不同配置人工湿地植物群落对生活污水净化效果

吴雨涵, 余 俊, 王锐涵

(1.苏州农业职业技术学院, 江苏 苏州 215000; 2.南京林业大学 艺术设计学院, 南京 210037)

在社会经济不断深入发展的同时，水污染等问题也日益突出，为了有效解决这一问题，多种污水处理方式应运而生，尤其是人工湿地的运用很大程度上提升了污水处理水平，这种人工构建的湿地兴起于20世纪70年代，是对土壤、砾石及炉渣的综合运用，充分发挥了三者有机结合的净化效果，三者经过一定比例混合后形成特定的基底，加之相应植被的种植，能够对污染物进行较好的净化[1-2]；作为重要的污水处理系统，其不仅包括了基底及植被，同时还有水体及微生物，这4大基本要素借助于相应的理化反应来吸附过滤污染物，从而形成较好的去污效果，不仅成本较低，且具有低能耗的明显益处，在现代社会水体净化方面效果突出，同时利于水体富营养化的治理，在很多地区的实验及实地运用效果显著[3]。对于人工湿地而言，其净化效果不仅通过吸附过滤，同时还有沉积等作用，此外，不同类型的湿地，其对不同污染物的处理能力存在较明显差异，因此能够有针对性地处理不同污染物[4-5]。常用的基质不仅有砾石和炉渣，同时还可以利用工业副产品作为基质填充，近些年来混合基质应用较为广泛，尤其是沸石、白云石等[6]。随着研究的不断深入，关于湿地的研究不仅仅在于基质填充物及植被的研究，更向其不同处理能力的深入分析进行探讨，大量研究表明，对于香蒲(Typhaorientalis)，美人蕉(Cannaindica)而言，其能够作为良好的湿地植被，在净化水质方面效果显著，且其能够凭借良好的适应性而被广泛运用[7-8]。随着生活污染和工业废水的不断排放，污水治理已经刻不容缓，这直接关乎社会经济发展，更关乎居民社会生活，因此开展此方面的研究能够带来较大的现实意义[9]，且具有现实必要性，这将对于水质的优化起着积极的意义，能够为社会生活创造更好的环境[10]。

对于湿地而言，植被在其中起着重要的过滤及吸附作用，且能够利于微生物活动，为之创造较好的新陈代谢环境[11]，不同的湿地植被起着不同的吸附过滤效果，通过有侧重地进行植被种植，能够对特定污染物进行有效去除，从而提升净化水质的效果，尤其是不同植被的混合能够显著增强污水的综合治理水平，对其营养物质进行有效平衡，利于湿地物质和能量交换，同时促进水生生物发育，促进湿地生态平衡，最终提升的是湿地的综合净化能力[12-13]。对于湿地而言，不同湿地植被的组合能够产生不同的水质净化效果，且其能够产生相互作用，最终促使湿地系统产生不同的污水去除效果，提升湿地的功能差异，尤其是在污水具有多种污染物的情况下，植被错配能够起到良好的综合净化效果，最终提升整个湿地的净化水质能力。近年来，大量学者开展湿地相关研究，尤其是基质填充物方面及植被方面[14]，但多集中在单植被方面，对于植被的错配研究相对较少。基于此，本研究从多种植被错配的角度开展相应的研究，从而探究人工湿地在净化水质方面的效果，研究所选的植被不仅包括茭草、鸢尾，还有菖蒲及眼子菜，这些都是常用的植被，为了进行试验对比，特设定未进行植被种植的对照组，从而通过综合对比来探究植被在湿地污水治理方面的效果，从而为提升湿地的综合净化能力提供有益参考和借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.2 人工湿地设计与流程

本试验在南京林业大学进行，所构造的人工湿地将底部作为集水区，并将尼龙网铺放其上，根据所选择的湿地植被，共构造了4类湿地单元，为了增强实验准确性，特对各单元开展5次重复，要求各单元的长、宽、深分别达到20，5，1 m，其间借助于0.5 m的土埂分开；对于基质填充物主要进行3层分布，其铺放厚度均为25 cm：最底层为排水层，其用大粒砾石填充，要求粒径在20～30 mm；将中号炉渣作为中层基质填充物，要求粒径在15～25 mm；最上层则用小号炉渣作为填充，要求其粒径在10～15 mm，同时用泥沙加以填充；对于湿地植被种植而言，要求其密度为3～7颗/m2，由于集水区位于单元底部，因此需要在其上铺放尼龙网，这样能够有效降低填料的下渗，同时在对角线方向铺放PVC管，要求其直径达到10 mm，这样能够实现循环水的流通，能够很好地进行样品采集。

本实验开始于2016年5月，为了较好地进行试验对比，首先需要开展植被的驯化，采取的是微污染水培养，时间长达一个月，选用的植被不仅有茭草(Zizaniacaduciflora)、鸢尾(Iristectorum)，还有菖蒲(Acoruscalamus)及眼子菜(Potamogetonaceae)，将长势较为接近的植株植于沙质基质，首先用自来水灌溉至饱和，然后利用地下水开展长达1个月的培养，要求其上的水层厚度约为2 cm，并进行3～5次的换水；于7月20日在湿地中注入污水，并通过布水管逐渐下渗，放水时间长达12 h；最终处理过的污水将通过PVC管排出，待植被生长1年后开展相应的指标测定。

图1 人工湿地植物群落构建示意图[14]

1.3 测定方法

当湿地的运营时间长达1年后方进行取水实验， 并对各项指标开展分析，各水质指标的去除率=[(进水口值-出水口值)/出水口值]×100%[15]。

同时对各单元植被情况进行对比分析，并做好记录，尤其是其中1 m2样方的植被数量、长势情况，为了对比地上及地下部分生物量，需要将其进行收割，并分为地上及地下两部分，指标测定之前首先进行烘干处理，并粉碎后经过H2SO4—H2O2消煮使之成为溶液，对于TN、TP的测定分别采用光度法、钒钼蓝法进行。

植被N，P积累量=植被体内N，P浓度×植被生物量[16]

2 结果与分析

2.1 水体BOD5变化

由图2可知，不同空间配置的4种湿地植物群落中BOD5质量浓度随时间变化逐渐降低，CK质量浓度变化范围为83.6～102.3 mol/L，茭草BOD5质量浓度变化范围为42.3～102.3 mol/L，鸢尾质量浓度变化范围为38.7～102.3 mol/L，菖蒲质量浓度变化范围为35.9～102.3 mol/L，眼子菜质量浓度变化范围为32.6～102.3 mol/L，相同月份BOD5质量浓度大致表现为CK>茭草>鸢尾>菖蒲>眼子菜；BOD5去除率随时间变化逐渐增加，茭草BOD5去除率变化范围为0～49.4%，鸢尾去除率变化范围为0～53.7%，菖蒲去除率变化范围为0～57.1%，眼子菜去除率变化范围为0～61.0%，相同月份BOD5去除率大致表现为眼子菜>菖蒲>鸢尾>鸢尾。

图2 水体BOD5变化及去除率

2.2 水体CODCr变化

由图3可知，不同空间配置的4种湿地植物群落中CODCr质量浓度随时间变化逐渐降低，CK质量浓度变化范围为92.3～156.3 mol/L，茭草CODCr质量浓度变化范围为85.6～156.3 mol/L，鸢尾质量浓度变化范围为72.3～156.3 mol/L，菖蒲质量浓度变化范围为65.9～156.3 mol/L，眼子菜质量浓度变化范围为52.1～156.3 mol/L，相同月份CODCr质量浓度大致表现为CK>茭草>鸢尾>菖蒲>眼子菜；CODCr去除率随时间变化逐渐增加，茭草CODCr去除率变化范围为0～7.3%，鸢尾去除率变化范围为0～20.7%，菖蒲去除率变化范围为0～28.6%，眼子菜去除率变化范围为0～43.6%，相同月份CODCr去除率大致表现为眼子菜>菖蒲>鸢尾>鸢尾。

图3 水体CODCr变化及去除率

2.3 水体TN变化

由图4可知，不同空间配置的4种湿地植物群落中TN质量浓度随时间变化逐渐降低，CK质量浓度变化范围为19.2～23.6 mol/L，茭草TN质量浓度变化范围为17.3～23.6 mol/L，鸢尾质量浓度变化范围为16.5～23.6 mol/L，菖蒲质量浓度变化范围为16.2～23.6 mol/L，眼子菜质量浓度变化范围为15.7～23.6 mol/L，相同月份TN质量浓度大致表现为CK>茭草>鸢尾>菖蒲>眼子菜；TN去除率随时间变化逐渐增加，茭草TN去除率变化范围为0～9.9%，鸢尾去除率变化范围为0～14.1%，菖蒲去除率变化范围为0～15.7%，眼子菜去除率变化范围为0～18.2%，相同月份TN去除率大致表现为眼子菜>菖蒲>鸢尾>鸢尾。

图4 水体TN变化及去除率

2.4 水体变化

图5 水体变化及去除率

2.5 水体变化

图6 水体变化及去除率

2.6 水体TP变化

由图7可知，不同空间配置的4种湿地植物群落中TP质量浓度随时间变化逐渐降低，CK质量浓度变化范围为0.23～0.39 mol/L，茭草TP质量浓度变化范围为0.19～0.39 mol/L，鸢尾质量浓度变化范围为0.17～0.39 mol/L，菖蒲质量浓度变化范围为0.15～0.39 mol/L，眼子菜质量浓度变化范围为0.14～0.39 mol/L，相同月份TP质量浓度大致表现为CK>茭草>鸢尾>菖蒲>眼子菜；TP去除率随时间变化逐渐增加，茭草TP去除率变化范围为0～32.1%，鸢尾去除率变化范围为0～39.2%，菖蒲去除率变化范围为0～46.4%，眼子菜去除率变化范围为0～50.0%，相同月份TP去除率大致表现为眼子菜>菖蒲>鸢尾>鸢尾。

图7 水体TP变化及去除率

2.7 湿地植被生物量及氮、磷积累量

由图8可知，湿地植被地上生物量变化范围为25.9～39.6 g/m2，大致表现为眼子菜>菖蒲>鸢尾>茭草，其中眼子菜和菖蒲差异不显著(p>0.05)，鸢尾和茭草差异不显著(p>0.05)；地下生物量变化范围为31.2～41.3 g/m2，大致表现为眼子菜>菖蒲>鸢尾>茭草，不同植物差异均显著(p<0.05)。地上N累积量变化范围为18.3～25.7 g/m2，地下N累积量变化范围为35.9～52.4 g/m2，地上P累积量变化范围为8.2～9.5 g/m2，地下P累积量变化范围为10.5～11.4 g/m2，大致表现为眼子菜>菖蒲>鸢尾>茭草，不同植物地上和地下P累积量差异均不显著(p>0.05)。

2.8 生活污水各指标之间的相关性

注：不同小写字母表示不同湿地植被生物量及氮、磷积累量在0.05水平差异显著(p<0.05)。
图8 湿地植被生物量及氮、磷积累量

表1 生活污水各指标之间的相关性(n=20)

注：**代表相关性在0.01水平上显著(双尾)，*代表相关性在0.05水平上显著(双尾)。

3 讨论与结论

对于湿地植被而言，其不仅通过茎叶有效吸附过滤水质中的污染物，还能够通过根系对基底污染物吸附，从而形成较强的污水净化效果；另外，还能够为微生物活动提供良好的环境，促进其对污染物的分解及利用，最终促进水质净化效果的提升，促进湿地净化效果。更为发达的根系能够促进植被对污染物的吸附及过滤效果的提升[25-26]，从而促进净化效果的提升，尤其是挺水植被，其根系尤为发达，尤其是植被错配能够带来较突出的净化效果。通过研究分析得知，随着湿地运行的增加，其去污效果不断增强，在其运行初期，由于植被尚未形成较为发达的根系及茎叶，无法产生明显的吸附过滤效果，因此在去污方面的效果弱于其成熟期，而经过1年的运行，其效果日益凸显；但是尽管在其进入衰老期，其净化效果依然未发生显著的下降，这说明其具有较好的净化持续性，也从另一个方面说明根系在水质净化方面的突出效果。通过对比植株体内N，P含量可知，其地上部分高于地下部分，这主要与其养分供给有关；植被对其积累量反映着其直接的去除能力，也可以通过收割的方式将其积累量去除。