近年來(lái),國(guó)內(nèi)外研究水生植物對(duì)改變河流、湖泊及生活污水水質(zhì)貢獻(xiàn)的學(xué)者越來(lái)越多,通過(guò)利用植物修復(fù)水體逐漸成為治理污染水體的一個(gè)研究熱點(diǎn)。選擇具有較高凈化效果和經(jīng)濟(jì)價(jià)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(fù)退化的水生生態(tài)體系。目前,很多學(xué)者對(duì)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(duì)于一些不易引人注意的野生植物研究則較少。
本實(shí)驗(yàn)選用2 種綿陽(yáng)本地野生植物北水苦荬( Veronica anagallis-aquatica L. ) 和巴天酸模( Rumexpatientia Linn. )進(jìn)行生活污水凈化研究,這2 種植物來(lái)源豐富、對(duì)氣候適應(yīng)性強(qiáng),目前在該領(lǐng)域相關(guān)研究較少,采用本地野生植物處理污水對(duì)于環(huán)境保護(hù)也具有重要價(jià)值。本實(shí)驗(yàn)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(duì)污水的凈化能力,實(shí)驗(yàn)在植物選擇上具有一定的創(chuàng)新性,對(duì)今后人工濕地污水處理中新型植物的開(kāi)發(fā)具有一定的實(shí)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(zhǎng)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(rùn)的環(huán)境,廣泛分布于我國(guó)四川、云南及西藏等大西南區(qū)域[13-14] ;實(shí)驗(yàn)所用北水苦荬取自涪江綿陽(yáng)段(北緯N31°30′58. 30″,東經(jīng)E104°43′12. 43″),巴天酸模取自綿陽(yáng)青義任家溝(北緯N31°34′14. 16″,東經(jīng)E104°40′3. 57″)。
1. 2材料裝置
實(shí)驗(yàn)裝置于2015 年8 月建成,地點(diǎn)位于某大學(xué)污水處理廠一大棚內(nèi),實(shí)驗(yàn)期間氣溫約為(25 ± 5)℃ ,濕度為65% ~ 85% 。實(shí)驗(yàn)根據(jù)平行對(duì)照原則,共設(shè)計(jì)2 組平行實(shí)驗(yàn),每組包含3 個(gè)礫石基質(zhì)凈化系統(tǒng),分別為北水苦荬組(BS)、巴天酸模組(BT)和空白對(duì)照組(DZ)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用塑料無(wú)土栽培箱制成,每個(gè)栽培箱長(zhǎng)、寬、高分別為0. 75 m × 0. 54 m ×0. 42 m,采用8 ~ 20 mm 的礫石基質(zhì)進(jìn)行填充,并在上面栽種植物,作為污水處理的主要構(gòu)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(duì)照組,不栽種植物。系統(tǒng)頂端設(shè)有集中配水箱,用于初慮污水和向各濕地單元中進(jìn)水。污水由系統(tǒng)側(cè)壁下端進(jìn)水口連續(xù)流入,從系統(tǒng)另一側(cè)壁上端出水口連續(xù)流出。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。
1. 3實(shí)驗(yàn)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(duì)照組DZ1 、DZ2 不栽種植物。為保證種植植株的適應(yīng)和存活,同時(shí)結(jié)合前期實(shí)驗(yàn)研究和相關(guān)計(jì)算結(jié)果,在植物栽種后,選擇該系統(tǒng)在水力負(fù)荷為0. 216 m3 ˙(m2 ˙d) - 1 的條件下連續(xù)運(yùn)行1 周進(jìn)行植株適應(yīng)性馴化,待系統(tǒng)中植物成活并生長(zhǎng)穩(wěn)定后,再連續(xù)運(yùn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中水的蒸發(fā)作用損失水量通過(guò)補(bǔ)充蒸餾水以保持體積不變,將大棚兩側(cè)塑料膜卷起以保證光照充足和整個(gè)大棚的空氣流通,盡量避免實(shí)驗(yàn)環(huán)境與外界環(huán)境差異過(guò)大。
1. 4水質(zhì)與分析方法
實(shí)驗(yàn)所用原水為該污水處理廠細(xì)格柵出水,pH 為6 ~ 8,COD 為220 ~ 450 mg˙L - 1 ,NH3 -N、TN、TP 的質(zhì)量濃度分別為25 ~ 55、30 ~ 65、1. 5 ~ 4. 0 mg˙L - 1 。污水中各指標(biāo)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(guò)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(jié)果與討論
2. 1COD 凈化效果
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后,各組系統(tǒng)對(duì)污水中COD 的去除效果如圖2 所示。
由圖2 可以看出,在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi),系統(tǒng)進(jìn)水COD 濃度均值為234. 2 mg˙L - 1 ,空白對(duì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)COD 去除率整體趨勢(shì)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(shí)驗(yàn)中后期達(dá)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(zhì)填料的吸附、濾料表面微生物的降解、有機(jī)污染物自身沉降以及植物吸收降解作用等。實(shí)驗(yàn)前期植物生長(zhǎng)緩慢,系統(tǒng)對(duì)COD 的去除主要依靠礫石基質(zhì)的吸附、攔截作用;實(shí)驗(yàn)中期由于植物快速生長(zhǎng),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(shí)驗(yàn)后期由于植物生長(zhǎng)變慢,基質(zhì)逐漸飽和等,COD 去除率逐漸下降。
2. 2NH3 -N 凈化效果
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后,各組系統(tǒng)對(duì)污水中NH3 -N 的去除效果如圖3 所示。
由圖3 可以看出,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)水NH3 -N 濃度均值為32. 8 mg˙L - 1 ,空白對(duì)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(duì)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(duì)NH3 -N 去除效果最好,且最高能夠達(dá)到55% 左右,北水苦荬組略差于巴天酸模組,空白對(duì)照組去除效果最差,但變化相對(duì)平穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)證明有植物的實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)對(duì)NH3 -N 的凈化效果明顯優(yōu)于無(wú)植物的空白組系統(tǒng)。
濕地中NH3 -N 的來(lái)源主要是游離的NH +4 和含氮有機(jī)物的氨化分解。實(shí)驗(yàn)中北水苦荬和巴天酸模2 實(shí)驗(yàn)組植物生長(zhǎng)需要吸收分解一部分NH3 -N,同時(shí)植物根系傳輸氧為好氧微生物提供條件從而促進(jìn)了硝化和反硝化作用,所以NH3 -N 的去除效果較理想?？瞻讓?duì)照組由于缺少好氧微生物的作用,對(duì)NH3 -N 的去除效果較差。
2. 3TN 凈化效果
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后,各組系統(tǒng)對(duì)污水中TN 的去除效果如圖4 所示。
由圖4 可以看出:3 組實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在運(yùn)行前期對(duì)TN 的去除率均較低,平均去除率維持在35% 左右;但到實(shí)驗(yàn)中期,北水苦荬組和巴天酸模組對(duì)TN 的去除率開(kāi)始明顯上升,平均去除率可以達(dá)到46% 以上,而到后期TN 去除率則出現(xiàn)了小幅減小?？瞻讓?duì)照組TN 去除率變化整體較為平穩(wěn),且效果低于實(shí)驗(yàn)組。
氮在污水中主要以有機(jī)態(tài)氮和氨氮形式存在,通過(guò)基質(zhì)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(shí)驗(yàn)前期由于植物生長(zhǎng)緩慢,對(duì)氮素的吸收需求較少,3 組系統(tǒng)對(duì)氮的主要去除途徑一致,去除效果相當(dāng);實(shí)驗(yàn)中期植物生長(zhǎng)旺盛,促進(jìn)了對(duì)氮素的吸收分解,加之植物根區(qū)微生物對(duì)氮素的同步分解轉(zhuǎn)化,提升了實(shí)驗(yàn)組對(duì)氮的去除效果;實(shí)驗(yàn)后期植物生長(zhǎng)變緩,對(duì)氮素的需求有所減少,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后,各組系統(tǒng)對(duì)污水中TP 的去除效果如圖5 所示。
由圖5 可以看出:空白對(duì)照組實(shí)驗(yàn)前期、中期、后期對(duì)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(duì)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(duì)TP 平均去除率為37. 9% 、50. 3% 、50. 9% 。從運(yùn)行時(shí)間上對(duì)TP 的去除效果對(duì)比來(lái)看,實(shí)驗(yàn)前期3 組系統(tǒng)對(duì)TP 去除效果相差不大,而實(shí)驗(yàn)中期和后期北水苦荬組和巴天酸模2 實(shí)驗(yàn)組對(duì)TP 的去除效果明顯優(yōu)于空白對(duì)照組,且巴天酸模組最好。
由于磷不同于氮,不能轉(zhuǎn)化為氣體直接轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)外,因此濕地土壤一直被公認(rèn)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(guò)人工收割的方法轉(zhuǎn)移至系統(tǒng)外,所以探索新型污染修復(fù)植物,增加植物對(duì)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(guān)性
利用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 分別對(duì)各組系統(tǒng)中COD、NH3 -N、TN、TP 的去除率進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析,考察各濕地單元主指標(biāo)去除率之間的關(guān)系。
表1北水苦荬組各指標(biāo)去除率直接的Pearson 相關(guān)性
表2巴天酸模各指標(biāo)去除率直接的Pearson 相關(guān)性
表3空白組各指標(biāo)去除率直接的Pearson 相關(guān)性
如表1 所示,北水苦荬組系統(tǒng)內(nèi)COD-TP、NH3 -N-TN、NH3 -N-TP、TN-TP 主指標(biāo)間兩線性在0. 01 水平上顯著相關(guān),Pearson 相關(guān)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(guān)系。如表2 所示,巴天酸模組系統(tǒng)內(nèi)COD-NH3 -N、NH3 -N-TN、NH3 -N-TP、TN-TP 主指標(biāo)間兩線性在0. 01 水平上顯著相關(guān),Pearson 相關(guān)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(duì)照組系統(tǒng)中NH3 -N-TN、NH3 -N-TP、TN-TP 主指標(biāo)間兩線性在0. 01 水平上顯著相關(guān),Pearson 相關(guān)系數(shù)分別為0. 748、0. 644、0. 749,空白對(duì)照組同樣表現(xiàn)出NH3 -N、TN 和TP 的去除具有一定的相關(guān)性。
3 組實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中均表現(xiàn)出NH3 -N、TN、TP 去除率之間兩兩相關(guān),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(shí)去除氮磷,TN 中包括NH3 -N,NH3 -N 的去除意味TN 的減少等。空白對(duì)照組與北水苦荬組、巴天酸模組相比指標(biāo)間相關(guān)性系數(shù)相對(duì)較低,可能是由于空白組沒(méi)有植物同步吸收氮磷作用。COD 與其他各指標(biāo)之間相關(guān)性均較低,這與COD 在去除機(jī)理和去除途徑上的不同有關(guān)。具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3結(jié)論
實(shí)驗(yàn)通過(guò)建立北水苦荬和巴天酸模動(dòng)態(tài)礫石基質(zhì)凈化系統(tǒng),探討2 種本地野生植物對(duì)生活污水的凈化能力以及將其運(yùn)用到人工濕地的可行性。結(jié)果表明,北水苦荬和巴天酸模礫石基質(zhì)凈化系統(tǒng)對(duì)生活污水中COD、NH3 -N、TN 和TP 等主要污染指標(biāo)平均去除率可以達(dá)到42% ~ 56% ,去除效果良好,且二者去除能力差別不大,而空白對(duì)照組對(duì)污水中各項(xiàng)污染指標(biāo)的平均去除率則明顯低于實(shí)驗(yàn)組,這也驗(yàn)證了北水苦荬和巴天酸模應(yīng)用于人工濕地污水處理中的可行性。
污染物去除的相關(guān)性分析表明,在不同實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi),各指標(biāo)間去除率的相關(guān)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(nèi)各污染指標(biāo)去除率相關(guān)性系數(shù)較高,污染物的去除過(guò)程存在一定的同一性,而空白對(duì)照組系統(tǒng)中各指標(biāo)去除率之間的相關(guān)性系數(shù)則較低,這與凈化系統(tǒng)中植物對(duì)污染物的吸收作用密不可分。對(duì)各類濕地的污染物去除率之間的相關(guān)性進(jìn)行分析,有利于弄清各污染物的去除機(jī)理,更好的改進(jìn)濕地的結(jié)構(gòu)和功能配置。實(shí)驗(yàn)今后擬探討引用其他沉水或浮游野生植物,采用結(jié)構(gòu)上改進(jìn)為復(fù)合式濕地系統(tǒng),提高污染物綜合去除率,滿足處理達(dá)標(biāo)要求,從而最終實(shí)現(xiàn)工程上的應(yīng)用。
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