芦苇人工湿地

芦苇人工湿地对垃圾渗滤液总氮去除能力的研究刘倩1胡冲1谢冰1*吕宝一1顾玉祥2（1.华东师范大学资源与环境学院，上海200062；2.上海环境工程技术有限公司，上海200070）摘要：本文研究了芦苇人工湿地对垃圾渗滤液中氮污染物的去除，并探讨了芦苇生长和各部分氮的分布。结果表明，在进水量为0.02m/d的条件下，湿地中芦苇6至8月份生长迅速，生物量极大值出现在8月底为573.62g/m2。整个生长周期内，芦苇地上部分氮吸收量明显大于地下部分,且芦苇地上部分氮百分含量均高于同期地下部分。芦苇地上部分氮吸收量与其生物量有很好的正相关性，两者最大值均出现在8月底，此时收割芦苇可从湿地去除总氮19.82g/m2，约占整个湿地去除总氮的9.28%，因此，通过适时收割芦苇能发挥芦苇人工湿地去除渗滤液中总氮的作用。关键词：芦苇人工湿地总氮生物量吸收去除能力人工湿地是一种新型的基质、植物、微生物生态系统，这种污水生化处理技术具有建设与运行成本费用低、处理效果好、生态环境效益显著等特点[1-2]。植物作为生态系统中的必不可少的成员之一，在人工湿地污水净化过程中起着重要作用，主要有：（1）净化污染物，水生植物通过附着、吸收、积累和降解可去除污水中的有机物、氮、磷等营养物质[3]；（2）植物根系巨大表面积附着大量微生物，有利于污染物的去除[4]；（3）增强和维持介质的水力传输，根系的生长有利于均匀布水，延长系统实际水力停留时间[4-6]。垃圾渗滤液具有水质水量不稳定、污染物种类繁多、COD浓度高、氨氮浓度高，重金属及有毒有害物质含量高等特点[7-10]，在高浓度渗滤液人工湿地或生物滤池中的种植植物容易死亡，成活的植株往往也越长越差，这可能是由于垃圾渗滤液中COD、重金属、有毒有害物质等含量太高，妨碍了植物的正常生长[11-13]。芦苇为多年生挺水植物，植株高大，地下有发达的匍匐根状茎，多生长在池塘、河溪边等多水地区。利用芦苇湿地处理农田废水、咸水湖、人工湖等已有报道[2、14-15]，而用芦苇作为供试植物，构建人工湿地处理渗滤液尚未有研究。本试验主要研究了芦苇湿地对垃圾渗滤液总氮的吸收和去除能力。国家自然科学基金(20977031);上海市科委基金项目（09ZR1409000）;上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室开放基金资助作者简介:刘倩（1985—），女，硕士研究生，研究方向为水污染控制通讯作者：谢冰，副教授，博士；联系电话：[phone]；[e-mail]1材料与方法1.1试验地区概况芦苇人工湿地位于上海老港垃圾填埋场实验基地，占地195.39m2，是老港垃圾填埋场中渗滤液处理设施中的一部分。湿地中种植试验芦苇约200棵，湿地日进水量4m3/d,，进入湿地的垃圾渗滤液是经过陈垃圾反应床预处理后的出水(我们预实验的结果表明直接进入渗滤液原液会导致芦苇不能生长)，湿地主要进水水质指标如表1：表1芦苇人工湿地进出水水质指标Table1Indexofwaterqualityofeffluentandinfluentatreedswetland水质指标进水出水COD（mg/L）TN（mg/L）NH4+-N（mg/L）TP（mg/L）平均1152.00(1080.00~1360.00)平均1124.31（900.80~1441.66）平均765.49(704.24~942.97)平均0.52(0.40~0.71)平均920.00(720~1080)平均776.47(466.80~1158.97)平均436.25(209.48~603.13)平均0.27(0.18~0.57)1.2试验方法1.2.1采样方法芦苇于2009年3月移栽到湿地中，6月份开始每月采一次样，直到11月份芦苇枯萎。每次采样随机挖取长势较好的一棵，带回实验室将地上部分和地下部分分开，分别测其地上部分及地下部分湿重（根需清洗干净），在105℃烘箱中杀青2小时后，再于80℃烘至恒重，得到干重。而后取适量烘干的茎叶、根粉碎，测定各部分总氮含量。1.2.2总氮的测定和计算芦苇样品总氮的测定采用过硫酸钾氧化吸光光度法，称取上述粉碎后的植物样品0.5g置于凯氏烧瓶底部，加入浓硫酸6ml，混匀后放置过夜，次日加入过氧化氢氧消煮至液体完全清亮，稀释100倍后依次加入5ml氢氧化钠和15ml氧化剂，然后灭菌40分钟，冷却后在210nm处测其吸光度，以占干重比例表征总氮含量[16]。1.2.3计算方法芦苇不同器官氮吸收量的计算：T=W×C式中：W为茎叶（根）的生物量（单位：g/m2）；C为茎叶（根）的氮含量（g/g）；T为茎叶（根）的氮吸收量（单位：g/m2）。2结果与讨论2.1芦苇生物量与总氮吸收能力关系2.1.1芦苇生物量月变化动态芦苇地上部分包括茎叶和穗，芦苇地上生物量主要集中在茎叶，茎叶生物量是地上部分生物量的集中体现。芦苇的地下部分主要是根部，包括须根和茎状根。芦苇不同部位生物量随季节波动，6至8月份是芦苇快速生长时期，其地上生物量迅速增加，最大值337.58g/m2出现在8月底，这一结果与吴春笃等人的研究类似，但由于垃圾渗滤液人工湿地栽培的芦苇较少，仅200棵左右，密度小，所算得生物量最大值明显较低[17]。10、11月份芦苇进入枯萎期，叶片枯黄凋落，茎叶生物量逐渐下降。在整个生长周期内，芦苇地上部分生物量明显大于地下部分，这说明芦苇的生物量主要集中要集中在地上部分，但二者生物量变化趋势相一致，均为单峰式。芦苇的茎状根在整个生育期中有着特殊作用，既具有吸收和储存营养的功能，又对新芦苇的产生起着重要的作用，须根和茎状根总生物量在10月11日达最大值253.44g/m2。芦苇总生物量趋势也为先升后降，呈典型的单峰式，其最大值573.62g/m2出现在8月24日。芦苇不同部位生物量月变化如图1所示。图1芦苇不同部位生物量月变化Fig.1Monthlyvariationofbimossindifferentpartsofreeds2.1.2芦苇各部位总氮吸收能力芦苇不同部位总氮吸收量6至8月份增长迅速，7月份至8月份，茎叶部分总氮吸收量升高了122.13%，根部氮吸收量升高了548.04%。地上部分氮吸收量在8月份达到最大值为19.82g/m2，之后，随着地上生物量及氮百分含量的下降，地上部分氮吸收量也逐渐下降，直至11月份降至12.01g/m2。芦苇各部位总氮吸收能力月变化如图3所示。图2芦苇不同部位总氮吸收能力月变化Fig.2MonthlyvariationofTNabsorptioncapacityindifferentpartsofreed比较图1和图2可知，芦苇地上部分氮吸收量与其生物量有很好的相似性，即芦苇地上部分生物量增加时，总氮吸收量也明显增加，且均在同一时期达到最大值，之后生物量下降，总氮吸收能力也随之下降。考虑到芦苇生物量及总氮吸收量均在8月24日达到最大值，因此，8月底收割芦苇能最大限度去除总氮（约3872.63g）。与地上部分不同，6至8月份，芦苇地下部分氮吸收量迅速上升，而9月份略有下降，随后一直呈上升趋势直至11月份达最大值，最高为9.45g/m2。芦苇地上及地下部分总吸收氮量与总生物量也有较好的相似性，其变化趋势也呈单峰型。2.2芦苇不同部位的含氮量月动态芦苇不同部位总氮百分含量平均值表现为为地上器官大于地下器官，地上部分含氮量最高值出现在6月份，高达6.29%，最低值出现在10月份为4.67%，降低了25.76%。根部含氮量最低值出现在9月份为3.57%，最高值出现在11月份为3.94%，升高了10.36%。地上部分和地下部分氮含量变化趋势一致，均表现为先降低后升高。由于根部在生长期要往上部输送养分，而到了秋冬季节要储存养分，因而导致了根部氮含量先降低后升高。地上部分氮含量下降可能是因为茎叶部分在抽穗时将氮转移到穗中，从而使得茎杆和叶总含氮量降低。芦苇不同部位的含氮量月变化如图3所示。图3芦苇不同部位的含氮量月变化Fig.3MonthlyvariationofcontentofTNindifferentpartsofreeds2.3芦苇对进水总氮去除率的研究芦苇湿地日进水量约4m3/d,由表1进出水总氮浓度平均值可算出整个芦苇湿地对进水总氮的平均去除率为30.94%，而8月份依靠收割芦苇去除的总氮占平均去除率的9.28%，这一结果明显高于张荣社等人[4]的研究。有研究表明，芦苇中氮含量与水体中氮浓度有一定的正相关性[14、18]，由于垃圾渗滤液氮浓度较高，使得芦苇地上部分含氮量升高，进而导致其氮吸收量增加，去除率升高。由于本试验供试芦苇密度较小，约1m2/棵，根据种植经验，实际上可按10棵/m2种植，则整个生物滤池可种植约1954棵，此时依靠收割芦苇对进水总氮的去除率可提高到28.04%（根据日进水量、进水平均浓度、8月总氮吸收量及湿地面积可知）。因此，在人工湿地科学种植芦苇可有效去除渗滤液中总氮。3.结论（1）人工湿地中种植芦苇可用于经过预处理后的渗滤液的处理。研究表明，湿地中芦苇6至8份生长迅速，芦苇的地上生物量在8月底达到最大值337.58g/m2，地下生物量在10月11日达最大值253.44g/m2。（2）芦苇地上部分氮的百分含量均高于同期地下部分，地上器官和地下器官含氮量变化趋势一致，表现为先降低后升高，地上部分在6月份达到最大值为6.29%，地下部分在11月份达到最大值为3.94%。（3）芦苇不同部位氮积累量6至8月份增长迅速，地上部分氮吸收量远大于地下部分，芦苇地上部分氮吸收量与其生物量有正相关性，芦苇地上部分氮吸收量及生物量都在8月24日达到最高，8月底收割芦苇能最好地发挥垃圾渗滤液人工湿地去除总氮的作用。参考文献：[1]陈晓东,常文越,王磊,等.北方人工湿地污水处理技术应用研究与示范工程[J].环境保护科学,2007，23(2)：25-28.[2]孙光，马永胜，赵冉.不同植物人工湿地对污水的净化效果[J].生态环境，2008，17（6）：2192-2194.[3]赵建松.两种湿地类型条件下芦苇和芦竹的生理特性与氮磷净化效果比较[D].山东：山东大学，2008.[4]张荣社;李广贺;周琪;张旭;潜流湿地中植物对脱氮除磷效果的影响中试研究[J].环境科学，2005，26（4）：83-86.[5]VymazalJ．Theuseofsub-surfaceconstructedwetlandsforwastewatertreatmentintheCzechRepublic：10yearsexperience[J]．EcologicalEngineering，2002，18(5)：633-646．[6]Andrewwood．constructedwetlandsinwaterpollutioncontrol：fundaentalstotheirunderstanding[J]．wat．Sci．Tech．1995，32(3)：21-29．[7]周少奇，杨志泉.广州垃圾填埋渗滤液中有机污染物的去除效果[J]．环境科学，2005，26(3)：186-191.[8]时小宁，王淑莹，孙洪伟，彭永臻.SBR工艺处理垃圾渗滤液研究及应用现状[J].水处理技术，2009，35（2）：19-24.[9]崔健平，鲍姜伶.垃圾渗滤液处理技术[J]．环境科学与管理，2008，33（1）：93-95.[10]蒋海涛，周恭明，高廷耀.城市垃圾填埋场渗滤液的水质特性[J]．环境保护科学，2002，28（3）：11-13.[11]李广科，牛静，云洋等.垃圾填埋场渗滤液污染特性分析[J].农业环境科学学报，2008，27（1）：333-337.[12]江行玉，赵可夫.植物重金属伤害及其抗性机理[J]．应用与环境生物学报，2001，7（1）：92-99.[13]MauriceC，EttalaM，LagerkvistA．Effectsofleachateirrigationonlandfillvegetationandsubsequentmethan