哈尔滨市9种湿地植物在不同HRT下净污效果研究

范 晶，郜 莹，肖 洋

(黑龙江大学农业资源与环境学院，哈尔滨150080)

当前，水资源短缺，建立稳定的污水净化系统，达到生活用水绿色循环，已成为城市可持续发展的重要问题。以人工湿地为主，利用植物净化污水的处理模式，同传统污水处理工艺相比，费用低廉、处理效率高等优势突出［1－3］，在国内外已开展研究多年，在实践工程中也取得显著的效果。在人工湿地污水净化系统中，植物起着重要的作用，主要表现在吸收利用污水中的氮磷、吸附和富集重金属，向根区输送氧气，为微生物提供适宜的生存环境，加强水力传导，疏松基质及植物的景观绿化价值等方面［4－5］。但是在哈尔滨地区，对于利用人工湿地系统处理城市生活污水技术的研究还处于初步阶段，而该区四季气候差异大，冬季会出现霜冻结冰现象，不利于湿地植物在人工湿地中的运作，使得在湿地植物选择方面缺乏理论基础和实践经验。开展哈尔滨地区湿地植物的筛选研究，在黑龙江省乃至北方地区都具有重要的意义。本文通过构建小型潜流碎石人工湿地，比较研究不同种植物在不同水力停留时间 (HRT)下，对生活污水的净化能力，旨在为哈尔滨市人工湿地植物的理论研究和实际应用建设提供参考依据。

1 研究区概况

哈尔滨市白渔泡湿地公园，位于黑龙江省哈尔滨市道外区巨源镇白渔屯北部500 m处，地处松嫩平原西部，距市区25 km，规划面积10万hm2，年均气温3.2℃，本区主要为平原区河湖相冲积地貌类型，地势低洼平坦，坡降小，由周边坡耕地雨水汇集而成，常年积水，丰水期水深可达3 m。本地位于大陆性季风气候区，年均气温在－5～4℃，有效积温在2400～2800℃，年平均降水量569.1 mm，降雨量年内分布不均，主要集中在6～8月;该区植物区系属长白植物区系，松嫩平原分布的大部分植物在湿地公园内均有分布。

2 试验装置与方法

2.1 试验装置

选取高40 cm，容积为29L(上口直径35 cm，底面直径25 cm)的塑料桶为试验装置，该装置下层铺设10 cm粗砂 (粒径1～2 cm)，上层为15 cm细砂 (粒径＜1 cm)。距桶底10 cm处有出水检测口，桶底侧设有出水口。栽种植物前，向装置中浇灌蒸馏水3次，每次将水排空后进行第二次注水。植物植入装置后，一次性向每个试验桶中注入配置好的人工污水10L，污水表面高出基质层大约5 cm。

2.2 试验方法

试验所用植物均来自哈尔滨市白渔泡国家湿地公园，所选植物有:慈姑(Sagittaria trifolia)，水葱(Scirpus validus)，香蒲(Typha orientalis)，小叶章(Deyeuxia angustifolia)，菖蒲(Acorus calamus)，泽泻(Alisma plantagoaquatica)，芦苇(Phragmites australis)，地榆(Sanguisorba officinalis)，水莎草(Juncellus serotinus)。为使植物适应室内生长环境，野外采回的植株根部用蒸馏水冲洗3遍，在清水中预培养一周生长稳定后，再植入试验桶中，每个装置大约种植3～4株，每个处理重复三次，灌入预先配好的生活污水，植物适应一周后，开始取样，测定水质指标。

为保证进水水质稳定，参考城市典型生活污水范围系统采用人工配置的模拟生活污水［6］。各进水水质指标:化学需氧量 (COD)为250 mg/L左右;总氮 (TN)为20 mg/L左右;总磷 (TP)为4 mg/L左右，pH值为6～7。

试验同时设置不种植任何植物的空白对照组，即装置中装入相同的基质，不栽种任何植物。

2.3 水样检测方法

本试验仅研究在不同HRT下，所选植物对污水中N、P等污染物去除效果，其他因素影响忽略不计。试验期间，设5个HRT，即在HRT=1 d、3 d、5 d、7 d、9 d时，取样，分别测定出水水质指标:COD、TN、TP，具体试验室测定方法如下［7］:COD采用重铬酸钾氧化法;TN采用过硫酸钾氧化－紫外分光光度法;TP采用钼锑抗分光光度法。每个处理重复3次，取其平均值。试验结束时，将桶内水全部抽出，称量出水体积，算出水体积变化。

3 结果与分析

3.1 不同HRT下植物对COD的净化效果

图1 不同HRT下各植物对COD的去除率Fig.1 The removal rate of COD among wetland plants under different HRT

如图1所示，植物对COD有一定的净化效果，一方面通过植物对有机物的吸收，积累在植物体内，另一方面被微生物加以利用代谢除去。从整体看，随着HRT的延长，各植物和空白对照组对COD的去除率均有一定幅度的提高。HRT＜5 d时，植物对COD的去除率高于空白对照组，说明大部分植物可吸收有机物，同时也促进微生物对有机物的降解，但植物的平均去除率与空白对照组相差不大，在试验第5 d，仅相差4.62%，主要由于基质也能够过滤吸附有机物。HRT=5 d时，植物对COD的去除率达到最高，除芦苇、地榆外，其余均高于空白对照，其中，香蒲的去除率排首位，为68.27%。植物对COD去除率大小排序依次为:香蒲＞菖蒲＞水莎草＞水葱＞慈姑＞小叶章＞泽泻＞地榆＞芦苇。当HRT＞6 d，植物对COD的去除率呈缓慢下降的趋势，甚至部分植物的去除率低于空白对照组，原因在于试验第6 d后，开始出现大量的藻类，对植物的去除能力有抑制的作用，导致植物的净化能力下降。试验结果表明，HRT=5 d，对COD而言是最佳水力停留时间。

3.2 不同HRT下植物对TN的净化效果

图2 不同HRT下各植物对TN的去除率Fig.2 The removal rate of TN among wetland plants under different HRT

由图2可看出，试验开始时，植物对TN的去除率上升迅速，HRT=5 d时，净化效果最好，其中香蒲、慈姑和菖蒲的去除率均达到较高水平，分别为98.3%、96.5%和95.23%，高于空白对照组20%左右。植物对TN去除率大小排序依次为:香蒲＞慈姑＞菖蒲＞小叶章＞水莎草＞水葱＞泽泻＞地榆＞芦苇。当HRT＞5 d时，植物对TN的去除率不再上升，趋于平稳，维持在80%左右，对照组则呈下降趋势，由于植物对TN的吸收达到饱和，而对照组基质的吸附能力有限，且微生物硝化和反硝化能力下降造成的。脱氮的主要途径有氨挥发、微生物硝化和反硝化、植物的吸收、基质的吸附［8］。除了地榆、芦苇，其余植物的去除率明显高于对照组，两者的差值范围在19%～33%，在HRT=9 d时，差距最明显，植物的平均去除率与对照组的去除率相差32.62%。说明对TN的去除机理主要依靠硝化和反硝化途径及植物的吸收，基质的吸附仅占较小的比例，植物自身的直接摄取和对微生物的辅助作用共同增强了脱氮效果。

3.3 不同HRT下植物对TP的净化效果

图3 不同HRT下各植物TP的去除率Fig.3 The removal rate of TP among wetland plants under different HRT

如图3可知，各植物对TP的去除率，整体呈先升后降的趋势，第7 d达到最高点。试验初期，TP的浓度变化不大，平均去除率只有9%左右。随着HRT的延长，植物和空白对照组对TP的去除率均有大幅度的升高。HRT=7 d时，香蒲对TP的去除率增加的幅度最大，由HRT=1 d时的9.76%增加到86.23%，空白对照组的去除率也由8.27%提高到65.66%，各植物的去除率大小排序依次为:香蒲＞小叶章＞慈姑＞水葱＞菖蒲＞水莎草＞泽泻＞地榆＞芦苇，但当HRT＞7 d时，植物和空白对照组对TP的去除率均下降。人工湿地除P的途径由基质的吸附过滤、植物的摄取吸收以及微生物的分解代谢这三种共同作用完成。本试验的基质选择碎石，空白对照组与植物组无显著差异，说明碎石基质对P也有较好的去除能力，于军亭等也得出相似的结论［9］。但植物的去除率仍高于空白对照组，说明湿地植物除了直接吸收P外，还可强化基质对P的滞留和促进微生物对P的吸收，从而提高TP的去除率。而基质对P的吸附能力有限，当基质吸附饱和时，对P的去除能力下降，因此空白对照组在第7 d后去除率降低了19.13%，而植物对TP的去除率下降幅度则较小。从去除率的曲线趋势分析，确定出对TP最佳的水力停留时间为5 d。

4 结论

不同湿地植物对污染物的去除能力是不同的，且随着HRT的延长，呈现先迅速上升后缓慢下降或趋于平稳的趋势。适宜的HRT可增加植物对污水的净化能力，高于或者低于此临界值，都会降低植物的净化效果。本试验综合评定，HRT=5 d确定为本试验最佳水力停留时间。

研究结果表明，除了芦苇和地榆在试验中的生长状况欠佳，导致去除能力较低外，其余植物能有效的吸收生活污水中的N、P，HRT=5d时，植物对TP和TN的去除率基本都达到70%以上。而植物对COD的去除率相对较低，对COD的去除率范围仅在60%～70%之间。

所选择的9种湿地植物中，香蒲、菖蒲、水葱、慈姑的适应能力强，生长旺盛，对生活污水的综合净化效果佳，景观价值高，可以成为哈尔滨市人工湿地的首选植物。地榆和芦苇的适应性差，生长状况不佳，对污水的综合净化效果差，不是理想的人工湿地植物。其他湿地植物有一定的去污能力，可根据景观搭配的需要适当进行配置。

［1］孙 光，马永胜，赵 冉.不同植物人工湿地对污水的净化效果［J］.生态环境，2008，17(6):2192 －2194.

［2］ Allen W C，Hook P B，Biederman JA，et al.Wetlands and aquatic process temperature and wetland plant species effect on waste water treatment and not zone oxidation［J］.Journal of Environmental Quality，2002，31(3):1010-1016.

［3］刘倩卉，王竞红，王瑞江，等.哈尔滨市三种冷季型草坪草滞留能力研究［J］.森林工程，2011，27(5):24 －26.

［4］徐伟伟，章北平，肖 波，等.植物在人工湿地净化污水过程中的作用［J］.安全与环境工程，2005，12(2):41 －44.

［5］刘树元，阎百兴，王莉霞.潜流人工湿地中植物对氮磷净化的影响［J］.生态学报，2011，31(6):1538 －1546.

［6］高拯民，李宪法.城市污水土地处理利用手册［M］.北京:中国标准出版社，1999.

［7］国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会，水和废水监测分析方法(第四版)［M］，北京:中国环境科学出版社，2001.

［8］卢少勇，金相灿，余 刚.人工湿地的氮去除机理［J］.生态学报，2006，26(8):2670 －2676.

［9］于军亭，王立鹏，邢丽贞，等.潜流型人工湿地脱氮除磷影响因素探讨［J］.山东建筑大学学报，2010，25(2):188 －192.