以马蹄莲为主体植物的人工湿地处理低浓度污水中试研究.doc

3以马蹄莲为主体植物的人工湿地处理低浓度污水中试研究摘要：人工湿地中集污染物吸收效果好、生境改善、观赏性好和经济性好于一体的植物筛选将支持湿地的长效低耗运行。报道了以观赏性和经济性植物马蹄莲(zantedeschia aethiopica)为主要植物的人工湿地中试床(5 m1 m1.1 m)处理低浓度农村污水的研究。结果表明，在水力负荷为6，10和20 cmd-1的条件下，该系统对codcr(化学需氧量)、tn(总氮)、硝氮、氨氮和tp(总磷)的去除率分别大于56.4%、71.4%、71.4%、49.6%和56.6%。同处旺盛生长期(8月)而温度相近时，低水力负荷(6 cmd-1)组的硝氮、氨氮和tp的去除率高；高水力负荷(20 cmd-1)组的tn去除率高，进水tn中的有机氮占的比例比低水力负荷(6 cmd-1)的高10%。马蹄莲人工湿地系统在休眠期(6月和7月)和在旺盛生长期相比，由于温度高而具有高的codcr和n去除率，由于枯枝落叶的腐烂溶出以及进水负荷高而具有低的tp去除率。研究结果可为人工湿地等生态系统中选择植物时参考。关键词：人工湿地；马蹄莲；休眠期；负荷表1 水和植株测定指标与分析方法table 1 measurement idex and method of water and plant sample分析指标分析方法水化学需氧量(cod)重铬酸钾法氨氮(nh3-n)纳氏试剂光度法硝酸盐氮紫外分光光度法总氮过硫酸钾氧化紫外分光光度法总磷钼锑抗分光光度法温度-溶解氧电极法ph值电极法植株全氮h2so4-混合加速剂-蒸馏法全磷钒钼黄吸光光度法全钾火焰光度法含水率常压恒温干燥法(105 30 min，65 至恒质量)包括人工湿地在内的污水处理和生态修复工程建成后的低费用甚至零费用长期运行是污水处理工作者需要解决的实际难题1，也是管理者和人民所乐于接受的。由于湿地中植物至少具有如下一些重要作用：能为微生物等创造良好的生境、能有助于布水、能吸收污染物、通过光合作用分泌氧气；因此湿地中植物非常重要。芦苇、香蒲、茭草等常见的人工湿地植物在10月份到翌年1月份之间枯萎、倒伏和衰亡现象非常严重，此时植物对土壤和水中的碳、氮和磷的吸收量降低，而且，植物衰亡溶解释放导致植物体中的部分碳、氮和磷释放到湿地的填料表层的水体中，此外，植物的光合作用强度降低，对湿地系统的充氧作用降低，常会导致湿地的去除率在此期间降低2-10。马蹄莲(zantedeschia aethiopica) 11-12为天南星科(araceae)植物，原产南非，四季常绿，属观赏植物，是我国民间用于喜庆的花篮和花束的主要切花，大面积栽培能获得较好的经济效益，且美化环境。马蹄莲喜温暖湿润，可耐4 低温，生产期最适宜的温度为1820 (白天)和10 (夜间)；花期喜水、喜肥，适温20 左右，夏季为其休眠期。人工湿地中常用的植物为香蒲(如北美洲)和芦苇(如欧洲和亚洲)，而马蹄莲在人工湿地中应用的报道较少。马蹄莲具有营养物含量高、观赏性强和经济性好的优点。因此本研究中在昆明进行了主体植物为马蹄莲的人工湿地中试研究，以期为湿地中经济作物型(主体)植物的使用、湿地全年运行以及湿地的低费用运行做出一定的探索。1 材料和方法1.1 实验场址实验场址位于云南省昆明市呈贡县大渔乡新村下游滇池边的排涝泵站东面（其与排涝泵站仅相隔2.5 m宽的沟渠和4.0 m宽的马路），中试系统含有长、宽和高分别为1.0 m, 5.0 m 和1.1 m 的6条湿地床，其中1条为马蹄莲床，土壤填充深度为0.8 m。1.2 测定方法植物栽种于2003年1月。测定水、植物的相关指标（表1）。记录植物的生长周期。株高：从地面开始起算向上直到植物最高点的距离，所选植株所对应的点位在首次测定时即加以标注。生物量：采取植株样品在现场拭去植物表面的水分和杂物，立即称质量(鲜质量)，除以采样面积即得到生物量。水和土壤的测定均采用相应的标准方法13,14。表2为不同水力负荷下的实验条件，在最初的5周稳定时间后，开始三种不同水力负荷下的实验，从7月3日后开始采集水样。表2 试验条件(平均值)table 2 experiment condition (average value)时间段(2003年)进水负荷/(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68.925.200.531.753917.6219.60.288月21日9月1日208.314.230.251.153437.1919.90.122 结果与讨论2.1 植物生长图2 不同水力负荷下的n去除率fig. 2 n reduction rate under various hydraulic load rate图1 不同水力负荷下的cod去除率fig. 1 cod reduction rate under various hydraulic load rate表3 植物生长状况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日茎叶95.129.886.502003年7月24日根部84.720.025.602003年8月16日茎叶91.226.083.142003年8月16日根部81.011.562.98现场对马蹄莲的生长的观察表明：马蹄莲从7月中旬后开始生长旺盛，9月底开花，花期持续到次年3月下旬。6月初仍能较好地生长，之后进入休眠期，最大株高为1.01 m。7月24日和8月16日测定的植物生物量(湿质量) 分别为1.37和1.97 kgm-2。植物的生长状况见表3。 由表3可见，在7月24日至8月16日期间，马蹄莲茎叶的氮和磷的含量均高于根部的；含水率的规律也类似，这是因为马蹄莲处于生长初期，茎叶较嫩。马蹄莲的茎叶和根的氮与磷含量均是7月24日的高于8月16日的。含水率的规律也类似，说明随着马蹄莲植株的成长，其含水率在降低，单位质量植株的氮和磷的含量也在降低。图3 不同水力负荷下的tp去除率fig. 3 tp reduction rate under various hydraulic load rate2.2 污染物去除效果对亚硝氮的抽样测定表明，质量浓度很低，常常检测不出。因此总氮扣除氨氮和硝氮后近似认为是有机氮。在水力负荷为10 cmd-1，6 cmd-1和20 cmd-1的情况下，有机氮占进水的比例分别为35.2%，35.8%和46.1%。说明进水中的氮以无机态的为主。3种水力负荷条件下，湿地系统对cod、氮和磷的去除效果分别见图1、图2和图3。2.3 负荷对污染物去除的影响对比本系统在马蹄莲均处于旺盛生长期时，温度很接近，水力负荷分别为6 cmd-1和20 cmd-1时的污染物去除情况。当水力负荷从6 cmd-1升高到20 cmd-1时：1)硝氮和氨氮的去除率降低（图2），这说明在植物生长、进水水质和温度相近的条件下，水力负荷越高，污染物去除率越低。2) tn的去除率升高。这主要和进水中tn的组成有关，由前文可知，20 cmd-1时进水tn中的有机氮占的比例较6 cmd-1时的高10%。3) 有机氮的去除率为91.6%，6 cmd-1时为55.2%，因为植物旺盛生长期充氧量足，利于有机氮转换成氨氮再被植物吸收。出水中的氨氮的质量浓度低于6 cmd-1时的，氨氮的去除率比水力负荷为6 cmd-1时的要低，这是因为进水中的氨氮质量浓度明显低于6 cmd-1时的。由图3可见，在3种水力负荷下，tp的去除率较高(大于56.6%)，最初10 cmd-1运行1个月时，平均去除率为56.6%，之后在水力负荷分别为6 cmd-1和20 cmd-1的条件下，系统对tp的去除率分别为81.1%和76.3%。众所周知，单从填料的吸附位来看，随着时间的推移，填料对磷的吸附位逐渐减少。而本研究在试验后期的tp去除率反而高，可能原因是试验初期，马蹄莲处于休眠期，对磷的吸收量低，而后面两种负荷时，马蹄莲迅速生长，对土壤和水中的磷的吸收量多，导致水中的磷降低。2.4 植物生长周期对污染物去除的影响现场观测表明，6月至7月为马蹄莲的休眠期(对应的水力负荷为10 cmd-1)。而8月(6 cmd-1)为其旺盛生长期。马蹄莲具有长的开花期和非枯黄期，其在湿地中的使用将为湿地带来良好的景观效益。在休眠期，有枝叶枯萎，植物对污染物的吸收量降低，枝叶溶出量增加，但是各项污染物的去除率均较好，主要是因为此期间的温度高。对比10 cmd-1(6月至7月，休眠期)和6 cmd-1(8月，旺盛生长期)条件下的去除情况，发现：1)休眠期本系统的cod、氨氮、硝氮和总氮的去除率高，是因为休眠期的平均温度比旺盛生长期高2.9 ，而在025 间温度越高则越利于碳和氮的去除。2)休眠期时本系统的总磷去除率低，是因为温度对总磷的去除率影响不大；休眠期时，枯萎植物枝叶的腐烂导致磷的溶出7,15。马蹄莲休眠期(6月和7月)和旺盛生长期(8月)相比，前阶段的cod和n的去除率高，主要因为前阶段的温度高；前阶段的tp去除率低，主要是因为休眠期存在枯枝落叶的腐烂溶出而且休眠期的进水负荷高。3 结论（1）在水力负荷为6、10和20 cmd-1的条件下，以马蹄莲为主体植物的人工湿地系统处理低浓度农村污水时，对codcr(化学需氧量)，tn(总氮)、硝氮、氨氮和tp(总磷)的去除率分别大于56.4%、71.4 %、71.4%、49.6 %和56.6%。（2）同处旺盛生长期而温度相近时，低水力负荷(6 cmd-1)组的硝氮、氨氮和tp的去除率高；高水力负荷(20 cmd-1)组的tn去除率高，进水tn中的有机氮占的比例比低水力负荷(6 cmd-1)的高10%。（3）季节对污染物去除有明显影响。马蹄莲人工湿地系统在休眠期(6月和7月)和在旺盛生长期(8月)相比，由于温度高而具有高的codcr和n去除率，由于枯枝落叶的腐烂溶出及进水负荷高而具有低的tp去除率。参考文献：1 卢少勇, 张彭义, 余刚, 等. 人工湿地处理农业径流的研究进展j.生态学报, 2007, 27(06): 2627-2635.lu shaoyong, zhang 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 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 systems 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. seasonal performance of a wetland constructed to process dairy milkhouse wastewater in connecticut j. ecological engineering, 2000, 14(1-2):181-198.7 卢少勇, 张彭义, 余刚, 等. 茭草、芦苇和水葫芦的污染物释放规律研究j. 中国环境科学, 2005, 25(5): 554-557.lu shaoyong, zhang pengyi, yu gang, et al. the contaminants release rule of zizania caduciflora, 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 loadingj. 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 wastewater treatmentj. biotechnology advances, 2003, 22(1-2):93-117.11 侯宽昭. 中国种子植物科属词典m. 修订版. 北京: 科学出版社, 1982.hou kuanshao. dictionary of phanerogamous family and geniusm. recension edition. beijing: science press, 1982.12 周涤, 吴丽芳. 马蹄莲研究进展j. 中国农学通报, 2006, 22(9): 284-290.zhou di, wu lifang. the advance on research of zantedeschiaj. chinese agricultural science bulletin, 2006, 22(9): 284-290.13 国家环境保护总局. 水和废水监测分析方法m. 4版. 北京: 中国环境科学出版社, 2002.sepa. monitoring and analytical method of water and wastewater m. 4th edition. beijing: environmental and scientific press of china, 2002.14 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法 m. 北京: 中国农业科技出版社, 2000.lu rukun. analytic method of soil and agricultural chemistry m. beijing: agricultural scientific and technical press of china, 2000: 1-338.15 卢少勇, 张彭义, 余刚, 等. 云南昆明人工湿地冬季运行情况分析j. 中国给水排水, 2006, 22(12): 59-62.lu shaoyong, zhang pengyi, yu gang, et al. operation of a kunming constructed 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 engineering, 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 pollutant 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 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. under the similar