以馬蹄蓮為主體植物的人工濕地處理低濃度污水中試研究

1、以馬蹄蓮為主體植物的人工濕地處理低濃度污水中試研究向長生1，張彭義1*，盧少勇1, 2，王 泰1，桂 萌11. 清華大學環(huán)境科學與工程系，北京 100084；2. 中國環(huán)境科學研究院湖泊生態(tài)環(huán)境創(chuàng)新基地/國家環(huán)境保護湖泊污染控制重點實驗室，北京 100012摘要：人工濕地中集污染物吸收效果好、生境改善、觀賞性好和經濟性好于一體的植物篩選將支持濕地的長效低耗運行。報道了以觀賞性和經濟性植物馬蹄蓮(Zantedeschia aethiopica)為主要植物的人工濕地中試床(5 m1 m1.1 m)處理低濃度農村污水的研究。結果表明，在水力負荷為6，10和20 cmd-1的條件下，該系統對CODCr

2、(化學需氧量)、TN(總氮)、硝氮、氨氮和TP(總磷)的去除率分別大于56.4%、71.4%、71.4%、49.6%和56.6%。同處旺盛生長期(8月)而溫度相近時，低水力負荷(6 cmd-1)組的硝氮、氨氮和TP的去除率高；高水力負荷(20 cmd-1)組的TN去除率高，進水TN中的有機氮占的比例比低水力負荷(6 cmd-1)的高10%。馬蹄蓮人工濕地系統在休眠期(6月和7月)和在旺盛生長期相比，由于溫度高而具有高的CODCr和N去除率，由于枯枝落葉的腐爛溶出以及進水負荷高而具有低的TP去除率。研究結果可為人工濕地等生態(tài)系統中選擇植物時參考。關鍵詞：人工濕地；馬蹄蓮；休眠期；負荷中圖分類號：

3、X703 文獻標識碼：A 文章編號：1672-2175（2007）05-1368-04表1 水和植株測定指標與分析方法Table 1 Measurement idex and method of water and plant sample分析指標分析方法水化學需氧量(COD)重鉻酸鉀法氨氮(NH3-N)納氏試劑光度法硝酸鹽氮紫外分光光度法總氮過硫酸鉀氧化紫外分光光度法總磷鉬銻抗分光光度法溫度-溶解氧電極法pH值電極法植株全氮H2SO4-混合加速劑-蒸餾法全磷釩鉬黃吸光光度法全鉀火焰光度法含水率常壓恒溫干燥法(105 30 min，65 至恒質量)包括人工濕地在內的污水處理和生態(tài)修復工程建成后

4、的低費用甚至零費用長期運行是污水處理工作者需要解決的實際難題1，也是管理者和人民所樂于接受的。由于濕地中植物至少具有如下一些重要作用：能為微生物等創(chuàng)造良好的生境、能有助于布水、能吸收污染物、通過光合作用分泌氧氣；因此濕地中植物非常重要。蘆葦、香蒲、茭草等常見的人工濕地植物在10月份到翌年1月份之間枯萎、倒伏和衰亡現象非常嚴重，此時植物對土壤和水中的碳、氮和磷的吸收量降低，而且，植物衰亡溶解釋放導致植物體中的部分碳、氮和磷釋放到濕地的填料表層的水體中，此外，植物的光合作用強度降低，對濕地系統的充氧作用降低，常會導致濕地的去除率在此期間降低2-10。馬蹄蓮(Zantedeschia aethiop

5、ica) 11-12為天南星科(Araceae)植物，原產南非，四季常綠，屬觀賞植物，是我國民間用于喜慶的花籃和花束的主要切花，大面積栽培能獲得較好的經濟效益，且美化環(huán)境。馬蹄蓮喜溫暖濕潤，可耐4 低溫，生產期最適宜的溫度為1820 (白天)和10 (夜間)；花期喜水、喜肥，適溫20 左右，夏季為其休眠期。人工濕地中常用的植物為香蒲(如北美洲)和蘆葦(如歐洲和亞洲)，而馬蹄蓮在人工濕地中應用的報道較少。馬蹄蓮具有營養(yǎng)物含量高、觀賞性強和經濟性好的優(yōu)點。因此本研究中在昆明進行了主體植物為馬蹄蓮的人工濕地中試研究，以期為濕地中經濟作物型(主體)植物的使用、濕地全年運行以及濕地的低費用運行做出一定的

6、探索。1 材料和方法1.1 實驗場址實驗場址位于云南省昆明市呈貢縣大漁鄉(xiāng)新村下游滇池邊的排澇泵站東面（其與排澇泵站僅相隔2.5 m寬的溝渠和4.0 m寬的馬路），中試系統含有長、寬和高分別為1.0 m, 5.0 m 和1.1 m 的6條濕地床，其中1條為馬蹄蓮床，土壤填充深度為0.8 m。1.2 測定方法植物栽種于2003年1月。測定水、植物的相關指標（表1）。記錄植物的生長周期。株高：從地面開始起算向上直到植物最高點的距離，所選植株所對應的點位在首次測定時即加以標注。生物量：采取植株樣品在現場拭去植物表面的水分和雜物，立即稱質量(鮮質量)，除以采樣面積即得到生物量。水和土壤的測定均采用相應的

7、標準方法13,14。表2為不同水力負荷下的實驗條件，在最初的5周穩(wěn)定時間后，開始三種不同水力負荷下的實驗，從7月3日后開始采集水樣。表2 試驗條件(平均值)Table 2 Experiment condition (Average value)時間段(2003年)進水負荷/(cmd-1)(TN)/(mgL-1)(NO3-N)/(mgL-1)(NH3-N)/(mgL-1)(TP)/(mgL-1)(COD)/(mgL-1)pHT/(DO)/(mgL-1)6月1日7月30日108.435.100.361.983667.9222.50.247月31日8月20日68.925.200.531.753917

8、.6219.60.288月21日9月1日208.314.230.251.153437.1919.90.122 結果與討論2.1 植物生長圖2 不同水力負荷下的N去除率Fig. 2 N reduction rate under various hydraulic load rate圖1 不同水力負荷下的COD去除率Fig. 1 COD reduction rate under various hydraulic load rate表3 植物生長狀況Table 3 Hydrophyte growth日期部位含水率/%氮含量/(gkg-1)磷含量/(gkg-1)2003年7月24日莖葉95.129.

9、886.502003年7月24日根部84.720.025.602003年8月16日莖葉91.226.083.142003年8月16日根部81.011.562.98現場對馬蹄蓮的生長的觀察表明：馬蹄蓮從7月中旬后開始生長旺盛，9月底開花，花期持續(xù)到次年3月下旬。6月初仍能較好地生長，之后進入休眠期，最大株高為1.01 m。7月24日和8月16日測定的植物生物量(濕質量) 分別為1.37和1.97 kgm-2。植物的生長狀況見表3。 由表3可見，在7月24日至8月16日期間，馬蹄蓮莖葉的氮和磷的含量均高于根部的；含水率的規(guī)律也類似，這是因為馬蹄蓮處于生長初期，莖葉較嫩。馬蹄蓮的莖葉和根的氮與磷含量

10、均是7月24日的高于8月16日的。含水率的規(guī)律也類似，說明隨著馬蹄蓮植株的成長，其含水率在降低，單位質量植株的氮和磷的含量也在降低。圖3 不同水力負荷下的TP去除率Fig. 3 TP reduction rate under various hydraulic load rate2.2 污染物去除效果對亞硝氮的抽樣測定表明，質量濃度很低，常常檢測不出。因此總氮扣除氨氮和硝氮后近似認為是有機氮。在水力負荷為10 cmd-1，6 cmd-1和20 cmd-1的情況下，有機氮占進水的比例分別為35.2%，35.8%和46.1%。說明進水中的氮以無機態(tài)的為主。3種水力負荷條件下，濕地系統對COD、氮和

11、磷的去除效果分別見圖1、圖2和圖3。2.3 負荷對污染物去除的影響對比本系統在馬蹄蓮均處于旺盛生長期時，溫度很接近，水力負荷分別為6 cmd-1和20 cmd-1時的污染物去除情況。當水力負荷從6 cmd-1升高到20 cmd-1時：1)硝氮和氨氮的去除率降低（圖2），這說明在植物生長、進水水質和溫度相近的條件下，水力負荷越高，污染物去除率越低。2) TN的去除率升高。這主要和進水中TN的組成有關，由前文可知，20 cmd-1時進水TN中的有機氮占的比例較6 cmd-1時的高10%。3) 有機氮的去除率為91.6%，6 cmd-1時為55.2%，因為植物旺盛生長期充氧量足，利于有機氮轉換成氨氮

12、再被植物吸收。出水中的氨氮的質量濃度低于6 cmd-1時的，氨氮的去除率比水力負荷為6 cmd-1時的要低，這是因為進水中的氨氮質量濃度明顯低于6 cmd-1時的。由圖3可見，在3種水力負荷下，TP的去除率較高(大于56.6%)，最初10 cmd-1運行1個月時，平均去除率為56.6%，之后在水力負荷分別為6 cmd-1和20 cmd-1的條件下，系統對TP的去除率分別為81.1%和76.3%。眾所周知，單從填料的吸附位來看，隨著時間的推移，填料對磷的吸附位逐漸減少。而本研究在試驗后期的TP去除率反而高，可能原因是試驗初期，馬蹄蓮處于休眠期，對磷的吸收量低，而后面兩種負荷時，馬蹄蓮迅速生長，對

13、土壤和水中的磷的吸收量多，導致水中的磷降低。2.4 植物生長周期對污染物去除的影響現場觀測表明，6月至7月為馬蹄蓮的休眠期(對應的水力負荷為10 cmd-1)。而8月(6 cmd-1)為其旺盛生長期。馬蹄蓮具有長的開花期和非枯黃期，其在濕地中的使用將為濕地帶來良好的景觀效益。在休眠期，有枝葉枯萎，植物對污染物的吸收量降低，枝葉溶出量增加，但是各項污染物的去除率均較好，主要是因為此期間的溫度高。對比10 cmd-1(6月至7月，休眠期)和6 cmd-1(8月，旺盛生長期)條件下的去除情況，發(fā)現：1)休眠期本系統的COD、氨氮、硝氮和總氮的去除率高，是因為休眠期的平均溫度比旺盛生長期高2.9 ，而

14、在025 間溫度越高則越利于碳和氮的去除。2)休眠期時本系統的總磷去除率低，是因為溫度對總磷的去除率影響不大；休眠期時，枯萎植物枝葉的腐爛導致磷的溶出7,15。馬蹄蓮休眠期(6月和7月)和旺盛生長期(8月)相比，前階段的COD和N的去除率高，主要因為前階段的溫度高；前階段的TP去除率低，主要是因為休眠期存在枯枝落葉的腐爛溶出而且休眠期的進水負荷高。3 結論（1）在水力負荷為6、10和20 cmd-1的條件下，以馬蹄蓮為主體植物的人工濕地系統處理低濃度農村污水時，對CODCr(化學需氧量)，TN(總氮)、硝氮、氨氮和TP(總磷)的去除率分別大于56.4%、71.4 %、71.4%、49.6 %和

15、56.6%。（2）同處旺盛生長期而溫度相近時，低水力負荷(6 cmd-1)組的硝氮、氨氮和TP的去除率高；高水力負荷(20 cmd-1)組的TN去除率高，進水TN中的有機氮占的比例比低水力負荷(6 cmd-1)的高10%。（3）季節(jié)對污染物去除有明顯影響。馬蹄蓮人工濕地系統在休眠期(6月和7月)和在旺盛生長期(8月)相比，由于溫度高而具有高的CODCr和N去除率，由于枯枝落葉的腐爛溶出及進水負荷高而具有低的TP去除率。參考文獻：1 盧少勇, 張彭義, 余剛, 等. 人工濕地處理農業(yè)徑流的研究進展J.生態(tài)學報, 2007, 27(06): 2627-2635.LU Shaoyong, ZHANG

16、 Pengyi, YU Gang, et al. Research Progress of Constructed Wetland Treating Agricultural Runoff J. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(06): 2627-2635.2 VYMAZAL J. Nitrogen removal in constructed wetlands with horizontal sub-surface flow - can we determine the key process C/Nutrient cycling and retention

17、in natural and constructed wetlands. Leiden: Backhuys Publishers, 1999: 1-17.3 KOOTTATEP T, POLPRASERT C. Role of plant uptake on nitrogen removal in constructed wetlands located in the tropicsJ. Water Science & Technology, 1997, 36(12):1-8.4 TANNER C C. Plant for constructed wetland treatment syste

18、ms A comparison of the growth and nutrient uptake of eight emergent speciesJ. Ecological Engineering, 1996, 7(1): 56-83.5 TANNER C C. Plants as ecosystem engineers in subsurface-flow treatment wetlandsJ. Water Science & Technology, 2001, 44(11-12): 9-17.6 MAJER N J, CLAUSEN J C, NEAFSEY J A. Seasona

19、l performance of a wetland constructed to process dairy milkhouse wastewater in Connecticut J. Ecological Engineering, 2000, 14(1-2):181-198.7 盧少勇, 張彭義, 余剛, 等. 茭草、蘆葦和水葫蘆的污染物釋放規(guī)律研究J. 中國環(huán)境科學, 2005, 25(5): 554-557.LU Shaoyong, ZHANG Pengyi, YU Gang, et al. The contaminants release rule of Zizania caduc

20、iflora, Phragmites austrails and Eichhornia crassipesJ. China Environmental Science, 2005, 25(5): 554-557.8 DIERBERG F E, DEBUSK T A, JACKSON S D, et al. Submerged aquatic vegetation-based treatment wetlands for removing phosphorus from agricultural runoff: response to hydraulic and nutrient loading

21、J. Water Research, 2002, 36(6): 1409-1422.9 VERHOEVEN J T A, MEULEMAN A F M. Wetlands for wastewater treatment: Opportunities and limitationsJ. Ecological Engineering, 1999, 12(1-2):5-12.10 STOTTMEISTER U, WIESSNER A, KUSCHK P, et al. Effects of plants and microorganisms in constructed wetlands for

22、wastewater treatmentJ. Biotechnology Advances, 2003, 22(1-2):93-117.11 侯寬昭. 中國種子植物科屬詞典M. 修訂版. 北京: 科學出版社, 1982.HOU Kuanshao. Dictionary of Phanerogamous Family and GeniusM. Recension Edition. Beijing: Science Press, 1982.12 周滌, 吳麗芳. 馬蹄蓮研究進展J. 中國農學通報, 2006, 22(9): 284-290.ZHOU Di, WU Lifang. The Advan

23、ce on Research of ZantedeschiaJ. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2006, 22(9): 284-290.13 國家環(huán)境保護總局. 水和廢水監(jiān)測分析方法M. 4版. 北京: 中國環(huán)境科學出版社, 2002.SEPA. Monitoring and Analytical Method of Water and Wastewater M. 4th Edition. Beijing: Environmental and Scientific Press of China, 2002.14 魯如坤. 土壤農業(yè)化學分析方法

24、M. 北京: 中國農業(yè)科技出版社, 2000.LU Rukun. Analytic Method of Soil and Agricultural Chemistry M. Beijing: Agricultural Scientific and Technical Press of China, 2000: 1-338.15 盧少勇, 張彭義, 余剛, 等. 云南昆明人工濕地冬季運行情況分析J. 中國給水排水, 2006, 22(12): 59-62.LU Shaoyong, ZHANG Pengyi, YU Gang, et al. Operation of a Kunming const

25、ructed wetland in winterJ. China Water &Wastewater, 2006, 22(12): 59-62.Treatment of low concentration of wastewater using constructed wetland dominated by Zantedeschia aethiopica XIANG Changsheng1, ZHANG Pengyi1, LU Shaoyong1, 2, WANG Tai1, GUI Meng11. Department of Environmental Science and Engine

26、ering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. State Environmental Protection Key Laboratory for Lake Pollution Control/Research Center of Lake Environment, Chinese Research Academy of Environment Sciences, Beijing 100012, ChinaAbstract: In wetland the selection of hydrophyte with better poll

27、utant absorption, habitat enhancement, sound landscape and good economy is significant. Because this kind of hydrophyte will beneficial for the long-effective and low cost operation of the constructed wetland. Constructed wetland pilot system (5 m 1 m 1.1 m), with dominant helophyte of Zantedeschia

28、aethiopica, one kind of fancy and economical helophyte, for low concentration agricultural wastewater treatment is reported here. The result showed that under the hydraulic load of 6, 10 and 20 cmd-1, the reduction rates on CODCr (chemical oxygen demand), TN (total nitrogen), nitrate, ammonia and TP (total phosphorus) are larger than 56.4%, 71.4%, 71.4%, 49.6% and 56.6%, respectively. Un