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潜流人工湿地中植物对氮磷净化的影响

时间:2011-05-19作者:刘树元,阎百兴,王莉霞来源:中国论文库
字号:T|T

摘要:采用潜流人工湿地系统,配制以NH+4-N、NO-3-N和PO3-4-P为主要成分的模拟污水,通过间歇运行方式,考察了芦苇和小叶章的生长情况、生理生态学特性及其对污水中

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摘要: 采用潜流人工湿地系统,配制以 NH+4-N、NO-3-N 和 PO3 -4-P 为主要成分的模拟污水,通过间歇运行方式,考察了芦苇和小叶章的

生长情况、生理生态学特性及其对污水中 N、P 净化效能的影响,并研究了植物对湿地系统 pH 变化、NO-3-N 和 NH+4-N净化效率的影响。结

果表明,当水力停留时间为 7d 时,小叶章和芦苇湿地对 TN 的去除率分别为 65. 1%和 99. 6%,去除负荷分别为 1. 66g·m- 3·d- 1

和 2. 53g·m- 3·d- 1。小叶章和芦苇对去除 TN 的贡献率分别为 14. 7%、61. 7%,对去除 TP 的贡献率分别为
11. 7% 和 12. 9% ; 芦苇植株内 N、P 浓度分别为 29. 2mg / g 和 3. 41mg / g。芦苇湿地的净化效能高于小叶章湿地。湿地系统中 pH

值先升高后降低的拐点可作为氨氧化反应结束的指示参数。
关键词: 湿地植物; 人工湿地; 去除负荷; 去除率; pH
    三江平原是我国重要的水稻产区,全区可耕农田的 35% 为水田[1],且有逐年增加的趋势,因而水田开发成为三江平原自然湿地保护及

河流生态环境保护的严重威胁,开展以农田退水为主的面源污染治理研究迫在眉睫[2]。近年来,基于可持续发展的理念,人们对环境污染防

治的观念发生了改变,开始认识到了生态治理的重要性。人工湿地由于具有很低的投资运行费用、良好的处理效果和显著的生态效益等优点,

成为了水体修复的重要技术[3-7]。在人工湿地污水处理系统中,植物起着非常重要的作用,主要表现在吸收污染物质,植物根系向基质释放

氧气,植物根系固定植物床,改变水力传导能力,创造生物共生条件,影响微生物和酶的分布以及植物的景观美学作用等方面[8-10]。但是

在三江平原,人工湿地作为一种新型污水处理技术,在湿地植物选择方面缺乏相关的经验,特别是该地区优势湿地植物—小叶章作为人工湿地

植物的研究尚未见报道。开展三江平原地区的人工湿地植物筛选与配置技术研究对于拓展人工湿地技术在三江平原乃至我国东北地区的应用有

着重要意义。本文通过构建 2 种三江平原地区湿地优势植物的潜流湿地系统,研究了不同湿地植物对 TN、TP 的净化效果的影响,为三江平原

地区人工湿地的构建和运行提供理论依据。
    1 材料与方法
    1. 1 试验用原水采用中国科学院三江平原试验站试验场内池塘储水作为试验用原水。该池塘以大气降水及地下水作为补给水源。原水水

质指标如下: pH 值为 8. 24,CODcr 为 32—45 mg/L,TN 为 0. 885 mg/L,TP 为 0. 066 mg/L,PO3 -4-P 为 0. 055 mg / L,NO-3

-N 为 0. 588 mg / L,NH+4-N 为 0. 125 mg / L。
    1. 2 湿地植物选取
    植物对于改善湿地基质土壤微环境进而驯化有利于污染物去除的微生物有着重要影响,因此,人工湿地植物系统的选择对于充分发挥湿地

功能至关重要。水生植物的选择主要考虑植物的净化能力、耐污能力和抗病虫害能力、易管理等方面。
    2009 年 5 月,从中国科学院三江平原试验站试验场内采集湿地植物———芦苇( Phragmites australis) ,向湿地土壤中植入带有芽苞

的芦苇根。同时取小叶章( Calamagrostis angustifolia) 原状土。每种植物栽种1 池。植物生长初期做到经常除杂草,防止迅速生长的杂草

抑制芦苇、小叶章的生长。湿地植物生长至 7 月中旬基本布满整个池子成为优势种。启动期间以试验站内池塘水培养,日均换水 100L。
    1. 3 人工湿地的构建
    采用潜流型人工湿地系统,布设场地选定在中国科学院三江平原试验站试验场,试验装置如图 1 所示。人工湿地床体材料为 PVC,单个床

体长 2. 0 m,宽 0. 5 m,深 0. 65 m,基质深 0. 5 m,有效水深 0. 4 m。每个系统分为进水段、处理段、出水段。进水经过粒径 30

—50mm 砾石布水区进入湿地填料床。出水经穿孔板进入粒径 30—50 mm 砾石收水区,流出湿地系统。共 4 池,其中 2 池基质选定为 4—8

mm 粒径的煤渣,上层覆盖15 cm 土壤,植物分别为芦苇和小叶章; 另外 2 池选取土壤为基质的人工湿地系统作为对照,土壤取自中国科学院

三江平原试验站试验场天然湿地,植物同样分别为芦苇和小叶章。
    1. 4 试验设计
    根据实际调查以及文献资料[11-12],同时参照农田泡田和排干水中 N、P 浓度的基础上,确定了模拟进水浓度。8 月下旬配置模拟进水

,进水氮素以 NH4NO3( 分析纯) 配制,磷素以 NaH2PO4·2H2O( 分析纯) 配制。进水后,实测床体进水水质如表 1 所示。运行方式: 瞬时进

水→净化试验( 5—10d) →瞬时出水→落干( 2d) 。试验期间以原水保持湿地模拟装置水位。
    1. 5 样品的采集及分析
    1. 5. 1 植物样品采集实验开始前,收割每槽前、中以及后部在株高、茎杆直径等植物生理指标有代表性的植株各 20 株,并计量每槽

内植株株数; 试验结束后收割每槽中的全部植物。将植株按照茎、叶分离,称量鲜重后洗净,在80 ℃烘箱中烘至恒重后称重[13],测定植株

生物量( 干重) 和分析植物的相对生长速率及植株体 TN、TP 的含量。植物相对生长速率 RGR( /d) = ( lnW2- lnW1) /( t2- t1)[14],

W1为试验开始时 t1的植物干生物量,W2为试验结束时 t2的干生物量。
    1. 5. 2 水样采集
    人工湿地系统中的水样从湿地表面采用虹吸法利用取样管抽取。取样管为各自在上下部位穿孔的 PVC管,穿孔部位裹以尼龙网过滤杂质,

然后埋入床体基质中。如图 1 所示,每个湿地模拟装置上、下层取样管各3 个,布置在床体的前中后段,负压虹吸法取样,汲取床体上层水样

的穿孔管开孔部分中心部位距基质表层 15cm,汲取床体下层水样的穿孔管开孔部分中心部位距 PVC 槽底部 15 cm,开孔部分总长度 20 cm。

在取样前首先将取样管中原有的水抽干两次,防止污染水样。
    1. 5. 3 分析方法
    各指标均采用《水和废水监测分析方法( 第 4 版) 》中方法进行测定,其中 NO-3-N 采用紫外分光光度法测定; NO-2-N 采用 N-( 1-萘

基) -乙二胺光度法测定; NH+4-N 采用纳氏试剂分光光度法测定; TN 采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定; TP 采用过硫酸钾氧化 - 钼锑

抗比色法测定; PO3 -4-P 采用钼锑抗比色法测定; pH 值采用精密 pH 计测定。植物样品用 H2SO4-H2O2消煮制备成溶液[15],然后依据上

述方法测定 TN、TP 含量。
    1. 5. 4 数据统计
    各指标内差异显著性采用单因素方差分析( ANOVA,LSD) 。分析软件为 SPASS13. 0。
    2 结果与讨论
    2. 1 植物生长状况及对营养物质的吸收2. 1. 1 试验期间植物的生长状况植物生长状况间接反映了它的耐污力,这也是植物能够达到

湿地备选标准的重要条件之一。作为应用于污染物净化的湿地植物,耐污力是植物生存和为微生物提供依附场所的前提。在试验装置启动期间

,小叶章和芦苇两种植物一直生长较好,每株植物都有新叶发出,有分蘖,尤其以芦苇最为突出。8 月初小叶章进入结穗期,9 月初进入枯萎

期,植株底部叶片变黄; 而芦苇在此期间一直长势良好,9 月初全面进入结穗期。图 2 显示试验期间小叶章与芦苇株高都有变化,其中以芦苇

的变化最为明显,平均株高从 8 月 19 日的 109. 4 cm 一直生长到 9 月 6 日的 135. 7 cm,增加了 26. 3 cm,相反,小叶章在此期间

仅长高了 1. 5 cm,从表 1 可看出,除生长密度小叶章要优于芦苇外,其他指标均落后于芦苇。而除了植物的表观特征,植物的相对生长率

RGR 也可以用于评价植株的健康状况。表 2 显示芦苇表现出较高的相对生长率,为 0. 042/d; 小叶章的相对生长率则较低,为 0. 011/d,

这与小叶章自身具有生长较缓慢的特性有关。
    2. 1. 2 植物对营养物质的吸收小叶章和芦苇对于氮磷的吸收列于表 3。由表 3 可知,植物吸收氮的量普遍高于吸磷量,同时不同植物

品种在营养物质吸收方面的能力差异显著。这与祝宇慧等人的研究结论是一致的[16]。芦苇对氮素的吸收速率远高于小叶章( P <0. 05)

,而对于磷素的吸收速率差异不明显( P >0. 05) ,这可能与基质及水体中 N、P 的含量有所相关。因为磷素的主要去除机理是依靠基质的

物理吸附作用[17],作用时间短,在很短的时间内磷素的浓度大幅下降,从而造成植物对磷的吸收减少,导致植物对磷素的吸收能力被削弱

。而氮素的情况则相反,氮素主要通过硝化与反硝化等微生物作用被削减,所以水体中氮浓度降低梯度较小,为植物对氮的吸收创造了条件,

因此两种植物均表现出对 N、P 吸收能力的差异。但植物品种之间,芦苇和小叶章对氮素的吸收能力表现出明显的差异,小叶章的 N、P 吸收

能力显著弱于芦苇。
    以往研究表明,湿地植物对 N 的吸收速率在 0. 03—0. 30 g·m- 2·d- 1之间,对 P 的吸收速率在 0. 012—0. 017 g·m- 2·d

- 1之间[18]。植物种类的不同对 N、P 的积累量有一定的影响,有人研究了 7 种湿地植物中 N、P积累量分别为 5. 67—27. 02 g/m2及

0. 44—1. 46 g/m2之间[19],与本次研究结果大致相似。植物具有较高的营养物质积累能力在污水处理中是有利的,因为可以通过收割将

其固定的 N、P 带出水体[20-22],延长人工湿地的使用寿命。
    植物体内的氮磷浓度直接反映了其对营养物质的吸收能力[21]。虽然有人提出植物体内营养物浓度与植株所处水环境有一定的相关性,

但不同的研究结果差异较大,尚无能够被普遍接受的结论。如 Debusk[23]认为,在中度富营养化( TN、TP 分别为 11. 4 mg/L 和 3. 0

mg/L) 水中,10 种挺水植物的 N、P 浓度分别在 10. 2—25. 5 mg / g 及 1. 3—3. 7 mg / g 之间。而蒋跃平等人[24]研究显示轻度

富营养化水中( TN、TP 分别为 1. 71 mg/L和 0. 08 mg/L) ,17 种植物的 N、P 浓度分别在 10. 68—32. 66 mg/g 及 0. 73—3. 36

mg/g 之间。实验结果的不一致与湿地植物所处的水体中营养元素的组成、环境温度、植物种类等因素有关。从比较可以看出,本实验所配置的

进水 N、P 浓度远高于中度富营养化水体浓度,但植物的 N、P 浓度却在上述研究所得的范围之内,间接证明小叶章和芦苇的营养物质吸收能

力基本达到自身容量的阈值。
    植物的不同部位对营养元素的吸收能力不同。图3 显示在 试 验 阶 段 小 叶 章 茎、叶 TN 最高含 量分 别 为2. 71 mg / g( 植物干重

,下同) 和 12. 63 mg / g,TP 含量分别为0. 65 mg/g 和1. 32 mg/g,小叶章叶中氮、磷含量分别是茎中含量的 4. 66 倍和 2. 03 倍

; 湿地植物芦苇也表现出同样的规律,叶片中的氮、磷含量分别为 23. 03mg / g 和 1. 36 mg / g,分别是茎中氮、磷含量的 4. 17 倍和

1. 68 倍。就不同植物而言,芦苇叶和茎中的氮、磷含量均高于小叶章( P <0. 05) ,尤其以对氮的吸收二者差异明显,分别是小叶章叶和

茎的 1. 82 倍和 2. 04 倍。氮、磷在植物不同器官中的含量遵循叶 > 茎的规律。由此可推测在湿地植物选择时应充分重视提高多叶片植

物的比重,以便提高湿地植物在 N、P 去除中的作用。
    2. 2 人工湿地系统内水质指标变化2. 2. 1 湿地系统内氮磷的净化效果由图 4 可见,各种污染物的去除效率均随着停留时间的延长而

增加。芦苇湿地 TN 的处理效率在 7d 后为 99. 6%,此时小叶章湿地各污染物的去除效率分别为: TN 为 65. 1%; NH+4-N 为 84. 5% ; NO

-3-N 为 60. 8% ;
    TP 为 96. 5% 。至 7d 时,小叶章湿地的 TN 去除负荷为 1. 655 g·m- 2·d- 1,降解速率为 5. 731mg·L- 1·d- 1,而芦苇湿

地的 TN 去除负荷为 2. 534 g·m- 2·d- 1,降解速率为 8. 789 mg·L- 1·d- 1,小叶章湿地的氮素去除效能显著低于芦苇湿地( P

<0. 05) 。
    在图 4 中还可看出,各湿地床体对于 N、P 的处理效率上层要高于下层( P <0. 05) ,这主要与上层湿地植物根系的作用有关。根据

Kichuth 的根区理论: 植物根系的释氧,使其周围的微环境依次出现好氧、缺氧和厌氧状态,这是潜流型人工湿地脱氮的重要机理之一。由于

湿地系统的床体上层为植物根系富集区,植物不但通过自身的生物代谢活动吸收污染物质,而且通过根系的生命活动为微生物的生长繁殖以及

氮素的硝化反硝化、磷素的吸附提供微环境。因此,富集了植物根系的床体上层的污染物去除能力高于床体下层。不同植物种类在营养吸收能

力、根系分布深度、氧气释放量、生物量和抗逆性方面存在差异,因而对污染物的净化作用各异[25-26]。由于湿地植物芦苇根系发达,并具

有中空的特殊结构,这是导致小叶章湿地的污染物去除效率低于芦苇湿地的主要原因。
    2. 2. 2 植物对人工湿地系统 pH 值的影响在人工湿地运行过程中测量湿地 pH 变化见图 5,具有以下几种规律: ( 1) 虽然进水 pH 值

较高,一般在7. 5—8. 5 之间,但是床体内 pH 却能维持在相对稳定的范围内,一般在 6—8 之间; ( 2) 床体中上层 pH 值总是小于下层(

P <0. 05) ; ( 3) 人工湿地的 pH 值在运行过程中表现出了规律性的变化。随着运行时间的延长,湿地的上下层 pH 都随着运行时间的延长

而逐渐降低,当降低到最低点后又开始升高,即出现 pH 值拐点。
    在人工湿地运行过程中,具体可能有 5 种因素导致pH 值的变化。( 1) 植物作用: 水生植物对 NH+4-N 的吸收导致水中 pH 降低,因为植

物根部在吸收阳离子的同时释放出 H+,即伴随着有机酸的产生[27]。( 2) 植物夜间呼吸作用: 植物的呼吸作用表现为从大气中吸收 O2,向

水体中释放部分 CO2,其白天的光合作用所吸收的CO2又来自大气环境,导致废水中溶解的 CO2增加[25],pH 值降低。( 3) 硝化作用: 在有

氧条件下,NH+4-N 硝化需要消耗碱度,使得 pH 值下降,而 NO-2-N 氧化成 NO-3-N 阶段并不消耗碱度,因此不会导致 pH 值的变化; 厌氧

氨氧化作用: 在缺氧条件下,厌氧氨氧化消耗 H+,使系统 pH 值上升; ( 4) 微生物代谢作用: 微生物代谢产生CO2,使得系统内的 pH 值降低

; ( 5) 逸散作用: 微生物代谢产生的 CO2气体逸出进入大气,使得系统 pH 值升高。
    由于本实验中湿地系统的进水氮污染物是以 NH4NO3配制的,所以进水中含有大致等量的 NH+4-N 和NO-3-N。在湿地系统的 NH+4-N 耗尽

前,NH+4-N 和 NO-2-N 氧化反应综合作用的结果使 pH 值持续下降。而当NH+4-N 消耗完毕后,逸散作用开始占主导地位,pH 值开始缓慢上

升,因此可以用 pH 值变化过程中出现的拐点作为人工湿地系统 NH+4-N 反应结束的指示指标。
    研究表明,土壤具有优良的缓冲能力[28-29]。由于各个湿地系统上层覆盖土壤,对于上层 pH 值的影响也是导致上层与底层 pH 值出现

差异的原因之一。同时,上层水体靠近植物根区,根区的复氧作用使水体中氮素的硝化作用活跃,对湿地 pH 值的变化产生一定的影响。二者

的综合作用使湿地系统表层的 pH 值低于底层。
    2. 2. 3 NH
    +4-N 与 NO-3-N 的变化规律人工湿地模拟装置中 NO-3-N、NH+4-N 的净化效率在试验阶段表现出了一定规律性变化( 图 6) 。由图 6可

以看出,在各个湿地系统中均表现出 NO-3-N 的净化效率低于 NH+4-N ( P < 0. 05 ) 。人 工 湿 地 系统 水 体 中NO-3-N、NH+4-N 相

互转化的途径是: NH+4-N 在有氧条件下会经过 NO-2-N 最后转变为 NO-3-N,而直接转变为N2排放到大气的过程中,同时也会产生一定比例

的NO-3-N[30]。一般认为,NH+4-N 首先在有氧条件下经过硝化作用转化为 NO-3-N,在厌氧或者缺氧环境下经反硝化作用转化为 N2排放到

大气中。由于在进水过程中,NO-3-N 与 NH+4-N 的浓度基本相同,同时 NO-3-N 为NH+4-N 向 N2转化过程中的中间产物,所以 NO-3-N 的

去除效率必然要落后于 NH+4-N。
    除以上作用外,植物根系的吸收和利用[31]、基质的吸附作用同样对 NH+4-N 在水体中的浓度有重要的影响。目前,虽然对于植物根系

是否优先吸收 NO-3-N 或NH+4-N 尚无定论,但普遍认为 NH+4-N 带正电荷,易被炉渣等基质吸附[32-33],所以湿地系统水体中存在较少;
    相反,硝态氮带负电荷,不被基质吸附,主要存在于湿地水体中。
    3 结论
    本实验研究了 2009 年 8 月份三江平原气候条件下,以芦苇和小叶章作为湿地植物、间歇运行模式下潜流人工湿地中植物对氮磷净化的影

响。
    ( 1) 芦苇、小叶章两种植物对污水环境均表现出了良好的适应能力。相对于小叶章,芦苇植株内 N、P 浓度较高,对营养元素的吸收能力

较强; 相对于小叶章湿地,芦苇湿地对 N、P 的净化效能较高。
    ( 2) 在芦苇和小叶章人工湿地中,芦苇和小叶章两种湿地植物均表现出了对 N、P 营养元素的吸收叶大于茎的特性,由于芦苇、小叶章根

系的影响,各人工湿地上层 N、P 去除效能均高于下层。
    ( 3) 人工湿地床体上层的 pH 值小于下层。在实验周期内,pH 值表现了先下降后升高的规律性变化,可以以 pH 值变化的拐点作为氨氧

化反应的终结。

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