贵州典型植物对污水中磷的净化效率研究

贵州典型植物对污水中磷的净化效率研究

湿地建设是在自然或半自然净化系统的基础上发展起来的湿地管理技术。它具有投资省、运营成本低、效果好等优点。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。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。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试验方法和技术1.1试验设备和试验条件1.1.1生物处理槽和湿地槽构成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。系统共分为两套,每套分别由高位水箱(1.5m×1.0m×0.6m,两套共用)、第一处理槽(1.2m×0.8m×0.8m)、中间槽(1.0m×0.6m×0.6m)、第二处理槽(1.0m×1.2m×0.8m)和湿地槽(1.8m×1.5m×0.8m)构成。第一、二处理槽底层20cm为直径30～80mm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60mm为直径30～80mm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Ⅰ:第一处理槽(岩豆藤)→第二处理槽(杜鹃)→湿地槽(八仙花);系统Ⅱ: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)。1.1.2实验设备和装置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30cm,高为29cm的塑料花盆作为实验装置,花盆底部铺有10cm左右的碎石,上面再铺20cm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1～2株同种植物。花盆下面垫有一接水盆,以防水样流失。1.2研究对象的选取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(SmallJadeBamboo);杜鹃(Cuckoo);菖蒲(Calamus);岩豆藤(RockBeanBine)。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生活污水来源每个星期采样两次,在采样的前两天浇灌污水,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不同植物净化率对磷的净化效果表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相同的吸附量)。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系统微生物群落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。我们分别于2002年8月23日和9月25日对中试系统Ⅰ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)。从测试结果我们可以看出,系统Ⅰ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实验设计与结果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。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NH