以粉煤灰陶粒为基质的人工湿地中植物的生长特性与去污机制研究

曹世玮,荆肇乾,王祝来,黄新

(南京林业大学 土木工程学院,江苏 南京 210037)

人工湿地是一种高效水处理生态工艺[1-2],提高系统效能应从优化基质、筛选水生植物及改变水力停留时间和水流态方面来进行[3-5]。植物根系在基质中能减缓床体堵塞[6],通过泌氧改变内部溶解氧状态影响到物质的转化过程[7-9],因此植物在基质上生长特性是影响人工湿地效能的重要影响因素[10]。

粉煤灰陶粒是发电厂废弃物,将钙含量较高的粉煤灰制作成陶粒作为基质,不仅能节能减排,而且能提高磷的去除率[11-13]。本研究以粉煤灰陶粒作为基质的人工湿地中不同植物的生长特性及对污染物去除效果为研究对象,探讨植物协同粉煤灰陶粒去除污染物机制,为人工湿地设计及植物的选择提供理论基础。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

高钙粉煤灰陶粒,粒径3～5 mm,孔隙面积79.605 m2/g,平均孔径20.4 nm。陶粒的主要化学成分O,Si,Al,Fe,Ca等,无重金属,其中钙的重量组成23.16%。碎砖,平均粒径4～6 mm；细砂,平均粒径1～2 mm；城市内河污染河水,COD浓度在12～82 mg/L,氨氮浓度在1.58～3.33 mg/L,TN浓度控制在15.17～39.39 mg/L,浊度1.84～12.5,TP浓度2.03～2.05 mg/L。

YX280手提式不锈钢压力蒸汽灭菌器；752N紫外可见分光光度计；GXZ-9140MBE电热鼓风干燥箱。

1.2 实验方法

人工湿地包括内部的基质和所种植的植物。基质包括上部起固定植物作用的细砂,中部生物载体高钙粉煤灰陶粒层及底部用于排水的碎砖层。实验在江苏省南京进行,结合当地的气候特点,在本地区域生长性能良好的水生植物调研的基础上选择旱伞竹、水葱、菖蒲等3种植物。

为了提高人工湿地中处理水与基质、植物根系的接触时间和接触面积,人工湿地设计为四段式复合垂直流, 段内垂直动,段间水平流,兼具有垂直流和水平潜流人工湿地的优点。植物按照215 mm的间距分行列种植在人工湿地的前3格中。考虑到景观和强化水处理效果,最后一格种植美人蕉。人工湿地平剖面见图1、图2。

图1 人工湿地平面布置图Fig.1 Floor plan of constructed wetland

图2 人工湿地剖面图Fig.2 Cross-section drawn of constructed wetland

人工湿地进水为经复合生物滤池预处理后氮磷物质仍然超标的河水,设计人工湿地深度处理后达到回用水标准,处理水量为8 m3/d。

实验为连续进水动态实验,运行时间为5月到12月,试验所在地区先后经历中温、高温、中温、低温4个阶段,水质条件、气候条件具有一定的代表性。实验期间对每天的进出水浓度中相关污染物指标进行检测,同时对每种植物的生长特征进行记录。研究河水中特征污染物在不同季节,不同空气温度及进水浓度波动下的去除率变化,研究植物在实验进行期间不同季节的生长状况,监测不同水生植物的生长速率,研究3种水生植物在相同营养水平下的生长适应性,并对实验进行4个月后的植物的根系特征和氮磷吸收情况进行检测分析,结合水处理效果分析以粉煤灰陶粒为基质的人工湿地的生长特性及污染物去除效果。

1.3 检测指标

植物分析从生长状况、根系特征、除磷效果及吸收氮磷分析几个方面进行。生长状况包括植物生长高度及繁殖株数测定；采用快速消煮法[14]测定植物根茎叶中氮磷含量判断植物对氮磷的吸收能力；采用简易实验法[15-17]测定植物根系泌氧量,评价植物根系泌氧能力,综合分析探讨与粉煤灰陶粒基质协调性好的具有较佳处理效果的水生植物。

2 结果与讨论

2.1 人工湿地对水中污染物质各指标去除性能

图3是人工湿地稳定运行期间各月的COD、氨氮、总氮、总磷的去除情况,重点是对水中的氮磷超标物质进行进一步的去除。

图3 人工湿地对水中各污染指标去除性能Fig.3 Removal performance of constructed wetland for various pollution indexes 平均进水浓度平均出水浓度平均去除率

潜流人工湿地中水流呈层流、推流运动,水中的有机物在流动的过程中与湿地中的填料上的生物膜和植物根系接触,在相对充足溶解氧下的微生物作用下被降解[18],出水中COD浓度维持在20 mg/L左右。运行初期氨氮去除效果较差,这是因为化能自养型微生物菌种具有较长的世代时间,而且由于湿地内部食料竞争上的劣势使得硝化菌种达到相当数量并产生效果需要较长时期[19],因此初期硝化作用不明显。但是运行两个月后,此时增殖的硝化菌种发挥了重要作用,氨氮去除率达到65%。硝化细菌对温度比较敏感,7月份气候温度高,同时水生植物生长旺盛,光合作用产氧能力强,因此输送到根系的氧量增加,进一步促进了硝化细菌的繁殖和生长[20-21]。8、9月份温度逐渐降低,硝化细菌的活性受到抑制,硝化作用受到影响,因此氨氮去除率略有降低,但总体上出水氨氮浓度维持在较低水平,均在1 mg/L以下。TN去除和氨氮的去除规律类似,7、8月在硝化菌和反硝化菌菌群成熟的条件下,去除率在40%左右,9月后受低温环境的影响[22],去除率又开始逐渐降低,但是由于人工湿地有较好的保温性,去除率仍稳定在25%左右。湿地运行初期除磷效果较好,去除率在85%左右。该人工湿地里填充的基质包括具有较大的磷吸附容量高钙粉煤灰陶粒,运行初期基质对磷吸附是TP去除效率高的关键因素。到8月份,植物生长旺盛,在生物降解和植物同化的共同作用下,TP去除率达到95%左右。10月份以后,由于环境温度的降低及植物本身的生长特性,TP去除率逐渐降低,后3个月的平均去除率仅为50%。本系统选择了对磷吸附效果好的高钙粉煤灰陶粒在冬季对水中磷污染物质的去除起到了重要的作用[23]。

通过以上分析表明,以高钙粉煤灰陶粒作为基质的人工湿地能够在水生植物的协同下经过一定的成熟期后达到一定的污染物质去除效果,出水中COD浓度40 mg/L以下,氨氮浓度5.0 mg/L以下,总氮15 mg/L以下,总磷浓度0.3 mg/L以下。在不同水质的冲击负荷下,能够保持一定的稳定性,出水满足回用水要求。

2.2 人工湿地植物生长特性研究

试验中观察到菖蒲叶片在8月份时有病虫害现象,水葱在高度增长到50 mm后易倒伏,旱伞竹生长良好,枝繁叶茂。在同等营养水平下生长4个月后,旱伞竹植物地上部分生物量是菖蒲的2.45倍,水葱的1.50倍,远远大于菖蒲和水葱,生长速度和耐寒能力均优于其他两种水生植物。人工湿地中进水浓度沿段纵向逐渐递减,营养水平逐渐降低,同期种植的植物高度增长均要低10～15 cm,株数增长均少2～5株。营养供给上的差异导致了植物株均(丛)生物量上的差异,植物生长的胁迫因子主要是污水浓度的差异[24]。

2.2.1 植物根系特征及泌氧量测定 通气组织越发达,越有利于氧气的输送,不同水生植物的根系泌氧能力不同[25],人工湿地最后一格种植了美人蕉,所以对4种植物的根系的泌氧能力分别进行了测定。由图4可知,旱伞竹和美人蕉的根系较另两种植物根系发达,其中旱伞竹的根系最长部分长度达到10 cm。

根据植物泌氧随光照变化规律可以看出,光照强时,泌氧能力较强,在光照逐渐变弱的前2 h,泌氧量持续增加,并且增加的速率在增大。植物只有在有光照的时候才能光合作用,但是在没有光照的情况下,旱伞竹根系还能大量泌氧,分析可能是植物根系的滞后效应和溶解氧的累积效应,滞后时间约为2 h。4种植物中旱伞竹的根系泌氧能力最强,在有光照的11～19时,光照情况较好,植物以光合作用为主,每小时平均泌氧0.06 mg/L,水葱的次之,0.03 mg/L,菖蒲和美人蕉根系泌氧能力相当,只有0.01 mg/L左右。随着光线逐渐变弱,植物以呼吸作用为主,消耗了水体中的溶解氧,导致水体中溶解氧下降。这种现象在旱伞竹上表现尤其明显,在没有光照的23时到早上9时,根系泌氧量由最高1.6 mg/L 减少到0.36 mg/L,到了11时才开始缓慢增加。4种植物的泌氧能力大小为旱伞竹>水葱>美人蕉>菖蒲。

图4 4种水生植物根系及根系泌氧量测定Fig.4 Roots of four macrophytes and corresponding oxygen excretion

2.2.2 人工湿地植物吸收氮磷分析 污水中氮、磷的减少除了污水蒸腾损失和基质吸附固定外主要是被植物吸收[26],由于菖蒲有病虫害,直接排除,直接对另外3种植物的根茎叶吸收氮磷进行分析。由图5可知,3种植物各部位硝酸盐氮含量基本相当,但是全氮和全磷含量有差异,旱伞竹平均全氮含量高于其他两类植物,51.69 mg/g,分别是水葱平均全氮含量的1.43倍,是美人蕉平均全氮含量的1.33倍；美人蕉平均全磷含量是32.01 mg/g,分别是水葱和旱伞竹的2.0倍和2.7倍。因此,3种植物中旱伞竹吸收污水中氮磷能力较强的人工湿地植物。

进一步分析同一种植物的不同部分对氮磷的吸收量也不相同,旱伞竹吸收总氮量和硝酸盐氮量最多,且集中在叶部和茎部；美人蕉茎叶总磷吸收量最大,其次是旱伞竹,分别达到6.0 mg/g以上。植物对氮磷的吸收也主要集中在地上部分,所以在秋冬季对植物的地面部分进行收割是比较有效的人工湿地去除水体中磷的植物轮种形式。

图5 植物不同部位全磷全氮分析图Fig.5 Analysis of total phosphorus and nitrogen in different parts of macrophytes

3 结论

(1)采用充填高钙粉煤灰陶粒为主要基质并种植3种不同水生植物的的人工湿地处理城市内河污染河水,在7个月的中式连续动态试验中,水生植物生长良好,出水指标稳定,COD浓度40 mg/L以下,氨氮浓度5.0 mg/L以下,总氮15 mg/L以下,总磷浓度0.3 mg/L以下,浊度5NTU以下。该类型人工湿地工艺耐冲击能力强,稳定性好,出水COD、TN、TP、浊度均达到回用水相关指标要求。

(2)水生植物的生长特性及污染物去除效果研究表明,与粉煤灰陶粒协调性良好的水生植物是旱伞竹,其生长速度快,根系发达,在光照条件下根系泌氧能力为0.06 mg/L,全氮含量为51.69 mg/g,全磷含量15.5 mg/g,茎叶部分吸收氮磷的含量占总吸收氮磷含量的84%和70%。