三种人工湿地植物处理农村生活污水的净化效果

郭杏妹, 刘素娥, 张秋云, 何立超, 周火君

(1.华南师范大学化学与环境学院，广东广州 510631; 2.珠海市斗门区环境保护监测站,广东珠海 519100)

三种人工湿地植物处理农村生活污水的净化效果

郭杏妹1, 刘素娥2, 张秋云1, 何立超1, 周火君1

(1.华南师范大学化学与环境学院，广东广州 510631; 2.珠海市斗门区环境保护监测站,广东珠海 519100)

采用潜流式人工湿地工艺处理农村生活污水，结果表明：不同植物对氨氮、总磷的去除能力差别较大，菖蒲对总磷和氨氮净化效果较好.试验7 d后，菖蒲(AcoruscalamusLinn)、再力花(Thaliadealbata)和梭鱼草(Pontederiacordata)对总磷和氨氮的最佳去除率分别达到93.4%和77.6%、72.4%和71.6%、70.4%和70.9%，出水水质达到《广东省水污染物排放标准》(DB44/26-2001)的一级标准.该工艺投资少、处理效果好、操作简单、维护成本低.

农村生活污水； 人工湿地； 氮磷净化效果

随着地方经济发展，农村地区生活水平不断提高，农村人口数量多，人口分布分散，几乎没有任何生活污水收集和处理措施，使农村生活污染源成为影响水环境的重要原因，且随着农村生活方式的改变而加剧[1].农村生活污水主要为淘米、洗菜、洗澡和冲厕废水.生活污水中含有较高的人畜粪尿成分，氮、磷含量特别高，故处理时不仅要消减有机物还要进行脱氮除磷[2].人工湿地是一种低能耗、低投入、高效率和易管理的污水处理方法，近年来越来越多地用于农村生活污水处理. 湿地植物对污染物的去除能力与植物种类、植物生长量等有关[3].国内外学者已筛选出多种能有效去除水体中氮磷的植物，如：芦苇、香蒲、菖蒲、石菖蒲、美人蕉、再力花和梭鱼草等[4-6].本课题采用菖蒲、再力花和梭鱼草3种植物处理生活污水，以学生饭堂污水为实验用水，通过室外静态模拟人工湿地与实际工程湿地处理系统相结合，研究一些提高人工湿地处理效率的模式，并将这些模式在实际的生产中作进一步的测试和应用.

1 材料与方法

1.1基质和植物的选择

可作人工湿地介质使用的材料种类很多，其中碎石由于容易获得，粒径较大，有足够的支撑力，而且价格低廉，有较高的空隙度和植物生长的适应性，是目前人工湿地比较多用的基质，因此，本试验填料选用碎石.依照人工湿地植物就地取材、容易获得、适宜环境气候等原则，综合考虑植物的经济价值和美学价值，选定菖蒲、梭鱼草、再力花3种植物进行试验.

1.2试验装置及污水水质

试验为静态过程，于长50 cm、宽40 cm、高35 cm的透明聚乙烯塑料箱进行.每个塑料箱种植1种植物,每种植物种4盆,每盆的植株数分别为2、4、6、8株，实验重复3次，共36盆，采样时间分别为12、36、72、120、168 h.

在塑料箱底部均匀排铺成平均厚度为180 mm的碎石床.植物种植后，在塑料箱中加入清水(离容器底部约250 mm高度)，将其移动到阳光充足的地方，静置2个星期，期间及时补充清水，使刚移植的植物适应环境，根部充分发育，使基质中的微生物充分繁殖.

试验开始前把塑料箱中的清水排掉，加入供试生活污水约13 L，污水一次性注入，水力停留时间为7 d.试验污水取自学生饭堂污水，该污水为典型的餐饮污水，为了保证实验水质与一般农村生活污水接近，且考虑到实验本身的准确与操作需要，将该污水与清水以体积比1：1的比例稀释混合，稀释后的污水即为实验使用的供试污水.试验所使用的污水与增城市农村生活污水污染物质量浓度较为接近，主要的污染物指标如表1所示.

表1 农村生活污水与试验初始水质 mg/L

为了使试验结果更符合实际，本试验在全露天自然条件下进行，试验场所选在实验室外的空地，该空地地势平坦，能充分接受日照.

1.3测试方法

水样检测指标包括TP、NH3-N，CODCr,测定方法参照文献[7],TP采用过硫酸钾消解-钼酸铵分光光度法；NH3-N采用纳氏试剂比色法,CODCr采用重铬酸钾法.

2 结果与讨论

2.1不同植物对TP、NH3-N、CODCr的净化效率

由图1可知，每盆6株时，3种植物在实验运行的过程中对有机污染物都有较好的去除效果. 污染物的去除效率随着植物的生长有显著的提高，停留时间的变化与各项污染物质的去除效率成正相关. 可见这3种植物在这个实验系统中的生长和工作效率都可以得到充分的发挥.

3种植物对污水中TP、NH3-N、CODCr的去除效果都比较好，其中菖蒲的处理效果最好，这说明植物在污水有机物去除方面发挥了重要的作用. 其主要原因：一方面植物本身对有机物质具有吸收作用，即有机物通过植物根际微生态环境吸附，经过异化及同化作用而得以去除；同时，植物根系对氧的传递释放，使污染物被微生物吸收，并且通过硝化、反硝化，累积、降解、络合、吸附等作用而显著增加去除率. 颗粒状有机物水解产生可溶性化合物，这些化合物与可溶性有机物吸附在生物膜表面，而这些生物膜生长在不同的位置上：植物的根部、在介质的缝隙中、或者堆积在床体表面植物的代谢物中等.

2.2不同植物株数对TP、NH3-N、CODCr的去除

对TP的去除主要是基质的固磷作用以及植物与微生物除磷，其中基质对磷的作用被认为是最有效的机制[8]. 图2中可以看出，3种湿地植物对生活污水中总磷(TP)的去除效果以菖蒲为最佳，停留时间7 d时，去除率达到80.3%，而梭鱼草、再力花的处理效果次之，去除率分别达到77.3%、75.2%. 污水中的磷主要通过化学吸附和沉积去除，且在其沉积过程中，植物释放磷酸酶能抑制这一过程[9]. 污水与湿地系统接触时间越长，越有利于植物对磷的吸收和填料对磷的有效吸附和沉淀，同时，停留时间长也会使系统厌氧区增大，不利于磷细菌的代谢活动，会使系统除磷效率受到影响，这也证明人工湿地对磷的去除能力是通过植物、微生物和填料的协同作用共同加强的[10-11].

图1 3种植物对TP、NH3-N、CODCr的去除率

Fig.1 Comparison between purification effect of macrophyte species on TP, NH3-N and CODCrin the treatment

本实验表明，3种不同植物人工湿地系统对氨氮的去除效果相当，其中以菖蒲最好. 氨氮的质量浓度在试验初期迅速降低，随后，趋势明显变缓，以上趋势说明3种植物对氨氮的去除主要在试验的前端，且表现为沿程同步硝化和反硝化. 人工湿地中，氮的去除大部分通过硝化、反硝化反应，少部分通过植物吸收，植物根系周围存在近根系的好氧区与远根系的厌氧区的交替环境，则有利于硝化、反硝化反应去除氮[12]. 由图3可知，植物株数为6株的时候处理效果最好，这可能是由于湿地植物吸收氮总量与湿地植物生物量有关的[13].

图2 不同植株数对总磷的去除率

Fig.2 The purification effect of TP by different number of plants in the treatment

人工湿地对有机物具有明显的去除能力，不溶性有机物通过湿地的沉淀过滤可以很快从废水中截留下来，被微小生物加以利用，可溶性有机物则可通过生物膜的吸附及微生物的代谢过程被去除. 本实验表明随着停留时间的推移，CODCr去除率逐渐上升，体现了介质的吸附作用和生物膜的生长在逐步发挥作用. CODCr的去除效果受植物植株数变化的影响较小，4个不同植株数的植物系统出水CODCr去除率逐渐下降.

图3 不同植株数对氨氮的去除率

Fig.3 The purification effect of NH3-N by different number of plants in the treatment

从图2～图4中比较可知，植物株数为6株的时候处理效果最好，这说明并不是植物株数越多越好，而是存在一个最佳数量. 主要原因是植物净光合速率与TP、NH3-N、CODCr去除率存在相关性，植株数多，其所占有空间的利用程度高，影响植物的光合作用，从而降低为净化作用提供的能量.

图4 不同植株数对CODCr的去除率

Fig.4 The purification effect of CODCrby different number of plants in the treatment

2.3停留时间对污染物去除效果的影响

从图2～图4可知，总磷、氨氮和CODCr在模拟系统中的前3 d降解效率较高，去除率增长较快. 3 d以后降解速率明显放缓，去除率曲线逐渐趋于平缓. 分析出现这种情况的主要原因在于，污水一开始进入模拟系统反应时，基质、植物和微生物的降解作用同时存在，但此时，植物种植时间较短，根系生长不够发达，因此在根区的微生物繁殖较慢，根区反应系统还不成熟. 在根区以外的微生物同样因为反应时间不长，微生物数量比较低，因此这个时间段植物和微生物的降解能力都没有达到最高水平. 因此这个时间段基质的吸附作用远强于植物与微生物共同发挥的降解作用.

反应经过一段时间后，基质的吸附能力逐渐趋于饱和，吸附作用效率逐渐降低. 污水中大颗粒的固体基本已经沉淀到基质表面，污水中剩下小颗粒的固体和可溶性有机物. 在这个时间段，基质内部的厌氧微生物和根区附近的好氧微生物通过繁殖，数量不断上升，降解能力得到加强. 同时，植物经过一段时间的生长，微生物经过一段时间的繁殖，两者能力逐渐加强并达到最高点. 此时，植物与微生物对污染物的降解作用在这个时间段起到主导作用，去除率曲线逐渐趋于平缓.

3 工程实例应用

群爱村位于广州市增城市荔城镇，该村生活污水较为单一，主要由村民日常生活(洗涤、厨卫等)产生. 该工程采用潜流式人工湿地处理技术，人工湿地规格是12 000 mm×6 000 mm×1 200 mm，设计水量为4.8 m3/d，设计水力停留时间5 d，根据模拟实验可知，菖蒲种植密度为6株/m2的时候处理效果最佳，故本工程项目主要种植菖蒲，种植密度约6株/m2，污水处理工艺横切断面图见图5. 该污水处理工程运行初期采用间歇进水、逐渐加大进水量的方法，经过60 d的培养驯化调试，人工湿地系统进入稳定运行阶段，出水水质达到广东省《水污染物排放限值》(DB44/26-2001)(第二时段)一级标准, 实际运行结果见表2. 该工程因地制宜，投资少、处理效果好、操作简单、维护成本低. 该工程已通过有关部门验收，至今一直稳定运行.

A～C层均为碎石，D层为黏土隔水层，粒径分别为3～5、5～20、20～50、1 mm，高度分别为200、500、150、150 mm.

图5 污水处理工艺横切断面图Fig.5 Cross sectional drawing

4 结论

(1)3种植物对污水中TP、NH3-N、CODCr的去除效果都比较好，处理能力依次为：菖蒲gt;梭鱼草gt;再力花. 这说明植物在污水有机物去除方面发挥了重要的作用.

(2)植物株数为6株的时候处理效果最好，这说明并不是植物株数越多越好，而是存在一个最佳数量，生物量与TP、NH3-N、CODCr去除率存在相关性.

(3)总磷、氨氮和CODCr在模拟系统中的前3天降解效率较高，去除率增长较快，3天以后降解速率明显放缓，去除率曲线逐渐趋于平缓.

(4)把模拟实验研究结果应用于实际工程中，结果表明，种植6株/m2菖蒲处理农村生活污水，出水水质达到广东省《水污染物排放限值》(DB44/26-2001)(第二时段)一级标准. 该工艺因地制宜，投资少、处理效果好、操作简单、维护成本低.

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Keywords： rural domestic sewage; constructed wetland; purifying effect of nitrogen and phosphorus

【责任编辑 成 文】

收稿日期： 2009-09-30

基金项目： 广东省自然科学基金资助项目(9251063101000000)

作者简介： 梁剑莹(1982—),男,广东雷州人,华南师范大学科技处实习研究员,Email: kyc12@scnu.edu.cn.

文章编号: 1000-5463(2010)01-0123-04

EFFECTSOFTHREEPLANTSSPECIESINCONSTRUCTEDWETLANDSONTHETREATMENTFORRURALDOMESTICSEWAGE

GUO Xingmei1， LIU Su’e2， ZHANG Qiuyun1， HE Lichao1， ZHOU Huojun1

(1. School of Chemistry and Environment, South China Normal University,Guangzhou 510631, China; 2. Environmental Monitoring Station of Doumen District in Zhuhai, Zhuhai, Guangdong 519100, China)

The constructed wetland process was applied to treat rural domestic sewage．The results showed that the abilities of different macrophyte species to remove nitrogen and phosphorous were quite different with each other．AcoruscalamusLinnhas stronger ability to remove TP and NH3-N . After 7 days of treatment，the rates ofAcoruscalamusLinn,ThaliadealbataandPontederiacordatato remove TP and NH3-N were 93.4% and 77.6%, 72.4% and 71.6%,70.4% and 70.9% respectively. The effluent quality meets the first class standard specified in the discharge limits of water pollutants of Guangdong Province (DB44/26-2001). This process has the characteristics of low investment, good treatment effect, simple operation and low maintenance cost.

2009-05-20

广东省科技计划资助项目(2006B36801005)

郭杏妹(1981—)，女，华南师范大学助理实验师，主要研究方向：水污染控制，Email: mei_gxm@163.com.

1000-5463(2010)01-0105-05

X703.1

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