人工湿地处理污染河水和湿地植物腐烂分解影响研究

范云爽,戴 丽,蒋云东

(1.昆明理工大学环境科学与工程学院,云南昆明650092;2.云南省环境科学研究院,云南昆明650034;3.云南省林业科学研究院,云南昆明650000)

人工湿地处理污染河水和湿地植物腐烂分解影响研究

范云爽1,戴 丽2,蒋云东3

(1.昆明理工大学环境科学与工程学院,云南昆明650092;2.云南省环境科学研究院,云南昆明650034;3.云南省林业科学研究院,云南昆明650000)

以高原复合型人工湿地为研究对象,在水力负荷为0.067 m/d的条件下,监测湿地对CODCr、TN、TP、氨氮的去除率达到了66.3%、82.5%、43.2%、76%;采集了梭鱼草、美人蕉、芦苇、水葱、茭白、再力花6种挺水植物地上部分,测定了它们的TN、TP、有机质等营养物质含量和它们腐烂分解过程中TN、TP、COD等释放强度。结果表明:梭鱼草、美人蕉、茭白释放强度较强,再力花和芦苇释放强度较弱,在选择湿地植物时综合考虑植物吸收污染物能力情况下,可以优先考虑再力花、芦苇等植物。

人工湿地;河水治理;湿地植物;腐烂;研究

自20世纪70年代以来,人工湿地因其具有一定的处理效果、建设运行成本比较低、易于管理等优点[1],在世界各国得到了广泛的应用,也因此产生了大量的湿地植物残体。复合型湿地由于其较单一型人工湿地更好的污染物去除效果,得到了更多的应用,本研究采用了塘和湿地的复合系统来处理污水。湿地植物作为湿地生态系统的主要组成部分,通过吸收、过滤、截留等,有效地提高了氮、磷等污染物的去除效率[2]。然而秋冬季节湿地植物的腐烂分解却会引起水质的恶化[3～4]。针对植物腐烂分解对水质的影响,目前的研究还较少,并且多是单种植物腐烂分解的研究。本文对6种常见的挺水植物腐烂分解对水质的影响进行了初步研究,旨在定量揭示湿地挺水植物的腐烂分解过程中营养物质的释放规律,确定湿地挺水植物的最佳收割时间,为湿地植物的选择和管理提供依据。

1 试验材料和方法

1.1 河流概况

弥苴河是洱海重要的来水河,占洱海流域面积的60%,总入水量的57%。弥苴河水质的优劣,决定着洱海的水质。随着两岸工农业的发展,弥苴河水质有逐年下降的趋势。近年来,通过努力,水质有所恢复。

1.2 试验设计

表流湿地由于其成熟期短、基建运行费用低、类似于天然湿地等优点,适宜于河网地区的湿地建设,结合当地实际,本试验改造了河口的一块水稻田为人工湿地,采用了塘和人工湿地的复合系统来处理受污染河水。

湿地示范工程建于云南省大理州上关镇河尾村,占地面积900m2,四周的墙均为砖混结构,湿地基质为土壤,底部用塑料膜作防渗处理。湿地分为沉淀池、氧化塘、一级表流湿地、二级表流湿地(见图1)。其中沉淀池为150m2,氧化塘为150m2,一级表流湿地和二级表流湿地均为300m2。沉淀池深1.0m,氧化塘深0.8m,表流湿地水深0.3m。

1.3 植物选择

根据湿地植物的选择原则,尽量选取当地的乡土植物和污染物去除效率较高、生物量较大的植物。根据当地实际情况,沉淀池种植凤眼莲(Eichhornia crassipes(Mart.)Solms)、菱角(T.natans)、狐尾藻(Myriophyllum verticillatum)、睡莲(Nymphaea alba)等浮水和沉水植物,表流湿地种植美人蕉(Canna indica)、芦苇(Phragmites australis)、梭鱼草(Pontederia cordata)、水葱(Scirpus validus Vahl)、茭白(Zizanialatifolia(Griseb.)Stapf)、再力花(Thalia dealbata)等挺水植物。

1.4 试验方法

1.4.1 人工湿地试验方法

人工湿地采用连续进水的方式,进水量为150m3/d,水力负荷为0.67m/d,实验期间每天对进出水进行取样。监测的水质指标主要有TN、TP、COD、DO、氨氮、氧化还原电位。测定方法参照《水和废水监测分析方法(第四版)》,其中DO和氧化还原电位采用YSI-6系列自动监测仪测定。

1.4.2 湿地挺水植物腐烂分解研究方法

于2009年10月在弥苴河河口湿地采集梭鱼草、美人蕉、芦苇、水葱、茭白、再力花6种挺水植物的地上部分,每种植物取1kg左右,采回之后立即用清水洗净,风干后再烘干至恒重,剪碎后混合均匀备用。

每种植物取20g,放入3L盛满水的桶中,将桶置于室内,上方加盖防止水分蒸发和灰尘降落,但要留一定的空隙防止缺氧。每隔2、4、7、10、13、16、19、22d取250ml水样进行监测,每次取完水后用蒸馏水(放置曝气8h)补充至原始水位。实验设置三个重复,监测指标为CODCr、TN、TP。

2 结果与分析

2.1 人工湿地处理效果

示范湿地于2009年8月建成后,即开始进水,试验于2009年11月开始进行,至2010年1月底结束。试验期间温度保持在0～20℃,水温保持在11℃左右。试验采取连续进水的方式,在水力负荷为0.067m/d情况下,进出水水质和污染物去除率见表1。

表1 湿地进出水水质及污染物平均去除率情况(mg/L)

人工湿地除氮的主要机理是微生物的硝化和反硝化作用,植物的吸收和存储只是占一小部分[5],影响湿地脱氮的因素主要有温度、DO等,从表1可以看出,湿地对总氮和氨氮的去除率分别高达82.5%和76%,而冬季湿地植物的生长几乎停止,但湿地水温一直保持在15～11℃左右,溶解氧水平一直保持在9～10mg/L,测量湿地沿程的溶解氧水平,结果显示,自进水口至出水,溶解氧呈明显的下降趋势,这种好氧/缺氧使得硝化/反硝化得以顺利进行,并且最终通过反硝化生成氨气而将氮去除。这些条件保证了湿地对氮较高的去除效率。

从表1可以看出,湿地对磷的去除率为43.2%,湿地对磷的去除主要是通过基质的吸附和沉积作用[6],当地的土壤为沙土,具有较强的吸附能力,湿地还处于建成初期,因而除磷的效果比较好。

由于大理的气候优势(冬天气温较高,无结冰),复合型湿地在进水水质出现波动的情况下,湿地出水水质比较稳定;冬季在湿地植物的生长已经停止的情况下,湿地仍保持了对污染物较高的去除率。

2.2 挺水植物腐烂分解试验

试验前,测定了6种植物的氮、磷、有机质含量,见表2。

表2 挺水植物营养含量和碳氮比

从表2可以看出,6种挺水植物全氮含量差异比较大,含量最高的水葱(21.4g/kg)与含量最低的芦苇(5.9 g/kg)之间相差15.5个数量级;而全磷的含量除芦苇较低外,其余5种植物则相差不大;6种植物的有机质含量基本相近,没有明显差异。

2.2.1 总氮的释放

从几种植物的总氮释放强度曲线可以看出,再力花和美人蕉在第4d总氮释放强度就达到了最高值,其它4种植物则在第6d达到了最高值,而后曲线比较平滑,说明释放强度比较稳定,这估计与大理的温度变化有关系。累计释放强度(这里用历次所测污染物浓度之和来表示)美人蕉(6,总共6种植物,排第一记为6,依次类推)>梭鱼草(5)>茭白(4)>芦苇(3)>水葱(2)>再力花(1)。

2.2.2 总磷的释放

梭鱼草、美人蕉、水葱、芦苇均在第10d时总磷的释放强度达到了最高值,而茭白和再力花则在第13d时才达到最高值,而每种植物在达到了最高值后释放强度趋于平缓,累计释放强度美人蕉(6)>茭白(5)>水葱(4)>梭鱼草(3)>再力花(2)>芦苇(1),这和6种植物的全磷含量是成正相关的,全磷含量茭白>水葱>美人蕉>梭鱼草>再力花>芦苇,美人蕉全磷含量排第三但累计释放强度则为第一,这可能与美人蕉的植物组织结构有关,美人蕉多为叶状,且组织较疏松,试验观测,当植物浸泡时,美人蕉所浸泡的水在几小时之内即变浑浊。植物磷的释放和碳氮比没有明显的关联关系。

2.2.3 COD的释放

几种植物的COD释放曲线和TN释放曲线比较相似,均是在第4d左右释放强度就达到最高值,以后逐渐下降并在第10d后趋于稳定。累计释放强度梭鱼草(6)>水葱(5)>茭白(4)>再力花(3)>芦苇(2)>美人蕉(1)。

以6种植物的不同营养物质的累计释放强度进行排名(按释放强度由强到弱依次记为6、5、4、3、2、1),最终排名结果为梭鱼草(14)>美人蕉(13)=茭白(13)>水葱(11)>再力花(6)=芦苇(6)。可以看出,梭鱼草、美人蕉、茭白营养物质的释放强度较强,而再力花和芦苇释放强度则较弱。我们在选择湿地植物的时候,在综合考虑植物吸收污染物能力的情况下,可以优先考虑这些释放强度较弱的植物,避免植物腐烂对水质产生影响。

3 结论

(1)本研究中的示范人工湿地在冬季植物生长基本停止的情况下,对CODCr、TN、TP、氨氮的去除率仍达到了66.3%、82.5%、43.2%、76%,在进水水质出现一定波动的情况下,出水水质比较稳定,取得了较好的处理效果。这与云南气候优势是密切相关的,也应该积极推广人工湿地在云南的农村污水、农田排水、工矿企业废水治理中的应用。

(2)作为湿地生态系统重要组成部分的湿地植物,一方面,植物在生长过程中,会吸收大量的营养物质,从而去除污染物;另一方面,在植物生长停止后,植物会释放营养物质,极端情况会造成水域大面积污染。如太湖“茭黄水”就是由于茭草没有及时收割而造成太湖水质恶化[7]。影响植物营养物质释放强度的因素有很多,一方面,植物本身的组织结构、营养物质含量会对营养物质释放造成影响,另一方面,温度、溶解氧等环境因子也会影响营养物质释放[8]。

对6种挺水植物营养物质释放强度进行的研究表明,6种植物释放COD和TN在第4d左右就达到了最高值,而对TP的释放则在第10d才达到最高值,说明植物磷的释放比较缓慢,且和植物体内的磷含量密切相关,这就要求在湿地的管理上,一旦冬天植物生长停止,要及时对枯萎的植物进行清理。综合不同营养物质的累计释放强度,可以看出,梭鱼草、美人蕉、茭白释放强度较强,再力花和芦苇释放强度较弱,在选择湿地植物时综合考虑植物吸收污染物能力的情况下,可以优先考虑再力花、芦苇等植物。

[1]白晓慧,王宝贞,余敏,等.人工湿地污水处理技术及其发展应用[J].哈尔滨建筑大学学报,1999,32(6).

[2]郭亚平,吴晓芙.湿地植物在城镇污水处理中的特性研究[J].环境科学与技术,2009,32(2).

[3]Godshalk GL,Barko J W.Vegetative succession and decomposition in reservoirs.In:Gunnison Ded.Microbial Processes in Reservoirs[J].Dev.Hydrobio,1985,(27).

[4]Alvarez J A,Becares E.Seasonal decomposition of Thpha latifolia in a free-water surface constructed wetland[J].Ecological Engi2 neering,2006,28(2).

[5]Tanner CC.Plants an ecosystem engineers in subsurface-flow treatment wetlands[J].Water Science and Technology,2002,44(11).

[6]赵桂瑜,杨永兴,杨长明.人工湿地污水处理系统脱氮机理研究进展[J].四川环境,2005,24(5).

[7]李文朝.东太湖茭黄水发生原因与防治对策探讨[J].湖泊科学,1987,9(1).

[8]李燕,王丽卿,张瑞雷.5种沉睡植物死亡分解过程中氮磷营养物质的释放[J].上海环境科学,2008,27(2).

Research on Decomposition ofW etland Plants and Treatment of Polluted Water by Constructed Wetland

FAN Yun2shuang1,DA ILi2,JIANG Yun2dong3
(1.College of Environmental Science and Engineering of Kunming University of Science and Technology,Kunming Yunnan 650092 China)

The average removal rate of COD and total nitrogen and total phosphorus and ammonia nitrogen are 66.3%and 82.5%and 43.2%and 76%respectively under the condition of HLR of 0.067m/d by monitoring the treatment rate of constructed wetland.Six kinds ofwetland plants are collected involving in pontederia cordata and canna indica and zizania latifolia and stapf and phrag mites austral is and thalia deal bata to be detected with contents of TN and TP and organic matter,release rate of TN and TP and COD aswell.The results show that there is higher release rate of pontederia cordata and canna indica and zizania latifolia,however,the rates of phrag mites austral is and thalia deal bata are weaker,therefore,phragmites australis and thalia dealbata can be selected firstly as wetland plants.

constructed wetland;riverwater treatment;wetland plant;decomposition;research

X52

A

1673-9655(2010)03-0042-04

2010-02-20

云南省科技厅社会事业发展项目:弥苴河河口湿地恢复关键技术研究及工程示范。