冷季型禾草人工湿地处理生活污水的应用

李 丹，吕锡武,*，巩佳佳，汪思宇

(1. 东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096；2.无锡太湖水环境工程研究中心，江苏无锡 214061)

鉴于常规水处理设施在小型分散式农村生活污水处理技术中的限制，具有代替性、小规模和创新性的污水处理技术愈发受到关注，人工湿地技术即是其中的一种[1-3]。其中，植物是人工湿地的重要一环，选择适宜的植物不但可以有效去除水体中的污染物，加速营养物质的循环和再利用，而且对农村地区的经济发展具有促进作用[4-7]。

目前，用于人工湿地的常用植物有芦苇[Phragmitesaustralis(Clav.)Trin.]、香蒲(TyphaorientalisPresl.)、灯心草(JuncuseffusesL.)、美人蕉(CanaindicaL.)、凤眼莲[Eichhorniacrassipes(Mart.) Solms]等[8-11]。这些适用于春夏季人工湿地的植物种类多且处理效果较好，但因秋冬季温度较低，大部分植物出现枯黄甚至枯萎腐烂，导致去除效果不佳[12-13]，出水水质受到影响，不能满足污水排放标准限制。相对贫乏的冬季湿地植物种类限制了实际工程中的选择应用[14]，郝明旭等[8]也认为，寻找更多适用于人工湿地的植物品种并合理配置与管理已成为亟待解决的问题。目前，在实际运行过程中，人工湿地系统冬季植物枯萎和净化能力下降等问题不可避免。基于上述背景，种植生长周期短[15]、根系密集、可选种类多[16]的冷季型禾草物种，以适应低气温条件，从而提高处理效果和增加景观效益。另外，太湖流域形成的禾草型草坪大规模培育产业，具有显著的经济效益。因此，秉承“污染净化型农业、实现氮磷资源化利用”的创新理念，将冷季型禾草应用到小型分散式农村生活污水处理的技术中，有机耦合污水处理与种植业，在保证冬季去除效果的前提下，产生一定的经济价值，降低农村生活污水的处理成本。

此前，已有学者对早熟禾、剪股颖、苇状羊茅和黑麦草这4种冷季型禾草根系进行了吸收氮磷动力学研究，并计算出最大吸收速率(Imax)和亲和力常数(Km)[17]，表明了冷季型禾草对氮磷营养盐具有一定的吸收作用，但仍缺乏在实际湿地系统中进一步探究其对氮磷污染物的去除性能。因此，本文以上述4种冷季型禾草作为研究对象，开展氮磷营养盐长期净化效果研究，旨在拓宽湿地植物种类，一定程度上改善冬季湿地植物缺乏的现状，以期为禾草植物应用于实际工程的可行性提供一定的理论与实践依据。

1 材料与方法

1.1 装置结构和系统组成

试验装置为建造在东南大学无锡分校大棚内的4条潜流型人工湿地廊道系统(图1)，廊道采用砖混结构，并以特殊材料进行防渗处理。先将经跌水充氧接触氧化单元处理后的出水引入高位配水槽，后由高位配水槽底部的配水管把所需水量引入潜流型人工湿地的4个廊道，通过球阀控制水量。每条廊道的平面尺寸为2 m×0.2 m，有效池深为0.2 m，坡度为5‰。湿地底部铺设一薄层陶粒作为滤水层，其上为黄土、河沙、蛭石和加气混凝土，且质量比为4∶2∶1∶1，经常州化学研究所检测，其元素含量如表1所示，基质层总厚度为0.1 m。本文选取多年生黑麦草、苇状羊茅、匍茎剪股颖、草地早熟禾这4种冷季型禾草作为人工湿地植物进行研究。

图1 冷季型禾草人工湿地系统示意图Fig.1 Schematic Diagram of Constructed Wetland System with Cold-Season Grasses

表1 基质元素含量 (单位：g/kg)Tab.1 Analysis of Substrate’s Element (Unit：g/kg)

1.2 试验材料及处理

试验原水为某高校宿舍楼和食堂的生活污水，试验前端经“水解池-曝气池”生物段处理后引入此人工湿地廊道系统，人工湿地进水水质如表2所示。

表2 人工湿地进水水质Tab.2 Quality of Influent Water in Constructed Wetland

根据冷季型禾草的适宜播种量范围[18-19]并考虑湿地实际情况确定黑麦草、苇状羊茅、草地早熟禾、匍匐剪股颖的播种量分别为35、48、18、9 g/m2。播种后通以清水保持湿地基质潮湿促进种子发芽，为了其尽快适应污水环境，当植株高度达到1～2 cm时开始接入生物处理单元出水，待植株生长成型且湿地系统稳定运行后开始连续监测进出水水质，监测时间从第一年10月—次年3月。本试验中，湿地进水流量为20 L/d，平均水力负荷为0.027 m3/(m2·d-1)，1周取样3次(每次均测3个平行样取平均值)，为了更直观地展示数据的变化趋势，取平均值作为本周的出水浓度，即每月有4个数据点，以此作曲线图。各月份气温如表3所示。

表3 运行期间气温条件Tab.3 Temperature Conditions during Operation Period

1.3 测定分析方法

光度法》(HJ 535—2009)，TN的测定采用《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB/T 11894—1989)，TP的测定采用《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》(GB 11893—1989)。全氮全磷含量参照《土壤农业化学分析方法》，其中，植物全氮含量测定采用H2SO4-H2O2消煮-凯式定氮法，植物全磷含量测定采用H2SO4-H2O2消煮-钒钼黄比色分光光度法；土壤全氮含量测定采用浓硫酸消煮-蒸馏定量法，土壤全磷含量测定采用浓硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法。

2 结果与分析

2.1 冷季型禾草人工湿地对氮磷的深度净化效果

2.1.1 TP的去除效果及分析

图2为种植冷季型禾草植物潜流人工湿地进出水TP浓度及去除率变化的趋势，TP的进水浓度在1.03 ～2.23 mg/L。种植初期，由于禾草植物刚生长成型，对照组与种植早熟禾、剪股颖湿地无显著差异(P=0.521>0.05)，均在较低水平。随着禾草根系大量滋生，从11月起禾草湿地对TP的去除率迅速增加，尤为显著的是黑麦草和苇状羊茅，平均去除率为83.27%和81.34%，在进水浓度相差不大的情况下，比番茄-常绿鸢尾、番茄-再力花、番茄-美人蕉组合生态系统对TP的平均去除率高11.51%[20]；比经济植物水稻、水雍菜潮汐流人工湿地系统去除率约高20%[21]。比花卉植物绿萝、发财树、观音竹、白掌的组合系统去除率高约13%[22]；通过对比可知，黑麦草和苇状羊茅在去除TP方面具有独特优势，这可能是因为黑麦草和苇状羊茅在生长期对磷需求较大。经黑麦草和苇状羊茅处理后的出水TP浓度达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002) 一级A 标准。匍匐剪股颖对TP的去除率维持在中等水平且较平稳，为62.80%～75.10%。总体来说，随时间变化禾草对TP的去除率逐渐增加，同一月份去除率大致表现为黑麦草>苇状羊茅>剪股颖>CK>早熟禾。

图2 冷季型禾草人工湿地TP浓度及去除率Fig.2 Concentration and TP Removal Rate by Constructed Wetland with Cold-Season Grasses

2.1.2 TN的去除效果及分析

图3 冷季型禾草人工湿地TN浓度及去除率Fig.3 Concentration and TN Removal Rate by Constructed Wetland with Cold-Season Grasses

图4 冷季型禾草人工湿地浓度及去除率Fig.4 Concentration and Removal Rate by Constructed Wetland with Cold-Season Grasses

2.2 冷季型禾草人工湿地系统氮磷物料平衡分析

2.2.1 冷季型禾草人工湿地系统磷素平衡分析

此人工湿地对磷的去除主要通过基质的吸附和交换，还有一少部分磷元素通过植物的吸收与同化、微生物的同化、聚磷菌的摄取以及草皮收割而去除[29]。表4为冷季型禾草人工湿地系统磷素平衡分析，图5为磷的各迁移途径占湿地系统进水磷负荷的比率。

由图5可知，具植物湿地系统对进水中磷的去除率在58.64%～84.03%，无植物对照组对磷的去除率为50.34%，由此可知，植物的存在对于湿地系统对磷的去除有着不可忽视的作用[30]。湿地基质对磷的去除率为49.73%～70.60%，占进水磷负荷几乎一半以上，比植物吸收和微生物作用对磷的去除作用强，与前人研究一致[31]，基质吸附是人工湿地中磷去除的主要途径。研究表明，填料中含有Fe、Al氧化物时，磷酸根可通过配位体交换吸附到铁和铝离子表面，也有利于形成溶解度很低的磷酸铁与磷酸铝[32]；填料中含Ca高时，磷可与Ca反应生成不溶性的磷酸钙沉淀，且微生物和植物的存在可以促进此反应[33]。本研究中，各植物湿地对磷的去除率较好，可能与所用基质中含大量Fe、Al、Ca有关。由表4可知：4种湿地基质富集的磷含量在22.23～27.13 mg P/(m2·d)，从大到小排序为苇状羊茅>黑麦草>剪股颖>早熟禾；无植物对照组富集的磷含量为19.89 mg P/(m2·d)，低于湿地组，说明种植植物有利于湿地基质对磷的富集。植物吸收对磷的去除率有所差别，其中，黑麦草和剪股颖吸收10%左右，苇状羊茅吸收9.5%左右，而早熟禾仅吸收2.77%，表明植物吸收只占磷去除的小部分，不是主要途径[34]。综上，湿地系统对磷的去除主要依靠基质的富集，植物和微生物对磷的去除具有一定的作用。

表4 冷季型禾草人工湿地系统磷素平衡分析 [单位：mg P/(m2·d)]Tab.4 Analysis of Phosphorus Balance in Constructed Wetland System with Cold-Season Grasses [Unit: mg P/(m2·d)]

图5 各除磷途径占湿地系统进水磷负荷的比率Fig.5 Ratio of Phosphorus Removal Pathways to Influent Phosphorus Load in Wetland System

2.2.2 冷季型禾草人工湿地系统氮素平衡分析

表5 冷季型禾草人工湿地系统氮素平衡分析 [单位：mg N/(m2·d)]Tab.5 Analysis of Nitrogen Balance in Constructed Wetland System with Cold-Season Grasses [Unit: mg N/(m2·d)]

图6 各除氮途径占湿地系统进水氮负荷的比率Fig.6 Ratio of Nitrogen Removal Pathways to Influent Nitrogen Load in Wetland System

2.3 冷季型禾草人工湿地系统实际应用价值

试验研究发现，在本试验构建的冷季型禾草人工湿地系统中，黑麦草和苇状羊茅对氮磷的去除效果较好且适应湿地环境，可作为冬季湿地植物的同时产生一定的经济价值；剪股颖和早熟禾效果欠佳，不考虑作为可选冷季湿地植物。为了更好地评估黑麦草和苇状羊茅2种禾草的应用价值，现将其与其他冬季湿地植物对氮磷的去除率、经济价值进行对比，如表6所示。

由表6可知：从TN、TP的去除效果来看，水芹(OenantheJavanica)、美人蕉(Cannaindica)、黄菖蒲(Irispseudacorus)、芦苇(Phragmitesaustralis)等在冬季不可避免地出现衰败现象，导致其在夏秋季去除率较好，冬季去除率大幅下降，影响人工湿地冬季的去除效果和在我国北方地区的推广，而本是冷季型禾草的黑麦草和高羊茅由于适应低温且根系繁密，在冬季仍表现出较高的去除率。从各种湿地植物的经济价值看，水芹作为主要经济作物，具有一定的经济价值；美人蕉、黄菖蒲作为水生观赏植物，可以营造优美的水体景观，主要表现为观赏价值；芦苇木质素含量较高，导致其营养价值难以开发利用，而经济价值较差；黑麦草和苇状羊茅成坪速度快，可进行多次换茬且市场需求量大，经济价值高于其他几种常规湿地植物。此外，禾草可在一个生长周期完成后连带黄土、细沙等少量基质用草铲切取后进行后续移植，缺少的基质可以通过换新达到增加湿地系统去除效果的作用。综上，黑麦草、苇状羊茅以其独特的冬季去除率和较高的经济价值从各种湿地植物中脱颖而出，具有广阔的应用前景。

表6 冷季湿地植物氮磷去除效果及经济价值对比Tab.6 Nitrogen and Phosphorus Removal Effect of Cold-Season Grasses and Economic Comparison in Constructed Wetland

3 结论

(2)对进水氮和磷在湿地中迁移转化规律的研究表明，湿地系统对磷的去除主要依靠基质的富集，去除量占进水磷负荷的49.73%～70.60%，通过植物吸收去除的磷占进水磷负荷的2.77%～9.96%。湿地系统对氮的去除主要依靠微生物作用，去除量占进水氮负荷的22.62%～37.22%，其次是基质的富集作用，去除量占进水氮负荷的20.60%～26.11%，植物的吸收只占很小部分，比例为0.50%～3.81%。

(3)去除效果方面，黑麦草和苇状羊茅在冬春季对氮磷的去除效果远高于其他几种常规湿地植物。经济价值方面，水芹作为主要经济作物，具有一定的经济价值；美人蕉、黄菖蒲作为水生观赏植物可以营造优美的水体景观，主要表现为观赏价值；芦苇木质素含量较高，导致营养价值难以开发利用而经济价值较差；黑麦草和苇状羊茅成坪速度快可进行多次换茬且市场需求量大，经济价值高于其他几种常规湿地植物。