景觀型人工濕地污水處理系統(tǒng)構建及氮吸收的影響因素

景觀型人工濕地污水處理系統(tǒng)構建及氮吸收的影響因素

濕區(qū)處理技術具有運營成本低、維護管理簡單、環(huán)境環(huán)境影響小、分散化、綠化等特點。近年來，它被廣泛應用于有機污染物、氮、磷等養(yǎng)分鹽的去除。針對人工濕地在發(fā)展應用中存在的以上問題,將不同的景觀植物引入人工濕地,并以構建景觀型人工濕地污水處理系統(tǒng)為目標來配置植物群落、設計系統(tǒng)的構型與功能,其目的是通過景觀型濕地系統(tǒng)的構建提高處理系統(tǒng)的功能價值,實現(xiàn)人工濕地可持續(xù)性的凈化功能與景觀功能的有機結合,同時對引入系統(tǒng)的園林植物脫氮能力進行研究,以進一步揭示植物在人工濕地污水處理系統(tǒng)中的作用.1材料和方法1.1級歷史處理系統(tǒng)構造設計構建的人工濕地系統(tǒng)位于中南林業(yè)科技大學株洲校園內(nèi),流程如圖1所示.A系列和B系列為平行處理單元,進水濃度一致,B系列和C系列構成一個串聯(lián)的二級跌流處理系統(tǒng),其中B系列構成一級處理單元,C系列構成二級處理單元.該系統(tǒng)共12個小處理單元,用于研究不同景觀植物所構成的潛流濕地對生活污水的處理效果.1.2床體及駁岸布置景觀濕地各處理單元的構造如圖2所示.各單元長5m,寬2m,中部設一高度為0.5m的擋水墻,目的是在床體內(nèi)增加隔水性較好的磚混結構擋水墻和阻水墻,采用波形設計,防止污水在床體內(nèi)出現(xiàn)短流,引導污水在床體內(nèi)形成波形水流,并使得污水充分流經(jīng)各填料層,提高了填料的利用率.出水口高度為0.6m,水面線控制在0.6m.各處理床體均用磚混構筑,床體的填充方式為下部填充粒徑為3~5cm的石灰石40cm,上面再鋪5cm河沙,中間用紗網(wǎng)做隔層,防止河沙進入石灰石造成堵塞,河沙層之上根據(jù)實驗設計分別填充膨脹蛭石、紅壤、天然沸石各15cm作為吸附層,最上層再鋪約10cm的細沙,其上根據(jù)設計要求栽種不同的景觀植物.1.3基質(zhì)與植物配置通過5年來對引入濕地處理系統(tǒng)的100多種植物的比較篩選,獲得了近30余種適應性、凈化力強且具有景觀價值、可用于濕地系統(tǒng)的園藝植物.根據(jù)本試驗的要求,選取了其中部分植物作為試驗用植物.引入系統(tǒng)的15種植物,均為多年生植物,其中美人蕉(Cannaindica)、梭魚草(Pontederiacordata)、再力花(Thaliadealbata)、香蒲(TyphaangustifoliaLinn.)、花葉蘆竹(Arundodonaxvarversicolor)、菖蒲(Acorusgramineus)、花菖蒲(IrisensataThunb.)、風車草(Cyperusalternifolius)、千屈菜(Lythrumsalicaria)均為大型的水生或濕生類觀賞植物,月季(Rosechinensis)、金葉女貞(Ligustrumvicaryi)、冬青(Ilexlatifolia)和萼距花(Cupheahookeriana)為當?shù)爻Ｒ姷膱@林植物,一般為陸生栽培,除萼距花外,其他陸生植物冬季地上部分仍然存活.所有植物均于9月初按設計要求移栽入系統(tǒng),移栽后形成生長良好的群體.系統(tǒng)各單元基質(zhì)與植物配置如表1所示.1.4飲用水處理系統(tǒng)采用連續(xù)進水方式,待處理水為校園生活污水,進水水質(zhì)如表2所示.1.5植物體氮磷濃度測定測定試驗單元COD、TN、TP、NH植株生物量測定采用稱重法,12月份收獲整株植物,在烘箱中烘至恒重后稱重.植物體內(nèi)氮磷濃度測定參考具體測定方法采用濃硫酸消煮-紫外分光光度法2結果與分析2.1景觀濕地植物生物量水生和濕生型的植物移栽后,在短時間內(nèi)能形成長勢良好的群體,觀察有新葉和新根長出,待收獲時地上部分的覆蓋度基本達到90%.引入系統(tǒng)的陸生植物,經(jīng)過一個月的適應生長,根部誘導出出大量水生根,地上部分也有不少新葉長出,待收獲時覆蓋度達90%左右.植物生物量的變化反應出其對環(huán)境的適應,對景觀濕地15種植物生物量的統(tǒng)計結果如表3所示.各單元生物量均有一定量的增長,其生長量的分配表現(xiàn)以下特征:不同植物生長量大小不一,大型挺水植物的地上生長量普遍比陸生植物大,大型水生植物地上部分的生長量比地下部分大,而陸生木本植物與之相反,基本上呈現(xiàn)地下生長量大于地上生長量,且混種植物地下生長量大于單種單元的地下生長量.一級和二級系統(tǒng)之間植物生長量并沒出現(xiàn)很大的差異,說明污染物負荷并沒有對植物造成較大的影響,氮磷濃度也沒有成為植物生長的限制因子,原因可能在于進水TN濃度較高,氮素營養(yǎng)較豐富所致.2.2莖葉和根本氮含量的變化植物通過生物量增長從濕地中吸收氮素被認為是濕地凈化機制的重要途徑之一莖葉氮質(zhì)量分數(shù)在1.11%~3.69%之間,最高的為菖蒲.根氮濃度在0.67%~2.48%之間,最高的為梭魚草.末期地上部分莖葉氮含量與地下部分根氮含量的比值>1,說明植物對氮的累積主要集中于莖葉器官,植物體內(nèi)氮的分配規(guī)律呈現(xiàn)莖葉>根.莖葉和根收割時氮質(zhì)量分數(shù)與種植初期相比差別不大,原因可能在于選用的植物幼苗均從該試驗基地移植而來.對植物單位面積吸收氮量與生物量、體內(nèi)氮含量進行相關性分析,結果表明植物氮吸收與生物量顯著正相關(r=0.99),與體內(nèi)氮含量相關性很小(r=0.34).2.3生物處理對氮的貢獻率12個單元植物吸收對各處理系統(tǒng)氮去除的貢獻率統(tǒng)計結果見表5所示.植物吸收對總氮負荷減少的貢獻率在0.73%~2.35%之間.表明植物吸收對濕地中氮的去除貢獻非常有限,植物吸收不是試驗濕地系統(tǒng)最主要的脫氮途徑.植物吸收貢獻率與單元TN去除量相關性分析結果顯示(圖3),單元總氮去除量大,植物氮吸收對去氮的貢獻率則相對較小.2.4植物的脫氮效應從2.3的分析可以看出,植物在濕地脫氮中的作用并不能僅僅由植物氮吸收反應出來,氮吸收的貢獻率不能代表植物在脫氮中所起的全部作用.由此,作者用有植物處理與無植物處理氮去除量的差值占植物處理單元氮總去除量的百分比來表示植物的脫氮效應,即:式(1)表明,植物的脫氮效應包含了植物吸收和植物在系統(tǒng)中通過促進微生物活性、增強基質(zhì)填料吸附緩沖能力以及改善其它因子條件所產(chǎn)生的去N增量方面的綜合效應,前者為植物通過吸收產(chǎn)生的直接貢獻,而后者為植物在與其它因子協(xié)同效應中的增效作用,其中:顯然,與植物吸收貢獻率相比,植物脫氮效應更能反應植物在處理系統(tǒng)中所起的作用.在對植物效應進行計算時,為了排除基質(zhì)的影響,僅僅對采用同一基質(zhì)的處理單元進行分析,分析結果如表6~7所示.TN吸收貢獻率值遠小于植物脫氮效應值,差異大約在10倍以上.植物吸收貢獻率也不與植物脫氮效應成正比,如B3的植物吸收貢獻率略小于A3,但其植物脫氮效應是A3的4倍之多.將TN、NH3討論3.1濕地系統(tǒng)的生態(tài)適應性問題景觀植物具有較好的觀賞價值,引入人工濕地污水處理系統(tǒng)無疑能進一步提高系統(tǒng)的景觀價值,但大部分的園林植物為陸生栽培,將其引入人工濕地系統(tǒng),其一需要解決的是植物的生態(tài)適應性問題;其二,引入的園林植物應該對污水具有較好的凈化作用.本研究通過大量地引種實驗證實,大部分試驗過的陸生園林植物均對水生環(huán)境具有一定的適應性,經(jīng)過一段時間的水生誘導可以在人工濕地中存活,并具有一定的生長量和氮磷吸收能力,且具有多年生的特性,不需要進行植物的換季,從而可以增強系統(tǒng)運行的可持續(xù)性和穩(wěn)定性.在人工濕地植物選擇的過程中,不少研究者3.2植物的貢獻率由于植物吸收N的能力有限,植物N吸收在系統(tǒng)脫N中的貢獻率則與進水氮負荷量相關.氮負荷量小的系統(tǒng),植物吸收的貢獻率值相應大,而氮負荷量大的系統(tǒng),植物吸收的貢獻率值則相應小(圖3).王晟等3.3沸石+梭魚草+傳統(tǒng)植物/啟動去污系統(tǒng)b4與不同植物混種對.從表6可以看出,雖然植物直接吸收在去N中的貢獻很小,但植物在系統(tǒng)中的增效作用卻不可忽視,該一作用表明植物具有通過如改善水流、溶解氧等條件、增加根系和基質(zhì)中微生物數(shù)量、多樣性和活性等來增強濕地系統(tǒng)脫氮能力的綜合功能在實驗中單種植物單元(A3、B3)與混種植物單元(B4)比較中,發(fā)現(xiàn)沸石+梭魚草+月季+女貞混種單元的氮去除率、植物氮吸收及植物效應比單種美人蕉的單元要高,混種單元COD的去除量高于單種再力花和美人蕉單元,其表明植物混種可以提高植物的去污效應,再或者說系統(tǒng)的去污效果與系統(tǒng)的植物配置相關.有研究本研究表明,混種比單種單元的處理效果好,其原因可能是通過混種提高了系統(tǒng)的生物多樣性,改善了系統(tǒng)的結構與功能,增加了食物鏈(網(wǎng))中物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)化途徑,同時也增強了系統(tǒng)對病蟲害的抵抗力.從理論上來說,單一物種的凈化能力總是有限的,不同植物由于生長期、抗逆能力、根系類型和分布不同,釋氧速率不同,對微生物活性影響不同,從而凈化污水的效率不同.如草本植物生長期比較短,而木本植物生長期長,不同植物耐高溫或抗寒性有差異等,因此,合理的搭配可以獲得更為理想的處理效果.4植物的群落配置(1)實驗選用的15種景觀植物(包括陸生木本植物)在人工濕地中生長良好,具有較強的去污能力.園林植物的引入增加了濕地植物的選擇范圍,本試驗結果可為構建景觀型人工濕地系統(tǒng)植物群落配置提供基礎資料.(2)植物是人工濕地污水處理系統(tǒng)的必要與重要元素,其