近年來,國內外研究水生植物對改變河流、湖泊及生活污水水質貢獻的學者越來越多,通過利用植物修復水體逐漸成為治理污染水體的一個研究熱點。選擇具有較高凈化效果和經濟價值的植物,可以有效去除水體中的污染物,改善區(qū)域水體環(huán)境,幫助恢復退化的水生生態(tài)體系。目前,很多學者對一些花卉植物如吊蘭、美人蕉等都做了大量的研究,有了較為完善的研究成果和體系,但是對于一些不易引人注意的野生植物研究則較少。
本實驗選用2 種綿陽本地野生植物北水苦荬( Veronica anagallis-aquatica L. ) 和巴天酸模( Rumexpatientia Linn. )進行生活污水凈化研究,這2 種植物來源豐富、對氣候適應性強,目前在該領域相關研究較少,采用本地野生植物處理污水對于環(huán)境保護也具有重要價值。本實驗系統(tǒng)即模擬小型人工濕地系統(tǒng),研究北水苦荬和巴天酸模2 種野生植物用于人工濕地的可行性及對污水的凈化能力,實驗在植物選擇上具有一定的創(chuàng)新性,對今后人工濕地污水處理中新型植物的開發(fā)具有一定的實用意義。
1材料與方法
1. 1植物
北水苦荬,又名仙桃草,多年生草本挺水野生植物,廣泛分布于長江以北以及西南部丘陵區(qū)域。
巴天酸模,又名牛舌頭棵,多年生草本挺水野生植物,喜濕潤的環(huán)境,廣泛分布于我國四川、云南及西藏等大西南區(qū)域[13-14] ;實驗所用北水苦荬取自涪江綿陽段(北緯N31°30′58. 30″,東經E104°43′12. 43″),巴天酸模取自綿陽青義任家溝(北緯N31°34′14. 16″,東經E104°40′3. 57″)。
1. 2材料裝置
實驗裝置于2015 年8 月建成,地點位于某大學污水處理廠一大棚內,實驗期間氣溫約為(25 ± 5)℃ ,濕度為65% ~ 85% 。實驗根據(jù)平行對照原則,共設計2 組平行實驗,每組包含3 個礫石基質凈化系統(tǒng),分別為北水苦荬組(BS)、巴天酸模組(BT)和空白對照組(DZ)。實驗系統(tǒng)采用塑料無土栽培箱制成,每個栽培箱長、寬、高分別為0. 75 m × 0. 54 m ×0. 42 m,采用8 ~ 20 mm 的礫石基質進行填充,并在上面栽種植物,作為污水處理的主要構筑物。其中,BS1 和BS2 上栽種北水苦荬,BT1 和BT2 上栽種巴天酸模,DZ1 和DZ2 為對照組,不栽種植物。系統(tǒng)頂端設有集中配水箱,用于初慮污水和向各濕地單元中進水。污水由系統(tǒng)側壁下端進水口連續(xù)流入,從系統(tǒng)另一側壁上端出水口連續(xù)流出。實驗裝置如圖1所示。
1. 3實驗方法
選取馴化好的北水苦荬和巴天酸模各16 株,分別移栽至BT1 、BT2 和BS1 、BS2 中,每組系統(tǒng)各栽種8株,對照組DZ1 、DZ2 不栽種植物。為保證種植植株的適應和存活,同時結合前期實驗研究和相關計算結果,在植物栽種后,選擇該系統(tǒng)在水力負荷為0. 216 m3 ˙(m2 ˙d) - 1 的條件下連續(xù)運行1 周進行植株適應性馴化,待系統(tǒng)中植物成活并生長穩(wěn)定后,再連續(xù)運行30 d,期間每間隔2 d 采樣一次,分析各組系統(tǒng)污水中COD、NH3 - N、TN 和TP 的去除效果。實驗過程中水的蒸發(fā)作用損失水量通過補充蒸餾水以保持體積不變,將大棚兩側塑料膜卷起以保證光照充足和整個大棚的空氣流通,盡量避免實驗環(huán)境與外界環(huán)境差異過大。
1. 4水質與分析方法
實驗所用原水為該污水處理廠細格柵出水,pH 為6 ~ 8,COD 為220 ~ 450 mg˙L - 1 ,NH3 -N、TN、TP 的質量濃度分別為25 ~ 55、30 ~ 65、1. 5 ~ 4. 0 mg˙L - 1 。污水中各指標的分析方法為:COD 采用快速密封催化消解法(HZ-HJ-SZ-0108),NH3 -N 含量采用納氏比色法(GB 7479-1987),TN 含量采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB 11894-1989),TP 含量采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893-1989)。
2結果與討論
2. 1COD 凈化效果
實驗系統(tǒng)穩(wěn)定運行后,各組系統(tǒng)對污水中COD 的去除效果如圖2 所示。
由圖2 可以看出,在整個實驗周期內,系統(tǒng)進水COD 濃度均值為234. 2 mg˙L - 1 ,空白對照組、北水苦荬組和巴天酸模組出水COD 濃度均值分別為112. 4、103. 9、102. 1 mg˙L - 1 ,平均去除率分別為52. 1% 、55. 8% 、56. 6% 。3 組實驗系統(tǒng)COD 去除率整體趨勢均是前期較為平穩(wěn),中期上升,后期下降,且COD 去除率均在實驗中后期達到了最大值,最終北水苦荬組和巴天酸模組COD 平均去除率優(yōu)于空白組5%左右。
在一般濕地系統(tǒng)中,COD 的去除主要依靠基質填料的吸附、濾料表面微生物的降解、有機污染物自身沉降以及植物吸收降解作用等。實驗前期植物生長緩慢,系統(tǒng)對COD 的去除主要依靠礫石基質的吸附、攔截作用;實驗中期由于植物快速生長,植物根系和礫石周圍形成大量生物膜使得COD 的去除率明顯提高;實驗后期由于植物生長變慢,基質逐漸飽和等,COD 去除率逐漸下降。
2. 2NH3 -N 凈化效果
實驗系統(tǒng)穩(wěn)定運行后,各組系統(tǒng)對污水中NH3 -N 的去除效果如圖3 所示。
由圖3 可以看出,實驗系統(tǒng)進水NH3 -N 濃度均值為32. 8 mg˙L - 1 ,空白對照組、北水苦荬組和巴天酸模組出水NH3 -N 濃度均值分別為20. 3、18. 6、18. 1 mg˙L - 1 。北水苦荬組前期、中期、后期對NH3 -N 去除率平均值分別為36. 3% 、46. 3% 、48. 1% ;巴天酸模組前期、中期、后期NH3 -N 去除率平均值分別為37. 6% 、46. 9% 、50. 5% ;空白組前期、中期、后期NH3 -N 去除率平均值分別為35. 0% 、39. 1% 、40. 6% 。由此可以看出,巴天酸模組對NH3 -N 去除效果最好,且最高能夠達到55% 左右,北水苦荬組略差于巴天酸模組,空白對照組去除效果最差,但變化相對平穩(wěn)。實驗證明有植物的實驗組系統(tǒng)對NH3 -N 的凈化效果明顯優(yōu)于無植物的空白組系統(tǒng)。
濕地中NH3 -N 的來源主要是游離的NH +4 和含氮有機物的氨化分解。實驗中北水苦荬和巴天酸模2 實驗組植物生長需要吸收分解一部分NH3 -N,同時植物根系傳輸氧為好氧微生物提供條件從而促進了硝化和反硝化作用,所以NH3 -N 的去除效果較理想?？瞻讓φ战M由于缺少好氧微生物的作用,對NH3 -N 的去除效果較差。
2. 3TN 凈化效果
實驗系統(tǒng)穩(wěn)定運行后,各組系統(tǒng)對污水中TN 的去除效果如圖4 所示。
由圖4 可以看出:3 組實驗系統(tǒng)在運行前期對TN 的去除率均較低,平均去除率維持在35% 左右;但到實驗中期,北水苦荬組和巴天酸模組對TN 的去除率開始明顯上升,平均去除率可以達到46% 以上,而到后期TN 去除率則出現(xiàn)了小幅減小?？瞻讓φ战MTN 去除率變化整體較為平穩(wěn),且效果低于實驗組。
氮在污水中主要以有機態(tài)氮和氨氮形式存在,通過基質吸附、植物吸收以及生物的硝化和反硝化作用等途徑去除。實驗前期由于植物生長緩慢,對氮素的吸收需求較少,3 組系統(tǒng)對氮的主要去除途徑一致,去除效果相當;實驗中期植物生長旺盛,促進了對氮素的吸收分解,加之植物根區(qū)微生物對氮素的同步分解轉化,提升了實驗組對氮的去除效果;實驗后期植物生長變緩,對氮素的需求有所減少,實驗系統(tǒng)對氮的去除能力也有所降低。
圖4 各組系統(tǒng)TN去除效果 圖5各組系統(tǒng)TP去除效果
2. 4TP 凈化效果
實驗系統(tǒng)穩(wěn)定運行后,各組系統(tǒng)對污水中TP 的去除效果如圖5 所示。
由圖5 可以看出:空白對照組實驗前期、中期、后期對TP 平均去除率分別為39. 4% 、44. 8% 、43. 5% ;北水苦荬組前期、中期、后期對TP 平均去除率為38. 1% 、49. 8% 、49. 0% ;巴天酸模組前期、中期、后期對TP 平均去除率為37. 9% 、50. 3% 、50. 9% 。從運行時間上對TP 的去除效果對比來看,實驗前期3 組系統(tǒng)對TP 去除效果相差不大,而實驗中期和后期北水苦荬組和巴天酸模2 實驗組對TP 的去除效果明顯優(yōu)于空白對照組,且巴天酸模組最好。
由于磷不同于氮,不能轉化為氣體直接轉移到系統(tǒng)外,因此濕地土壤一直被公認為系統(tǒng)中磷的最終歸宿。在人工濕地中,植物吸收的磷卻能夠通過人工收割的方法轉移至系統(tǒng)外,所以探索新型污染修復植物,增加植物對磷的吸收量是提高濕地系統(tǒng)中TP 整體去除效果的重要途徑。
2. 5污染物去除的相關性
利用統(tǒng)計分析軟件SPSS 分別對各組系統(tǒng)中COD、NH3 -N、TN、TP 的去除率進行Pearson 相關性分析,考察各濕地單元主指標去除率之間的關系。
表1北水苦荬組各指標去除率直接的Pearson 相關性
表2巴天酸模各指標去除率直接的Pearson 相關性
表3空白組各指標去除率直接的Pearson 相關性
如表1 所示,北水苦荬組系統(tǒng)內COD-TP、NH3 -N-TN、NH3 -N-TP、TN-TP 主指標間兩線性在0. 01 水平上顯著相關,Pearson 相關系數(shù)分別為0. 732、0. 917、0. 861、0. 850,表現(xiàn)出系統(tǒng)中NH3 -N、TN 和TP 的去除具有較高的同一性,這與植物的吸收作用有很大關系。如表2 所示,巴天酸模組系統(tǒng)內COD-NH3 -N、NH3 -N-TN、NH3 -N-TP、TN-TP 主指標間兩線性在0. 01 水平上顯著相關,Pearson 相關系數(shù)分別為0. 651、0. 816、0. 922、0. 804,表現(xiàn)出系統(tǒng)中NH3 -N、TN 和TP 的去除也具有較高的同一性。如表3 所示,空白對照組系統(tǒng)中NH3 -N-TN、NH3 -N-TP、TN-TP 主指標間兩線性在0. 01 水平上顯著相關,Pearson 相關系數(shù)分別為0. 748、0. 644、0. 749,空白對照組同樣表現(xiàn)出NH3 -N、TN 和TP 的去除具有一定的相關性。
3 組實驗系統(tǒng)中均表現(xiàn)出NH3 -N、TN、TP 去除率之間兩兩相關,這可能是由于NH3 -N、TN、TP 的去除途徑有諸多相似的原因,如植物吸收作用同時去除氮磷,TN 中包括NH3 -N,NH3 -N 的去除意味TN 的減少等?？瞻讓φ战M與北水苦荬組、巴天酸模組相比指標間相關性系數(shù)相對較低,可能是由于空白組沒有植物同步吸收氮磷作用。COD 與其他各指標之間相關性均較低,這與COD 在去除機理和去除途徑上的不同有關。具體參見污水寶商城資料或http://www.dowater.com更多相關技術文檔。
3結論
實驗通過建立北水苦荬和巴天酸模動態(tài)礫石基質凈化系統(tǒng),探討2 種本地野生植物對生活污水的凈化能力以及將其運用到人工濕地的可行性。結果表明,北水苦荬和巴天酸模礫石基質凈化系統(tǒng)對生活污水中COD、NH3 -N、TN 和TP 等主要污染指標平均去除率可以達到42% ~ 56% ,去除效果良好,且二者去除能力差別不大,而空白對照組對污水中各項污染指標的平均去除率則明顯低于實驗組,這也驗證了北水苦荬和巴天酸模應用于人工濕地污水處理中的可行性。
污染物去除的相關性分析表明,在不同實驗系統(tǒng)內,各指標間去除率的相關性也存在著較大的差異,北水苦荬和巴天酸模2 組濕地系統(tǒng)內各污染指標去除率相關性系數(shù)較高,污染物的去除過程存在一定的同一性,而空白對照組系統(tǒng)中各指標去除率之間的相關性系數(shù)則較低,這與凈化系統(tǒng)中植物對污染物的吸收作用密不可分。對各類濕地的污染物去除率之間的相關性進行分析,有利于弄清各污染物的去除機理,更好的改進濕地的結構和功能配置。實驗今后擬探討引用其他沉水或浮游野生植物,采用結構上改進為復合式濕地系統(tǒng),提高污染物綜合去除率,滿足處理達標要求,從而最終實現(xiàn)工程上的應用。
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