胡碧瑩 王海洋

摘要 [目的]研究濕地植物在不同水力條件下對(duì)中水的凈化功效。[方法]在人工構(gòu)建的濕地系統(tǒng)中，將中水回用作為濕地水源，研究了5種濕地植物菖蒲、美人蕉、梭魚草、再力花和狐尾藻在不同水力停留時(shí)間、水深和水流速度（濕地表面流速和濕地滲濾流速）下對(duì)供試中水總氮（TN）、總磷（TP）的去除效果。[結(jié)果]濕地植物在適宜水力條件下對(duì)中水具有一定的凈化效果，其中菖蒲和美人蕉的TN系統(tǒng)出水含量符合“地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類”水體要求，TP系統(tǒng)出水含量符合“地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ類”水體要求。綜合考慮5種植物對(duì)TN、TP的去除效果，模擬濕地系統(tǒng)適宜采用的水力停留時(shí)間為2 d，水深為20 cm。該情況下，不同表面流速處理對(duì)中水TN平均表面去除率達(dá)到21.08%，TP平均表面去除率達(dá)到17.63%。而不同滲濾流速處理對(duì)中水TN、TP系統(tǒng)去除均值分別為57.72%和64.84%。[結(jié)論]該研究可為中水污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞濕地植物；水力停留時(shí)間；水深；水流速度；中水凈化

中圖分類號(hào)X52文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2017）08-0081-05

Purification Effects of Wetland Plants in Reclaimed Water under Different Hydraulic Conditions

HU Biying，WANG Haiyang*（School of Horticulture and Landscape Architecture，Southwest University，Chongqing 400715）

Abstract[Objective]To study the purification efficiency of wetland plants under different hydraulic conditions.[Method]Based on the constructed wetland system with reclaimed water，the experiments on removal efficiency of TN，TP under different hydraulic retention time，water depth and velocity （surface flow velocity and percolation flow velocity） in Acorus calamus L.，Canna indica L.，Pontederia cordata L.，Thalia dealbata L and Myriophyllum verticillatum L.were conducted.[Result]The results showed that wetland plants under varying hydraulic conditions have significant effects on reclaimed water purification.Above all the five plants ，Acorus calamus L.and Canna indica L.have optimal performance on pollutants removal.The concentrations of TN in the treated effluent of Acorus calamus L.and Canna indica L.could achieve the “Environmental Quality Standards For Surface Water Class Ⅲ Standard”，and which of TP could achieve “Environmental Quality Standards For Surface Water Class Ⅱ Standard”.Comprehensively considering the removal capability of five plants，suitable hydraulic conditions was suggested as 2 d of hydraulic retention time，20 cm of water depth.Under this circumstances，the average surface removal rate of TN，TP were 21.08%，17.63%，the mean values of TN，TP in system treated effluent were 57.72%，64.84% respectively.[Conclusion]The study can provide scientific basis for water pollution control.

Key wordsWetland plants；Hydraulic retention time；Water depth；Water velocity；Reclaimed water purification

面對(duì)日趨嚴(yán)重的水資源匱乏問(wèn)題，城市污水再利用變得尤為重要，中水因其回用成本較低、水源含量相對(duì)豐富等特點(diǎn)，適合作為濕地水源的補(bǔ)給。在中水回用作濕地水源的過(guò)程中，不同水力條件處理對(duì)凈化效果的影響顯著，在模擬多個(gè)不同特征的濕地水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程后發(fā)現(xiàn)，水力停留時(shí)間、水深和水力負(fù)荷是影響濕地凈化效果的三大水力要素，在實(shí)際運(yùn)行中均存在一個(gè)最佳值，大于或小于該值均會(huì)使去除率有所下降[1]。

在實(shí)地考察和規(guī)劃中，濕地水流速度比水力負(fù)荷更易于獲取，有研究表明，濕地表面流具有高阻力、低流速的特點(diǎn)[2]，而濕地滲濾流則依據(jù)達(dá)西定律（Darcys law），其數(shù)值隨著濕地蓄水量的下降而下降[3-4]，用于表示濕地系統(tǒng)內(nèi)水流速度。筆者引入濕地水流速度這一要素，并將其細(xì)化為濕地表面流速和濕地滲濾流速，與水力停留時(shí)間以及水深一起作為試驗(yàn)水力條件。選取5種常用濕地植物菖蒲（Acorus calamus L.）、美人蕉（Canna indica L.）、梭魚草（Pontederia cordata L.）、再力花（Thalia dealbataL.）和狐尾藻（Myriophyllum verticillatum L.），人工構(gòu)建5個(gè)基質(zhì)成分相同的單物種濕地單元，將中水回用作為系統(tǒng)水源，研究分析了5種濕地植物在不同水力條件下對(duì)中水總氮（TN）、總磷（TP）的去除效果，旨在為中水污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1人工濕地系統(tǒng)構(gòu)建

該試驗(yàn)在重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)植物大棚內(nèi)進(jìn)行。依據(jù)《人工濕地污水處理技術(shù)導(dǎo)則》（RISN-TG 006—2009）[5]要求，共構(gòu)建了5個(gè)長(zhǎng)2 m、寬1 m、高1 m的濕地系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)內(nèi)僅栽單種植物，種植密度為16～25株/m2。濕地系統(tǒng)構(gòu)造如圖1所示。

注：1～3號(hào)出口為調(diào)節(jié)水深處理；4號(hào)為表面凈化率檢測(cè)水樣出口；5號(hào)為系統(tǒng)凈化率檢測(cè)水樣出口

Note：No.1-3 stand for exports of regulating water level treatments；No.4 stands for export of surface purification rate；No.5 stands for export of system purificantion rate

1.2試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)試驗(yàn)進(jìn)水模擬中水各項(xiàng)指標(biāo)，參照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）[6]中一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行人工配置，主要成分包括NH4NO3、KH2PO4、葡萄糖等。各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)見表1。

1.3試驗(yàn)處理

于2016年3—11月研究5種濕地植物在不同水力停留時(shí)間、水深和水流速度（濕地表面流速和濕地滲濾流速）下的凈化效果，考慮所選植物性狀，試驗(yàn)期間配以恒流泵保持系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)出水。水力停留時(shí)間和水深試驗(yàn)先進(jìn)行，共設(shè)置

1、2、3 d 3組水力停留時(shí)間處理；10、20、40 cm 3組水深處理。以上每組控制試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)束后及時(shí)取水樣進(jìn)行檢測(cè)。

水流速度試驗(yàn)在水力停留時(shí)間和水深試驗(yàn)之后進(jìn)行，試驗(yàn)期間配以流速儀監(jiān)控水層流速。通過(guò)對(duì)彩云湖國(guó)家濕地公園、璧山觀音塘濕地公園和九曲河濕地公園的實(shí)地考察及水速測(cè)量，共設(shè)置0.01、0.03、0.05 m/s 3組濕地表面流速處理；依據(jù)《人工濕地污水處理技術(shù)導(dǎo)則》要求，設(shè)置0.05、0.10、0.20 m/d 3組濕地滲濾流速處理。以上每組控制試驗(yàn)重復(fù)3次，取樣后及時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。

5種濕地植物進(jìn)入成熟期后啟動(dòng)試驗(yàn)，期間采用間歇進(jìn)水方式，試驗(yàn)期連續(xù)進(jìn)出水，非試驗(yàn)期則不進(jìn)水，將試驗(yàn)系統(tǒng)置于“濕潤(rùn)—干旱—濕潤(rùn)”的水循環(huán)中模擬天然濕地水環(huán)境，最大程度地還原天然濕地水文特點(diǎn)。

1.4數(shù)據(jù)分析

用Excel和SPSS 19對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括比較各供試植物在不同水力停留時(shí)間、水深和水流速度下對(duì)中水TN、TP的去除率，以及供試植物種間去除率差異等。

2結(jié)果與分析

2.1不同水力停留時(shí)間和水深處理對(duì)植物去除TN、TP能力的影響

2.1.1不同水力停留時(shí)間處理下5種植物對(duì)TN、TP的去除效果。人工濕地去除TN、TP的能力與植物類型、溫度、土壤等條件相關(guān)，不同水力停留時(shí)間對(duì)污染物去除率造成影響[7-8]。由圖2可見，5種植物對(duì)TN的平均去除率從大到小依次為菖蒲、美人蕉、再力花、梭魚草、狐尾藻，其中菖蒲對(duì)TN的平均去除率為94.62%，狐尾藻的平均去除率僅為22.50%。每種植物的TN去除率都在2 d達(dá)到峰值，之后降低。

由圖3可見，5種植物對(duì)TP的平均去除率從大到小依次為美人蕉、菖蒲、再力花、梭魚草、狐尾藻。除再力花外，其余植物均在2 d達(dá)到去除峰值。所有試驗(yàn)處理中，去除效果最好的是2 d處理下的美人蕉，TP平均去除率達(dá)到93.41%，而狐尾藻的TP平均去除率僅32.79%。有研究表明，適當(dāng)延長(zhǎng)水力停留時(shí)間可以提高人工濕地磷的去除率，因?yàn)樗νＡ魰r(shí)間影響污水中磷向基質(zhì)微孔表面擴(kuò)散和向吸附點(diǎn)靠近的概率[9]，而且隨著水力停留時(shí)間的延長(zhǎng)，濕地植物對(duì)磷的吸收量也會(huì)增加。

濕地系統(tǒng)中氮、磷的去除一方面可以借由植物的吸收同化作用，另一方面，植物可為微生物的生長(zhǎng)繁殖提供良好的環(huán)境，通過(guò)微生物和植物的協(xié)同作用也能降解水體中污染物含量[10]。水力停留時(shí)間過(guò)短會(huì)導(dǎo)致生化反應(yīng)不充分，停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則會(huì)引起污染物的滯留，結(jié)合圖2、3可知，水力停留時(shí)間設(shè)置為2 d較為合適。

2.1.2不同水深處理下5種植物對(duì)TN、TP的去除效果。

水深會(huì)直接影響濕地植物的生長(zhǎng)、繁殖、分布等過(guò)程，其對(duì)植物種群競(jìng)爭(zhēng)和群落演替具有重要意義[11]。有研究表明，隨著水深的增加，污染物的去除率呈先增大后降低的趨勢(shì)，污染物的主要去除途徑也會(huì)發(fā)生變化[12]。

從圖4可見，不同水深處理下5種植物對(duì)TN的去除效果差異明顯，其中菖蒲的平均TN去除率最大，達(dá)93.75%。每種植物的最適水深差異較大，其中，狐尾藻、美人蕉的凈化峰值出現(xiàn)在10 cm水深處，菖蒲的凈化峰值出現(xiàn)在20 cm水深處，而梭魚草、再力花的凈化峰值出現(xiàn)在40 cm水深處。這與供試植物 “機(jī)會(huì)窗”[13]水深不同有關(guān)，同時(shí)也表明植物去除TN的能力受種間差異影響或水深差異影響。

從圖5可見，5種植物中以20 cm水深處的美人蕉對(duì)TP的去除率最大，平均去除率達(dá)95.80%。菖蒲和梭魚草的TP去除峰值也出現(xiàn)在水深20 cm處，再力花和狐尾藻的去除峰值出現(xiàn)在水深10 cm處。水體中磷素的去除途徑與氮素有很大不同，磷素?zé)o法通過(guò)氣態(tài)揮發(fā)離開水體，絕大部分磷以不溶性磷酸鹽的形式存在，在同樣的停留時(shí)間下，雖然深水位磷的負(fù)荷量更大，但從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，水深40 cm處磷的去除率并不高，這可能是由于進(jìn)水中磷濃度較低的緣故。

以上分析表明，水深處理對(duì)5種植物去除TN、TP的效果均有顯著影響，但最適水深在不同植物間差別較大。5種供試植物“機(jī)會(huì)窗”水深不同，試驗(yàn)結(jié)果也顯示在“機(jī)會(huì)窗”水深附近的去除效果顯著優(yōu)于其他水深處理。Holland等[14]利用羅丹明對(duì)人工濕地不同水深和流量情況下的水流過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著水深的增大，濕地的水力性能逐漸減弱。郭長(zhǎng)強(qiáng)等[15]研究指出，水深較大時(shí)會(huì)致使?jié)竦厮h(huán)境分布不均，影響植物凈化效果，這與筆者的研究結(jié)論相似，水深40 cm處5種植物TN、TP的凈化效果普遍不如水深20、10 cm處。

2.2不同水流速度處理對(duì)植物去除TN、TP能力的影響

依據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，將流速試驗(yàn)的水力停留時(shí)間設(shè)置為2 d，水深設(shè)置為20 cm。

2.2.1不同表面流速處理下5種植物對(duì)TN、TP的去除效果。

由表2可知，5種植物對(duì)TN、TP的表面去除率均高于空白對(duì)照（CK），說(shuō)明濕地植物有良好的去污效果。5種植物中美人蕉對(duì)TN、TP的平均去除率最高，這是由于其根系最為發(fā)達(dá)，自身吸收作用效果顯著[16]。

可見，美人蕉、再力花、狐尾藻在表面流速0.01 m/s時(shí)對(duì)TN、TP的去除效果最好，菖蒲在0.03 m/s時(shí)對(duì)TN的去除效果最好。各處理以表面流速0.01 m/s時(shí)的美人蕉對(duì)TN的去除效果最好，去除率達(dá)57.40%。菖蒲、梭魚草、狐尾藻在表面流速0.01 m/s時(shí)對(duì)TP的去除效果最好，美人蕉和再力花在表面流速0.03 m/s時(shí)的去除效率最好，5種植物中對(duì)TP去除率最高的是表面流速0.03 m/s時(shí)的再力花，去除率達(dá)32.53%。

低流速時(shí)水源在基質(zhì)中的穿行速度較慢，有利于對(duì)氮、磷的吸附和沉淀，而流速過(guò)快會(huì)造成水體中的微小顆粒難于被基質(zhì)和植物根系上的生物膜吸附，甚至將生物膜沖刷脫落，不利于植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和濕地內(nèi)生化反應(yīng)的進(jìn)行。對(duì)不同表面流速處理下的TN、TP去除率進(jìn)行One-way ANOVA分析，結(jié)合圖6、7的去除均值動(dòng)態(tài)，可知TN去除效果比TP去除效果稍好，二者平均去除率分別為21.08%和17.63%，均在0.01 m/s處達(dá)到峰值。

2.2.2不同滲濾流速處理下5種植物對(duì)TN、TP的去除效果。

由表3可知，5種植物對(duì)TN、TP的去除率均高于空白對(duì)照。5種植物中對(duì)TN去除效果最好的是菖蒲，對(duì)TP去除效果最好的是美人蕉。將表3和表2進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)各植物對(duì)TN、TP的系統(tǒng)去除率明顯高于表面去除率，說(shuō)明氮、磷的主要去除途徑為植物根系與微生物的協(xié)同作用[17]，植物體自身吸收同化所占比例不高。

對(duì)不同滲濾流速處理下的TN、TP去除率分別進(jìn)行One-way ANOVA分析，結(jié)果顯示，其平均去除率分別為57.72%和64.84% 。雖然不同滲濾流速處理對(duì)TN、TP的去除率影響不顯著，但結(jié)合圖8、9去除均值動(dòng)態(tài)可知，5種植物在0.10、0.20 m/d時(shí)對(duì)TN、TP的去除效果不如0.05 m/d時(shí)，表明在一定范圍內(nèi)，較低的滲濾流速有利于植物對(duì)氮、磷的吸收和濕地內(nèi)生化反應(yīng)的進(jìn)行。

3討論

3.1濕地植物凈化中水效果

參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）[18]中關(guān)于景觀用水的要求，該試驗(yàn)中除表面流速試驗(yàn)因采集系統(tǒng)表層水樣凈化率不高以外，其余處理下各植物對(duì)中水TN、TP去除效果較好，尤以菖蒲和美人蕉優(yōu)勢(shì)最為明顯，其TP去除效果達(dá)到 Ⅱ 類水體要求、TN去除效果達(dá)到Ⅲ類水體要求，顯示出中水用于濕地供水的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)水資源短缺，中水因其回用成本較低及水源含量相對(duì)豐富等特點(diǎn)，非常適合作為景觀水體的補(bǔ)給。

3.2凈化效果與水力條件的相關(guān)性

水力條件對(duì)濕地凈化效果影響顯著，且在各水力條件間存在動(dòng)態(tài)平衡，以達(dá)到最優(yōu)去除率。結(jié)合該試驗(yàn)結(jié)果，適當(dāng)延長(zhǎng)水力停留時(shí)間可以提高人工濕地氮、磷的去除率；而水深試驗(yàn)結(jié)果在不同植物間受“機(jī)會(huì)窗”影響較大，但總體趨勢(shì)表明，一定范圍內(nèi)，水深增大會(huì)導(dǎo)致濕地凈化性能降低。水流速度的減緩有利于植物和基質(zhì)對(duì)氮、磷的吸附和沉淀，在連續(xù)進(jìn)出水的情況下，表面流速設(shè)置在0.01 m/s時(shí)效果最好；而滲濾流速處理對(duì)TN、TP的去除率影響不明顯。

3.35種植物消氮納磷能力及配置建議

在5種供試植物中，菖蒲、美人蕉為濕生植物或挺水植物，梭魚草、再力花為挺水植物，狐尾藻為沉水植物，試驗(yàn)結(jié)果顯示，狐尾藻對(duì)TN、TP的去除率低于另外4種植物。這是由于挺水植物比沉水植物有更大的生物量和更為發(fā)達(dá)的根系，因此挺水植物對(duì)污水的凈化效果和對(duì)污染負(fù)荷變化的適應(yīng)性均優(yōu)于沉水植物。本著人工濕地景觀美化及污水凈化的功能需求，結(jié)合各濕地植物生長(zhǎng)特性及氮、磷去除效果的動(dòng)態(tài)特征，以“高+中+低”立體式層次搭配為基礎(chǔ)訴求，在實(shí)際植物配置應(yīng)用中，可以考慮將沉水植物區(qū)域置于挺水植物區(qū)域之前。

4結(jié)論

（1）5種供試植物對(duì)中水TN、TP均有一定的去除效果，其中美人蕉和菖蒲去除率較高，且去除效果穩(wěn)定，其TP系統(tǒng)出水含量符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅱ類水體要求，TN含量符合Ⅲ類水體要求。

（2）在3組水力停留時(shí)間（1、2、3 d）處理下，5種供試植物對(duì)TN、TP的去除率基本呈先上升后下降的趨勢(shì)，因此可將水力停留時(shí)間設(shè)置在2 d最為合適。不同水深處理（10、20、40 cm）下對(duì)TN、TP的去除效果在植物種間差別較大，但總體趨勢(shì)顯示水深40 cm處效果不如水深20或10 cm處。

（3）不同表面流速處理（0.01、0.03、0.05 m/s）對(duì)中水TN、TP的去除效果影響明顯，TN平均表面去除率達(dá)到21.08%，TP平均表面去除率達(dá)到17.63%。而不同滲濾流速處理（0.05、0.10、0.20m/d）對(duì)中水TN、TP的去除效果影響不明顯，TN和TP的平均系統(tǒng)去除率分別為57.72%和64.84%。

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