人工湿地植物对北方河流净化效果模型研究

赵　杨（石家庄市岗黄水库监督监测站，河北石家庄050031）

人工湿地植物对北方河流净化效果模型研究

赵杨
（石家庄市岗黄水库监督监测站，河北石家庄050031）

水环境的持续性恶化已严重影响了社会的可持续性发展，人工湿地作为地球之肺在美化环境、改善气候、涵养水源等方面越来越受关注，水生植物是人工湿地的核心之一。选取9种有代表性的水生植物作为研究对象，考察了水生植物对北方河流实验模型的净化效果，结果表明，人工湿地植物均有较好的净化效果，综合净化能力依次为沉水植物>浮水植物>挺水植物。

人工湿地；水生植物；水环境

多年来中国水环境质量持续恶化，由于水污染所导致的缺水现象不断发生，造成了不良的社会影响和经济损失。湿地是地球上广泛分布的陆地生态系统之一，因其生态结构复杂多样且具有较高的自然生产力，为人类生产、生活提供了极为丰富的自然资源，在调节气候、涵养水源、蓄洪抗旱、控制土壤侵蚀、净化水质等方面发挥了巨大作用，被誉为“地球之肺”。人工湿地作为一种低能耗、投资少、简易有效的生态化污水处理技术，近些年来越来越受到重视〔1-3〕。水生植物是人工湿地的核心之一，可通过吸收、吸附和富集等作用直接从水层和底泥中吸收氮、磷等污染物，同时植物的合理配置会充分显示观赏价值，增强景观性。近些年，水生植物的重要生态功能与生态地位在浅水湖泊生态系统中得以充分体现〔4〕。

1　实验部分

1.1水生植物的选取

科学合理地选取水生植物是保障人工湿地正常运转和充分发挥作用的重要环节〔5-6〕。本实验依据生态学原理并结合北方城市水环境特点，在考虑了成本的基础上选取9种水生植物作为实验对象，如表1所示。实验中的全部水生植物均为当年移栽种植。

表1　实验选取的水生植物

1.2实验模型的选取及构建

选取石家庄市动物园人工湿地为实验模型〔7-9〕：一是其水体氮磷有时候超标，符合自然水体状态；二是水体较小，涨落频率低，易于进行实验和分析比较。石家庄市动物园位于河北省鹿泉市，地处东经114°18′，北纬38°05′，位于河北省中南部偏西，太行山东麓，其西部为丘陵，东部为冲积扇平原，海拔由100m逐渐降至65m，属温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，气候温和。人工湿地位于园区东部平原地区的自然行洪冲沟内，总占地面积15 000m2，动物生活及展示面积为10 000m2，主要种植柳树、构树、芦苇、黄花鸢尾、慈姑、香蒲等，并饲养有丹顶鹤、白鹤、红面鹤、蓑羽鹤、东非冠鹤等。

本实验区主体为石家庄市动物园的人工池塘，面积约1 000m2，平均深度2m，共建立了10个4m×3m的围隔静态实验区，选取1个为对照区，其余9个分别种植芦苇、香蒲、菖蒲、黄花鸢尾、美人蕉、金鱼藻、黑藻、马来眼子菜和凤眼莲。池壁四周为水泥面，池底为夯实泥土，在泥土表面覆盖一层35～45 cm厚底泥。用防水布封闭每个围隔的四壁，上口用PVC管材搭建框架，并用长竹竿和铁丝固定，如此可将每个围隔内的水体近似看作封闭体系。底泥取自岗南、黄壁庄水库，实验用水取自岗南、黄壁庄水库。实验时间为2015年7月10日至2015年8月29日，历时52 d。

实验开始，在移栽水生植物前，向每个围隔内加水至水深1.0m。实验原水主要污染物指标为总氮（TN）1.07~1.94 mg/L，总磷（TP）0.07~0.13 mg/L，氨氮（NH4+-N）0.17~0.26mg/L，高锰酸盐指数（CODMn）4.68~7.01mg/L。

1.3实验分析项目及方法

根据北方城市水环境特点和国家水环境质量标准的相关规定，选取了7个检测项目进行水质分析。水质分析项目及方法见表2。

表2　水质分析项目及方法

2　结果与讨论

2.1水生植物对水体溶解氧的影响

溶解氧是水生生物生存和水体感官的重要指标之一，水体中溶解氧含量的多少还可直观反映水体富营养化状态。一般清洁地表水中的溶解氧高于7.5mg/L。当溶解氧为3～4mg/L时，鱼类已难以生存；当溶解氧＜2mg/L，厌氧菌易繁殖，导致水体恶化、发臭。水生植物对水体溶解氧的影响如表3所示。

表3　不同水生植物存在下水体溶解氧的变化

由表3可知，只有凤眼莲实验区水体中的溶解氧浓度比对照区低，其余均始终高于对照区。凤眼莲实验区溶解氧浓度开始偏低，后逐渐升高，最大增幅为230%，说明种植凤眼莲能够明显增加水体溶解氧浓度。

2.2水生植物对水体CODMn的净化效果

CODMn常用来表征水体受有机污染物和还原性无机污染物污染的程度。我国地表水环境质量标准规定，Ⅱ类水的CODMn≤4mg/L，Ⅲ类水的CODMn≤6 mg/L。水生植物对水体CODMn的净化效果分别如图1、图2所示。

由图1和图2可以看出，由于水体自净作用，实验结束时，对照区水体CODMn降低了23.3%。香蒲、菖蒲、黄花鸢尾和美人蕉实验区水体CODMn去除率分别为45.6%、32.6%、47.5%和46.6%，上述实验区对水体CODMn有较好的去除效果，均高于对照区。浮水植物凤眼莲实验区的水体CODMn在整个实验周期内一直高于对照区，实验结束时，CODMn去除率仅为18.8%。沉水植物金鱼藻、黑藻、马来眼子菜实验区水体CODMn整体呈下降趋势，实验结束时，水体CODMn比对照区分别低32.9%、11.9%和17.9%。

图1　挺水植物实验区水体CODMn的变化

图2　浮水、沉水植物实验区水体CODMn的变化

图3　挺水植物实验区水体氨氮的变化

图4　浮水、沉水植物实验区水体氨氮的变化

2.3水生植物对水体氮的净化效果

氮是衡量水体富营养化程度的重要指标之一〔10〕。生活污水中的有机物、工业废水和农田排水均是氨氮的主要来源，氨氮浓度过高会对水生生物产生毒害作用。我国地表水环境质量标准规定，Ⅱ类地表水氨氮质量浓度≤0.5mg/L，Ⅲ类地表水氨氮质量浓度≤1.0mg/L。水生植物对水体氨氮的净化效果分别如图3、图4所示。

图3和图4表明，由于水体自净作用，实验结束时，对照区水体氨氮下降了30.32%，但水体自净能力有限，实验最后10 d内对照区水体氨氮变化很小。实验前20 d，挺水植物实验区水体氨氮浓度呈稳定下降趋势，菖蒲实验区水体氨氮浓度在实验进行到第30天时达到最高，后又有所下降但始终高于对照区水体氨氮浓度，氨氮去除效果不理想；香蒲实验区水体氨氮浓度在实验进行到第40天时出现回升，实验结束时，水体氨氮浓度比对照区低25.89%；芦苇实验区水体氨氮浓度一直保持缓慢下降趋势，实验结束时，氨氮去除率为42.68%；实验结束时，黄花鸢尾、美人蕉实验区水体氨氮浓度分别比对照区低18.96%、10.88%。实验结束时，浮水植物凤眼莲实验区水体氨氮去除率为44.6%。实验结束时，沉水植物实验区水体氨氮质量浓度均减少到0.10 mg/L左右，优于国家标准规定的Ⅱ类水氨氮质量浓度≤0.5mg/L，分析其原因是因为沉水植物整体生长在水下且每个部位均能充分吸收营养物质。

国家地表水环境质量标准规定Ⅱ类水总氮质量浓度≤0.5mg/L，Ⅲ类水总氮质量浓度≤1.0mg/L。实验初期，由于水体自净和水生植物净化作用相叠加，各实验区内水体总氮含量均呈下降趋势。但水体自净能力有限，后期水体自净能力减弱，植物净化作用显现。实验结束时，各水生植物实验区内水体总氮含量均比对照组低，对照区水体总氮质量浓度为1.02 mg/L，挺水植物实验区水体总氮质量浓度为0.40～0.98mg/L，浮水植物凤眼莲实验区水体总氮质量浓度为0.88mg/L，沉水植物实验区水体总氮质量浓度为0.86～0.89mg/L。其中芦苇和香蒲对水体总氮净化效果最好；黄花鸢尾和凤眼莲次之；美人蕉和菖蒲最差。

2.4水生植物对水体磷的净化效果

磷同氮一样是引起水体富营养化的主要因素之一，磷在湖泊、水库的富营养评价中，通常的临界质量浓度为0.11mg/L，重富营养磷临界质量浓度为0.25mg/L〔11〕。水生植物对水体磷的净化效果分别如图5、图6所示。

图5　挺水植物实验区水体总磷的变化

图6　浮水、沉水植物实验区水体总磷的变化

从图5和图6可以看出，实验前10 d，每个实验区水体总磷浓度均有下降。实验结束时，对照区水体总磷浓度下降了38.9%；挺水植物芦苇、香蒲、菖蒲、黄花鸢尾和美人蕉实验区水体总磷去除率分别为33.78%、41.97%、63.21%、49.50%和43.11%，菖蒲对水体总磷的去除效果较好；浮水植物凤眼莲实验区水体总磷去除率为35.89%；沉水植物金鱼藻、黑藻和马来眼子菜实验区水体总磷去除率分别为64.21%、 59.20%和60.70%。

3　结论

人工湿地是一个较完整的生态系统，我国人工湿地污水处理技术发展相对较晚，目前仍处于起步阶段。研究结果表明，人工湿地植物对北方河流实验模型的净化效果较好，其能有效去除水体中的营养物质，净化水质，使水体的透明度及溶解氧有显著提高。不同类型水生植物对水体的综合净化能力依次为沉水植物>浮水植物>挺水植物。在以人工湿地植物净化水体的实际应用中，应考虑环境特点合理搭配物种，提高系统稳定性，使人工湿地净化能力达到最佳效果。

［1］黄锦楼，陈琴，许连煌.人工湿地在应用中存在的问题及解决措施［J］.环境科学，2013，31（1）：401-408.

［2］Tang Xianqiang，Huang Suiliang，Scholz M，et al.Nutrient removal in pilot-scale constructed wetlands treating eutrophic river water：Assessment of plants，intermittent artificial aeration and polyhedron hollow polypropylene balls［J］.Water Airand Soil Pollution，2008，197（1）：61-73.

［3］He Shengbing，Yan Li，Kong Hainan，etal.Treatmentefficienciesof constructed wetlands for eutrophic landscape river water［J］.Pedosphere，2007，17（4）：522-528.

［4］陈永华，吴晓英，郝君，等.亚热带地区潜流人工湿地木本植物筛选与净化潜力评价［J］.环境科学，2014，35（2）：585-591.

［5］Cheng Xiuyun，ChenWenyin，Gu Binhe，etal.Morphology ecology and contaminant removal efficiency of eightwetland plantswith differing rootsystems［J］.Hydrobiologia，2009，623（1）：77-85.

［6］宁静，鲁敏，裴翡翡，等.人工湿地植物受污水胁迫存在的问题与解决对策［J］.山东建筑大学学报，2011，26（2）：149-152.

［7］蒋绍阶，黄新丽，向平.水流注入方式和填料层高度对人工湿地流态的影响［J］.湿地科学，2012，10（2）：170-175.

［8］廖维敏，龙举，王婧，等.表面流人工湿地处理生活污水研究——以浙江省舟山城北水库人工湿地为例［J］.安徽农业科学，2011，39（3）：1649-1650.

［9］傅长锋，李大鸣，白玲.东北屯人工湿地污水处理系统的设计与应用［J］.湿地科学，2012，10（2）：131-133.

［10］吴海明.人工湿地的碳氮磷循环过程及其环境效应［D］.山东：山东大学，2014.

［11］余波平，彭立新.垂直流人工湿地净化湖水的除磷研究［J］.环境科学导刊，2011，30（3）：53-56.

Study on the purification effects ofconstructed wetland p lants on the northern rivers

Zhao Yang（Gangnan and Huangbizhuang Reservoir Supervision and Monitoring Station of Shijiazhuang，Shijiazhuang050031，China）

The on going deterioration ofwater environmentaffects the socialsustainable developmentseriously.The constructed wetland as the lungs of earth to beautify the environment，improve the climate，and nourish water sources，etc.is attracting people’s attention more and more.The water plant are one of the cores of constructed wetland.9 kinds of typicalwater plants have been chosen as the research object.The purification effects ofwater plants on the experimental model of northern rivers are investigated.The results show that all of the plants in constructed wetland have pretty good purification effects.The order of purifying capabilities are summarized as follows：submerged plants>floating plants>emergentaquatic plants.

constructed wetland；water plants；waterenvironment

X703

A

1005-829X（2016）10-0052-04

河北省环保科研经费资助项目

赵杨（1985—），硕士，工程师。E-mail：812591663@qq. com。

2016-07-26（修改稿）