四川盆地以本土湿地植物处理农村生活污水研究及工程实例

杨子尧

摘要：研究了芦苇、旱伞竹、美人蕉、香蒲、菖蒲及姜花6种四川盆地目前应用较广的湿地植物对农村生活污水的净化效果及对植株生长状况的影响。生物量和相对生长速率表明旱伞竹与芦苇生长最快，香蒲与美人蕉次之，菖蒲与姜花生长较慢。同时，6种湿地植物对农村生活污水中CODCr、TP、NH4+-N和TN的净化能力存在差别。人工培养箱试验25 d后，菖蒲对于生活污水中CODCr的处理效果最佳，使其由217 mg/L降低至39 mg/L，香蒲与芦苇次之，分别降低至45 mg/L与47 mg/L；菖蒲对于TP的去除效果最佳，使其由9.4 mg/L降低至3.7 mg/L，香蒲与芦苇次之，分别降低至3.9 mg/L和4.0 mg/L；美人蕉和姜花对于TN的去除效果最好，使其由21.9 mg/L降低至5.4 mg/L和5.6 mg/L；旱伞竹与芦苇分别使污水中NH4+-N浓度由15.6 mg/L降低至1.58 mg/L和1.62 mg/L。以避免选用旱伞竹、美人蕉与菖蒲这3类外来物种为前提，小型人工湿地工程可安全采用芦苇、香蒲与姜花3类本土湿地植物，农村生活污水经该小型人工湿地工程处理后，CODCr、TP、NH4+-N、TN、DO和浊度净化效果明显，可满足国家农田一类灌溉水质要求。

关键词：人工湿地；湿地植物；农村生活污水；生物入侵；净化效果

中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）13-3043-05

Rural Domestic Sewage Treatment by Native Wetland Plants in Sichuan Basin

and the Case Study

YANG Zi-yao

（School of Soil and Water Conservation， Beijing Forestry University， Beijing 100083， China）

Abstract： To treat rural domestic sewage， the purification effect and plant growth of six kinds of wetland plants induding reeds， cyperus alternifolius， canna indica， typha latifola， acorus calamus， and hedychium coronarium was studied in Sichuan Basin. Results of the biomass and the relative growth rate showed that the growth characteristic of cyperus alternifolius and reeds had the fastest growth， followed by typha latifola and canna indica， while acorus calamus and hedychium coronarium had the slowest growth. Treatment capacities of six kinds of wetland plants on CODCr， TP， NH4+-N， TN， DO and turbidity were quite different. After 25 days， acorus calamus worked best for CODCr purification with reduction from 217 mg/L to 39 mg/L， followed by typha latifola and reeds with reduction from 217 mg/L to 45 mg/L and 47 mg/L. Acorus calamus worked best for TP purification with reduction rom 9.4 mg/L to 3.7 mg/L， followed by typha latifola and reeds with reduction from 217 mg/L to 3.9 mg/L and 4.0mg/L. Canna indica and hedychium coronarium worked best for TN purification with reduction from 21.9 mg/L to 5.4 mg/L and 5.6 mg/L. Cyperus alternifolius and reeds worked best for NH4+-N purification with reduction from 15.6 mg/L to 1.58 mg/L and 1.62 mg/L. To avoid using alien species including cyperus alternifolius， canna indica and acorus calamus， three native wetland plants including reeds， typha latifola and hedychium coronarium can be used safely. After the small wetland engineering treatment， the purification effect of CODCr， TP， NH4+-N， TN， DO and turbidity of rural domestic sewage was obvious， which can meet the requirement of a class national farm irrigation water.

Key words： artificial wetland； wetland plants； rural domestic sewage； biological invasions； purification effect

农村生活污水主要来源于厨房炊事用水、洗涤用水、冲厕用水，养殖用水及粪尿废水，生活垃圾、粪肥渗滤及沼气池废液等，污水中含有较高的氮、磷、微生物和碳氢化合物。目前国内研究中，针对生活污水最佳处理方式之一就是建设小型人工湿地，利用湿地植物净化生活污水。人工湿地系统的关键在于净化工艺和湿地植物的配置，但此方面的研究较为缺乏[1-5]。通常，湿地植物以高生物量的草本植物为主。常见的湿地植物种类有芦苇、香蒲、灯芯草、菖蒲、水葱、水芹等[6]。常见的湿地植物主要来源于园林植物，部分为外来物种，其中一部分已被界定为入侵物种。例如水葫芦和大薸已被界定为入侵植物，环境风险极大，应尽量避免使用；粉绿狐尾藻和再力花具有一定的潜在入侵风险，应当慎用；旱伞竹与美人蕉的风险性相对较低[7]。本土植物以芦苇、香蒲与姜花等为代表，可以安全采用。

四川盆地具有独特的气候与地理条件，河流、湖泊、稻田、水库和鱼塘等水生生态系统广泛分布，也极易受到外来物种的入侵威胁。为此，应加大对本土湿地植物的研究与培育，使其替代具有环境风险的外来湿地植物。但目前国内针对此方面的研究或工程实例均较为空白。为利用湿地植物处理农村生活污水，同时从长远考虑避免生物入侵，本研究以芦苇、旱伞竹、美人蕉、香蒲、菖蒲及姜花6种湿地植物为研究对象（旱伞竹、美人蕉与菖蒲为常见的且具有一定生物入侵风险的外来湿地植物，芦苇、香蒲与姜花为零风险的本土湿地植物），比较其处理农村生活污水的植物生长状况和净化效率，同时介绍四川省小型人工湿地工程选定芦苇、香蒲与姜花3种本土湿地植物对农村生活污水进行处理的工程实例。

1 材料与方法

1.1 湿地植物

选用四川盆地常见的6种湿地植物（表1）。引种时每种植物尽量控制在中等密度。种植初期，植物均为幼苗，生长状况观测时间持续1年。每种植物同时种植生长状况相近的较多植株（超过150株）作为试验样本。

1.2 植物生长状况、生物量及相对生长速率的测定方法

植物生长状况等各项指标测定时间持续1年。测定前随机抽取同期芦苇、旱伞竹、美人蕉、香蒲、菖蒲及姜花的标准苗各45株，逐株测定株高和基径，并将植株各部分（根、茎、叶、果、花）在105 ℃烘干至恒重，分别记录其干质量，并计算总生物量（B）。并根据植物生长相关法[8]，植株的基径（D）、株高（H）与生物量（B）之间的关系如下：

lgB=lga+b·lg（D2H）

相对生长速率（R）的计算：

R=（lnB2-lnB1）/（T2-T1）

式中，R为相对生长速率，B1和B2分别为时间T1和T2时的植株干重。

1.3 湿地植物培养箱

为了分别研究6种植物对农村生活污水的水质净化效率，在实验室构建多个人工培养箱，分别种植相等数量的6种湿地植物。每个培养箱采用长50 cm、宽45 cm、高30 cm的塑料箱进行试验。塑料箱内从下至上依次填充砾石层（粒径1～3 cm）、砂层、土壤层，厚度均大约为10 cm。在箱中埋设PVC管，一端插入箱底，另一端伸出土壤层外，用于进排水。箱体的容水体积在实验初期较高，稳定后维持在5 L。试验用水均采用农村生活污水，分别在0、5、10、15、20、25 d 6个时间点监测培养箱内相关水质数据，同时增设一组空白。

1.4 水质指标测定方法

水样检测指标包括6类：CODCr、TP-P、NH4+-N、TN-N、DO和浊度。CODcr、TP和TN的测量方法采用国标方法；NH4+-N的测定采用纳氏试剂比色法；浊度由WZS-185型高浊度仪测定；DO用溶解氧测定仪测定。

1.5 数据处理

采用SPSS统计软件计算各个指标的平均值和标准差，如存在显著差异，采用Student-Newman-Keuls多项比较法检验差异的显著性。

2 结果与分析

2.1 植物的生长状况

2.1.1 株高、基径及其年增量 植物的株高与基径是衡量植物外部形态的重要指标。结果（表2）表明，芦苇、旱伞竹、美人蕉、香蒲、菖蒲及姜花株高年增量分别为24、76、39、77、34和41 cm，试验后（1年后）株高分别为试验前的1.2、1.9、1.3、1.8、1.7和1.4倍。株高年增量为香蒲≈旱伞竹>姜花>美人蕉>菖蒲>芦苇，且差异较为显著。同样，6种植物的基径年增量分别为11、5、16、15、13和12 cm，试验后（1年后）基径分别为试验前（1年前）的1.3、1.8、2.2、1.8、3.2和2.5倍。基径年增量为美人蕉>香蒲>菖蒲>姜花>芦苇>旱伞竹，且差异显著。

2.1.2 生物量及其相对生长速率 为了估算生物量，建立了6种植物生物量（B）与株高（H）和基径（D）的回归方程[9]（表3）。根据回归方程分别计算出6种植物试验前后的生物量及其相对生长速率（表4）。表4的结果表明，从生物量可以看出，芦苇、旱伞竹、美人蕉、香蒲、菖蒲及姜花的植株生物量年增量分别为135、706、93、245、201和64 g，试验后（1年后）生物量分别为试验前（1年前）的3.4、3.8、2.9、3.0、2.2和1.8倍。生物量年增量为旱伞竹>芦苇>香蒲>美人蕉>菖蒲>姜花，且差异较为显著。另外，相对生长速率也反映出了旱伞竹与芦苇生长最快，香蒲与美人蕉次之，菖蒲与姜花较慢的植物生长特性。

2.2 湿地植物对污水水质的影响

2.2.1 对CODCr的去除效果 由图1可知，芦苇、旱伞竹、美人蕉、香蒲、菖蒲及姜花均能有效降低农村生活污水中的CODCr。在培养25 d时，CODCr的浓度均小于或等于65 mg/L，此时对CODCr的净化效率依次为79.3%、70.0%、75.1%、78.3%、82.0%和72.8%。其中，菖蒲对于水体中CODCr的处理效果最佳，使其由217 mg/L降低至39 mg/L，其为外来物种；香蒲与芦苇其次，分别降低至45 mg/L与47 mg/L，为本土物种；旱伞竹相比最差。针对污水中CODCr的净化，小型人工湿地工程采用香蒲与芦苇具有较高的可行性。

2.2.2 对TP的去除效果 由图2可知，6种湿地植物对于污水中TP的去除效果均优于对照组，但效果差异较明显。一方面，湿地植物通过根际微生态环境吸附污水中的部分磷，用于自身生长合成；另一方面，湿地植物根系产生的氧，使水体溶氧量增加呈好氧状态，水体微生物中聚磷菌等活跃，也发挥了一定的固磷作用。同时，湿地基质也能吸附一部分磷，最终使得污水中TP含量大幅下降。在培养25 d时，湿地植物对TP的净化效率依次为57.4%、52.1%、45.7%、58.5%、63.8%和48.9%。其中，空白的TP浓度为9.4 mg/L，菖蒲对于生活污水中TP的去除效果最好，使TP的浓度降低至3.7 mg/L，香蒲与芦苇其次，分别降低至3.9 mg/L与4.0 mg/L，美人蕉和姜花的去除效果相对较差。针对污水中TP的净化，小型人工湿地工程采用香蒲与芦苇具有较高的可行性。

2.2.3 对TN的去除效果 在人工湿地环境下，生活污水中的N，一部分被植物根系直接吸收，满足植物生长需要；一部分通过微生物的氨化、硝化、反硝化作用被消耗掉。植物的存在能增强湿地系统中微生物的活性。由图3可知，芦苇、旱伞竹、美人蕉、香蒲、菖蒲及姜花均能有效去除农村生活污水中的TN。随着培养时间的延长，污水中TN含量持续下降，在培养25 d时，人工湿地植物对TN的净化效率分别为71.2%、65.3%、75.3%、56.6%、73.5%和74.4%，而对照的TN含量变化较小，去除率仅为4.4%，表明湿地植物对污水中TN的去除效果较好。其中，空白的TN浓度为21.9 mg/L，美人蕉和姜花对于TN的去除效果最好，分别使TN的浓度降低至5.4 mg/L和5.6 mg/L，香蒲的去除效果相比略差。针对污水中TN的净化，小型人工湿地工程可采用姜花。

2.2.4 对NH4+-N的去除效果 湿地植物根系长期处于水生环境中，其供氧能力决定了微生物对水体中NH4+-N的去除效果。对于NH4+-N的去除效果，有植物的湿地系统要优于没有植物的湿地系统。此外，NH4+-N的去除同时也靠植物根部吸收，且去除率与植物生长情况成正相关，生长情况好的植物对NH4+-N的吸收量也高[2]。

由图4可知，6种湿地植物对NH4+-N的去除效果有一定的差别。湿地植物生长水体中的NH4+-N含量随着培养时间先上升后持续下降。其中，在25 d时，芦苇、旱伞竹、美人蕉、香蒲、菖蒲及姜花对NH4+-N的净化效率依次为89.8%、89.9%、89.4%、88.1%、89.6%、87.6%和85.7%，而空白仅为8.8%，表明湿地植物对污水中NH4+-N的去除效果较好。旱伞竹与芦苇分别使污水中NH4+-N浓度由15.60 mg/L降低至1.58 mg/L与1.62 mg/L。不同植物去除效果由高到低：旱伞竹≈芦苇>香蒲>美人蕉>菖蒲>姜花。针对污水中NH4+-N的净化，小型人工湿地工程可采用芦苇。

2.3 工程实例应用

依托四川省小型人工湿地示范工程项目，在四川某村落建设占地面积为800 m2的小型人工湿地系统，处理水量为80 m3/d，设计水力停留时间为5 d。该项目村居民80余户，总人口253人，该村通自来水，同时也使用地下水作生活用水。目前生活污水直接排入该村附近河沟。本工程试验用水直接取自该河沟（与实验室用污水来源相同）。根据前述试验结论，小型人工湿地工程主要采用芦苇、香蒲与姜花3类湿地植物，种植密度约6株/m2。工程运行初期采用间歇进水、逐渐加大进水量，经过60 d的培养驯化调试后进入稳定运行阶段[10]。稳定运行阶段后，经本系统处理后的污水（试验组）与未经处理的污水（对照组）年平均水质指标如表5。

由表5可知，由芦苇、香蒲与姜花3类湿地植物构成的人工湿地系统对于农村生活污水CODCr的净化效率达到了69.7%～79.7%。有研究表明，不溶性有机物通过人工湿地的沉淀和过滤可以很快从污水中截留下来，被人工湿地中的微小生物加以利用，可溶性有机物则可通过微生物的代谢过程被去除，使其浓度降低[1]。另外，对于TP与TN的净化效率也分别达到了19.2%～58.0%和50.5%～59.5%，可见生活污水中N和P含量有大幅降低。此外，经人工湿地植物处理后，生活污水中NH4+-N的净化效率达到了25.8%～77.5%；DO含量达到了6.7 mg/L，高于4 mg/L，水体条件呈好氧状态；浊度达到了60～87 NTU，水体浊度有所改善。经该人工湿地系统处理后的出水水质可满足国家农田灌溉水质标准（GB5084-92）对于一类（水作）灌溉水质（CODcr≤200 mg/L、TP≤5.0 mg/L和TN≤12 mg/L）的要求。

3 小结与讨论

四川盆地目前应用较广的芦苇、旱伞竹、美人蕉、香蒲、菖蒲及姜花6种湿地植物，研究其株高、基径、生物量较试验前均有不同程度的增加。生物量以及相对生长速率反映了旱伞竹与芦苇生长最快，香蒲与美人蕉次之，菖蒲与姜花较慢的湿地植物生长特性，这对于湿地植物的培育有指导意义。

在本研究中，实验室人工培养箱试验25 d后，菖蒲对于农村生活污水中CODCr的处理效果最佳，使其由217 mg/L降低至39 mg/L，香蒲与芦苇其次，分别降低至45 mg/L与47 mg/L，旱伞竹相比最差；菖蒲对于TP的去除效果最好，使其由9.4 mg/L降低至3.7 mg/L，香蒲与芦苇其次，分别降低至3.9 mg/L与4.0 mg/L，美人蕉和姜花相对较差；美人蕉和姜花对于TN的去除效果最好，分别使TN的浓度由21.9 mg/L降低至5.4 mg/L和5.6 mg/L，香蒲的去除效果相比略差；旱伞竹与芦苇分别使污水中NH4+-N浓度由15.6 mg/L降低至1.58 mg/L与1.62 mg/L。以避免选用外来湿地植物为前提，小型人工湿地工程可以安全采用芦苇、香蒲与姜花3类湿地植物。

农村生活污水经小型人工湿地系统处理后，CODCr、TP、NH4+-N、TN、DO和浊度与试验前差别较为明显，处理后的出水水质可满足国家农田灌溉水质标准对于一类灌溉水质关于CODcr、TP和TN的要求，表明其应用价值较高。

参考文献：

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[10] 吴彩斌，向速林，鲁秀国.处理农村生活污水的生物接触氧化-人工湿地组合工艺[J].湖北农业科学，2008，47（1）：44-46.

农村生活污水经小型人工湿地系统处理后，CODCr、TP、NH4+-N、TN、DO和浊度与试验前差别较为明显，处理后的出水水质可满足国家农田灌溉水质标准对于一类灌溉水质关于CODcr、TP和TN的要求，表明其应用价值较高。

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