人工濕地植物對(duì)污水脫氮除磷的貢獻(xiàn)

人工濕地植物對(duì)污水脫氮除磷的貢獻(xiàn)

濕地建設(shè)是自然濕地的發(fā)展產(chǎn)物，是由特定的基質(zhì)（土壤、沙子、礫石等）組成的復(fù)雜獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)組成的。特定植物（具有良好的去污性、高成活率、高耐水性、生長(zhǎng)長(zhǎng)、美觀、經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水生或濕植物）是復(fù)雜而獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)。濕地的傳統(tǒng)形狀是由濕地通過(guò)科學(xué)的設(shè)計(jì)和改造，在自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物作用中進(jìn)行水處理。氮、磷通常以多種形態(tài)存在于污水中,會(huì)引起水體的富營(yíng)養(yǎng)化,以至于降低水體水質(zhì)和影響水體功能,所以長(zhǎng)期以來(lái)污水脫氮除磷一直是人工濕地處理系統(tǒng)的一項(xiàng)重要任務(wù).濕地植物是人工濕地處理系統(tǒng)中不可缺少的一部分,它不但直接吸收利用污水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),而且還能輸送氧氣到根區(qū),滿足根區(qū)微生物對(duì)氧的需求,同時(shí)也能維持和加強(qiáng)人工濕地系統(tǒng)內(nèi)的水力傳導(dǎo).關(guān)于植物吸收在人工濕地脫氮除磷中的貢獻(xiàn),研究者們的報(bào)道很不統(tǒng)一.BRIX和HABERL等認(rèn)為在人工濕地處理污水的整個(gè)過(guò)程中,植物的吸收并不重要.GELLER對(duì)運(yùn)行4年的蘆葦人工濕地的物質(zhì)衡算結(jié)果表明,濕地植物的TN和TP吸收量分別占人工濕地TN和TP去除量的4%和2%.尹煒等研究發(fā)現(xiàn),蘆葦?shù)腡N和TP吸收量分別占濕地年TN和TP去除量的8%和10%.靖元孝等認(rèn)為,人工濕地栽培的水翁(Cleistocalyxoperculatu)對(duì)TN和TP的吸收量分別占濕地年TN和TP去除量的16.4%和12.6%.而B(niǎo)REEN則認(rèn)為,濕地植物(Typhasp.)對(duì)氮的吸收量占濕地氮去除量的50%.ROGERS等認(rèn)為,濕地植物(Scirpusvalidus)直接吸收的氮達(dá)到濕地氮去除量的90%.造成以上研究結(jié)果有差異的主要原因是研究條件的不同,而污水性質(zhì)、進(jìn)水負(fù)荷、濕地基質(zhì)、氣候條件、植物種類(lèi)及其生長(zhǎng)特性等都對(duì)植物的氮、磷吸收有著重要的影響.為此,筆者通過(guò)構(gòu)建人工濕地,研究相似環(huán)境條件下人工濕地系統(tǒng)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化處理效果及不同濕地植物的氮、磷吸收能力,并測(cè)算其在人工濕地脫氮除磷中的貢獻(xiàn),以期為人工濕地植物的選擇和合理利用提供科學(xué)依據(jù).1材料和方法1.1充填材料人工濕地位于無(wú)錫市東五里湖湖岸(東經(jīng)120°15′,北緯31°30′),2004年4月開(kāi)始建造,6月底建成.該區(qū)屬北亞熱帶南部向中亞熱帶北部過(guò)渡的季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,無(wú)霜期長(zhǎng),熱量充裕,降水豐沛,年均氣溫15.6℃,7月最高(平均31.5℃),1月最低(平均-0.83℃);年均降水量1112.3mm.共設(shè)6個(gè)(1～6號(hào))平行的人工濕地處理單元,每個(gè)單元長(zhǎng)20m,寬1.5m,深0.8m.處理單元兩兩之間用1m寬的土埂隔開(kāi),單元底部及土埂先用黏土夯實(shí),后鋪0.5cm防水布防止?jié)B漏.每個(gè)處理單元分3層,依次填充基質(zhì),其中下層填充粒徑為25～35mm礫石,厚度為0.25m;中層填充粒徑為16～25mm礫石,厚度為0.25m;上層填充粒徑為5～10mm礫石,厚度為0.30m.各處理單元均設(shè)有布水區(qū)和集水區(qū),集水區(qū)底部安裝多孔集水管并與外部一個(gè)出水高度可調(diào)的豎管相連接.2004年6月底人工濕地基建完工后,按8株(叢)/m2的密度將香蒲(Typhalatifolia)、蘆葦(Phragmitescommunis)、茭白(Zizaniacaduciflora)分別定植在1～3號(hào)處理單元中;水蔥(Scirpusvalidus.)和千屈菜(Lythrumsalicaria)定植在4號(hào)處理單元中(按進(jìn)水方向水蔥栽前1/2單元,千屈菜栽后1/2單元);鳶尾(Irispseudacorus)和菖蒲(Acoruscalamus)定植在5號(hào)處理單元中(鳶尾栽前1/2單元,菖蒲栽后1/2單元);6號(hào)為空白,不栽植物.濕地植物栽植后經(jīng)過(guò)1個(gè)月的適應(yīng)期,于2004年8月開(kāi)始試驗(yàn),2005年7月結(jié)束,歷時(shí)12個(gè)月.五里湖富營(yíng)養(yǎng)化水經(jīng)潛水泵(水面下40cm處)抽提后通過(guò)PVC管流入各處理單元,人工調(diào)節(jié)各控制閥門(mén),使受污染水體平均以0.8m3/h的流速連續(xù)均勻流入各處理單元,水力負(fù)荷為0.64m/d.1.2水質(zhì)分析測(cè)定方法從2004年8月—2005年7月約每15d取樣1次,水樣采集后30min內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室用Skalar連續(xù)流動(dòng)分析儀(荷蘭)測(cè)定ρ(TN),ρ(NH4+-N),ρ(NO3--N),ρ(NO2--N)和ρ(TP).以上所有測(cè)定方法均按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》嚴(yán)格進(jìn)行.1.3濕地生物量的測(cè)定2005年3月底至7月約每7d測(cè)量1次濕地植物的株高.2004年11月生長(zhǎng)季末收獲上述各處理單元濕地植物的地上部分,2005年8月通過(guò)樣方法對(duì)各處理單元濕地植物進(jìn)行全株收獲,每種濕地植物在各自所生長(zhǎng)處理單元中隨機(jī)選擇3個(gè)樣方,每個(gè)樣方面積為0.25m2.濕地植物的地下部(根莖、根系)先用自來(lái)水沖洗,再用蒸餾水沖洗以除去附著其上的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì).所有濕地植物分地下部和地上部分別取樣.所有樣品在70℃下烘干至恒重,計(jì)算生物量;然后粉碎,過(guò)100目(0.15mm)篩,用凱氏定氮法測(cè)w(TN),用鉬藍(lán)比色法測(cè)w(TP).1.4統(tǒng)計(jì)分析方法用SPSS軟件包(SPSS10.0forWindows,Chicago,USA)對(duì)觀察數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,求出方差、平均值及標(biāo)準(zhǔn)誤差,并對(duì)同一測(cè)定項(xiàng)目在不同植物種間的差異進(jìn)行方差分析比較.用SigmaPlot9.0(SPSS,Inc.USA)繪制圖形.2結(jié)果與分析2.1人工濕地植物生長(zhǎng)特性2004年6月底采自人工濕地試驗(yàn)地點(diǎn)附近自然水域岸邊的香蒲、蘆葦和茭白以及從上海某花卉公司購(gòu)買(mǎi)并預(yù)先在試驗(yàn)地點(diǎn)附近自然水域水培養(yǎng)護(hù)的水蔥、千屈菜、鳶尾和菖蒲被成功移栽到各處理單元.由于香蒲、蘆葦、茭白和水蔥移栽時(shí)高度在1m以上且水蔥自然彎折比較嚴(yán)重,為減少蒸騰和提高成活率,上述4種濕地植物移栽后在距地面40cm處人工修剪,千屈菜、鳶尾和菖蒲保持原來(lái)自然高度(約40cm).觀察發(fā)現(xiàn),香蒲適應(yīng)人工濕地環(huán)境的能力較強(qiáng),至2004年11月其植株生長(zhǎng)高度達(dá)150cm,其余植物雖然成活率都很高,但增高生長(zhǎng)情況一般.7種濕地植物于2005年3月底開(kāi)始萌芽和分蘗生長(zhǎng).圖1為2005年3月底(濕地植物萌芽)至7月(試驗(yàn)結(jié)束)各濕地植物的生長(zhǎng)趨勢(shì).由圖1可見(jiàn),在4—5月7種濕地植物的株高增長(zhǎng)都比較快,隨后其生長(zhǎng)趨于緩慢并各自穩(wěn)定在某一高度.整個(gè)觀測(cè)期間濕地植物的日平均生長(zhǎng)速率依次為蘆葦(2.49cm/d)>香蒲(2.23cm/d)>水蔥(2.20cm/d)>千屈菜(2.08cm/d)>茭白(1.62cm/d)>鳶尾(1.49cm/d)>菖蒲(0.89cm/d).試驗(yàn)結(jié)束時(shí)各植物的最大株高:香蒲為223.4cm,蘆葦為248.5cm,茭白為161.7cm,水蔥為220.0cm,千屈菜為207.5cm,鳶尾為148.7cm,菖蒲為71.3cm.與旱地栽培的鳶尾相比,人工濕地栽培的鳶尾生長(zhǎng)非常繁茂,其高度是旱地栽培植株高度(40～50cm)的3倍.但菖蒲自6月開(kāi)花之后,大部分植株葉尖干枯,并出現(xiàn)衰敗跡象.2.2濕地植物生物量的比較7種濕地植物的生物量差異極顯著(P<0.01),平均生物量(以干質(zhì)量計(jì))為0.26～6.65kg/m2(見(jiàn)圖2),其中菖蒲的生物量最低,香蒲的生物量最高.香蒲、蘆葦、茭白、鳶尾、水蔥的地上部和地下部的生物量也有明顯的差異,蘆葦?shù)牡厣喜可锪孔畲笾?3.19kg/m2)約為菖蒲生物量(0.14kg/m2)的22.79倍.不同濕地植物的根/冠(即地下部和地上部生物量的比值)也不盡相同,香蒲根/冠比最大,達(dá)2.11,蘆葦根/冠比最小,僅為0.34.2.3不同時(shí)距tn、tp的去除效果比較運(yùn)行1年的人工濕地各處理單元水質(zhì)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1.由表1可以看出,污水流經(jīng)各處理單元后其污染物含量均有所降低,且有濕地植物的處理單元對(duì)TN和TP的去除效果顯著高于無(wú)濕地植物處理單元,但不同濕地植物處理單元間對(duì)TN和TP的去除效果雖有變化但差異不顯著.2.4濕地植物對(duì)氮、磷的吸收作用不同濕地植物地上部組織中w(TN)差異極顯著(P<0.01),w(TN)為13.27～24.73mg/g,鳶尾葉片w(TN)最高,香蒲最低;地下部組織中w(TN)差異也極顯著(P<0.01),其w(TN)為11.65～25.26mg/g,菖蒲地下部w(TN)最高,香蒲最低(見(jiàn)圖3).不同濕地植物地上部和地下部組織中w(TN)也有差異,除菖蒲和水蔥地上部組織中w(TN)與地下部組織中w(TN)的比值小于1外,其余濕地植物該比值都大于1,說(shuō)明香蒲、蘆葦、茭白、千屈菜和鳶尾吸收的氮向地上部遷移和積累得較多.在人工濕地系統(tǒng)中,濕地植物對(duì)氮、磷直接吸收所起的貢獻(xiàn)一般用濕地植物對(duì)TN和TP的吸收量占濕地TN和TP去除量的比例來(lái)表示,即MP/∑(Cin-Cout)Qt.式中,MP為濕地植物對(duì)TN和TP的吸收量;Cin和Cout分別為濕地進(jìn)、出水ρ(TN)或ρ(TP);Q為進(jìn)水流量;t為在該流量下的運(yùn)行時(shí)間.各濕地植物對(duì)TN和TP的吸收量以及其在各自的人工濕地處理單元TN和TP去除量中的比例見(jiàn)表2.由表2可以看出,濕地植物對(duì)TN的吸收量為6.1～94.0g/(m2·a),其中蘆葦最高,其次為香蒲,菖蒲最低.濕地植物對(duì)TN的吸收量在人工濕地TN去除量中的比例為0.6%～17.3%,蘆葦最高,菖蒲最低.由于濕地植物在對(duì)TN的吸收量中有相當(dāng)一部分氮是儲(chǔ)存在濕地植物的地下部,通過(guò)收獲植物地上部的TN去除量?jī)H占人工濕地TN去除量的0.3%～14.1%,其中蘆葦最高,菖蒲最低.2.5人工濕地對(duì)磷的去除不同濕地植物地上部組織中w(TP)差異極顯著(P<0.01),w(TP)為1.43～2.45mg/g,鳶尾地上部組織w(TP)最高,蘆葦最低;地下部組織中w(TP)差異也極顯著(P<0.01),其w(TP)為1.02～2.65mg/g,千屈菜地下部組織w(TP)最高,蘆葦最低(見(jiàn)圖4).除千屈菜地下部組織w(TP)顯著大于地上部外,其余植物的w(TP)都是地上部高于地下部,但差異不顯著(P>0.05).濕地植物對(duì)TP的吸收量為0.5～9.0g/(m2·a),香蒲TP吸收量最高,菖蒲最低.濕地植物對(duì)TP的吸收量占人工濕地TP去除量的比例為1.3%～41.2%,香蒲最高,菖蒲最低(見(jiàn)表2).同TN的去除情況類(lèi)似,由于濕地植物在對(duì)TP的吸收量中也有相當(dāng)一部分磷是儲(chǔ)存在濕地植物的地下部,通過(guò)收獲濕地植物地上部的TP去除量?jī)H占人工濕地TP去除量的0.8%～19.6%,其中蘆葦最高,菖蒲最低.3人工濕地植物生長(zhǎng)特性濕地植物是人工濕地系統(tǒng)的重要組成部分,它直接或者間接地影響人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水的凈化效果,因此在人工濕地污水處理工程中扮演著重要角色.COOPER研究發(fā)現(xiàn),種植水燭(Typhaangustifolia)和燈心草(Juncuseffuses)的人工濕地基質(zhì)中氮、磷含量分別比無(wú)濕地植物的對(duì)照基質(zhì)中的低18%～28%和20%～31%,可見(jiàn)水燭和燈心草吸收利用了污水中部分的氮和磷物質(zhì).在海涂,蘆葦床濕地系統(tǒng)是削減進(jìn)入海洋過(guò)量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的強(qiáng)有力手段之一.袁東海等通過(guò)對(duì)照試驗(yàn)研究了潛流人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水氮的凈化效果,發(fā)現(xiàn)石菖蒲(Acorusgramineus)、燈心草和蝴蝶花(Irisjaponica)3個(gè)有濕地植物系統(tǒng)的TN平均去除率為77.7%,71.2%和66.4%,而無(wú)濕地植物系統(tǒng)的去除率僅為55.8%.吳振斌等采用復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)研究對(duì)污水磷的凈化效果,發(fā)現(xiàn)有濕地植物的人工濕地系統(tǒng)TP去除率為59%～65%,而無(wú)濕地植物系統(tǒng)的TP去除率僅為28%.由此可見(jiàn),濕地植物存在與否對(duì)人工濕地系統(tǒng)氮、磷去除具有很大的影響,有濕地植物的人工濕地系統(tǒng)去除率要明顯好于無(wú)濕地植物系統(tǒng),而且濕地植物的生長(zhǎng)狀況也直接影響到系統(tǒng)的去除效果,濕地植物的良好長(zhǎng)勢(shì)是對(duì)氮、磷去除的重要保證.試驗(yàn)期間,濕地植物2005年的日平均生長(zhǎng)速率相對(duì)較高,蘆葦、香蒲、水蔥和千屈菜的日平均生長(zhǎng)速率都在2cm以上,正是濕地植物的良好生長(zhǎng)狀態(tài),保證了人工濕地較好的處理效果,有濕地植物的處理單元對(duì)TN和TP的去除率分別為48.5%～59.1%和54.6%～62.8%,而無(wú)濕地植物的處理單元的去除率僅為39.9%和44.3%.有濕地植物的處理單元對(duì)TN和TP的處理效果顯著優(yōu)于無(wú)濕地植物的處理單元,這與袁東海等的研究結(jié)果相似.徐德福等研究認(rèn)為,濕地植物氮、磷吸收量與其生物量呈極顯著正相關(guān).研究發(fā)現(xiàn),不同濕地植物的生物量大小差異極顯著,平均生物量(以干質(zhì)量計(jì))為0.26～6.65kg/m2,生物量的巨大差異主要緣于物種種間的差異.除香蒲和水蔥的地下部生物量顯著大于地上部外,其余植物都是地上部生物量大于地下部.從人工濕地氮、磷去除機(jī)理的角度分析,地下部生物量越大,越利于微生物的附著,越有利于提高人工濕地的處理效果,但從濕地植物收獲的可操作性分析,地上部生物量在總生物量中的比例越高,越有利于濕地生態(tài)工程中通過(guò)收獲植物地上部生物量來(lái)達(dá)到去除氮、磷污染目的.研究發(fā)現(xiàn),蘆葦、香蒲、水蔥和千屈菜的生物量較大,吸收的TN也較多,而菖蒲和鳶尾盡管植株組織w(TN)較高,但由于其生物量相對(duì)較低,故吸收的TN較少.與此相似,濕地植物對(duì)TP的吸收量為0.5～9.0g/(m2·a),香蒲對(duì)TP的吸收量最高,菖蒲最低.濕地植物對(duì)TP吸收的巨大差異,除與濕地植物自身組織w(磷)和生物量有關(guān)外,還可能與濕地植物根表鐵氧化膠膜形成有關(guān).有報(bào)道認(rèn)為,根表鐵氧化膠膜的形成影響了水稻對(duì)磷的吸收.濕地植物與水稻有相似的生活習(xí)性,根表鐵氧化膠膜對(duì)人工濕地植物磷吸收的影響及程度大小還有待進(jìn)一步研究.濕地植物是通過(guò)自身的生長(zhǎng)代謝來(lái)吸收水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的,正常情況下植物組織中w(氮)為0.3%～1%,w(磷)為0～0.3%.有研究表明,濕地植物對(duì)氮的吸收量為0.03～0.30g/(m2·d),且在衰老和死亡期植物沒(méi)有除氮效果,通過(guò)收獲植物對(duì)污水中氮的去除率小于20%;植物能夠通過(guò)根系吸收可溶性無(wú)機(jī)磷,大型濕地植物的磷吸收量為1.8～18.0g/(m2·a),大部分(41種)沼生植物的干物質(zhì)生物量中w(磷)為0.15%～1.05%,通常濕地植物對(duì)磷的吸收量小于城市污水負(fù)荷的5%,所以,氮、磷的植物吸收只是在低污染負(fù)荷系統(tǒng)中才具有數(shù)量上的重要性,這和徐治國(guó)等的研究結(jié)果相一致,即在高外源氮、磷施用量的情況下,濕地植物對(duì)氮、磷的吸收量反而變小.研究發(fā)現(xiàn),人工濕地進(jìn)水氮、磷的污染負(fù)荷遠(yuǎn)小于城市生活污水的污染負(fù)荷,濕地植物TN吸收量為6.1～94.0g/(m2·a),TP吸收量為0.5～9.0g/(m2·a).這與種云霄等和McJANNET等報(bào)道的濕地植物對(duì)TN和TP吸收量的研究結(jié)論相似,即人工濕地對(duì)氮的去除主要依靠微生物的氨化、硝化和反硝化作用;磷的去除主要通過(guò)沉淀、植物吸收、介質(zhì)吸附以及有機(jī)物質(zhì)積累等作用來(lái)實(shí)現(xiàn),且磷容易被富含F(xiàn)e,Al及Ca等的礦物質(zhì)所吸附,植物吸收對(duì)氮、磷的去除率影響不大.通過(guò)年度進(jìn)出水污染物濃度計(jì)算,濕地植物TN的吸收量占人工濕地TN去除量的0.6%～17.3%,TP的吸收量占人工濕地