湿地植物对污水中氮、磷去除效果的试验研究.pdf

湿地植物对污水中氮 、 磷去除效果的试验研究 ＊ 李 涛 周 律 清华大学环境科学与工程系, 北京 100084 摘要 采用室内试验和现场试验考察了黄花鸢尾、水葱和梭鱼草 3种挺水植物对类污水处理厂二级出水中氮、磷的吸 收速率、吸收容量和吸收贡献。 结果表明 短期内, 各种湿地植物污水中氮、磷的吸收速率比较稳定, 但在整个生长周 期内 , 各种植物对氮、磷的吸收速率却有较大变化, 4 月份, 水葱对氮、磷的吸收速率最大, 8 月份, 梭鱼草对氮、磷的吸 收速率最大。 在整个生长期内, 黄花鸢尾对氮、磷的吸收容量一直保持最大, 在 10 月下旬分别达到 21. 5 和4. 16 g m2, 因此其对二级出水中氮、磷去除的吸收贡献也最大, 分别为 30和 73。 这表明湿地植物的选择不仅要考查其对污 染物的吸收速率, 更要关注其对污染物的吸收容量, 并且湿地植物的吸收作用对类二级出水中氮、磷的去除具有更加 重要的意义。 关键词 湿地植物; 氮; 磷; 吸收速率; 吸收容量; 吸收贡献 CHARACTERISTICS OF SEVERAL PLANTS FOR REMOVING NITROGEN AND PHOSPHORUS FROM WASTEWATER IN CONSTRUCTED WETLAND ＊ Li Tao Zhou L ǜ Department of Environmental science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China Abstract The absorption characteristics of three kindsof wetland plants, including Irispseudacorus, Pontederia cordata and Scirpus validus, for removing nitrogen and phosphorusfrom wastewater resembling secondary effluent were studied by lab and pilot tests. The results showed that each wetland plant has a steady absorption rate of nitrogen and phosphorusfromwastewater in short terms, but the absorption rate of nitrogen and phosphorus will vary from time to time in the whole growth period.Scirpus validus has the biggest absorption rate in April, but Pontederia cordata has the biggest in August. In the whole growth period Iris pseudacorus always has the biggest absorption capacity of nitrogen and phosphorus, which is 21. 5 g m2and 4. 16 g m2respectively late in October. As a result Irispseudacorus has the biggest absorption contribution rate for removing nitrogen and phosphorus from the secondary effluent from April to October, which gets 30 and 73 respectively.Anyhow, it seems that the absorption capacity of pollutants is more important than the absorption rate of the wetland plants and the absorption function of wetland plant is very important to remove the nitrogen and phosphorus from the wastewater resembling secondary effluent. Keywords wetland plants;nitrogen; phosphorus; absorption rate; absorption capacity;absorption contribution ＊北京中心城地区湿地系统规划研究项目。 0 引言 自 1972 年 Kichuth 提出“根区法” the root-zone 至今, 人工湿地污水处理工艺凭借其建设成 本低 、 运行费用少、 管理简便等诸多优点 ,逐渐地被用 于处理生活污水 、市政废水 、 医疗废水 、 矿山废水、印 染废水、 采油废水、 养殖废水、雨水以及垃圾渗滤液等 各个方面, 体现出了良好的去污效果, 特别是对污水 中 BOD5、 SS 、 氨氮和磷等物质的去除 [ 1-5] 。 近来 ,许多研究者突破了原先的“黑箱模型”研究 方法 ,分别对人工湿地内部的填料、植物 、 微生物以及 它们之间的相互影响和对污染物的作用进行试验研 究 [ 6- 8] 。结果表明植物在人工湿地去污过程中起着非 常重要的作用 [ 9-10] 。处理生活污水的人工湿地中植 物对氮、 磷等营养物质的去除效果的研究已有许多报 道 [ 11] ,但是主要采用“黑箱”研究方法 ,考察了植物对 污染物去除的综合贡献, 而缺少植物对氮 、 磷等营养 物质吸收速率、吸收容量 、 吸收贡献率等方面的研究。 本文通过实验室试验和现场试验研究了黄花鸢 尾 Iris pseudacorus 、梭鱼草 Pontederia cordata 和水 25 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 葱 Scirpusvalidus 3 种能够产生优良景观效果的中等 高度挺水湿地植物对类污水处理厂二级出水中氮 、 磷 的吸收速率以及吸收容量 即一定时间内植物依靠自 身代谢作用吸收并固定在体内的氮 、 磷的量 ,并且估 算了各种植物对人工湿地处理低氮、磷含量污水中 氮、 磷去除的直接吸收贡献率, 为北方地区相关湿地 植物的选取提供参考 。 1 方法 1. 1 植物对氮磷吸收速率的测定 试验植物均取自北京市海淀区上庄乡京海水生 植物种植园。 试验在室内进行 ,考察了植物不同生长阶段对氮 磷的吸收速率 第 1阶段为 2007 年 4 月 生长期 ,第 2 阶段为 2007 年 8 月 成熟期 。试验过程中先将种 植园挖取回来的各种植物清洗干净 ,在低氮 、 磷含量 的人工配水中无土栽培若干天 ,然后挑选生长良好的 植株分别放入预先配好的人工污水中开始试验 ,表 1 列出了人工污水的配制方案。每种植物设置 2 个平 行样,并设置空白对照 ; 定时取样, 监测其中溶解性 磷、 氨氮、总氮含量的变化 取样前用去离子水补充由 于蒸发蒸腾作用损失的水分 。 表 1 人工污水的配制 污染物质氨氮硝酸盐氮溶解性磷 配置药品氯化铵硝酸钾磷酸二氢钾 浓度 mgL- 1 25252 注 每升水中另加 2～ 3 滴氯仿, 抑制微生物活动。 1. 2 植物对氮磷吸收容量的测定 根据植物的生长规律, 于 2007 年 411 月分 4 次挖取选定植物 ,清洗干净 ,测定每种植物体内的全 氮、 全磷含量。 1. 3 植物吸收对人工湿地中氮磷去除贡献的估算 以某处深度处理二级出水的人工湿地的运行参 数和处理效果以及上述吸收容量测定值为参考,估算 植物生长期内 411 月 各种植物凭借吸收功能所 去除的污染物占整个污染物去除量的比例 。所参考 的人工湿地于 2007 年 3 月建成运行, 位于北京市高 碑店污水处理厂内, 采用垂直流连续运行 , 尺寸为 7 m 1 m 1. 3 m ,种植植物为黄花鸢尾。 2 结果 2. 1 各种植物对氮磷的吸收速率 表2为 2007 年试验第 1阶段、第2 阶段单位面积 上各种植物对污水中溶解性磷 、氨氮、总氮累计吸收 量随时间的变化情况。可见 , 试验期间各种植物对 磷、 氨氮、 总氮的累计吸收量随着时间的延长而不断 增大 ,其中第 1阶段内 ,同一时刻 3 种植物对氮 、 磷的 累计吸收量为水葱 鸢尾 ≥ 梭鱼草; 第 2 阶段内, 同 一时刻3 种植物对氮、磷的累计吸收量为梭鱼草鸢 尾 水葱。观察累计吸收曲线的斜率 ,即吸收速率, 可以看到 第 1阶段试验中植物对各种污染物的吸收 速率在第 8 天后呈现下降趋势, 第 2阶段试验中植物 对各种污染物的吸收速率在整个试验期内都比较稳 定,这些现象将为吸收速率的计算提供依据。单位面 积上累计吸收量计算公式见式 1 累计吸收量 平均每株植物的累计吸收量 植 物的统计生长密度 1 表 2 第 1 阶段、第 2 阶段单位面积上 3种植物对氮、磷污染物的累计吸收量随时间变化mg L 日期04-1904- 2305-0105-0508- 0908-1108-1508- 19 溶解性磷鸢尾0 . 00017. 79331. 52132 . 4090 . 00047. 043130 . 102174. 338 梭鱼草0 . 00014. 67826. 47428 . 7700 . 000115. 164321 . 552433. 625 水葱0 . 00076. 274157. 050159 . 4850 . 00022. 49243 . 94758. 836 氨氮鸢尾0 . 000187. 650431. 580425 . 4500 . 0001 020. 9461 911 . 1352 677. 580 梭鱼草0 . 000379. 273395. 867396 . 3750 . 0002 334. 6184 904 . 2615 823. 345 水葱0 . 000990. 9382 342. 5262 353 . 9850 . 000653. 3021 311 . 8721 879. 706 总氮鸢尾0 . 000249. 542547. 042551 . 5280 . 000792. 3032 667 . 5224 200. 731 梭鱼草0 . 000360. 673798. 456886 . 5960 . 0003 208. 3726 574 . 7978 827. 251 水葱0 . 0002 111. 3794 274. 8604 473 . 1770 . 000664. 8942 132 . 5623 050. 616 26 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 2. 2 各种植物对氮 、 磷的吸收容量 图1 和图 2分别为各个时期 ,单位面积上各种植 物对污水中氮、磷的吸收容量 。其中吸收容量的计算 公式见式 2 。 吸收容量平均每株植物的氮 或磷 含量 植 物的统计生长密度 2 第1 次测得的吸收容量 0416 称为初始吸收 容量 ,最后一次测得的吸收容量 1027 称为最终吸 收容量。 图 1 单位面积上各种植物对磷的吸收容量 图 2 单位面积上各种植物对氮的吸收容量 2. 3 各种植物对氮 、 磷去除的吸收贡献率 2007年 411月现场人工湿地运行参数 、 进水和 出水的总氮 、总磷平均浓度和平均去除率列于表 3。 植物对氮 、 磷的吸收贡献率的计算公式见式 3 吸收贡献率 最终吸收容量- 初始吸收容量 氮 或磷 的去除量 100 3 表4 列出分别利用各种植物进行二级出水深度 处理的过程中对进水中氮、磷去除吸收贡献的估 计值 。 表3 试验期间人工湿地进、出水水质 项目 平均处理负荷 m3m- 2d- 1 进水平均浓度 mgL- 1 出水平均浓度 mgL - 1 平均去除率 总氮 0 . 25 11. 5010. 1012. 2 总磷0. 550. 4420. 0 表 4 试验期间各种植物对氮、磷去除的吸收贡献率 项目黄花鸢尾水葱梭鱼草 氮的吸收贡献率301028 磷的吸收贡献率731466 3 分析与讨论 植物对氮、磷吸收速率的计算采用线性回归的方 法进行计算 ,结果列于表 5。由于空白试验显示污水 中的氨氮存在较大程度的挥发损失 ,因此表 5 中列出 的氨氮和总氮的吸收速率称为“表观吸收速率” 。 表5 各种植物不同阶段对污水中氮、磷的吸收速率mg m2d 植物 鸢尾水葱梭鱼草 吸收 速率 相关系数 R 吸收 速率 相关系数 R 吸收 速率 相关系数 R 第 1 阶段 第 2 阶段 溶解性磷3 . 10. 970116. 30 . 99573 . 00 . 9910 氨氮48 . 50. 9904223. 20 . 997160 . 70 . 9466 总氮54 . 90. 9872431. 40 . 987565 . 50 . 9763 溶解性磷17 . 20. 98595. 20 . 959544 . 00 . 9825 氨氮251 . 50. 9760174. 80 . 9775570 . 20 . 9570 总氮420 . 80. 9902310. 90 . 9874858 . 20 . 9765 由表 5 中 R 值可知 在氮 、 磷等营养物质含量较 充分的条件下, 湿地植物在各个生长阶段对其的吸收 量与吸收时间呈线性关系 ,吸收速率稳定在一定的范 围内 。2个阶段内单位面积上各种植物对溶解性磷 的吸收速率分别为 水葱 鸢尾 梭鱼草 ; 梭鱼草 鸢尾 水葱 ; 对氨氮和总氮的表观吸收速率分别为 水葱梭鱼草鸢尾 ; 梭鱼草 鸢尾 水葱。可见, 不同湿地植物对营养物质的吸收速率不同; 同一种植 物在不同生长期对营养物质的吸收速率也不同,取决 于其生长习性 。因此上述 2 个阶段的吸收速率出现 了2 种截然相反的排列顺序 。 在试验条件下, 多数植物对氨氮的表观吸收速率 与对磷的吸收速率之比介于 10 ～ 20, 对总氮的表观 吸收速率与对磷的吸收速率之比介于 15 ～ 30。由此 可知各种湿地植物不仅对氨氮具有吸收功能 ,对硝酸 氮也具有较好的吸收功能 ,但是各种植物对 2 种氮盐 的吸收能力有所不同 。 由图 1和图 2 可知, 各种湿地植物对氮、磷的吸 收容量随时间呈现先增加后减小的规律 ,与吴淑杭等 研究结果类似 [ 12] 。这是因为 , 植物生长进入衰败期 后,一方面 ,体内的营养物质会发生转移 ,另一方面其 机体本身也会受到外界微生物的降解而丧失营养物 质。由此可以推测 10 月下旬水葱已经进入衰败期, 27 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 而鸢尾和梭鱼草尚处于成熟期 ,仍然具有较好的氮磷 吸收功能。因此 ,在湿地植物对氮、磷吸收容量达到 最大值时对其进行收割, 能够更好的提高污水中氮、 磷的去除总量。比较各种湿地植物对氮 、 磷的最终吸 收容量,可知对氮、 磷的最终吸收容量均为 鸢尾梭 鱼草 水葱。对照前述吸收速率的排列顺序 ,可知两 者没有特定的对应关系 。这是因为吸收速率描述的 是短时期内的吸收特性, 而吸收容量则表示长期的吸 收累积效果。各种湿地植物对氮的吸收容量与对磷 的吸收容量之比介于 5～ 10 ,这也代表了湿地植物对 氮、 磷的真实吸收量之比 。 由表 4 可以看出 对于用于处理有机物、氮、 磷含 量较低的二级出水的人工湿地, 其中湿地植物对氮、 磷等物质的去除具有非常重要的意义; 试验中植物的 吸收作用对总氮的去除贡献最高能够达到 30, 对 总磷的吸收贡献最高可以达到 73; 而通常认为植 物吸收对总氮去除的贡献率不会超过 15, 对总磷 去除的贡献率不会超过 5 [ 13 -16] 。这是因为 ,一方面 由于二级出水中缺少碳源 ,致使人工湿地中厌氧条件 难以形成 ,这种双重条件抑制了反硝化细菌的生存和 活动, 导致总氮的生化作用去除效果急剧下降 ; 另一 方面, 由于人工湿地进水中磷浓度较低 , 根据填料对 磷的吸附规律 Langmuir 方程可知 ,较低的平衡浓 度将导致填料对磷的吸附量大大下降, 因此导致总磷 的填料吸附去除效果大大降低 。 4 结论和建议 1 同一时期植物对氮、磷的吸收速率稳定在一定 范围内; 不同湿地植物对氮、 磷的吸收速率不同; 同一 湿地植物在不同生长阶段对氮 、磷的吸收速率也不 同。4 月, 单位面积上水葱对氮 、 磷的吸收速率最大, 其中溶解性磷的吸收速率以及氨氮和总氮的表观吸 收速率分别为 16. 3, 223. 2,431. 4 mg m 2d ; 8 月, 单 位面积上梭鱼草对氮磷的吸收速率最大 ,其中溶解性 磷的吸收速率以及氨氮和总氮的表观吸收速率分别 为44. 0,570. 2,858. 2 mg m 2d 。 2 在整个生长期内, 湿地植物对氮 、 磷的吸收容 量随生长时间呈先上升后下降的趋势 ,3 种试验植物 中黄花鸢尾对氮 、 磷的最终吸收容量最大, 在 10月下 旬分别达到了 21. 5 和4. 16 g m 2 ; 相应的其对二级出 水中氮、 磷的去除贡献率分别达到了30和 73。 3 本研究表明 ,对于湿地植物的选择 ,其对污染 物的吸收速率和吸收容量都是十分重要影响因子 ,要 根据所处理污水的水质变化规律和处理要求选择一 种或几种植物进行栽种, 达到短期集中或者长期稳定 的氮 、 磷营养物质的去除 。 4 湿地植物的吸收作用对二级出水中氮、磷营养 物质的贡献很大 , 湿地植物对于深度净化污水中氮、 磷等营养物质的人工湿地显得更加重要和必不可少。 参考文献 [ 1] 王世和. 人工湿地污水处理理论与技术[ M] . 北京 科学出版 社, 2007. [ 2] Noemi Ran, Moshe Agami, Gideon Oron. A pilot study of constructed wetlands using duckweed Lemna gibba L . for treatment of domestic primary effluent in Israel[ J] . Water Research, 2004, 38 2241 -2248. [ 3] Claudia Bragato , Hans Brix ,Mario Malagoli . Accumulation of nutrients and heavy metals in Phragmites australis Cav. Trin. ex Steudel and Bolboschoenus maritimus L. Palla in a constructed wetland of the Venice lagoon watershed[ J] . Environmental Pollution, 2006, 144 967 - 975. [ 4] Cristina S C C, Antonio O S S , Paula M L C. Constructed wetland systems vegetated with different plants applied to the treatment of tannery wastewater [ J] . Water Research, 2007, 41 1790 -1798. [ 5] Andrew M Ray, Richard SInouye . Development of vegetation in a constructed wetland receiving irrigation return flows[ J] . Agriculture, Ecosystems and Environment ,2007, 121 401 -406. [ 6] 袁东海, 景丽洁, 高士祥, 等. 几种人工湿地基质净化磷素污染 性能的分析[ J] . 环境科学,2005, 26 1 51 -55. [ 7] 刘红, 刘学燕, 欧阳威, 等. 人工湿地植物系统优化管理研究 [ J] . 农业环境科学学报, 2004, 23 5 1003 -1008. [ 8] 王晓娟, 张荣社. 人工湿地微生物硝化和反硝化强度对比研究 [ J] . 环境科学学报, 2006, 26 2 225 -229. [ 9] Stottmeister U, Wieβner A, Kuschk P , et al. Effects of plants and microorganisms in constructed wetlands for wastewater treatment[ J] . Biotechnology Advances, 2003, 22 93 -117. [ 10] Jone S T , James J S ,William E W. Effects of vagetaton management in constructed wetland treatment cells on water quality and mosquito production[ J] . Ecological Engineering , 2002, 18 441 -457. [ 11] 刘红, 代明利, 欧阳威, 等. 潜流人工湿地改善官厅水库水质试 验研究[ J] . 中国环境科学,2003, 23 5 462 -466. [ 12] 吴淑杭, 徐亚同, 姜震方, 等. 梦清园人工湿地芦苇的氮磷和生 物量动态及其适宜收割期的研究[ J] . 农业环境科学, 2006, 25 6 1594 -1597. [ 13] 何连生, 刘鸿亮, 席北斗, 等. 人工湿地氮转化与氧关系研究 [ J] . 环境科学, 2006, 27 6 1083-1087. [ 14] 缪绅裕, 陈桂珠, 黄玉山. 人工污水中的磷在模拟秋茄湿地系统 中的分配与循环[ J] . 生态学报,1999, 19 2 236 -241. [ 15] 尹炜, 李培军, 裘巧俊, 等. 植物吸收在人工湿地去除氮、磷中的 贡献[ J] . 生态学杂志, 2006, 25 2 218 -221. [ 16] 张雨葵, 杨扬, 刘涛. 人工湿地植物的选择及湿地植物对污染河 水的净化能力[ J] . 农业环境科学学报, 2006, 25 5 1318 -1323. 作者通信处 周律 100084 北京市海淀区清华园清华大学环境科 学与工程系 电话 010 62773079 E -mail zhoulutsinghua . edu. cn 2008- 10-04 收稿 28 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期