觸面積對植物吸收去除NO3-N具有重要作用［20-21］。而在幾種植物中，伊樂藻對NO3-N的凈化效果最好，去除率為90.91%，金魚藻次之，為 88.18%，旱傘草為83.64%，美人蕉最低，去除率為79.10%，因此對NO3-N去除的效能由大到小依次為伊樂藻、金魚藻、旱傘草、美人蕉。

圖3　試驗期間NO3-N濃度變化Fig.3　The concentration changes of NO3-N during trial time

2.3.3對TN的去除

圖4顯示試驗期間TN濃度變化。從圖4可以看出，試驗期間TN濃度變化主要在第1周，第2周后呈緩慢下降趨勢或幾乎沒有效果。這說明初始TN中有一部分位于懸浮固體中，第1周TN濃度急劇降低主要原因是污水中懸浮固體的下沉與生物降解。在生態(tài)系統(tǒng)中，TN不僅來源于原水中的有機物，系統(tǒng)內部大量生長的微生物及其釋放產物也是重要來源［22］。植物依靠根系的截濾作用能去除大部分懸浮有機物，從而去除水中的氮素，同時藻類的自沉降作用促進TN濃度進一步緩慢減?。?3］。由于懸浮固體的存在，以第1周的TN濃度作為初始濃度進行TN去除率計算，幾種植物凈化TN的效能由大到小依次為美人蕉 （38.36%）、旱傘草（30.39%）、金魚藻（8.75%），伊樂藻的TN去除率為負值，說明伊樂藻本身腐爛釋放到水體中的TN多于吸收的TN。可見，挺水植物對TN的平均去除率要高于沉水植物。

圖4　試驗期間TN濃度變化Fig.4　The concentration changes of TN during trial time

2.4不同水生植物對TP的去除效能

一般認為，TP主要通過化學沉淀、藻類細菌的合成代謝、水生植物的吸收去除，有研究發(fā)現(xiàn)，微生物同化作用對TP的去除率為50%～60%，植物吸收為1%～3%，其余為物理作用、化學吸附和沉淀作用［24-25］。在該試驗中，盡管植物對TP去除的直接貢獻不大，但是植物表面附著的微生物對磷的同化作用間接來自植物的貢獻［26］。從圖5可知，試驗期間TP濃度變化趨勢與TN基本相同，說明TP濃度的變化也與污水中懸浮固體的下沉有關。與TN的計算方法相同，以第1周的TP濃度作為初始濃度計算TP去除率，則金魚藻對TP的凈化效果最好，去除率為59.38%；伊樂藻次之，為54.17%；旱傘草為31.25%；美人蕉為12.07%。

圖5　試驗期間TP濃度變化Fig.5　The concentration changes of TP during trial time

2.5水生植物綜合凈化效能

采用模糊綜合評價法，得到與主要水質指標CODCr、NH3-N、NO3-N、TN、TP去除率對應的權重系數(shù)如表2所示［8，13］。根據(jù)權重系數(shù)對各指標去除率進行加權后得到各水生植物綜合凈化指數(shù)，結果見表3。

表2　各水質指標去除率權重系數(shù)Table 2　The weight coefficient ofwater quality indicators

表3　綜合凈化指數(shù)計算結果Table 3　The results of comprehensive purification index

由表3可知，4種水生植物對污水的綜合凈化效能從強到弱依次為金魚藻、旱傘草、伊樂藻、美人蕉。

3　結論

（1）4種水生植物對污水的綜合凈化指數(shù)為32.95～47.90，凈化能力均較強，其中挺水植物旱傘草和沉水植物金魚藻的綜合凈化效能較強，綜合凈化能力從強到弱依次為金魚藻、旱傘草、伊樂藻、美人蕉。

（2）4種水生植物中，雖然金魚藻的綜合凈化能力最高，但其對TN的去除率卻不足10%。而旱傘草對污水中CODCr、NH3-N、NO3-N、TN和TP的去除率分別為 40.26%、46.25%、83.64%、30.39%、31.25%。

（3）金魚藻對NH3-N和TP的凈化效果最好，旱傘草對CODCr的凈化效果最好，伊樂藻對NO3-N的凈化效果最好，美人蕉對TN的凈化效果最好。去除污水中特定污染因子可選擇特定的水生植物，4種水生植物各有優(yōu)點，合理配置去除效果更佳。

綜上所述，對污水廠尾水以及河道污水進行凈化處理時，不應局限于傳統(tǒng)的理化方法和工程手段，應用生態(tài)學方法特別是利用水生植物，通過合理選用和配置更能達到綜合防治的目的。

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聲明

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《環(huán)境工程技術學報》編輯部

Ecological Purification Efficiency of Several Aquatic Plants on TailW ater of Sewage Treatm ent Plant

ZHANG Rui-bin1，2
1.Jiangsu Long-leaping Engineering Design Co.，Ltd.，Yixing 214206，China 2.School of Environment，Nanjing University，Nanjing 210023，China

Based on building the small aquatic ecosystem，the removal efficiency of nitrogen and phosphorus in sewage treatment plant tail water of Taihu Lake Basin by Cyperus alternifolius，Canna indica，Elodea Canadensis Michx.and Ceratophyllum demersum L.was studied.The results showed that these four plants had good removal efficiency for nitrogen and phosphorus in wastewater.The comprehensive purification ability of emerged plants Cyperus alternifolius and submerged plants Ceratophyllum demersum L.was higher than thatof the others.The order of comprehensive purification ability from strong to weak was Ceratophyllum demersum L.，Cyperus alternifolius，Elodea Canadensis Michx.，Canna indica.

aquatic plants；sewage treatment plant；tailwater；ecological purification；efficiency

X522

1674-991X（2015）06-0504-05doi：10.3969/j.issn.1674-991X.2015.06.079

2015-07-14

江蘇省自然科學青年基金項目（BK20140603）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助（20620140486）；太湖西岸（宜興地區(qū)）水環(huán)境綜合治理規(guī)劃研究（太湖流域水環(huán)境綜合治理專項）

張瑞斌（1985—），男，工程師，博士，主要從事水處理工程設計及水體污染治理方面的研究，zhangrb88@126.com