近年来,国内外研究水生植物对改变河流、湖泊及生活污水水质贡献的学者越来越多,通过利用植物修复水体逐渐成为治理污染水体的一个研究热点。选择具有较高净化效果和经济价值的植物,可以有效去除水体中的污染物,改善区域水体环境,帮助恢复退化的水生生态体系。目前,很多学者对一些花卉植物如吊兰、美人蕉等都做了大量的研究,有了较为完善的研究成果和体系,但是对于一些不易引人注意的野生植物研究则较少。
本实验选用2 种绵阳本地野生植物北水苦荬( Veronica anagallis-aquatica L. ) 和巴天酸模( Rumexpatientia Linn. )进行生活污水净化研究,这2 种植物来源丰富、对气候适应性强,目前在该领域相关研究较少,采用本地野生植物处理污水对于环境保护也具有重要价值。本实验系统即模拟小型人工湿地系统,研究北水苦荬和巴天酸模2 种野生植物用于人工湿地的可行性及对污水的净化能力,实验在植物选择上具有一定的创新性,对今后人工湿地污水处理中新型植物的开发具有一定的实用意义。
1 材料与方法
1. 1 植物
北水苦荬,又名仙桃草,多年生草本挺水野生植物,广泛分布于长江以北以及西南部丘陵区域。
巴天酸模,又名牛舌头棵,多年生草本挺水野生植物,喜湿润的环境,广泛分布于我国四川、云南及西藏等大西南区域[13-14] ;实验所用北水苦荬取自涪江绵阳段(北纬N31°30′58. 30″,东经E104°43′12. 43″),巴天酸模取自绵阳青义任家沟(北纬N31°34′14. 16″,东经E104°40′3. 57″)。
1. 2 材料装置
实验装置于2015 年8 月建成,地点位于某大学污水处理厂一大棚内,实验期间气温约为(25 ± 5)℃ ,湿度为65% ~ 85% 。实验根据平行对照原则,共设计2 组平行实验,每组包含3 个砾石基质净化系统,分别为北水苦荬组(BS)、巴天酸模组(BT)和空白对照组(DZ)。实验系统采用塑料无土栽培箱制成,每个栽培箱长、宽、高分别为0. 75 m × 0. 54 m ×0. 42 m,采用8 ~ 20 mm 的砾石基质进行填充,并在上面栽种植物,作为污水处理的主要构筑物。其中,BS1 和BS2 上栽种北水苦荬,BT1 和BT2 上栽种巴天酸模,DZ1 和DZ2 为对照组,不栽种植物。系统顶端设有集中配水箱,用于初虑污水和向各湿地单元中进水。污水由系统侧壁下端进水口连续流入,从系统另一侧壁上端出水口连续流出。实验装置如图1所示。
1. 3 实验方法
选取驯化好的北水苦荬和巴天酸模各16 株,分别移栽至BT1 、BT2 和BS1 、BS2 中,每组系统各栽种8株,对照组DZ1 、DZ2 不栽种植物。为保证种植植株的适应和存活,同时结合前期实验研究和相关计算结果,在植物栽种后,选择该系统在水力负荷为0. 216 m3 ·(m2 ·d) - 1 的条件下连续运行1 周进行植株适应性驯化,待系统中植物成活并生长稳定后,再连续运行30 d,期间每间隔2 d 采样一次,分析各组系统污水中COD、NH3 - N、TN 和TP 的去除效果。实验过程中水的蒸发作用损失水量通过补充蒸馏水以保持体积不变,将大棚两侧塑料膜卷起以保证光照充足和整个大棚的空气流通,尽量避免实验环境与外界环境差异过大。
1. 4 水质与分析方法
实验所用原水为该污水处理厂细格栅出水,pH 为6 ~ 8,COD 为220 ~ 450 mg·L - 1 ,NH3 -N、TN、TP 的质量浓度分别为25 ~ 55、30 ~ 65、1. 5 ~ 4. 0 mg·L - 1 。污水中各指标的分析方法为:COD 采用快速密封催化消解法(HZ-HJ-SZ-0108),NH3 -N 含量采用纳氏比色法(GB 7479-1987),TN 含量采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894-1989),TP 含量采用钼酸铵分光光度法(GB 11893-1989)。
2 结果与讨论
2. 1 COD 净化效果
实验系统稳定运行后,各组系统对污水中COD 的去除效果如图2 所示。
由图2 可以看出,在整个实验周期内,系统进水COD 浓度均值为234. 2 mg·L - 1 ,空白对照组、北水苦荬组和巴天酸模组出水COD 浓度均值分别为112. 4、103. 9、102. 1 mg·L - 1 ,平均去除率分别为52. 1% 、55. 8% 、56. 6% 。3 组实验系统COD 去除率整体趋势均是前期较为平稳,中期上升,后期下降,且COD 去除率均在实验中后期达到了最大值,最终北水苦荬组和巴天酸模组COD 平均去除率优于空白组5%左右。
在一般湿地系统中,COD 的去除主要依靠基质填料的吸附、滤料表面微生物的降解、有机污染物自身沉降以及植物吸收降解作用等。实验前期植物生长缓慢,系统对COD 的去除主要依靠砾石基质的吸附、拦截作用;实验中期由于植物快速生长,植物根系和砾石周围形成大量生物膜使得COD 的去除率明显提高;实验后期由于植物生长变慢,基质逐渐饱和等,COD 去除率逐渐下降。
2. 2 NH3 -N 净化效果
实验系统稳定运行后,各组系统对污水中NH3 -N 的去除效果如图3 所示。
由图3 可以看出,实验系统进水NH3 -N 浓度均值为32. 8 mg·L - 1 ,空白对照组、北水苦荬组和巴天酸模组出水NH3 -N 浓度均值分别为20. 3、18. 6、18. 1 mg·L - 1 。北水苦荬组前期、中期、后期对NH3 -N 去除率平均值分别为36. 3% 、46. 3% 、48. 1% ;巴天酸模组前期、中期、后期NH3 -N 去除率平均值分别为37. 6% 、46. 9% 、50. 5% ;空白组前期、中期、后期NH3 -N 去除率平均值分别为35. 0% 、39. 1% 、40. 6% 。由此可以看出,巴天酸模组对NH3 -N 去除效果最好,且最高能够达到55% 左右,北水苦荬组略差于巴天酸模组,空白对照组去除效果最差,但变化相对平稳。实验证明有植物的实验组系统对NH3 -N 的净化效果明显优于无植物的空白组系统。
湿地中NH3 -N 的来源主要是游离的NH +4 和含氮有机物的氨化分解。实验中北水苦荬和巴天酸模2 实验组植物生长需要吸收分解一部分NH3 -N,同时植物根系传输氧为好氧微生物提供条件从而促进了硝化和反硝化作用,所以NH3 -N 的去除效果较理想。空白对照组由于缺少好氧微生物的作用,对NH3 -N 的去除效果较差。
2. 3 TN 净化效果
实验系统稳定运行后,各组系统对污水中TN 的去除效果如图4 所示。
由图4 可以看出:3 组实验系统在运行前期对TN 的去除率均较低,平均去除率维持在35% 左右;但到实验中期,北水苦荬组和巴天酸模组对TN 的去除率开始明显上升,平均去除率可以达到46% 以上,而到后期TN 去除率则出现了小幅减小。空白对照组TN 去除率变化整体较为平稳,且效果低于实验组。
氮在污水中主要以有机态氮和氨氮形式存在,通过基质吸附、植物吸收以及生物的硝化和反硝化作用等途径去除。实验前期由于植物生长缓慢,对氮素的吸收需求较少,3 组系统对氮的主要去除途径一致,去除效果相当;实验中期植物生长旺盛,促进了对氮素的吸收分解,加之植物根区微生物对氮素的同步分解转化,提升了实验组对氮的去除效果;实验后期植物生长变缓,对氮素的需求有所减少,实验系统对氮的去除能力也有所降低。
2. 4 TP 净化效果
实验系统稳定运行后,各组系统对污水中TP 的去除效果如图5 所示。
由图5 可以看出:空白对照组实验前期、中期、后期对TP 平均去除率分别为39. 4% 、44. 8% 、43. 5% ;北水苦荬组前期、中期、后期对TP 平均去除率为38. 1% 、49. 8% 、49. 0% ;巴天酸模组前期、中期、后期对TP 平均去除率为37. 9% 、50. 3% 、50. 9% 。从运行时间上对TP 的去除效果对比来看,实验前期3 组系统对TP 去除效果相差不大,而实验中期和后期北水苦荬组和巴天酸模2 实验组对TP 的去除效果明显优于空白对照组,且巴天酸模组最好。
由于磷不同于氮,不能转化为气体直接转移到系统外,因此湿地土壤一直被公认为系统中磷的最终归宿。在人工湿地中,植物吸收的磷却能够通过人工收割的方法转移至系统外,所以探索新型污染修复植物,增加植物对磷的吸收量是提高湿地系统中TP 整体去除效果的重要途径。
2. 5 污染物去除的相关性
利用统计分析软件SPSS 分别对各组系统中COD、NH3 -N、TN、TP 的去除率进行Pearson 相关性分析,考察各湿地单元主指标去除率之间的关系。
表1 北水苦荬组各指标去除率直接的Pearson 相关性
表2 巴天酸模各指标去除率直接的Pearson 相关性
表3 空白组各指标去除率直接的Pearson 相关性
如表1 所示,北水苦荬组系统内COD-TP、NH3 -N-TN、NH3 -N-TP、TN-TP 主指标间两线性在0. 01 水平上显著相关,Pearson 相关系数分别为0. 732、0. 917、0. 861、0. 850,表现出系统中NH3 -N、TN 和TP 的去除具有较高的同一性,这与植物的吸收作用有很大关系。如表2 所示,巴天酸模组系统内COD-NH3 -N、NH3 -N-TN、NH3 -N-TP、TN-TP 主指标间两线性在0. 01 水平上显著相关,Pearson 相关系数分别为0. 651、0. 816、0. 922、0. 804,表现出系统中NH3 -N、TN 和TP 的去除也具有较高的同一性。如表3 所示,空白对照组系统中NH3 -N-TN、NH3 -N-TP、TN-TP 主指标间两线性在0. 01 水平上显著相关,Pearson 相关系数分别为0. 748、0. 644、0. 749,空白对照组同样表现出NH3 -N、TN 和TP 的去除具有一定的相关性。
3 组实验系统中均表现出NH3 -N、TN、TP 去除率之间两两相关,这可能是由于NH3 -N、TN、TP 的去除途径有诸多相似的原因,如植物吸收作用同时去除氮磷,TN 中包括NH3 -N,NH3 -N 的去除意味TN 的减少等。空白对照组与北水苦荬组、巴天酸模组相比指标间相关性系数相对较低,可能是由于空白组没有植物同步吸收氮磷作用。COD 与其他各指标之间相关性均较低,这与COD 在去除机理和去除途径上的不同有关。具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。
3 结论
实验通过建立北水苦荬和巴天酸模动态砾石基质净化系统,探讨2 种本地野生植物对生活污水的净化能力以及将其运用到人工湿地的可行性。结果表明,北水苦荬和巴天酸模砾石基质净化系统对生活污水中COD、NH3 -N、TN 和TP 等主要污染指标平均去除率可以达到42% ~ 56% ,去除效果良好,且二者去除能力差别不大,而空白对照组对污水中各项污染指标的平均去除率则明显低于实验组,这也验证了北水苦荬和巴天酸模应用于人工湿地污水处理中的可行性。
污染物去除的相关性分析表明,在不同实验系统内,各指标间去除率的相关性也存在着较大的差异,北水苦荬和巴天酸模2 组湿地系统内各污染指标去除率相关性系数较高,污染物的去除过程存在一定的同一性,而空白对照组系统中各指标去除率之间的相关性系数则较低,这与净化系统中植物对污染物的吸收作用密不可分。对各类湿地的污染物去除率之间的相关性进行分析,有利于弄清各污染物的去除机理,更好的改进湿地的结构和功能配置。实验今后拟探讨引用其他沉水或浮游野生植物,采用结构上改进为复合式湿地系统,提高污染物综合去除率,满足处理达标要求,从而最终实现工程上的应用。
