不同水生植物配置对河涌污水的净化效果孙映波

生态环境学报2011,20(6-7):[e-mail]基金项目：广东省科技计划项目（2008B030302041）作者简介：孙映波（1964年生），男，副研究员，研究方向为植物营养与栽培。E-mail：[e-mail]收稿日期：2011-05-29不同水生植物配置对河涌污水的净化效果孙映波1，梅瑜1，操君喜1，孔旭晖2，尤毅1，李冬梅1，刘金维11.广东省农业科学院花卉研究所//广东省园林花卉种质创新综合利用重点实验室，广东广州510640；2.华南农业大学农学院，广东广州510640摘要：研究不同配置的挺水植物组合对河涌污水污染物的净化效果，为在河涌污水治理上构建有效的人工湿地植物处理系统提供依据。选择10种净化能力较强的挺水植物，组成6种不同配置的挺水植物组合，采用无土栽培的方式模拟人工湿地的环境进行静态培养试验，测定出不同水生植物组合及在不同污水的停留时间（HRT）下对河涌污水污染物的去除率。6种不同配置的水生植物组合在HRT为5d时对NH4+-N、TN、TP、CODCr、BOD5的去除率(平均去除率分别为98.2%、81.2%、91.3%、71.8%、79.4%)均较高；以组合1：香根草Vetiveriazizanioides+风车草Cyperusalternifolius+美人蕉Cannaindica+菖蒲Acoruscalamus+再力花Thaliadealbata的处理效果为最佳。不同水生植物系统对污水的净化效率取决于HRT，当HRT从1~5d时，NH4+-N、TN、TP去除率每天的增幅均逐渐增加，当HRT从5~7d时，NH4+-N、TN、TP去除率每天的增幅却均迅速下降；说明3种不同配置的水生植物系统对河涌污水NH4+-N、TN、TP的净化效率均以HRT为5d时最高。关键词：水生植物；河涌污水；污染物；净化效果中图分类号：X52文献标志码：A文章编号：1674-5906（2011）06-07-1123-04生活污水在水体污染源中占有相当大的比例。农村、小城镇、小别墅等生活小区由于离城市中心较远，其生活污水很难纳入城区生活污水处理系统；这些地区的生活污水多数直接排入河涌中，造成河涌水的富营养化，污水中的NH4+–N、TN、TP、COD和BOD等污染指标往往超出灌慨用水水质的基本控制标准。净化富营养化水体主要是控制水中总氮和总磷含量，种植高等水生植物是治理水体富营养化的主要手段[1]。据研究报道[2-3]，人工湿地中氮、磷的去除主要依靠水生植物的吸收作用。水生植物中已发现很多种类对富营养化的水体和底泥可起到一定的净化作用,对氮、磷有较强的吸收能力,能在一定程度上减轻水体的营养负荷[4]；多种水生植物的组合有利于植物间的优势互补,不仅能丰富景观层次,也能保持对营养元素及有机物有较好的净化效果,有效发挥它们的生态功能[5]。在这些地区的河涌边利用人工湿地植物系统进行污水处理，可以达到资金投入少、运行费用低,且有利于改善环境的生态景观效果，在我国具有广泛的应用前景。在人工湿地中,水生植物占据着举足轻重的地位,其生长发育直接影响到出水的水质[6]。我国的湿地植物种类丰富,包括各种浮水植物、挺水植物和沉水植物。挺水植物根系发达、单位生物量大、营养生长与生殖生长并存、对N和P等元素的吸收量较大、能够比沉水植物和浮水植物储存更多的营养物质,且能于无土环境生长[7]；选择合适的挺水植物搭配种植于人工湿地系统中，可以提高人工湿地植物系统的净化能力且有利于大面积推广应用。笔者选择了香根草、风车草、美人蕉、菖蒲、再力花等10种净化能力较强、易于管理且适合于南方地区河涌栽种的植物品种，组成6种不同配置的水生植物组合,并研究它们对河涌污水的净化效果,为在美化环境的基础上构建有效的人工湿地处理系统、探索河涌污水处理和利用新途径提供科学依据。1材料与方法1.1试验材料：供试挺水植物品种：香根草Vetiveriazizanioides、风车草Cyperusalternifolius、美人蕉Cannaindica、菖蒲Acoruscalamus、再力花Thaliadealbata、花叶芦竹Arundodonaxvar.versicolor、梭鱼草Pontederiacordata、黄花鸢尾Irispseudacorus、水葱Scirpusvalidus、蜘蛛兰Hymenocallisamericana。试验所用河涌污水取自广州市白云区钟落潭镇马沥村,进水水质各污染物质量浓度：CODCr=316mg·L-1，BOD5=185mg·L-1，TN=14.2mg·L-1，TP=9.6mg·L-1，NH4+–N=11.6mg·L-1，pH5.9。1.2试验方法：试验在防雨塑料大棚内进行，用塑料箱装小碎石模拟人工湿地的环境进行静态培养试验，将供试水生植物根系用水清洗后种植到塑料箱（670mm×415mm×155mm）中。每次每箱装污水30L。不同水生植物配置试验设如下7个处理：处理1：香根草、风车草、美人蕉、菖蒲、再DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2011.z1.0091124生态环境学报第20卷第6-7期（2011年7月）力花。处理2：香根草、风车草、美人蕉、花叶芦竹、梭鱼草。处理3：香根草、菖蒲、再力花、花叶芦竹、梭鱼草。处理4：风车草、再力花、黄花鸢尾、水葱、蜘蛛兰。处理5：美人蕉、菖蒲、黄花鸢尾、水葱、蜘蛛兰。处理6：花叶芦竹、梭鱼草、黄花鸢尾、水葱、蜘蛛兰。处理7：空白对照（CK，只加污水,不加挺水植物）。每个处理种1箱，每箱内每种挺水植物各种6兜、共种大小较一致的挺水植物30兜（每箱所种挺水植物的生物量尽量保持相同）；每处理设3次重复，随机区组排列。植物移植在清水中稳定生长14d后，将每箱内的清水统一换成污水进行不同水生植物配置净化能力试验，污水的停留时间（HRT）初步定为5d，即污水在水生植物根部停留5d后，取各个处理余下的污水进行NH4+–N（铵态氮）、TN（全氮）、TP（全磷）、CODCr（化学需氧量）、BOD5（五天生化需氧量）的测定；之后将各个处理剩余的污水倒掉并换成新的污水进行不同配置的水生植物在HRT不同时对污水的处理效果实验，污水的停留时间最长为7d。实验于2010年9-10月进行。1.3测定指标及方法采集水样于当天测定，NH4+-N、TN、TP、CODCr、BOD5分别采用滴定法、过硫酸钾氧化-紫外分光光度法、钼锑抗分光光度法、重铬酸钾法、稀释与接种法测定[8]。2结果与分析2.1不同配置的水生植物在生物量相同的条件下对河涌污水的处理效果由表1的试验结果可知，6种不同配置的水生植物组合，对河涌污水均有良好的处理效果。河涌污水在不同配置的水生植物中停留5d后，污水中的NH4+–N、TN、TP、COD、BOD在6种不同配置的水生植物组合中的平均去除率分别为：98.2%、81.2%、91.3%、71.8%、79.4%；以NH4+–N的去除率最高、已接近100%，TP和TN的去除率也较高，均达到80%以上。说明污水经过水生植物5d的静态处理后，污水中的NH4+–N已基本上被水生植物完全吸收，而TP和TN也大部分被水生植物吸收掉，仅留下百分之几至百分之十几的量，在一般情况下，这样的残留量已经能够达到灌慨水质的标准（N、P元素本身也是植物的营养元素，灌慨水中含有一定量的N、P元素对植物也是有益的）。污水在水生植物根部停留5d（HRT达5d）后，不同配置的水生植物组合对NH4+–N、TN、TP、COD的去除率以处理1为最高，其次为处理2和处理4；对BOD的去除率以处理1为最高，其次为处理4和处理2。处理1、处理2、处理4对NH4+–N、TN、TP、COD、BOD的去除率分别为98.4%~98.8%、81.7%~84.5%、91.7%~92.9%、72.7%~76.2%、80.6%~84.1%，均高于6个处理去除率的平均值，说明这3种水生植物组合（处理1、2、4）对NH4+–N、TN、TP、COD、BOD的处理效果均比其它3种水生植物组合（处理3、6、5）较好，以组合1（香根草、风车草、美人蕉、菖蒲、再力花）的处理效果为最佳。这一结果与司友斌等[9]在香根草对富营养化水体净化效果的研究结果及靖元孝[10]等在风车草对生活污水净化效果的研究结果均相接近，但本研究结果表明了香根草、风车草与其它3种挺水植物组合在一起对污染水体中的Ｎ、Ｐ、COD、BOD等具有更加明显的去除效果,能更显著地改善河涌污染水体的水质。2.2不同配置的水生植物在HRT不同时对河涌污水的处理效果根据不同配置的水生植物对污水处理效果的差异，选择3种处理效果较好的植物配置组合（处理1、2、4）在不同的污水停留时间进行试验以求最佳的HRT。由表2可知,当HRT为1d时，处理1、2、表1不同配置的水生植物对污水污染物的处理效果Table1ThetreatmenteffectofdifferentaquaticNH4+–NTNTPCODCrBOD5水生植物配置处理5d后的w/(mg·L-1)去除率/%5d后的w/(mg·L-1)去除率/%5d后的w/(mg·L-1)去除率/%5d后的w/(mg·L-1)去除率/%5d后的w/(mg·L-1)去除率/%处理10.1498.82.284.50.6892.975.176.229.384.1处理20.1698.62.681.70.7092.779.574.835.880.6处理30.2198.22.880.30.9590.195.569.840.178.3处理40.1998.42.681.70.8091.786.372.733.681.8处理50.3297.23.078.90.9090.699.868.443.776.3处理60.2697.82.880.30.9989.797.969.045.975.1CK10.212.112.89.99.51.0332-5.1198-7.0孙映波等：不同水生植物配置对河涌污水的净化效果11254的氨氮去除率平均仅达到11.5%（9.5%~12.9%）；随着HRT的延长（从1~5d）,氨氮去除率每天的增幅逐渐增加，HRT为5d时,处理1、2、4的氨氮去除率平均已达到98.7%（98.4%~98.9%）；当HRT从5~7d时，氨氮去除率每天的增幅逐渐减少，HRT为7d时，处理1、2、4的氨氮去除率均已达到100%。由表3可知,当HRT为1d时，处理1、2、4的全氮去除率平均仅达到10.8%（9.2%~13.4%）；随着HRT的延长（从1~5d）,全氮去除率每天的增幅逐渐增加，HRT为5d时,处理1、2、4的全氮去除率平均已达到83.6%（82.4%~85.2%）；当HRT从5~7d时，全氮去除率每天的增幅逐渐减少，HRT为7d时，处理1、2、4的全氮去除率均已超过90%（90.8%~93.0%，平均92.0%）。由表4可知,当HRT为1d时，处理1、2、4的全磷去除率平均仅达到13.9%（11.5%~15.6%）；随着HRT的延长（从1~5d），全磷去除率每天的增幅逐渐增加，HRT为5d时,处理1、2、4的全磷去除率平均已达到92.7%（92.2%~93.1%）；当HRT从5~7d时，全磷去除率每天的增幅逐渐减少，HRT为7d时，处理1、2、4的全磷去除率均已接近100%（97.6%~98.3%，平均98.0%）。由此可见，当HRT为1d时，不同水生植物组合的氨氮、全氮、全磷去除率仅为9.5%~15.6%，随着HRT的延长（从1~5d）,氨氮、全氮、全磷去除率每天的增幅均逐渐增加，HRT为5d时，氨氮、全氮、全磷去除率已达到82.4%~98.9%，且氨氮、全氮、全磷去除率1d的增幅（从第4~5天）均为最大；HRT为6d时，氨氮、全氮、全磷去除率1d的增幅（从第5~6天）均迅速下降，HRT为7d时，氨