20年專(zhuān)注水環(huán)境生態(tài)治理解決方案服務(wù)
國家高新技術(shù)企業(yè) 國家特聘專(zhuān)家企業(yè) 創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)領(lǐng)軍人才企業(yè)
傳統的生活污水處理工藝在農村應用存在建設與運營(yíng)成本太高的問(wèn)題,農村散戶(hù)生活污水通常僅經(jīng)過(guò)三格化糞池或者四格凈化池(三格化糞池+人工濕地)處理后,排入溝渠匯入附近的魚(yú)塘、河流、湖泊等,對自然水體的水質(zhì)造成嚴重威脅,面源污染風(fēng)險嚴重。針對農村散戶(hù)生活污水量差異大、污染源相對分散、可生化性好、污染物濃度較高等特點(diǎn),利用農戶(hù)周邊魚(yú)塘、農田構建濕地,使污染物進(jìn)一步降解后再進(jìn)入自然水體的植物修復技術(shù),具有效果好、投資運行成本低、景觀(guān)效果好、能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟價(jià)值等優(yōu)點(diǎn),成為分散農村生活污水治理的首選工藝之一。這類(lèi)濕地的凈化機理是依靠植物的吸附/吸收作用、微生物作用和物理化學(xué)作用共同對污水進(jìn)行凈化處理,其運行效果的關(guān)鍵因素是植物類(lèi)型。目 前,關(guān)于水生植物凈化能力的研究很多,主要是比較不同植物對不同污染程度水體的修復效果,由于各研究的實(shí)驗條件、植物品種、進(jìn)水濃度等存在差異,植物在污水處理系統中去污能力不同,給設計與施工單位選擇凈化能力強的植物造成困難。因而篩選出具有顯著(zhù)去污特性的水生植物,成為植物修復技術(shù)的關(guān)鍵之一。
據調查,農村散戶(hù)生活污水中主要污染物出水濃度為 TN(總氮)27.6~159.3 mg·L-1、TP(總磷)1.58~18.16 mg·L-1、CODCr(化學(xué)需氧量)80.9~313.2 mg·L-1、NH3 - N(氨 氮)21.3~148.9 mg · L-1、SS(懸 浮 固 體)151.0~685.0 mg·L-1,本研究在設定的模擬化農村散戶(hù)生活污水出水濃度下,比較 29 種水生植物凈化系統對污染物的去除效果,通過(guò)聚類(lèi)分析篩選出一批凈化效果好的水生植物,為農村分散生活污水面源污染水生態(tài)修復提供技術(shù)參考與理論依據。
1 材料與方法
1.1 供試材料
以常見(jiàn)的29種水生植物為材料,植物品種見(jiàn)表1。
?1.2 試驗方法
試驗于2017年7—9月在中南林業(yè)科技大學(xué)苗圃?xún)冗M(jìn)行,選取處于生長(cháng)旺盛期的植物,用長(cháng)×寬×高= 0.80 m×0.70 m×0.80 m的粗陶水缸進(jìn)行露天避雨缸栽試驗,每缸種植的同類(lèi)植物初始生物量大致保持一致,并設置無(wú)植物對照,每個(gè)處理設置 3 個(gè)重復?;|(zhì)為細砂,深度為 25.00 cm。在自然光照、避雨條件下用靜置 1 d 的自來(lái)水培育水生植物 10 d,待植物正常生長(cháng)后一次性加入中南林業(yè)科技大學(xué)校區化糞池出水,模擬農村散戶(hù)生活污水,最終實(shí)驗水體 TN 為31.76~31.97 mg·L-1,TP 為 3.89~3.94 mg·L-1,CODCr為178.87~178.98 mg·L-1,NH3-N 為 23.58~23.69 mg·L-1,SS為166.65~166.77 mg·L-1,pH為6.96~7.01。生長(cháng)過(guò)程中,每隔 15 d對實(shí)驗缸中水質(zhì)進(jìn)行采樣分析,每次采水樣 100 mL,試驗周期為 75 d。試驗中用靜置 1 d的自來(lái)水每5 d補充因蒸發(fā)蒸騰及試驗采樣損耗的水分。每缸水深始終保持在50 cm。?
1.3 分析方法
TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ 636—2012);TP 采用鉬酸銨分光光度法(HJ 671—2013);CODCr采用重鉻酸鹽法(HJ 828—2017);NH3-N 采用納氏試劑分光光度法(HJ 535—2009);SS采用重量法(GB 11901—1989);pH采用酸度計測量。?
(1)生物量變化量=種植 75 d生物量-種植 0 d生物量
(2)污水中污染物去除植物效應
植物效應=(C0-C-C′)/C0×100%
式中:C0為污染物初始濃度;C為污染物最終濃度;C′為對照組污染物濃度。?
(3)隸屬函數值計算方法
若指標與植物去污能力負相關(guān),計算方法為:
式中:Zij為i植物j指標的去污隸屬函數值;Xij為i植物j指標的測定值;Xi min和Xi max分別為各植物同一指標值的最小值和最大值。?
1.4 數據分析
數據分析采用 SPSS 19.0。?
2 結果與分析
2.1 水生植物生物量變化量
試驗 75 d 后水生植物生物量變化量(圖 1)在每缸125.40~1 212.30 g之間,平均值為508.90 g。其中,美人蕉、蘆葦、鳳眼蓮生物量變化量具有顯著(zhù)性?xún)?yōu)勢,水蔥、再力花、花葉蘆竹、香蒲、茭草、萍蓬草、大 薸、旱傘草的生物量變化量大于29種植物的平均值。生物量變化量是衡量植物生長(cháng)狀況及適宜性的一個(gè)重要指標,結果表明以上植物均能適應實(shí)驗中的污水環(huán)境,具有很好的耐污能力。
?2.2 水生植物對TN的去除效果
由29種水生植物對TN的去除效果(表2)可以看出,不同水力停留時(shí)間(HRT)時(shí) TN 的凈化效果具有顯著(zhù)差異性(P<0.05),但試驗中后期HRT對菖蒲、馬蹄蓮、鳳眼蓮、菱以及所有沉水植物的去除效果影響不顯著(zhù)。HRT在 30 d和 45 d時(shí)鳳眼蓮凈化能力明顯優(yōu)于其他植物。15 d后芡實(shí)和菱的凈化能力遜于其他植物。75 d實(shí)驗結束時(shí),29種植物凈化TN的植物效應為6.21%~26.66%,花葉蘆竹、香蒲、美人蕉、蘆葦對TN的凈化具有顯著(zhù)優(yōu)勢(P<0.05),凈化能力較強。? ??
2.3 水生植物對NH3-N的去除效果
由 29 種水生植物對 NH3-N 的去除效果(表 3)可以看出,不同 HRT 時(shí) NH3-N 的凈化效果具有顯著(zhù)差異性(P<0.05),在試驗 60 d后 HRT對德國鳶尾、馬蹄蓮、睡蓮、菱、狐尾藻、輪葉黑藻、伊樂(lè )藻的去除效果影響不顯著(zhù)。HRT在 30 d和 45 d時(shí)鳳眼蓮的凈化能力優(yōu)于其他28種植物,凈化速率較快,45 d后凈化能力減弱。芡實(shí)和菱在試驗中凈化能力遜于其他植物。75 d 試驗結束時(shí),29 種植物凈化 NH3-N 的植物效應為 7.03%~23.92%,蘆葦對 NH3-N 的凈化具有顯著(zhù)優(yōu)勢(P<0.05),凈化能力較強。
2.4 水生植物對TP的去除效果
由29種水生植物對TP的去除效果(表4)可以看出,不同 HRT 時(shí) TP 的凈化效果具有顯著(zhù)差異性(P< 0.05),在試驗中后期HRT對菖蒲、花葉蘆竹、茭草、美人蕉、鳳眼蓮、蘆葦的去除效果影響不顯著(zhù)。HRT在30 d 和 45 d 時(shí)鳳眼蓮的凈化能力優(yōu)于其他 28 種植物,凈化速率較快,45 d后凈化能力減弱。香蒲、蘆葦在45 d后凈化能力優(yōu)于其他植物,金魚(yú)藻、輪葉黑藻、萍蓬草在60 d前凈化能力遜于其他植物,之后凈化能力提高。75 d 試驗結束時(shí),29 種植物凈化 TP 的植物效應為 17.40%~28.13%。香蒲、蘆葦對 TP 的凈化具有顯著(zhù)優(yōu)勢(P<0.05),凈化能力較強。?
2.5 水生植物對CODCr的去除效果
由29種水生植物對CODCr的去除效果(表5)可以看出,不同HRT時(shí)CODCr的凈化效果具有顯著(zhù)差異性(P<0.05)。鳳眼蓮凈化能力優(yōu)于其他 28 種植物,凈化速率較快。HRT在 30 d和 45 d時(shí)槐葉萍的凈化能力較強,后期凈化能力減弱。茭草在 45 d 和 60 d 凈化能力遜于其他植物,之后凈化能力提高。75 d試驗結束時(shí),29 種植物凈化 CODCr的植物效應為 7.47%~18.62%,鳳眼蓮對 CODCr 的凈化具有顯著(zhù)優(yōu)勢(P< 0.05),凈化能力較好。?
2.6 水生植物對SS的去除效果
由 29種水生植物對 SS的去除效果(表 6)可以看出,不同 HRT 時(shí) SS 的凈化效果具有顯著(zhù)差異性(P< 0.05)。蘆葦 30 d后凈化能力優(yōu)于其他 28種植物,凈化速率較快。HRT在 15 d和 30 d時(shí)德國鳶尾凈化能力較弱,HRT在 30 d和 45 d時(shí)芡實(shí)凈化能力較弱,后期凈化能力增強。75 d 試驗結束時(shí),29 種植物凈化SS 的植物效應為 8.90%~13.00%。蘆葦對 SS 的凈化具有顯著(zhù)優(yōu)勢(P<0.05),凈化能力較好。
2.7 水生植物生物量變化量與各污染物凈化率相關(guān)性分析
對四類(lèi)水生植物生物量變化量與四類(lèi)水生植物對5種污染物的植物效應進(jìn)行相關(guān)性分析(表7),挺水植物生物量變化量與挺水植物對SS的植物效應呈極顯著(zhù)正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),漂浮植物生物量變化量與漂浮植物對 TN、CODCr 的植物效應呈顯著(zhù)正相關(guān)關(guān)系(P< 0.05),結果表明,挺水植物對SS的凈化能力,漂浮植物對TN、CODCr的凈化能力受生物量變化量的影響較大。?
2.8 水生植物凈化能力聚類(lèi)分析
篩選凈化能力強的水生植物品種,不僅要求其對污染物具有較高的植物效應,同時(shí)要求其凈化速率也要高。因此將水生植物的生物量變化量,水生植物對TN、NH3-N、TP、CODCr、SS的植物效應,以及植物凈化效果達到《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》(GB/T18918—2002)一級A標準的時(shí)間作為篩選指標,得到29種水生植物篩選指標的平均隸屬函數值(表8),可比較出各植物間的凈化能力強弱。挺水植物中蘆葦、香蒲、花葉蘆竹、美人蕉凈化能力較強,浮葉植物中睡蓮凈化能力較強,漂浮植物中鳳眼蓮凈化能力較強,沉水植物中伊樂(lè )藻、苦草凈化能力較強。對水生植物凈化能力強弱采用組間連接方法進(jìn)行系統聚類(lèi)分析(圖 2),可將29種水生植物分為三大類(lèi):高凈化能力植物為蘆葦、鳳眼蓮、香蒲、花葉蘆竹、美人蕉;中等凈化能力植物為旱傘草、馬蹄蓮、大薸、睡蓮、槐葉萍、伊樂(lè )藻、滿(mǎn)江紅、水蔥、苦草、菖蒲、金魚(yú)藻、千屈菜、荷花、萍蓬草、梭魚(yú)草、茭草、狐尾藻、再力花、菹草、輪葉黑藻、德國鳶尾、芡實(shí)、黃菖蒲;低凈化能力植物為菱。?
3 討論
本研究顯示挺水植物中蘆葦、香蒲、花葉蘆竹、美人蕉凈化能力較強,浮葉植物中睡蓮凈化能力較強,漂浮植物中鳳眼蓮凈化能力較強,沉水植物中伊樂(lè )藻、苦草凈化能力較強,這與前人對水生植物凈化能力的研究結果基本一致。凈水機理主要包括植物的吸附/吸收作用、微生物作用和物理化學(xué)作用。
水生植物對于凈水效果的提升除了植物本身對污染物的吸附作用,還可以通過(guò)根系的泌氧作用促進(jìn)微生物的繁殖,從而強化水生植物系統對污水的凈化效果。有研究證明鳳眼蓮、狐尾藻等水生植物對氮、磷的去除主要依靠植物吸附作用。本研究試驗結束時(shí),無(wú)植物對照組可以?xún)艋蟛糠治廴疚锍煞?,而各植物對污染物的去除率僅占 10%~20% 左右,說(shuō)明微生物作用、物理化學(xué)作用是本試驗污水凈化的主要機理,這與楊曉波的研究結果一致,其可能原因是污水較為渾濁,沉淀物質(zhì)對污水中污染物濃度有一定影響。但是植物的種植可以有效提高污染物的去除率,這主要來(lái)自于植物本身吸收、吸附作用以及根際植物提高微生物活性的作用,其總體作用即為植物效應。
本研究結果表明,挺水植物對SS的凈化能力、漂浮植物對TN、CODCr的凈化能力受生物量變化量的影響較大,挺水植物生物量變化量與挺水植物對 SS 的植物效應呈極顯著(zhù)正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),漂浮植物生物量變化量與漂浮植物對TN、CODCr的植物效應呈顯著(zhù)正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。其原因可能是微生物作用、物理化學(xué)作用是本試驗污水凈化的主要機理,生物量的增加可以促進(jìn)植物的吸附、吸收作用,同時(shí)生物量增加的過(guò)程中根系也在進(jìn)一步生長(cháng),釋放充足的氧氣,為微生物提供了良好的活動(dòng)場(chǎng)所,促進(jìn)了微生物的作用。
鳳眼蓮對 CODCr的去除效果具有一定優(yōu)勢,適用于對有機物的去除。鳳眼蓮在試驗處理前期對 TN、NH3-N、TP凈化速率具有一定優(yōu)勢,說(shuō)明鳳眼蓮針對這些污染物的凈化在短期內具有明顯效果,但是在試驗后期對污染物凈化能力與其他植物無(wú)顯著(zhù)差異,說(shuō)明鳳眼蓮對低濃度生活污水的凈化能力無(wú)明顯優(yōu)勢。蘆葦和香蒲在試驗后期對 TP 凈化效果較好,說(shuō)明蘆葦和香蒲對低濃度生活污水TP的去除能力較強。試驗篩選出的5種凈化效果較好的水生植物當中,鳳眼蓮屬于外來(lái)入侵物種,在工程應用中,需要采取一定控養措施,防止其對原有生態(tài)系統造成危害。
?4 結論
(1)鳳眼蓮對 TN、NH3-N、TP 的凈化在短期內具有明顯效果。蘆葦和香蒲在試驗后期對TP凈化效果較好。
(2)挺水植物中蘆葦、香蒲、花葉蘆竹、美人蕉凈化能力較強,浮葉植物中睡蓮凈化能力較強,漂浮植物中鳳眼蓮凈化能力較強,沉水植物中伊樂(lè )藻、苦草凈化能力較強。
文章來(lái)源:農業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報
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