典型華南人工濕地植物的凈水效果研究

楊永民，孫弋婷

(1.仲愷農業工程學院，廣東 廣州 510225；2.仲愷農業工程學院建筑節能可持續發展研究所，廣東 廣州 510225)

人工濕地是由人為建造和人為控制并運行的類似于生態沼澤地的地面，用人工建成一個或多個水池或溝槽，在底層鋪設一層特定的防滲漏隔水層，再填入具有一定深度的土壤層或者填料層，再將維管束類植物或是根部較為發達的水生植物種植于表層，最后在人工建造的特定濕地上有控制投入廢棄排水，流動過程沿著特定的、有規律的方向，主要是利用土壤、生物、化學、人工介質、植物、微生物等多重協同作用，進行一系列凈化處理的一種技術[1-3]。

非自然人工的濕地系統與傳統的污水集中處理工廠之間相比較具有投資金額小、運行成本較低等一系列顯著的優勢，在人口密度相對較小的農村地區優勢較為明顯，人工濕地技術同傳統的污水集中處理的工廠相比，一般情況下投資資金可減少1/3～1/2[4-7]。所以在相比之下，建設人工濕地比傳統的污水集中處理的工廠更加經濟，成本相對較低。其次，在人工濕地中使用純生物技術對水質進行過濾、凈化，而污水處理廠則使用傳統的化學方法，因此污水集中處理的工廠在進行污水處理的過程中會產生大量含有害化學成分的有害物質，從而嚴重影響環境，而非自然人工建造濕地卻不存在二次污染的情況，能夠有效的保護環境。人工濕地主要由水生植物、水花等抗旱植物組成，對污水處理具有良好的視覺效果，有利于農村環境的改造[8-10]。除此之外，人工濕地還有一些其他的優勢，其可以帶來可持續的經濟效益，在人工濕地上可以選種一些同時具備凈化效果和經濟價值較高的水生植物，在污水處理的同時產生可持續的經濟效益。再次，人工濕地的運行和管理也比污水處理廠更簡單、更方便，所采取生物方法進行自行運轉，基本上不需設定專人負責運行，只需定期清理打掃格柵池、隔油池、水生植物每年打理一次即可。最重要的是，一般而言，人工濕地的壽命計算為10～15年，即在設計相對完善的濕地系統后，填充床必須在15年后清潔。填充床經施工的潮濕區域清潔，達到使用壽命后，可再次使用。另外，使用渠道和改進本地管道安裝的傳統工廠通常需要一年以上的時間，而人工濕地的建設周期時間相對較短，其平均建設周期時間快于3個月，因此建設人工濕地能更短時間的進行投入運用[11-14]。

根據植物不同的優勢種分為浮水植物人工濕地，浮葉植物人工濕地，挺水植物人工濕地，沉水植物人工濕地等各種不同類型的人工濕地類型[15]。植物在濕地污水處理中具有非常重要的作用，濕地具有分解和轉化有機物和其他物質的能力，通過吸收同化等作用，能夠直接從被污染的廢水中吸收自身可以加以利用的營養物質，例如，氮、磷、銨鹽、硝酸鹽和磷酸鹽可以被某些植物吸收到水中，最終通過植物收割的方式離開水體[16-18]。水生植物的根、莖、葉中都可以吸收和富集一定量重金屬的能力，其中植物根系的吸收能力最強，沉水植物具有較強的吸附能力，發達的根系和密集交織的水生植物也能有效捕獲和吸附固體顆粒。此外，植物根系是微生物棲息、種植和繁殖的重要場所，較大的表面為微生物的吸附和生長提供了更好的棲息地，微生物也可以在水中污染物的降解中發揮重要作用[19-24]。

本文通過對華南地區氣候條件下的考察，供試濕地植物對低濃度生活污水的適應性，并測定了其對污水中污染物的凈化效率，再結合植物的抗逆性、本土性和視覺效果篩選出合適的濕地植物，可為河道生態型堤岸構建、人工濕地對污水處理等實際應用提供參考數據和理論依據。

1 試驗方法和試驗方案

1.1 試驗方法

初篩試驗時的浮床植物開始的時候，使用1個對照空白桶以及3個實驗桶內注入12 L的實驗用水，試驗用水質見表1，通過4個小孔將4株浮床植物附著在泡沫上，將泡沫放入小桶中，使植物根部完全浸入水中；對照空桶僅充滿水中的泡沫。每3天取樣檢測1次，并定期向桶內加入去離子水，以保持水位。

表1 試驗用水水質

1.2 試驗方案

經過實地調研后，通過收集野生植物和購買園林植物，初步選取14種植物為研究對象(表2)，其中梭魚草、水芋、香蒲、菖蒲、風車草、燈心草、藨草均為具有觀賞價值的水生植物；石芒草、薏苡、春芋、紅蛋、花葉良姜、黃苞蝎尾焦屬于熱帶本土植物，喜高溫多濕的環境；象草的生態效益草作為生態系統的主體，既能涵蓄水源、凈化空氣、調節氣候，又能保持水土、固堤護坡。將收集到的植物通過移植，種植到一個塑料方形盆中，每種植物種3盆，每盆栽種4株。再留3盆不種任何植物，作為空白對照。植物種植完1個月后，將植物放置于室外，吸收自然光照，試驗第一步用清水澆灌，第二步用一半清水一半污水進行澆灌，最后成活的植物再全部用污水進行澆灌(圖1)。盆栽試驗分2個階段，第一階段控制停留時間為8 h，第二階段停留時間約24 h。監測分析項目包括COD、TN和TP去除率(表3)。

COD去除使用重鉻酸鉀法，重鉻酸鉀法的原理是在強酸性溶液中，一定量的重鉻酸鉀氧化水樣中還原性物質，過量的重鉻酸鉀以試亞鐵靈作指示劑、用硫酸亞鐵銨溶液回滴。根據用量算出水樣中還原性物質消耗的氧。TP去除使用鉬酸銨分光光度法，在中性條件下用過硫酸鉀(或硝酸-高氯酸)使試樣消解，將所含磷全部氧化為正磷酸鹽。在酸性介質中，正磷酸鹽與鉬酸銨反應，在銻鹽存在下生成磷鉬雜多酸后，立即被抗壞血酸還原，生成藍色的絡合物。TN去除使用堿性過硫酸鉀進行消解和紫外分光光度法，過硫酸鉀是強氧化劑，在60℃以上水溶液中可進行分解產生原子態氧，分解出的原子態氧在 120～140℃高壓水蒸氣條件下可將大部分有機氮化合物及氨氮、亞硝酸鹽氮氧化成硝酸鹽。

表2 供試人工濕地植物

圖1 試驗步驟

表3 物化指標分析指標和測試方法

2 試驗結果及分析

2.1 對污水的適應能力及抗逆性

在試驗過程中，蝎尾蕉和石芒草在移栽到方盆中后，雖然經過第一步清水及第二步半清水半污水澆灌后，但這顯然不適合模擬濕地環境的污水，生長緩慢，并表現出不適現象。而其他10種植物在夏季可以正常生長，而且生長得較快。試驗過程中廣州常年秋冬季的平均氣溫分別為17.7、14.4℃，雖然和夏季相比，試驗植物的生長速度不同程度地減慢，但其中梭魚草、菖蒲、香蒲、象草、春芋及風車草仍然表現出有較高的活力，而燈芯草、石芒草、蝎尾蕉和花葉良姜則生長緩慢。

表4記錄了試驗期間，供試濕地植物在抗凍抗熱和抗病蟲害兩方面的抗逆性表現和景觀效果。因廣州屬于亞熱帶海洋性氣候，冬季一般從1月中旬開始至2月初，時間很短，平均氣溫可達15℃左右，所以試驗過程中供試植物的抗凍性表現得并不明顯，只有燈芯草一種植物在冬季出現了明顯的生長停滯現象。

表4 供試植物的抗逆性及景觀效果

2.2 COD去除效果

在圖2中得知，當試驗停留時間控制在8 h的時候，供試植物的COD檢測去除率由大到小依次為：梭魚草>風車草>燈芯草>菖蒲>紅蛋>春芋>水芋>薏苡>藨草>石芒草>空白對照>香蒲>蝎尾蕉>象草。其中，梭魚草是檢測去除率最高的植物，達到82.4%，其去除效果明顯高于石芒草以及其他排名在石芒草之后的植物(p<0.05)，包括空白對照。在所有供試植物中除了梭魚草和風車草之外，其余11種植物和空白對照的COD轉移率差異并不顯著 (p>0.05)。

當停留時間為24 h時，供試植物的COD檢測去除率由大到小依次為：水芋>燈芯草>春芋>蝎尾蕉>空白對照>梭魚草>香蒲>薏苡>花葉良姜>風車草>石芒草>紅蛋>菖蒲>象草(圖3)。水芋是檢測去除率最高的植物，為87.7%，顯著高于風車草和排在其后的其他植物(p<0.05)。而COD檢測偏低可能是加入的物質與有機物質有一定的沉降作用，導致所有供試植物與空白對照都沒有顯著差異(p>0.05)。

圖2 植物種類對COD的去除率(%)

圖3 COD去除率隨停留時間增加的變化情況

2.3 TN去除效果

在圖4中顯示了供試植物對TN的去除效果。停留時間為8 h時，對TN的檢測去除率由大到小依次為：菖蒲>象草>薏苡>水芋>梭魚草>春芋>石芒草>香蒲>風車草>紅蛋>空白對照>藨草>蝎尾蕉>燈芯草。其中，菖蒲和象草對TN的去除效果明顯高于薏苡以及其他排在其之后的植物(p<0.05)，藨草、蝎尾蕉和燈芯草在空白對照中并無顯著差異(p>0.05)。

圖4 盆栽對TN的去除率(%)

停留時間為24 h時，去除TN效果由高至低排列順序為：菖蒲>象草>風車草>香蒲>薏苡>水芋>春芋>梭魚草>紅蛋>石芒草>空白對照>蝎尾蕉>燈芯草>花葉良姜。菖蒲和象草的平均TN去除率可分別達到95.2%和95.0%，去除率明顯高于其他植物(p<0.05)，空白對照的TN去除率(49.8%)顯著低于石芒草和其他排名在其之前的植物(p<0.05)。與停留時間為8 h的情況相比，當停留時間延長到24 h時，除燈芯草外，其他植物，包括空白對照，不同程度地提高了TN的去除率(圖5)。菖蒲最低為5%，風車草最多，達到30.4%。

圖5 TN去除率隨停留時間增加的變化情況

2.4 TP去除效果

停留時間為8 h時，各供試植物對污水中TP的平均去除率見圖6。從高到低為：菖蒲>燈芯草>風車草>梭魚草>薏苡>春芋>象草>香蒲>水芋>藨草>蝎尾蕉>石芒草>紅蛋>空白對照。其中，去除率最高的是菖蒲，達到91.7%，顯著高于梭魚草及排在其后的其他植物(p<0.05)。除了石芒草和紅蛋之外，其他植物去除TP的效果均明顯好于空白對照(p<0.05)。

停留時間為24 h時，對TP的平均去除率排序依次是：風車草>菖蒲>薏苡>香蒲>象草>水芋>燈芯草>梭魚草>春芋>紅蛋>蝎尾蕉>石芒草>空白對照>花葉良姜。風車草的TP平均去除率最高，為93.8%，明顯高于水芋和其他排在其之后的另外7種植物(p<0.05)?？瞻讓φ盏腡P平均去除率為60.7%，顯著低于除蝎尾蕉、石芒草和花葉良姜外的其他10種植物(p<0.05)。停留時間增加到24 h后，各供試植物對TP去除率均表現出不同的變化趨勢(圖7)。

圖6 盆栽對TP的去除率

圖7 TP去除率隨停留時間增加的變化情況

3 植物根區基質酶活性對水質凈化效果的影響

根據以上3種試驗得到植物根區基質酶活性對水質凈化效果的影響效果，由圖8可以看出，各供試植物之間根區基質脲酶活性變化較大。相關性分析表明，根區基質脲酶活性與TN去除率的距離呈顯著相關(r=0.817 8、P<0.05)。結果表明，在凈化過程進行的盆栽試驗中，TN的去除以基質脲酶對其降解為主要因素；也表明了植物根區基質脲酶活性的大小在一定程度上可以作為濕地植物去除TN能力高低的判定依據。

圖8 植物根區基質脲酶活性與TN去除率

圖9所示相關性分析表明根區基質磷酸酶活性與TP去除率之間的相關性并不顯著(r=0.111 5、P<0.05)，這說明在本研究試驗中，可能是由于澆灌植物的污水中有機磷的含量較低，根區磷酸酶通過酶促反應水解有機磷化物對去除TP的貢獻較小，磷酸酶對其的降解并不是去除TP的主要因素。

圖9 植物根區基質磷酸酶活性與TP去除率

這說明，在本次研究試驗中，含氮和含磷的有機污染物占污水中總有機污染物的比例較低，因而脲酶對有機氮化物以及磷酸酶對有機磷化物的水解不是本次盆栽試驗污水凈化的主要途徑。脲酶活性與TN的降解呈顯著正相關，幾乎達到非常顯著的水平，但脲酶活性與BOD和COD的降解相關性不明顯，這可能是由于氨氮和磷化合物在總污染物中所占比例相對較低所致(圖10)。

a)磷酸酶活性

b)脲酶活性

4 結論

a)燈芯草、石芒草、蝎尾蕉和花葉良姜明顯不適應污水澆灌的模擬人工濕地環境。而梭魚草、香蒲、菖蒲、象草、薏苡、風車草生長速度快，生物量大，適宜在污水環境中種植。

b)植物的COD去除率由大到小依次為：梭魚草>風車草>燈芯草>菖蒲>紅蛋>春芋>水芋>薏苡>藨草>石芒草>空白對照>香蒲>蝎尾蕉>象草。除藨草、蝎尾蕉、燈芯草和花葉良姜外，梭魚草等10種供試植物對TN的去除率均明顯高于其空白對照。種植蝎尾蕉、石芒草和花葉良姜的盆栽對TP的去除效果在空白對照之間并無顯著變化，紅蛋停留時間為8 h的TP去除率較差(68%)，梭魚草等10種植物能夠顯著提高TP的去除能力。

c)綜合供試濕地植物對污水環境的適應性、凈化能力、抗逆性和景觀效果等指標，9種植物(菖蒲、象草、風車草、香蒲、薏苡、水芋、春芋、梭魚草和紅蛋)適宜種植在人工濕地系統中。脲酶和磷酸酶活性與盆栽的COD去除率之間存在顯著的相關性，植物根區基質脲酶酶活性與盆栽的TN去除率和TP去除率之間沒有顯著的相關性。