不同水生植物对污水处理厂尾水的生态净化效果

城发水务有限公司 李建民

污水处理厂的污水通常包括生活污水、畜禽养殖污水、农业面源污水和工业污水，主要含有有机污染物、氮、磷、悬浮物等污染物，生化性好，具有点多、宽、散、量小等特点。农村污水处理工艺的选择应考虑经济发展与环境保护的关系以及污水排放与利用的关系。农村生活污水常用的传统污水处理技术有AO工艺、MBR工艺、A2O工艺、SBR工艺、生物接触氧化工艺、BAF工艺、净化池工艺和组合工艺。传统的污水处理技术可以很好地处理农村污水，但由于投资和运行成本高，运行管理复杂，难以在农村地区广泛应用。此外，传统的污水处理技术还面临着污水处理厂污水质量和数量变化较大所造成的出水不稳定问题。水生植物净化污水是替代传统水体修复的措施之一，具有环境友好、生态友好、经济高效等特点。水生植物吸收能去除重金属、氮磷营养物、碳氢化合物、除草剂、杀虫剂、杀菌剂、抗生素等物质，是一种能耗低、成本低、维护方便的污水净化技术。用于净化污水的水生植物一般选用具有一定净化能力、抗污染、抗虫害、适合就地栽培、易于管理、综合利用价值高、能美化景观的水生植物。目前人工湿地的研究和应用较多，而生物浮床的研究较少，特别是挺水植物浮床在污水处理厂的应用研究较少。在污水处理厂安装生物浮床，不仅可以配合微生物稳定净水、美化环境，还可以降低运行过程中的能耗和成本，降低运行费用。然而，现有的研究大多集中在污水处理厂尾水或模拟污水净化效果，相关研究结果表明，污水处理厂尾水中的水生植物具有明显地去除水中氮、磷的能力，但某水厂对污水处理厂与生化池的适应性及水质净化效果不明确，阻碍了床与某水厂污水处理厂的耦合应用。本实验选取芭蕉、鸢尾黄和芦苇，采用静态培养方式处理农村污水处理厂进水和生化池污水，考察了挺水植物对污水中污染物的净化能力和适应生长情况。为挺水植物浮床在农村污水处理厂的选择和应用提供实验依据。

一、水生植物对湖泊水体净化的作用研究

（一）水生植物净化水体的途径

1.直接吸收

对于水生植物来说，它们的生命周期比藻类长得多，它们会将从水中吸收的营养物质释放出来，直到完全死亡。这是储存在挺水植物中的磷等元素比藻类具有更突出的稳定性特征的主要原因。基于此，建议在水体富营养化状态下种植一定数量的水生植物，以去除水体中过量的元素，并在此过程中获取更多与水生植物相关的生物资源。植物的特征直接吸收的磷和氮的化合物，在根分泌的生长状态可以促使一系列更沉迷于磷、氮和其他元素细菌生长过程的特点，为了实现磷的变换、氮等元素为目标提供了完美的条件，从而促进水净化效率达到目标。

2.微生物降解

对微生物来说，通过一系列的代谢活动可以对水体中的化合物进行生物降解。以氮素为例，虽然植物吸收在这一过程中表现出了良好的应用效果，但硝化和反硝化仍然是使用的主要去除机制。水生植物在这一机制的支持下，可以去除约40-90%的氮。从这个角度来看，微生物在整个水质净化环节的降解突出作用不容忽视，如果能够支持使用水生植物生长代谢活动的正确解决方案，将会产生氧气和其他类型的营养的支持下扮演一个重要的角色，可促进微生物的生长，为提高污染物降解的效率奠定基础[1]。

3.抑制藻类生长

对于水生植物来说，由于其生命周期长，能够吸收更多的营养物质，在竞争过程中具有比藻类更大的优势，这也是它们抑制藻类生长速度的主要原因。一些水生植物因其自身的浸出液而增强了抑制藻类生长的能力。此外，大量的水生植物促进生态空间的增加，这是伟大的现实意义的提高光和在水中溶解氧条件，提供完整的食品和生活条件一系列的水生植物，它是生物多样性的保持状态的关键因素。部分藻类作为小型水生生物的主要食物，会逐渐聚集在植物周围生长，为藻类的生长减慢打下基础。

4.物理化学分解

一些存在于水和沉积物中的营养物质会随着植物的吸收和挥发而逐渐消失。存在于水生植物湖边，部分原因是土壤表面或接近风速可以减少水体的位置的原因，使水中悬浮物沉积的量大大减少，进而将存款材料减少的风险再悬浮现象，使水与植物的接触时间显著延长，为保证水生环境的稳定提供了完善的条件，它在降低水体浑浊度方面也起着重要作用[2]。

（二）影响水生植物对富营养化水体净化的因素

1.水体富营养化程度

研究发现，当氮、磷含量处于正常范围时，随着氮、磷含量的增加，挺水植物对富营养化水体污染物的净化作用也随之增强。同时，由于不同品种的植物在生长规律上，对养分的需求和养分需求规模、养分饱和极限以及植物根系对微生物生长繁殖的影响等方面都有很大的差异，因此，对于多种富营养化水体都采取了不同的处理效果，在一定浓度下，随着水体中N、P等元素的添加，植物的净化效果也得到了提高[3]。一旦超过了这个限度，植物的净化效果就会降低，植物的生长就会受到不利的影响。

2.挺水植物移植

因为不同的植物对不同的污染物有不同的净化效果，不同的植物在不同的阶段有不同的生长速率和代谢，所以合理的多株植物组合的净化效果要优于单一的植物。同时，可以通过多种植物的搭配增加品种的多样性，从而保证系统的稳定性，降低病虫害发生的概率。在植物中，挺水植物、沉水植物、漂浮植物和漂浮植物表现出明显的生态差异性[4]。例如，被水淹没的植物，它们的根、茎和叶可以很好地从水中吸收营养。挺水植物有更强壮的根系，可以从土壤中汲取养分。漂浮植物有高度发达的根系，可以从水中吸取养分；浮叶植物的根和茎生长在泥沙中，能从水和泥沙中吸收养分。几种植物与单一挺水（沉水）水生植物组合。

3.其他因素

温度、光照、微生物等因素也会影响植物对富营养化水体的净化效果。一般来说，温度越高，植物生长得越好，吸收的养分越多，生物量越多，净化效果越好。相比之下，一些抗寒植物在冬天可以更好地净水。光照强度会在一定程度上影响植物的光合作用和生长，从而导致净化效果的变化。植物对N、P的利用和吸收与根系中的微生物密切相关，微生物的种类和数量也对植物的净化效率有一定的影响。

二、材料与方法

（一）植物选择

实验植物为江淮地区常见的美人蕉、鸢尾和芦苇。

（二）实验用水

实验分为低浓度组和高浓度组。低浓度组用水为合肥地区某村级污水处理厂生化池的混合水。高浓度组用水为污水处理厂原水。试验水的主要理化指标见表1。

表1 实验用水水质主要理化指标

（三）实验方法

该实验于2019年5月至6月进行。将挺水植物幼苗清洗后置于自来水中放置1周，并测量初始的植物样值。实验设置3组平行处理装置，每个处理装置有每个处理组的水量低浓度组为45L生化池混合水，高浓度组为污水处理厂原水45L。低、高浓度组分为美人蕉组、鸢尾黄组、芦苇组、联合组和空白组5个处理组。每个处理组种植3棵幼苗，用泡沫板固定在水箱中。联合组种植美人蕉、鸢尾黄和芦苇，空白组不种植任何植物。实验中使用的水箱为PP材质，水箱尺寸75cm×25cm×50cm，容积为93.74L。在实验开始时，确定污水中污染物的初始浓度。之后每周采集两次水样，间隔3-4天，在实验室中测定COD、TN、NH4+-N和TP浓度。每周采集一次植物样品，每株测量鲜重3次，取平均值。试验期为28d，每次采集水样后，按污水的相应比例补充水量至45L。室温由温度计测量，水温、pH值和DO由便携式pH计（WTWpH3310）和便携式溶解氧计（WTWOxid3210）测量。水质指标采用《水与废水监测与分析》（第四版）方法确定[5]。采用称重法测定新兴植物的鲜重。排污量是鲜重增加的单位。水中污染物浓度降低单位为mgTN/g。污染物去除率是污染物在28天后初始浓度下降的百分比。

三、结果与讨论

（一）污染物处理过程中不同植物的生长

植物生物量的增加以植物鲜重表示。在图1中，美人蕉属植物生物量的美人蕉，虹膜黄色和芦苇南极光增加到在实验中，不同程度和植物生长更快地在4至11天在低浓度废水，和有一个适应高浓度废水缓冲阶段。美人蕉在低、高浓度污水中的适应性较好，其次是鸢尾黄，芦苇生长较差。试验结束时，美人蕉在低、高浓度污水中的平均增重分别为227g和247g。TN和TP的计算去除率分别为0.43mgTN/g和0.41mgTP/g，2.02mgTN/g和1.56mgTP/g。美人蕉生长环境广阔，能在不同污染程度的污水中良好生长。在一定污染范围内，氮、磷浓度越高，吸附量越大。这与之前关于尾水的研究结果相似。Chen等研究了蚯蚓、水菠菜和葛藤的生物量对污水处理厂尾水净化效果的影响，发现TN、TP和NH4+-N初始浓度分别为8.36mg/L、1.17mg/L和2.17mg/L时，各类群的生物量在前期迅速增加，后期减缓。不同植物对尾水的净化效果不同，不同初始生物量对净化效果影响不大。综上所述，水生植物对污染物的去除效率与植物生物量净增加之间存在较高的相关性，当生物量适当增加时，吸收效率会提高。

图1 三种挺水植物鲜重增长情况

（二）植物对不同浓度污水中污染物的去除效果

1.COD的去除效果

去除鳕鱼水生植物通过吸附、吸收、稳定和退化，植物根系的巨大的比表面积可以吸收大量的有机物质，也可以解析释放到水在任何时候，所以水生植物可以净化，去除鳕鱼在水中一段时间。随着时间的推移，低、高浓度污水中COD浓度显著降低，高浓度组的浓度显著降低。美人蕉、鸢尾黄、芦苇及联合组处理28d后，低浓度组COD浓度为24-35mg/L。高浓度组COD浓度为35-55mg/L。低浓度的不同处理组COD浓度呈现出先快速下降后锯齿状上升的波动现象，这可能是由于水体本身有机含量低，以及净化后种植的水生植物溶入水中造成的。高浓度不同处理组COD浓度的下降幅度逐渐放缓，说明随着有机物浓度的降低，植物对有机物的去除能力逐渐减弱。COD浓度的明显下降可能是由于微生物的吸收和降解以及有机物的沉降所致。

2.TN去除效果

3种挺水植物对TN均有较强的去除效果，低浓度组TN最终浓度降1.00-4.90mg/L，对TN的去除能力由强到弱为美蕉〉组合〉黄风筝尾部〉芦苇，去除率分别为86.61%、85.21%、84.34%、69.34%，显著高于空白组。TN的去除率随着时间的增加逐渐降低。水生植物在低浓度污水中培养4-11天对TN的去除效果较好，后期逐渐降低。结合鲜重的变化，低浓度组水生植物栽培的第4-11天是生长阶段作物养分利用率最高的时期。这一阶段的植物生长迅速，吸收养分的能力很强。在后期，水生植物对TN的去除效果减缓，这可能是由于在栽培过程中植物根系分泌的含氮有机质增加了根系周围水体的TN浓度。由于植物在高浓度废水中生长处于适应性缓冲阶段，高浓度废水中TN含量在前期波动缓慢，后期显著下降。总氮去除率分别为68.03%、59.63%、58.81%和46.11%。2017年农村污水处理的29种水生植物，筛查出29种水生植物具有良好的农村零售生活污水净化效果，并比较这29种水生植物的净化能力。结果表明，美人蕉、芦苇等挺水植物对农村生活污水具有较高的净化能力，适合用于农村生活污水的植物修复和处理。

四、结语

在污水处理厂进水口水和生化塘水的静态实验中，挺水植物的生物量有不同程度的增加，对污染物有持续的去除作用。在低浓度废水中，植物适应快，4-11天为快速生长阶段。在高浓度废水中，植物恢复缓冲时间较长，甚至植物不耐。且快速生长期低浓度组TN去除率占总去除率的95.36%。挺水植物主要去除污水中的氮、磷，对COD的去除作用不大。美人蕉对高浓度废水中TN、TP的去除率最高，分别为68.03%、47.69%。美人蕉、鸢尾黄和芦苇组合对TN和TP的去除效果优于鸢尾黄和芦苇组合，说明植物组合具有正向作用，3种挺水植物可以一起种植。挺水植物在快速生长期对污水中氮、磷等营养物质的去除有增强作用，但成熟后对有机物的去除有影响。因此，要注意紧急植物的生长期和及时地收集和重新种植的植物在浮动床的农村污水处理厂，以确保稳定的水质净化下水生植物和污水微生物的协同作用。此外，美人蕉能够在良好的生长条件下吸收高浓度废水中的水污染物，种植美人蕉生物浮床可以在各乡镇污水处理厂生化处理阶段设置，以降低生化处理负荷，同时可在生化反应相浓度较低的部分种植鸢尾和芦苇等，加强氮磷的效果，从而降低污水运行成本，提高出水效果。