人工湿地处理污染河水和湿地植物腐烂分解影响研究

人工湿地处理污染河水和湿地植物腐烂分解影响研究
范云爽;戴丽;蒋云东
【摘要】以高原复合型人工湿地为研究对象,在水力负荷为0.067 m/d的条件下,
监测湿地对CODCr、TN、TP、氨氮的去除率达到了66.3%、82.5%、43.2%、76%;采集了梭鱼草、美人蕉、芦苇、水葱、茭白、再力花6种挺水植物地上部分,测定了它们的TN、TP、有机质等营养物质含量和它们腐烂分解过程中TN、TP、COD等释放强度.结果表明:梭鱼草、美人蕉、茭白释放强度较强,再力花和芦苇释
放强度较弱,在选择湿地植物时综合考虑植物吸收污染物能力情况下,可以优先考虑
再力花、芦苇等植物.
【期刊名称】《环境科学导刊》
【年(卷),期】2010(029)003
【总页数】4页(P42-45)
【关键词】人工湿地;河水治理;湿地植物;腐烂;研究
【作者】范云爽;戴丽;蒋云东
【作者单位】昆明理工大学环境科学与工程学院,云南,昆明,650092;云南省环境科
学研究院,云南,昆明,650034;云南省林业科学研究院,云南,昆明,650000
【正文语种】中文
【中图分类】X52
自20世纪70年代以来,人工湿地因其具有一定的处理效果、建设运行成本比较低、易于管理等优点[1],在世界各国得到了广泛的应用,也因此产生了大量的湿地植物残
体。

复合型湿地由于其较单一型人工湿地更好的污染物去除效果,得到了更多的应用,本研究采用了塘和湿地的复合系统来处理污水。

湿地植物作为湿地生态系统的
主要组成部分,通过吸收、过滤、截留等,有效地提高了氮、磷等污染物的去除效率[2]。

然而秋冬季节湿地植物的腐烂分解却会引起水质的恶化[3～4]。

针对植物腐
烂分解对水质的影响,目前的研究还较少,并且多是单种植物腐烂分解的研究。

本文
对6种常见的挺水植物腐烂分解对水质的影响进行了初步研究,旨在定量揭示湿地
挺水植物的腐烂分解过程中营养物质的释放规律,确定湿地挺水植物的最佳收割时间,为湿地植物的选择和管理提供依据。

弥苴河是洱海重要的来水河,占洱海流域面积的60%,总入水量的57%。

弥苴河水
质的优劣,决定着洱海的水质。

随着两岸工农业的发展,弥苴河水质有逐年下降的趋势。

近年来,通过努力,水质有所恢复。

表流湿地由于其成熟期短、基建运行费用低、类似于天然湿地等优点,适宜于河网
地区的湿地建设,结合当地实际,本试验改造了河口的一块水稻田为人工湿地,采用了塘和人工湿地的复合系统来处理受污染河水。

湿地示范工程建于云南省大理州上关镇河尾村,占地面积900m2,四周的墙均为砖
混结构,湿地基质为土壤,底部用塑料膜作防渗处理。

湿地分为沉淀池、氧化塘、一
级表流湿地、二级表流湿地(见图1)。

其中沉淀池为150m2,氧化塘为150m2,一
级表流湿地和二级表流湿地均为300m2。

沉淀池深1.0m,氧化塘深0.8m,表流湿
地水深0.3m。

根据湿地植物的选择原则,尽量选取当地的乡土植物和污染物去除效率较高、生物
量较大的植物。

根据当地实际情况,沉淀池种植凤眼莲(Eichhornia
crassipes(Mart.)Solms)、菱角(T.natans)、狐尾藻(Myriophyllum verticillatum)、睡莲(Nymphaea alba)等浮水和沉水植物,表流湿地种植美人蕉(Canna indica)、
芦苇(Phragmites australis)、梭鱼草(Pontederia cordata)、水葱(Scirpus
validus Vahl)、茭白(Zizanialatifolia(Griseb.)Stapf)、再力花(Thalia dealbata)等挺水植物。

1.4.1 人工湿地试验方法
人工湿地采用连续进水的方式,进水量为150m3/d,水力负荷为0.67m/d,实验期间每天对进出水进行取样。

监测的水质指标主要有TN、TP、COD、DO、氨氮、氧化还原电位。

测定方法参照《水和废水监测分析方法(第四版)》,其中DO和氧化还原电位采用YSI-6系列自动监测仪测定。

1.4.2 湿地挺水植物腐烂分解研究方法
于2009年10月在弥苴河河口湿地采集梭鱼草、美人蕉、芦苇、水葱、茭白、再力花6种挺水植物的地上部分,每种植物取1kg左右,采回之后立即用清水洗净,风干后再烘干至恒重,剪碎后混合均匀备用。

每种植物取20g,放入3L盛满水的桶中,将桶置于室内,上方加盖防止水分蒸发和灰尘降落,但要留一定的空隙防止缺氧。

每隔2、4、7、10、13、16、19、22d取250ml水样进行监测,每次取完水后用蒸馏水(放置曝气8h)补充至原始水位。

实验设置三个重复,监测指标为CODCr、TN、TP。

示范湿地于2009年8月建成后,即开始进水,试验于2009年11月开始进行,至2010年1月底结束。

试验期间温度保持在0～20℃,水温保持在11℃左右。

试验采取连续进水的方式,在水力负荷为0.067m/d情况下,进出水水质和污染物去除率见表1。

人工湿地除氮的主要机理是微生物的硝化和反硝化作用,植物的吸收和存储只是占一小部分[5],影响湿地脱氮的因素主要有温度、DO等,从表1可以看出,湿地对总氮和氨氮的去除率分别高达82.5%和76%,而冬季湿地植物的生长几乎停止,但湿地水温一直保持在15～11℃左右,溶解氧水平一直保持在9～10mg/L,测量湿地沿程的溶解氧水平,结果显示,自进水口至出水,溶解氧呈明显的下降趋势,这种好氧/缺氧使
得硝化/反硝化得以顺利进行,并且最终通过反硝化生成氨气而将氮去除。

这些条件保证了湿地对氮较高的去除效率。

从表1可以看出,湿地对磷的去除率为43.2%,湿地对磷的去除主要是通过基质的吸附和沉积作用[6],当地的土壤为沙土,具有较强的吸附能力,湿地还处于建成初期,因而除磷的效果比较好。

由于大理的气候优势(冬天气温较高,无结冰),复合型湿地在进水水质出现波动的情况下,湿地出水水质比较稳定;冬季在湿地植物的生长已经停止的情况下,湿地仍保持了对污染物较高的去除率。

试验前,测定了6种植物的氮、磷、有机质含量,见表2。

从表2可以看出,6种挺水植物全氮含量差异比较大,含量最高的水葱(21.4g/kg)与含量最低的芦苇(5.9 g/kg)之间相差15.5个数量级;而全磷的含量除芦苇较低外,其余5种植物则相差不大;6种植物的有机质含量基本相近,没有明显差异。

2.2.1 总氮的释放
从几种植物的总氮释放强度曲线可以看出,再力花和美人蕉在第4d总氮释放强度就达到了最高值,其它4种植物则在第6d达到了最高值,而后曲线比较平滑,说明释放强度比较稳定,这估计与大理的温度变化有关系。

累计释放强度(这里用历次所测污染物浓度之和来表示)美人蕉(6,总共6种植物,排第一记为6,依次类推)>梭鱼草(5)>茭白(4)>芦苇(3)>水葱(2)>再力花(1)。

2.2.2 总磷的释放
梭鱼草、美人蕉、水葱、芦苇均在第10d时总磷的释放强度达到了最高值,而茭白和再力花则在第13d时才达到最高值,而每种植物在达到了最高值后释放强度趋于平缓,累计释放强度美人蕉(6)>茭白(5)>水葱(4)>梭鱼草(3)>再力花(2)>芦苇(1),这和6种植物的全磷含量是成正相关的,全磷含量茭白>水葱>美人蕉>梭鱼草>再力花>芦苇,美人蕉全磷含量排第三但累计释放强度则为第一,这可能与美人蕉的植物
组织结构有关,美人蕉多为叶状,且组织较疏松,试验观测,当植物浸泡时,美人蕉所浸泡的水在几小时之内即变浑浊。

植物磷的释放和碳氮比没有明显的关联关系。

2.2.3 COD的释放
几种植物的COD释放曲线和TN释放曲线比较相似,均是在第4d左右释放强度就达到最高值,以后逐渐下降并在第10d后趋于稳定。

累计释放强度梭鱼草(6)>水葱(5)>茭白(4)>再力花(3)>芦苇(2)>美人蕉(1)。

以6种植物的不同营养物质的累计释放强度进行排名(按释放强度由强到弱依次记为6、5、4、3、2、1),最终排名结果为梭鱼草(14)>美人蕉(13)=茭白(13)>水葱(11)>再力花(6)=芦苇(6)。

可以看出,梭鱼草、美人蕉、茭白营养物质的释放强度较强,而再力花和芦苇释放强度则较弱。

我们在选择湿地植物的时候,在综合考虑植物吸收污染物能力的情况下,可以优先考虑这些释放强度较弱的植物,避免植物腐烂对水质产生影响。

(1)本研究中的示范人工湿地在冬季植物生长基本停止的情况下,对CODCr、TN、TP、氨氮的去除率仍达到了66.3%、82.5%、43.2%、76%,在进水水质出现一定波动的情况下,出水水质比较稳定,取得了较好的处理效果。

这与云南气候优势是密切相关的,也应该积极推广人工湿地在云南的农村污水、农田排水、工矿企业废水治理中的应用。

(2)作为湿地生态系统重要组成部分的湿地植物,一方面,植物在生长过程中,会吸收大量的营养物质,从而去除污染物;另一方面,在植物生长停止后,植物会释放营养物质,极端情况会造成水域大面积污染。

如太湖“茭黄水”就是由于茭草没有及时收割而造成太湖水质恶化[7]。

影响植物营养物质释放强度的因素有很多,一方面,植物本身的组织结构、营养物质含量会对营养物质释放造成影响,另一方面,温度、溶解氧等环境因子也会影响营养物质释放[8]。

对6种挺水植物营养物质释放强度进行的研究表明,6种植物释放COD和TN在第
4d左右就达到了最高值,而对TP的释放则在第10d才达到最高值,说明植物磷的释放比较缓慢,且和植物体内的磷含量密切相关,这就要求在湿地的管理上,一旦冬天植物生长停止,要及时对枯萎的植物进行清理。

综合不同营养物质的累计释放强度,可以看出,梭鱼草、美人蕉、茭白释放强度较强,再力花和芦苇释放强度较弱,在选择湿地植物时综合考虑植物吸收污染物能力的情况下,可以优先考虑再力花、芦苇等植物。

【相关文献】
[1]白晓慧,王宝贞,余敏,等.人工湿地污水处理技术及其发展应用[J].哈尔滨建筑大学学报,1999,32(6).
[2]郭亚平,吴晓芙.湿地植物在城镇污水处理中的特性研究[J].环境科学与技术,2009,32(2).
[3]Godshalk GL,Barko J W.Vegetative succession and decomposition in
reservoirs.In:Gunnison Ded.Microbial Processes in Reservoirs[J].Dev.Hydrobio,1985,(27).
[4]Alvarez J A,Becares E.Seasonal decomposition of Thpha latifolia in a free-water surface constructed wetland[J].Ecological Engi2 neering,2006,28(2).
[5]Tanner CC.Plants an ecosystem engineers in subsurface-flow treatment
wetlands[J].Water Science and Technology,2002,44(11).
[6]赵桂瑜,杨永兴,杨长明.人工湿地污水处理系统脱氮机理研究进展[J].四川环境,2005,24(5).
[7]李文朝.东太湖茭黄水发生原因与防治对策探讨[J].湖泊科学,1987,9(1).
[8]李燕,王丽卿,张瑞雷.5种沉睡植物死亡分解过程中氮磷营养物质的释放[J].上海环境科
学,2008,27(2).。