人工濕地植物對污水脫氮除磷的貢獻

人工濕地植物對污水脫氮除磷的貢獻

濕地建設是自然濕地的發(fā)展產物，是由特定的基質（土壤、沙子、礫石等）組成的復雜獨特的生態(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、生長長、美觀、經濟價值的水生或濕植物）是復雜而獨特的生態(tài)系統(tǒng)。濕地的傳統(tǒng)形狀是由濕地通過科學的設計和改造，在自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學和生物作用中進行水處理。氮、磷通常以多種形態(tài)存在于污水中,會引起水體的富營養(yǎng)化,以至于降低水體水質和影響水體功能,所以長期以來污水脫氮除磷一直是人工濕地處理系統(tǒng)的一項重要任務.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養(yǎng)物質,而且還能輸送氧氣到根區(qū),滿足根區(qū)微生物對氧的需求,同時也能維持和加強人工濕地系統(tǒng)內的水力傳導.關于植物吸收在人工濕地脫氮除磷中的貢獻,研究者們的報道很不統(tǒng)一.BRIX和HABERL等認為在人工濕地處理污水的整個過程中,植物的吸收并不重要.GELLER對運行4年的蘆葦人工濕地的物質衡算結果表明,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,蘆葦的TN和TP吸收量分別占濕地年TN和TP去除量的8%和10%.靖元孝等認為,人工濕地栽培的水翁(Cleistocalyxoperculatu)對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BREEN則認為,濕地植物(Typhasp.)對氮的吸收量占濕地氮去除量的50%.ROGERS等認為,濕地植物(Scirpusvalidus)直接吸收的氮達到濕地氮去除量的90%.造成以上研究結果有差異的主要原因是研究條件的不同,而污水性質、進水負荷、濕地基質、氣候條件、植物種類及其生長特性等都對植物的氮、磷吸收有著重要的影響.為此,筆者通過構建人工濕地,研究相似環(huán)境條件下人工濕地系統(tǒng)對富營養(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,并測算其在人工濕地脫氮除磷中的貢獻,以期為人工濕地植物的選擇和合理利用提供科學依據.1材料和方法1.1充填材料人工濕地位于無錫市東五里湖湖岸(東經120°15′,北緯31°30′),2004年4月開始建造,6月底建成.該區(qū)屬北亞熱帶南部向中亞熱帶北部過渡的季風氣候區(qū),四季分明,無霜期長,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6個(1～6號)平行的人工濕地處理單元,每個單元長20m,寬1.5m,深0.8m.處理單元兩兩之間用1m寬的土埂隔開,單元底部及土埂先用黏土夯實,后鋪0.5cm防水布防止?jié)B漏.每個處理單元分3層,依次填充基質,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出水高度可調的豎管相連接.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號處理單元中;水蔥(Scirpusvalidus.)和千屈菜(Lythrumsalicaria)定植在4號處理單元中(按進水方向水蔥栽前1/2單元,千屈菜栽后1/2單元);鳶尾(Irispseudacorus)和菖蒲(Acoruscalamus)定植在5號處理單元中(鳶尾栽前1/2單元,菖蒲栽后1/2單元);6號為空白,不栽植物.濕地植物栽植后經過1個月的適應期,于2004年8月開始試驗,2005年7月結束,歷時12個月.五里湖富營養(yǎng)化水經潛水泵(水面下40cm處)抽提后通過PVC管流入各處理單元,人工調節(jié)各控制閥門,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,水力負荷為0.64m/d.1.2水質分析測定方法從2004年8月—2005年7月約每15d取樣1次,水樣采集后30min內帶回實驗室用Skalar連續(xù)流動分析儀(荷蘭)測定ρ(TN),ρ(NH4+-N),ρ(NO3--N),ρ(NO2--N)和ρ(TP).以上所有測定方法均按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》嚴格進行.1.3濕地生物量的測定2005年3月底至7月約每7d測量1次濕地植物的株高.2004年11月生長季末收獲上述各處理單元濕地植物的地上部分,2005年8月通過樣方法對各處理單元濕地植物進行全株收獲,每種濕地植物在各自所生長處理單元中隨機選擇3個樣方,每個樣方面積為0.25m2.濕地植物的地下部(根莖、根系)先用自來水沖洗,再用蒸餾水沖洗以除去附著其上的營養(yǎng)物質.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,計算生物量;然后粉碎,過100目(0.15mm)篩,用凱氏定氮法測w(TN),用鉬藍比色法測w(TP).1.4統(tǒng)計分析方法用SPSS軟件包(SPSS10.0forWindows,Chicago,USA)對觀察數據進行統(tǒng)計分析,求出方差、平均值及標準誤差,并對同一測定項目在不同植物種間的差異進行方差分析比較.用SigmaPlot9.0(SPSS,Inc.USA)繪制圖形.2結果與分析2.1人工濕地植物生長特性2004年6月底采自人工濕地試驗地點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買并預先在試驗地點附近自然水域水培養(yǎng)護的水蔥、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、茭白和水蔥移栽時高度在1m以上且水蔥自然彎折比較嚴重,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自然高度(約40cm).觀察發(fā)現,香蒲適應人工濕地環(huán)境的能力較強,至2004年11月其植株生長高度達150cm,其余植物雖然成活率都很高,但增高生長情況一般.7種濕地植物于2005年3月底開始萌芽和分蘗生長.圖1為2005年3月底(濕地植物萌芽)至7月(試驗結束)各濕地植物的生長趨勢.由圖1可見,在4—5月7種濕地植物的株高增長都比較快,隨后其生長趨于緩慢并各自穩(wěn)定在某一高度.整個觀測期間濕地植物的日平均生長速率依次為蘆葦(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).試驗結束時各植物的最大株高: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月開花之后,大部分植株葉尖干枯,并出現衰敗跡象.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(以干質量計)為0.26～6.65kg/m2(見圖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,蘆葦的地上部生物量最大值(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2.11,蘆葦根/冠比最小,僅為0.34.2.3不同時距tn、tp的去除效果比較運行1年的人工濕地各處理單元水質檢測統(tǒng)計結果見表1.由表1可以看出,污水流經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TN和TP的去除效果顯著高于無濕地植物處理單元,但不同濕地植物處理單元間對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,濕地植物對氮、磷直接吸收所起的貢獻一般用濕地植物對TN和TP的吸收量占濕地TN和TP去除量的比例來表示,即MP/∑(Cin-Cout)Qt.式中,MP為濕地植物對TN和TP的吸收量;Cin和Cout分別為濕地進、出水ρ(TN)或ρ(TP);Q為進水流量;t為在該流量下的運行時間.各濕地植物對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去除量中的比例見表2.由表2可以看出,濕地植物對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TN的吸收量中有相當一部分氮是儲存在濕地植物的地下部,通過收獲植物地上部的TN去除量僅占人工濕地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(見表2).同TN的去除情況類似,由于濕地植物在對TP的吸收量中也有相當一部分磷是儲存在濕地植物的地下部,通過收獲濕地植物地上部的TP去除量僅占人工濕地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,種植水燭(Typhaangustifolia)和燈心草(Juncuseffuses)的人工濕地基質中氮、磷含量分別比無濕地植物的對照基質中的低18%～28%和20%～31%,可見水燭和燈心草吸收利用了污水中部分的氮和磷物質.在海涂,蘆葦床濕地系統(tǒng)是削減進入海洋過量營養(yǎng)物質的強有力手段之一.袁東海等通過對照試驗研究了潛流人工濕地系統(tǒng)對污水氮的凈化效果,發(fā)現石菖蒲(Acorusgramineus)、燈心草和蝴蝶花(Irisjaponica)3個有濕地植物系統(tǒng)的TN平均去除率為77.7%,71.2%和66.4%,而無濕地植物系統(tǒng)的去除率僅為55.8%.吳振斌等采用復合垂直流人工濕地系統(tǒng)研究對污水磷的凈化效果,發(fā)現有濕地植物的人工濕地系統(tǒng)TP去除率為59%～65%,而無濕地植物系統(tǒng)的TP去除率僅為28%.由此可見,濕地植物存在與否對人工濕地系統(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濕地植物系統(tǒng),而且濕地植物的生長狀況也直接影響到系統(tǒng)的去除效果,濕地植物的良好長勢是對氮、磷去除的重要保證.試驗期間,濕地植物2005年的日平均生長速率相對較高,蘆葦、香蒲、水蔥和千屈菜的日平均生長速率都在2cm以上,正是濕地植物的良好生長狀態(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TN和TP的去除率分別為48.5%～59.1%和54.6%～62.8%,而無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TN和TP的處理效果顯著優(yōu)于無濕地植物的處理單元,這與袁東海等的研究結果相似.徐德福等研究認為,濕地植物氮、磷吸收量與其生物量呈極顯著正相關.研究發(fā)現,不同濕地植物的生物量大小差異極顯著,平均生物量(以干質量計)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)工程中通過收獲植物地上部生物量來達到去除氮、磷污染目的.研究發(fā)現,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較低,故吸收的TN較少.與此相似,濕地植物對TP的吸收量為0.5～9.0g/(m2·a),香蒲對TP的吸收量最高,菖蒲最低.濕地植物對TP吸收的巨大差異,除與濕地植物自身組織w(磷)和生物量有關外,還可能與濕地植物根表鐵氧化膠膜形成有關.有報道認為,根表鐵氧化膠膜的形成影響了水稻對磷的吸收.濕地植物與水稻有相似的生活習性,根表鐵氧化膠膜對人工濕地植物磷吸收的影響及程度大小還有待進一步研究.濕地植物是通過自身的生長代謝來吸收水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質的,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,濕地植物對氮的吸收量為0.03～0.30g/(m2·d),且在衰老和死亡期植物沒有除氮效果,通過收獲植物對污水中氮的去除率小于20%;植物能夠通過根系吸收可溶性無機磷,大型濕地植物的磷吸收量為1.8～18.0g/(m2·a),大部分(41種)沼生植物的干物質生物量中w(磷)為0.15%～1.05%,通常濕地植物對磷的吸收量小于城市污水負荷的5%,所以,氮、磷的植物吸收只是在低污染負荷系統(tǒng)中才具有數量上的重要性,這和徐治國等的研究結果相一致,即在高外源氮、磷施用量的情況下,濕地植物對氮、磷的吸收量反而變小.研究發(fā)現,人工濕地進水氮、磷的污染負荷遠小于城市生活污水的污染負荷,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等報道的濕地植物對TN和TP吸收量的研究結論相似,即人工濕地對氮的去除主要依靠微生物的氨化、硝化和反硝化作用;磷的去除主要通過沉淀、植物吸收、介質吸附以及有機物質積累等作用來實現,且磷容易被富含Fe,Al及Ca等的礦物質所吸附,植物吸收對氮、磷的去除率影響不大.通過年度進出水污染物濃度計算,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