典型华南人工湿地植物的净水效果研究

杨永民，孙弋婷

(1.仲恺农业工程学院，广东 广州 510225；2.仲恺农业工程学院建筑节能可持续发展研究所，广东 广州 510225)

人工湿地是由人为建造和人为控制并运行的类似于生态沼泽地的地面，用人工建成一个或多个水池或沟槽，在底层铺设一层特定的防渗漏隔水层，再填入具有一定深度的土壤层或者填料层，再将维管束类植物或是根部较为发达的水生植物种植于表层，最后在人工建造的特定湿地上有控制投入废弃排水，流动过程沿着特定的、有规律的方向，主要是利用土壤、生物、化学、人工介质、植物、微生物等多重协同作用，进行一系列净化处理的一种技术[1-3]。

非自然人工的湿地系统与传统的污水集中处理工厂之间相比较具有投资金额小、运行成本较低等一系列显著的优势，在人口密度相对较小的农村地区优势较为明显，人工湿地技术同传统的污水集中处理的工厂相比，一般情况下投资资金可减少1/3～1/2[4-7]。所以在相比之下，建设人工湿地比传统的污水集中处理的工厂更加经济，成本相对较低。其次，在人工湿地中使用纯生物技术对水质进行过滤、净化，而污水处理厂则使用传统的化学方法，因此污水集中处理的工厂在进行污水处理的过程中会产生大量含有害化学成分的有害物质，从而严重影响环境，而非自然人工建造湿地却不存在二次污染的情况，能够有效的保护环境。人工湿地主要由水生植物、水花等抗旱植物组成，对污水处理具有良好的视觉效果，有利于农村环境的改造[8-10]。除此之外，人工湿地还有一些其他的优势，其可以带来可持续的经济效益，在人工湿地上可以选种一些同时具备净化效果和经济价值较高的水生植物，在污水处理的同时产生可持续的经济效益。再次，人工湿地的运行和管理也比污水处理厂更简单、更方便，所采取生物方法进行自行运转，基本上不需设定专人负责运行，只需定期清理打扫格栅池、隔油池、水生植物每年打理一次即可。最重要的是，一般而言，人工湿地的寿命计算为10～15年，即在设计相对完善的湿地系统后，填充床必须在15年后清洁。填充床经施工的潮湿区域清洁，达到使用寿命后，可再次使用。另外，使用渠道和改进本地管道安装的传统工厂通常需要一年以上的时间，而人工湿地的建设周期时间相对较短，其平均建设周期时间快于3个月，因此建设人工湿地能更短时间的进行投入运用[11-14]。

根据植物不同的优势种分为浮水植物人工湿地，浮叶植物人工湿地，挺水植物人工湿地，沉水植物人工湿地等各种不同类型的人工湿地类型[15]。植物在湿地污水处理中具有非常重要的作用，湿地具有分解和转化有机物和其他物质的能力，通过吸收同化等作用，能够直接从被污染的废水中吸收自身可以加以利用的营养物质，例如，氮、磷、铵盐、硝酸盐和磷酸盐可以被某些植物吸收到水中，最终通过植物收割的方式离开水体[16-18]。水生植物的根、茎、叶中都可以吸收和富集一定量重金属的能力，其中植物根系的吸收能力最强，沉水植物具有较强的吸附能力，发达的根系和密集交织的水生植物也能有效捕获和吸附固体颗粒。此外，植物根系是微生物栖息、种植和繁殖的重要场所，较大的表面为微生物的吸附和生长提供了更好的栖息地，微生物也可以在水中污染物的降解中发挥重要作用[19-24]。

本文通过对华南地区气候条件下的考察，供试湿地植物对低浓度生活污水的适应性，并测定了其对污水中污染物的净化效率，再结合植物的抗逆性、本土性和视觉效果筛选出合适的湿地植物，可为河道生态型堤岸构建、人工湿地对污水处理等实际应用提供参考数据和理论依据。

1 试验方法和试验方案

1.1 试验方法

初筛试验时的浮床植物开始的时候，使用1个对照空白桶以及3个实验桶内注入12 L的实验用水，试验用水质见表1，通过4个小孔将4株浮床植物附着在泡沫上，将泡沫放入小桶中，使植物根部完全浸入水中；对照空桶仅充满水中的泡沫。每3天取样检测1次，并定期向桶内加入去离子水，以保持水位。

表1 试验用水水质

1.2 试验方案

经过实地调研后，通过收集野生植物和购买园林植物，初步选取14种植物为研究对象(表2)，其中梭鱼草、水芋、香蒲、菖蒲、风车草、灯心草、藨草均为具有观赏价值的水生植物；石芒草、薏苡、春芋、红蛋、花叶良姜、黄苞蝎尾焦属于热带本土植物，喜高温多湿的环境；象草的生态效益草作为生态系统的主体，既能涵蓄水源、净化空气、调节气候，又能保持水土、固堤护坡。将收集到的植物通过移植，种植到一个塑料方形盆中，每种植物种3盆，每盆栽种4株。再留3盆不种任何植物，作为空白对照。植物种植完1个月后，将植物放置于室外，吸收自然光照，试验第一步用清水浇灌，第二步用一半清水一半污水进行浇灌，最后成活的植物再全部用污水进行浇灌(图1)。盆栽试验分2个阶段，第一阶段控制停留时间为8 h，第二阶段停留时间约24 h。监测分析项目包括COD、TN和TP去除率(表3)。

COD去除使用重铬酸钾法，重铬酸钾法的原理是在强酸性溶液中，一定量的重铬酸钾氧化水样中还原性物质，过量的重铬酸钾以试亚铁灵作指示剂、用硫酸亚铁铵溶液回滴。根据用量算出水样中还原性物质消耗的氧。TP去除使用钼酸铵分光光度法，在中性条件下用过硫酸钾(或硝酸-高氯酸)使试样消解，将所含磷全部氧化为正磷酸盐。在酸性介质中，正磷酸盐与钼酸铵反应，在锑盐存在下生成磷钼杂多酸后，立即被抗坏血酸还原，生成蓝色的络合物。TN去除使用碱性过硫酸钾进行消解和紫外分光光度法，过硫酸钾是强氧化剂，在60℃以上水溶液中可进行分解产生原子态氧，分解出的原子态氧在 120～140℃高压水蒸气条件下可将大部分有机氮化合物及氨氮、亚硝酸盐氮氧化成硝酸盐。

表2 供试人工湿地植物

图1 试验步骤

表3 物化指标分析指标和测试方法

2 试验结果及分析

2.1 对污水的适应能力及抗逆性

在试验过程中，蝎尾蕉和石芒草在移栽到方盆中后，虽然经过第一步清水及第二步半清水半污水浇灌后，但这显然不适合模拟湿地环境的污水，生长缓慢，并表现出不适现象。而其他10种植物在夏季可以正常生长，而且生长得较快。试验过程中广州常年秋冬季的平均气温分别为17.7、14.4℃，虽然和夏季相比，试验植物的生长速度不同程度地减慢，但其中梭鱼草、菖蒲、香蒲、象草、春芋及风车草仍然表现出有较高的活力，而灯芯草、石芒草、蝎尾蕉和花叶良姜则生长缓慢。

表4记录了试验期间，供试湿地植物在抗冻抗热和抗病虫害两方面的抗逆性表现和景观效果。因广州属于亚热带海洋性气候，冬季一般从1月中旬开始至2月初，时间很短，平均气温可达15℃左右，所以试验过程中供试植物的抗冻性表现得并不明显，只有灯芯草一种植物在冬季出现了明显的生长停滞现象。

表4 供试植物的抗逆性及景观效果

2.2 COD去除效果

在图2中得知，当试验停留时间控制在8 h的时候，供试植物的COD检测去除率由大到小依次为：梭鱼草>风车草>灯芯草>菖蒲>红蛋>春芋>水芋>薏苡>藨草>石芒草>空白对照>香蒲>蝎尾蕉>象草。其中，梭鱼草是检测去除率最高的植物，达到82.4%，其去除效果明显高于石芒草以及其他排名在石芒草之后的植物(p<0.05)，包括空白对照。在所有供试植物中除了梭鱼草和风车草之外，其余11种植物和空白对照的COD转移率差异并不显著 (p>0.05)。

当停留时间为24 h时，供试植物的COD检测去除率由大到小依次为：水芋>灯芯草>春芋>蝎尾蕉>空白对照>梭鱼草>香蒲>薏苡>花叶良姜>风车草>石芒草>红蛋>菖蒲>象草(图3)。水芋是检测去除率最高的植物，为87.7%，显著高于风车草和排在其后的其他植物(p<0.05)。而COD检测偏低可能是加入的物质与有机物质有一定的沉降作用，导致所有供试植物与空白对照都没有显著差异(p>0.05)。

图2 植物种类对COD的去除率(%)

图3 COD去除率随停留时间增加的变化情况

2.3 TN去除效果

在图4中显示了供试植物对TN的去除效果。停留时间为8 h时，对TN的检测去除率由大到小依次为：菖蒲>象草>薏苡>水芋>梭鱼草>春芋>石芒草>香蒲>风车草>红蛋>空白对照>藨草>蝎尾蕉>灯芯草。其中，菖蒲和象草对TN的去除效果明显高于薏苡以及其他排在其之后的植物(p<0.05)，藨草、蝎尾蕉和灯芯草在空白对照中并无显著差异(p>0.05)。

图4 盆栽对TN的去除率(%)

停留时间为24 h时，去除TN效果由高至低排列顺序为：菖蒲>象草>风车草>香蒲>薏苡>水芋>春芋>梭鱼草>红蛋>石芒草>空白对照>蝎尾蕉>灯芯草>花叶良姜。菖蒲和象草的平均TN去除率可分别达到95.2%和95.0%，去除率明显高于其他植物(p<0.05)，空白对照的TN去除率(49.8%)显著低于石芒草和其他排名在其之前的植物(p<0.05)。与停留时间为8 h的情况相比，当停留时间延长到24 h时，除灯芯草外，其他植物，包括空白对照，不同程度地提高了TN的去除率(图5)。菖蒲最低为5%，风车草最多，达到30.4%。

图5 TN去除率随停留时间增加的变化情况

2.4 TP去除效果

停留时间为8 h时，各供试植物对污水中TP的平均去除率见图6。从高到低为：菖蒲>灯芯草>风车草>梭鱼草>薏苡>春芋>象草>香蒲>水芋>藨草>蝎尾蕉>石芒草>红蛋>空白对照。其中，去除率最高的是菖蒲，达到91.7%，显著高于梭鱼草及排在其后的其他植物(p<0.05)。除了石芒草和红蛋之外，其他植物去除TP的效果均明显好于空白对照(p<0.05)。

停留时间为24 h时，对TP的平均去除率排序依次是：风车草>菖蒲>薏苡>香蒲>象草>水芋>灯芯草>梭鱼草>春芋>红蛋>蝎尾蕉>石芒草>空白对照>花叶良姜。风车草的TP平均去除率最高，为93.8%，明显高于水芋和其他排在其之后的另外7种植物(p<0.05)。空白对照的TP平均去除率为60.7%，显著低于除蝎尾蕉、石芒草和花叶良姜外的其他10种植物(p<0.05)。停留时间增加到24 h后，各供试植物对TP去除率均表现出不同的变化趋势(图7)。

图6 盆栽对TP的去除率

图7 TP去除率随停留时间增加的变化情况

3 植物根区基质酶活性对水质净化效果的影响

根据以上3种试验得到植物根区基质酶活性对水质净化效果的影响效果，由图8可以看出，各供试植物之间根区基质脲酶活性变化较大。相关性分析表明，根区基质脲酶活性与TN去除率的距离呈显著相关(r=0.817 8、P<0.05)。结果表明，在净化过程进行的盆栽试验中，TN的去除以基质脲酶对其降解为主要因素；也表明了植物根区基质脲酶活性的大小在一定程度上可以作为湿地植物去除TN能力高低的判定依据。

图8 植物根区基质脲酶活性与TN去除率

图9所示相关性分析表明根区基质磷酸酶活性与TP去除率之间的相关性并不显著(r=0.111 5、P<0.05)，这说明在本研究试验中，可能是由于浇灌植物的污水中有机磷的含量较低，根区磷酸酶通过酶促反应水解有机磷化物对去除TP的贡献较小，磷酸酶对其的降解并不是去除TP的主要因素。

图9 植物根区基质磷酸酶活性与TP去除率

这说明，在本次研究试验中，含氮和含磷的有机污染物占污水中总有机污染物的比例较低，因而脲酶对有机氮化物以及磷酸酶对有机磷化物的水解不是本次盆栽试验污水净化的主要途径。脲酶活性与TN的降解呈显著正相关，几乎达到非常显著的水平，但脲酶活性与BOD和COD的降解相关性不明显，这可能是由于氨氮和磷化合物在总污染物中所占比例相对较低所致(图10)。

a)磷酸酶活性

b)脲酶活性

4 结论

a)灯芯草、石芒草、蝎尾蕉和花叶良姜明显不适应污水浇灌的模拟人工湿地环境。而梭鱼草、香蒲、菖蒲、象草、薏苡、风车草生长速度快，生物量大，适宜在污水环境中种植。

b)植物的COD去除率由大到小依次为：梭鱼草>风车草>灯芯草>菖蒲>红蛋>春芋>水芋>薏苡>藨草>石芒草>空白对照>香蒲>蝎尾蕉>象草。除藨草、蝎尾蕉、灯芯草和花叶良姜外，梭鱼草等10种供试植物对TN的去除率均明显高于其空白对照。种植蝎尾蕉、石芒草和花叶良姜的盆栽对TP的去除效果在空白对照之间并无显著变化，红蛋停留时间为8 h的TP去除率较差(68%)，梭鱼草等10种植物能够显著提高TP的去除能力。

c)综合供试湿地植物对污水环境的适应性、净化能力、抗逆性和景观效果等指标，9种植物(菖蒲、象草、风车草、香蒲、薏苡、水芋、春芋、梭鱼草和红蛋)适宜种植在人工湿地系统中。脲酶和磷酸酶活性与盆栽的COD去除率之间存在显著的相关性，植物根区基质脲酶酶活性与盆栽的TN去除率和TP去除率之间没有显著的相关性。