地沟式污水土地处理 人工湿地中植物对磷的去除效果

1、地沟式污水土地处理+人工湿地中植物对磷的去除效果史 莉1，张笑一1*，刘春丽1，关小满1，彭润芝2*1：贵州师范大学化学系，贵州 贵阳 550001；2：贵州省环境科学研究设计院，贵州 贵阳 550002摘要：采用盆栽实验和中试实验系统，研究了地沟式土地处理系统和人工湿地中不同植物对磷的去除效率。选取贵州省典型的7种植物美人蕉、芋头、八仙花、小玉竹、杜鹃、菖蒲、岩豆藤作为供试物。结果表明，7种试验植物对生活污水中的磷均有很高的净化率，其中以芋头、菖蒲和岩豆藤等3种植物对磷的净化效率最高。文章同时还对中试各处理槽的不同位置和深度的土壤中的微生物种类和数量进行了分析，进一步阐述了地沟式土地处理系统

2、和人工湿地中植物的除磷机理。关键词：地沟式土地处理；人工湿地；植物；磷；微生物；生活污水；净化率中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2003）03-0289-03人工湿地污水处理系统是在自然或半自然净化系统的基础上发展起来的污水处理技术，具有投资省、运行费用低和效果良好等优点。人工湿地是一种人为地将石、砂、土壤、煤渣等一种或几种介质按一定比例构成的基质，并有选择地植入植物的污水处理生态系统，介质、植物和微生物是其基本构成1。人工湿地污水处理系统其组成是下层铺放颗粒碎石、上层覆盖土壤，在土壤上种植物，这实际上是一种独特的土壤-植物-微生物系统。在碎石、土壤颗粒表面形

3、成一层生物膜，生物膜上的微生物参与污水净化的各个过程。这个系统结合了生物膜法和自然净化的特点，将微生物和植物的净化能力结合在一起，成为一个高效净化系统2。本试验是针对筛选土地处理系统和人工湿地系统中对磷去除效率高的植物来设计和研究的。地沟式污水土地处理技术也称尼米（NiiMi）系统，是日本开发、利用土壤毛细管浸润扩散原理研制成功的一种浅型土壤处理系统。1 试验方法与技术1.1 试验装置与试验条件 中试实验（地沟式土地处理系统）实验地点设在贵州省环科院院内，该系统的流程如图1所示。化粪池低位贮水箱 高位贮水箱第一处理槽中间槽第二处理槽湿地槽 排水 生活污水 图1 地沟式土地处理系统系统共分为两套

4、，每套分别由高位水箱（1.5 m×1.0 m×0.6 m，两套共用）、第一处理槽（1.2 m×0.8 m×0.8 m）、中间槽（1.0 m×0.6 m×0.6 m）、第二处理槽（1.0 m×1.2 m×0.8 m）和湿地槽（1.8 m×1.5 m×0.8 m）构成。第一、二处理槽底层20 cm为直径3080 mm的鹅卵石碎石，上层为以贵州典型的黄壤为主配比的人工土；湿地槽底层60 mm为直径3080 mm的鹅卵石碎石，上层为以黄壤为主配比的人工土。各处理槽都配有布水管和收水管。我们在两套系统的第

5、一、二处理槽以及湿地槽的土壤上分别栽种下面几种植物：系统：第一处理槽（岩豆藤） 第二处理槽（杜鹃） 湿地槽（八仙花）；系统：第一处理槽（蔓常春藤） 第二处理槽（小玉竹） 湿地槽（美人蕉和芋头）。 盆栽实验实验是在自然条件下进行，地点选在贵州省环科院办公楼前。实验设计的主导思想是模拟人工湿地的结构。我们采用内径为30 cm，高为29 cm的塑料花盆作为实验装置，花盆底部铺有10 cm左右的碎石，上面再铺20 cm的黄壤，其上栽种植物。在植物根系旁设有一特制吸水管，采样时吸水管与真空泵相连，利用真空泵产生负压力，使得水样自动流入采样瓶中。每个盆栽中栽种12株同种植物。花盆下面垫有一接水盆，以防水样

6、流失。1.2 植物种类筛选及种植方法植物种类筛选的原则是：对磷净化率高，根系发达，具有一定经济价值和美观价值，适于面源污水环境条件下生长且种源来源方便。我们在总结前人已有成果及初步研究的情况下，共选取了7种植物作为研究对象，7种植物的名称为：美人蕉（Canna）；芋头（Taro）；八仙花（Hydrangea）；小玉竹（Small Jade Bamboo）；杜鹃（Cuckoo）；菖蒲（Calamus）；岩豆藤（Rock Bean Bine）。植物种植采用移栽的方法，即从贵州省植物园中挖取植物后，运到实验场地栽种，栽种后采用常规办法管理。1.3 水样采集与分析方法每个星期采样两次，在采样的前两天浇

7、灌污水，污水来源为贵州省环科院内5号楼宿舍的生活污水，由化粪池取水。样品采集后立即带回实验室分析，分析项目包括总氮和总磷，分析按水质标准分析方法进行。2 结果与讨论2.1 各种对总磷（TP）的去除率及比较表1是七种植物对水体磷净化率，从2002年7月11月盆栽的实验分析统计数据可见，芋头对磷的净化率平均可达98.35%，其次是菖蒲，净化率达97.92%，净化率最低的是杜鹃和八仙花，净化率分别为93.17%和90.69%。 5个月植物对磷的净化率从大到小依次为：芋头 > 菖蒲 > 岩豆藤 > 美人蕉 > 小玉竹 > 杜鹃 > 八仙花（各种植物系统中土壤对磷具有

8、相同的吸附量）。图2 7种植物对磷污染的平均净化率图2是7种植物对磷的平均净化率比较图。由于空白无植物盆栽土量稍多，使得个别植物的磷净化率没有对照系统高，但这对筛选植物并无大的影响。从图中我们也可以明显地看出：芋头、菖蒲、美人蕉和岩豆藤对磷具有较高的净化效率。从对植物的植株进行观察中我们还发现，芋头和菖蒲具有极其发达的根系，美人蕉则具有较为宽大的叶片，岩豆藤具有类似豆科植物般的较粗大的根。2.2 地沟式土地处理系统及人工湿地的微生物的数量、组成和分布表1 7种植物对磷污染的净化率植物名称200207200208200209200210200211平均磷污染净化率/%美人蕉92.8894.619

9、6.6998.0299.4296.32芋 头97.8397.5597.9698.7799.6398.35八仙花95.7092.8887.5488.2789.0490.69小玉竹97.3696.9892.3495.0993.7795.11杜 鹃96.1592.2492.6994.5090.2593.17菖 蒲98.4997.5298.2597.5097.8397.92岩豆藤99.0199.0096.2996.1292.0496.49无植物96.8196.0896.7596.4993.7195.97人工湿地污水处理系统中填充的碎石、土壤微生物膜的形成提供了表面，生物膜的形成增加微生物生物量，又大大

10、促进了人工湿地净化效率的提高。微生物的降解产物又成为植物的营养物，为植物利用。另一方面湿地植物的存在，特别是植物根的放氧作用、根的分泌物和表皮脱落物改善了微生物生长的生态环境，促进了根际、根区微生物的生长。这样在人工湿地中实际形成一种微生物和植物的互利关系2。我们分别于2002年8月23日和9月25日对中试系统各处理槽的不同深度，美人蕉、菖蒲、岩豆藤、芋头等4种植物根系附近的土壤微生物群落进行采样分析，主要分析了细菌、放线菌、霉菌、酵母菌、亚硝化菌、硝化菌、反硝化细菌和氨化细菌，两次分析的平均数据见表2（以细菌、放线菌、霉菌、酵母菌为例，亚硝化菌、硝化菌、反硝化细菌和氨化细菌分析数据略）。从测

11、试结果我们可以看出，系统中细菌和霉菌数从近进水端到近出水端数量（每克土壤检测到的菌落数）均基本呈递减趋势，表层土壤到深层土壤细菌数目也基本呈递减趋势。从菌种数量上来看，细菌、霉菌和酵母菌是所分析的8种菌种中的优势菌种。3 小结人工湿地系统对磷的去除是通过微生物的积累、植物的吸收和填料床的物理化学等几方面的协调作用共同完成的。无机磷也是植物生长所必须的营养物质。污水中的无机磷一方面在植物的吸收和同化作用下，被合成ATP、DNA和RNA等有机成分，植物被收割而将磷从系统中去除；另一方面，通过微生物对磷的正常同化吸收（将磷作为微生物体必需成分C60H87023N12P，而供微生物生长之需），聚磷菌对

12、磷的过量积累，从而通过对湿地床的定期更换而将其从系统中去除。由于人工湿地中植物的光合作用及呼吸作用（即所谓的光反应和暗反应）的交替进行，植物根系输氧量的多少随光照强度的交替变化而相应地发生变化，加之湿地床不同区域内耗氧速率的不同，致使系统中出现好氧和厌氧状态，从而有利于微生物对磷的释放和过量积累作用的发生3。本次实验主要筛选出了适宜贵州气候的，具有较高净化污水能力的几种植物，这些植物都具有发达的根系或是宽大的叶片，我们还对植物本身体内磷的增长量以及植物根系的泌氧性等方面作了专项研究。为地沟式土地处理和人工湿地在贵州省的推广和应用提供了一定的理论基础。在土地处理系统和人工湿地系统上种植植物，构成

13、了特有的土壤植物微生物系统。融合了生物膜法和自然净化的特点，因此具有很强的净化能力。该实验中试系统在运行的9个月期间，显示出对城镇污水中总磷（TP）去除的良好效果，平均去除效率为95.30%；对NH3-N、BOD5、CODcr、SS的平均去除效率也很高，分别为84.07%、93.59%、84.14%、94.84%，且出水水质稳定，冬季仍能正常运行。这些在土地处理槽上栽种植物,不但能提高系统净化污水的效率,还可以增强景观效果,在有效处理污水的同时还可以取得美化与改善环境和节约水资源的综合效果。表2 土壤菌落统计处理及位置细菌放线菌霉菌酵母菌菌落数/n3# 1) 池前端2)3# 池后端2)3# 池

14、表层2)3# 池深层2)7# 1) 池前端7# 池后端7# 池表层7# 池深层9# 1) 池前端9# 池后端9# 池表层（美人蕉）（菖蒲）（岩豆藤）（芋头）1.67×1095.77×1071.74×1096.06×1075.40×1075.41×1072.39×1092.63×1079.68×1074.09×1076.08×1071.82×1092.83×1083.65×1086.80×1073.74×1079.95×1073

15、.17×1072.88×1071.32×1073.54×1073.67×1091.04×1075.00×1072.24×1077.17×1074.52×1081.86×1084.32×1071.07×1081.01×1082.63×1077.52×1072.45×1073.77×1076.82×1063.95×1082.51×1091.09×1071.07×1072.

16、86×1082.05×1089.01×1087.44×1083.39×1073.73×1075.93×1071.25×1082.94×1071.61×1083.95×1071.14×1097.30×1085.18×1072.95×1084.61×1095.23×1082.17×1093.40×1093.92×1081) 3#：第一处理槽（岩豆藤）。7#：第二处理槽（杜鹃）。9#：湿地槽（八仙花）

17、2) 池前端：距前缘15 cm，深度5 cm。池后端：距后缘15 cm，深度5 cm。池表层：表面下510 cm。池深层：表面下30 cm参考文献：1 成水平，吴振斌，况琪军. 人工湿地植物研究J. 湖泊科学，2002，14（2）：179-184.2 张甲耀，林清华，夏盛林, 等. 不同植物构成的潜流型人工湿地处理系统的净化能力及其异养细菌数量的研究J. 环境工程，1998，16（3）：17-20.3 沈耀良，王宝贞. 废水生物处理新技术理论与应用M. 北京：中国环境科学出版社，1999：275-276.Dephosphorization efficiency of plant in unde

18、rground-ditch-pattern soil treament and artificial wetlandSHI Li1, ZHANG Xiao-yi1, LIU Chun-li1, GUAN Xiao-man1, PENG Run-zhi21. Department of Chemistry, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China; 2. Guizhou Research and Design Academy of Environmental Sciences, Guiyang 550002, ChinaAbstract: In the experiments of potted plant and middle-system, we researched dephosphorization efficiency of different plants in underground-ditch-pattern soil treatment and artificial wetland. We elected seven representative plants of Guizhou provinceCanna, Taro, Hydrangea, Small J