謝玉斌，權(quán) 全，鄒 昊，吳 雙，王 浩

(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；2.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710199)

人工濕地是根據(jù)水生植物自身凈化水質(zhì)的原理建成的人工污水處理生態(tài)系統(tǒng)[1]，具有凈化效果好、運(yùn)行費(fèi)用低、操作難度小和易維護(hù)等特點(diǎn)[2]，主要由水、基質(zhì)、植物、水生動(dòng)物及其微生物群落構(gòu)成。利用人工濕地來凈化水質(zhì)的機(jī)理比較復(fù)雜，研究發(fā)現(xiàn)水生植物不僅能吸收凈化污水中的氮、磷等污染物，還能提高整個(gè)濕地生態(tài)系統(tǒng)微生物的數(shù)量，調(diào)整其內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成類型，進(jìn)而強(qiáng)化其凈水能力[3]。而挺水植物作為構(gòu)建人工濕地的主要植物，不但具有吸收同化、攔截過濾污染物的作用[4]，而且生命周期比沉水植物、浮水植物長(zhǎng)，能儲(chǔ)存的氮、磷含量比較穩(wěn)定，易通過定期收割植物來去除氮、磷[5]。因此，選擇適當(dāng)?shù)耐λ参锸菢?gòu)建人工濕地和恢復(fù)重建自然濕地的關(guān)鍵措施[6]。

本研究收集了我國(guó)近20年來發(fā)表的有關(guān)挺水植物凈化水質(zhì)的相關(guān)資料，通過應(yīng)用Meta分析的原理，按不同水質(zhì)指標(biāo)、入流污染物濃度分類研究挺水植物對(duì)水體中的氮(TN)、磷(TP)和化學(xué)需氧量(COD)的去除率和穩(wěn)定性，以篩選出凈水效果較好的挺水植物，從而為應(yīng)用挺水植物自身來凈化水質(zhì)的技術(shù)提供一定的參考。

1 研究方法

1.1 Meta分析

Meta分析又稱“整合分析”或“匯總分析”，可以對(duì)已確定研究目標(biāo)的多項(xiàng)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以整理、匯總，從而進(jìn)行定量分析，找尋出該目標(biāo)存在的特定規(guī)律，曾被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和心理學(xué)領(lǐng)域，近些年來被引入到生態(tài)、環(huán)境學(xué)領(lǐng)域。

其主要步驟有：①根據(jù)研究目標(biāo)制定選擇文獻(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)，廣泛收集文獻(xiàn)；②根據(jù)數(shù)據(jù)需求標(biāo)準(zhǔn)完成對(duì)所選文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的篩選；③根據(jù)研究對(duì)象的特征，選取相應(yīng)模型并確定效應(yīng)值的計(jì)算公式；④對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行異質(zhì)性檢驗(yàn)，采用相符的模型并計(jì)算綜合效應(yīng)值，確定置信區(qū)間，完成最終評(píng)價(jià)。

目前Meta分析在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用比較多的效應(yīng)值是反應(yīng)比。本研究選擇類似于反應(yīng)比的去除率r作為效應(yīng)值來表征水生植物對(duì)總氮和總磷的凈化能力[7]，計(jì)算公式為

(1)

式中：c0為污水的入流濃度，mg/L；c1為污水的出流濃度，mg/L。

計(jì)算綜合效應(yīng)值的模型有固定效應(yīng)模型和隨機(jī)效應(yīng)模型兩種，通常是通過卡方檢驗(yàn)來判斷效應(yīng)值的異質(zhì)性，進(jìn)而決定采用何種模型[8-9]。

固定效應(yīng)模型綜合效應(yīng)值計(jì)算公式為

(2)

式中：ri為單項(xiàng)研究的效應(yīng)值；wi為每個(gè)研究的權(quán)重。 隨機(jī)效應(yīng)模型綜合效應(yīng)值計(jì)算公式為

(3)

采用Excel記錄采集到的數(shù)據(jù)，用MetaWin和SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析。

1.2 數(shù)據(jù)收集

研究選用“濕地植物”“挺水植物”“去污效率”和“凈化污水”等關(guān)鍵詞在中國(guó)知網(wǎng)、CNMI、THE WEBLE OF SCENCE幾種中英文文庫中進(jìn)行檢索，篩選出1990—2019年的42篇相關(guān)文獻(xiàn)(文末僅保留了主要的文獻(xiàn))[9-36]，這些文獻(xiàn)還要滿足以下條件：①所有數(shù)據(jù)資料結(jié)果都必須來源于去污試驗(yàn)；②數(shù)據(jù)資料中必須包括挺水植物的水質(zhì)指標(biāo)在入水和出水的濃度變化值或相應(yīng)的去除率；③每項(xiàng)試驗(yàn)研究數(shù)值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差(或標(biāo)準(zhǔn)誤差)均以具體數(shù)值或圖表形式給出；④每項(xiàng)試驗(yàn)都必須是獨(dú)立的，不能重復(fù)報(bào)道，對(duì)每個(gè)獨(dú)立研究中的處理只能使用1個(gè)測(cè)量值。

文獻(xiàn)篩選的主要內(nèi)容有水質(zhì)指標(biāo)、挺水植物種類、試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)地區(qū)、污水來源等。其中：挺水植物有香蒲、蘆葦、美人蕉、菖蒲、水蔥、千屈菜6種；試驗(yàn)時(shí)間為植物生長(zhǎng)階段；污水來源主要是生活污水，也有部分來自于工業(yè)污水；試驗(yàn)地區(qū)主要為我國(guó)華北、華南、西南等地區(qū)。

2 結(jié)果與討論

2.1 6種植物對(duì)不同水質(zhì)指標(biāo)的處理效果

按照不同的水質(zhì)指標(biāo)分別計(jì)算不同挺水植物的去除率效應(yīng)值，并對(duì)各效應(yīng)值進(jìn)行異質(zhì)性檢驗(yàn)。結(jié)果表明，6種水生植物對(duì)TN、TP、COD的去除率效應(yīng)值均具有同質(zhì)性(卡方檢驗(yàn)P>0.05)，所以采用固定效應(yīng)模型計(jì)算綜合效應(yīng)值，并計(jì)算得到95%置信區(qū)間。

分析不同挺水植物對(duì)TN的去除效果，結(jié)果見圖1。由圖1可知，初選的6種水生植物對(duì)TN的去除率綜合效應(yīng)值為61.20%～70.28%，其中：蘆葦對(duì)TN的去除率綜合效應(yīng)值最高，為70.28%；香蒲次之，去除率綜合效應(yīng)值為68.01%；而菖蒲和水蔥、千屈菜對(duì)TN的去除率綜合效應(yīng)值則較低。比較95%置信區(qū)間發(fā)現(xiàn)，蘆葦和香蒲對(duì)TN的去除效果穩(wěn)定性較好，其他挺水植物對(duì)TN的去除效果穩(wěn)定性較為一般。

圖1 6種水生植物對(duì)TN去除率

分析不同挺水植物對(duì)TP的去除效果，結(jié)果見圖2。由圖2可知，初選的6種水生植物對(duì)TP的去除率綜合效應(yīng)值為59.92%～78.45%，其中：美人蕉對(duì)TP的去除率綜合效應(yīng)值最高，為78.45%；蘆葦次之，為74.94%；水蔥、千屈菜、香蒲對(duì)TP的去除率綜合效應(yīng)值比較接近，均在67%以上；而菖蒲對(duì)TP的去除率綜合效應(yīng)值最低，僅為59.92%。比較95%置信區(qū)間發(fā)現(xiàn)，蘆葦對(duì)TP的去除效果穩(wěn)定性最好，美人蕉、香蒲次之，千屈菜的去除效果穩(wěn)定性最差。

圖2 6種水生植物對(duì)TP的去除率

分析不同挺水植物對(duì)COD的去除率效應(yīng)值，結(jié)果見圖3。由圖3可知，所選的6種水生植物對(duì)COD的去除率綜合效應(yīng)值為60.29%～71.56%,其中：美人蕉對(duì)COD的去除率綜合效應(yīng)值最高，為71.56%；其次是千屈菜，為71.26%；除水蔥外，香蒲、菖蒲、蘆葦對(duì)COD的去除率綜合效應(yīng)值均在67%以上。比較95%置信區(qū)間可知，蘆葦對(duì)COD的去除效果穩(wěn)定性最好，香蒲次之，菖蒲的去除效果穩(wěn)定性最差。

圖3 6種水生植物對(duì)COD的去除率

2.2 不同入流濃度條件下的處理效率

所選6種挺水植物對(duì)不同污染物的不同入流濃度的處理效果存在差異。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的V類水標(biāo)準(zhǔn)限值、《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 19818—2002)中最高容許排放濃度一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)和2倍于一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)的濃度，將人工濕地入流水質(zhì)污染程度按低濃度、中濃度、高濃度、超高濃度分為4個(gè)等級(jí)，分類標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 入流水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)

分別計(jì)算污染物在不同入流濃度條件下6種植物的綜合去除率效應(yīng)值，結(jié)果見圖4。

圖4 不同污染物入流濃度的處理效果

由圖4可知，6種挺水植物對(duì)污染物在不同入流濃度條件下的處理效果：對(duì)TN在低入流濃度條件下能取得較好的處理效果，其去除率最高但去除效果穩(wěn)定性最差，在中、高入流濃度條件下去除率稍低但去除效果穩(wěn)定性較好；對(duì)TP在高和超高入流濃度條件下能取得較好的處理效果，其中對(duì)超高入流濃度條件下去除效果穩(wěn)定性最好，對(duì)高入流濃度條件下雖然去除率最高但去除效果穩(wěn)定性最差；對(duì)COD在超高入流濃度條件下可以取得較好的處理效果，其去除率最高且去除穩(wěn)定性最好，在中入流濃度條件下的去除效果穩(wěn)定性較差。

3 結(jié)果與說明

運(yùn)用Meta分析對(duì)近20年來發(fā)表的有關(guān)凈水處理效率的文章進(jìn)行了比較研究，并按照不同挺水植物種類和污染物不同入流濃度兩個(gè)影響因素分析了挺水植物對(duì)TN、TP、COD的去除率及穩(wěn)定性。根據(jù)分析與討論，可以得出以下結(jié)論：

(1)蘆葦和香蒲對(duì)TN的去除率較高且去除效果穩(wěn)定性接近，美人蕉、蘆葦、香蒲對(duì)TP的去除率較高且穩(wěn)定性較好，蘆葦、香蒲對(duì)COD的去除率和穩(wěn)定性都較好。

(2)所選6種挺水植物，對(duì)TN在低入流濃度條件下可以取得較好的處理效果，對(duì)TP在高和超高入流濃度條件下可以取得較好的處理效果，對(duì)COD在超高入流濃度條件下可以取得較好的處理效果。

(3)經(jīng)分析篩選表明，蘆葦、香蒲、美人蕉是對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化效果較好的3種挺水植物。我們可以根據(jù)其不同的凈化能力和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，設(shè)計(jì)不同的植物組合來搭配使用，以更好地發(fā)揮挺水植物凈化水體、美化環(huán)境的功能。