貴州典型植物對污水中磷的凈化效率研究

貴州典型植物對污水中磷的凈化效率研究

濕地建設(shè)是在自然或半自然凈化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的濕地管理技術(shù)。它具有投資省、運(yùn)營成本低、效果好等優(yōu)點(diǎn)。人工濕地是一種人為地將石、砂、土壤、煤渣等一種或幾種介質(zhì)按一定比例構(gòu)成的基質(zhì),并有選擇地植入植物的污水處理生態(tài)系統(tǒng),介質(zhì)、植物和微生物是其基本構(gòu)成。人工濕地污水處理系統(tǒng)其組成是下層鋪放顆粒碎石、上層覆蓋土壤,在土壤上種植物,這實(shí)際上是一種獨(dú)特的土壤-植物-微生物系統(tǒng)。在碎石、土壤顆粒表面形成一層生物膜,生物膜上的微生物參與污水凈化的各個(gè)過程。這個(gè)系統(tǒng)結(jié)合了生物膜法和自然凈化的特點(diǎn),將微生物和植物的凈化能力結(jié)合在一起,成為一個(gè)高效凈化系統(tǒng)。本試驗(yàn)是針對篩選土地處理系統(tǒng)和人工濕地系統(tǒng)中對磷去除效率高的植物來設(shè)計(jì)和研究的。地溝式污水土地處理技術(shù)也稱尼米(NiiMi)系統(tǒng),是日本開發(fā)、利用土壤毛細(xì)管浸潤擴(kuò)散原理研制成功的一種淺型土壤處理系統(tǒng)。1試驗(yàn)方法和技術(shù)1.1試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)條件1.1.1生物處理槽和濕地槽構(gòu)成實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在貴州省環(huán)科院院內(nèi),該系統(tǒng)的流程如圖1所示。系統(tǒng)共分為兩套,每套分別由高位水箱(1.5m×1.0m×0.6m,兩套共用)、第一處理槽(1.2m×0.8m×0.8m)、中間槽(1.0m×0.6m×0.6m)、第二處理槽(1.0m×1.2m×0.8m)和濕地槽(1.8m×1.5m×0.8m)構(gòu)成。第一、二處理槽底層20cm為直徑30～80mm的鵝卵石碎石,上層為以貴州典型的黃壤為主配比的人工土;濕地槽底層60mm為直徑30～80mm的鵝卵石碎石,上層為以黃壤為主配比的人工土。各處理槽都配有布水管和收水管。我們在兩套系統(tǒng)的第一、二處理槽以及濕地槽的土壤上分別栽種下面幾種植物:系統(tǒng)Ⅰ:第一處理槽(巖豆藤)→第二處理槽(杜鵑)→濕地槽(八仙花);系統(tǒng)Ⅱ:第一處理槽(蔓常春藤)→第二處理槽(小玉竹)→濕地槽(美人蕉和芋頭)。1.1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備和裝置實(shí)驗(yàn)是在自然條件下進(jìn)行,地點(diǎn)選在貴州省環(huán)科院辦公樓前。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想是模擬人工濕地的結(jié)構(gòu)。我們采用內(nèi)徑為30cm,高為29cm的塑料花盆作為實(shí)驗(yàn)裝置,花盆底部鋪有10cm左右的碎石,上面再鋪20cm的黃壤,其上栽種植物。在植物根系旁設(shè)有一特制吸水管,采樣時(shí)吸水管與真空泵相連,利用真空泵產(chǎn)生負(fù)壓力,使得水樣自動(dòng)流入采樣瓶中。每個(gè)盆栽中栽種1～2株同種植物?；ㄅ柘旅鎵|有一接水盆,以防水樣流失。1.2研究對象的選取植物種類篩選的原則是:對磷凈化率高,根系發(fā)達(dá),具有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值和美觀價(jià)值,適于面源污水環(huán)境條件下生長且種源來源方便。我們在總結(jié)前人已有成果及初步研究的情況下,共選取了7種植物作為研究對象,7種植物的名稱為:美人蕉(Canna);芋頭(Taro);八仙花(Hydrangea);小玉竹(SmallJadeBamboo);杜鵑(Cuckoo);菖蒲(Calamus);巖豆藤(RockBeanBine)。植物種植采用移栽的方法,即從貴州省植物園中挖取植物后,運(yùn)到實(shí)驗(yàn)場地栽種,栽種后采用常規(guī)辦法管理。1.3生活污水來源每個(gè)星期采樣兩次,在采樣的前兩天澆灌污水,污水來源為貴州省環(huán)科院內(nèi)5號樓宿舍的生活污水,由化糞池取水。樣品采集后立即帶回實(shí)驗(yàn)室分析,分析項(xiàng)目包括總氮和總磷,分析按水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)分析方法進(jìn)行。2結(jié)果與討論2.1不同植物凈化率對磷的凈化效果表1是七種植物對水體磷凈化率,從2002年7月～11月盆栽的實(shí)驗(yàn)分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可見,芋頭對磷的凈化率平均可達(dá)98.35%,其次是菖蒲,凈化率達(dá)97.92%,凈化率最低的是杜鵑和八仙花,凈化率分別為93.17%和90.69%。5個(gè)月植物對磷的凈化率從大到小依次為:芋頭>菖蒲>巖豆藤>美人蕉>小玉竹>杜鵑>八仙花(各種植物系統(tǒng)中土壤對磷具有相同的吸附量)。圖2是7種植物對磷的平均凈化率比較圖。由于空白無植物盆栽土量稍多,使得個(gè)別植物的磷凈化率沒有對照系統(tǒng)高,但這對篩選植物并無大的影響。從圖中我們也可以明顯地看出:芋頭、菖蒲、美人蕉和巖豆藤對磷具有較高的凈化效率。從對植物的植株進(jìn)行觀察中我們還發(fā)現(xiàn),芋頭和菖蒲具有極其發(fā)達(dá)的根系,美人蕉則具有較為寬大的葉片,巖豆藤具有類似豆科植物般的較粗大的根。2.2系統(tǒng)微生物群落人工濕地污水處理系統(tǒng)中填充的碎石、土壤微生物膜的形成提供了表面,生物膜的形成增加微生物生物量,又大大促進(jìn)了人工濕地凈化效率的提高。微生物的降解產(chǎn)物又成為植物的營養(yǎng)物,為植物利用。另一方面濕地植物的存在,特別是植物根的放氧作用、根的分泌物和表皮脫落物改善了微生物生長的生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)了根際、根區(qū)微生物的生長。這樣在人工濕地中實(shí)際形成一種微生物和植物的互利關(guān)系。我們分別于2002年8月23日和9月25日對中試系統(tǒng)Ⅰ各處理槽的不同深度,美人蕉、菖蒲、巖豆藤、芋頭等4種植物根系附近的土壤微生物群落進(jìn)行采樣分析,主要分析了細(xì)菌、放線菌、霉菌、酵母菌、亞硝化菌、硝化菌、反硝化細(xì)菌和氨化細(xì)菌,兩次分析的平均數(shù)據(jù)見表2(以細(xì)菌、放線菌、霉菌、酵母菌為例,亞硝化菌、硝化菌、反硝化細(xì)菌和氨化細(xì)菌分析數(shù)據(jù)略)。從測試結(jié)果我們可以看出,系統(tǒng)Ⅰ中細(xì)菌和霉菌數(shù)從近進(jìn)水端到近出水端數(shù)量(每克土壤檢測到的菌落數(shù))均基本呈遞減趨勢,表層土壤到深層土壤細(xì)菌數(shù)目也基本呈遞減趨勢。從菌種數(shù)量上來看,細(xì)菌、霉菌和酵母菌是所分析的8種菌種中的優(yōu)勢菌種。3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果人工濕地系統(tǒng)對磷的去除是通過微生物的積累、植物的吸收和填料床的物理化學(xué)等幾方面的協(xié)調(diào)作用共同完成的。無機(jī)磷也是植物生長所必須的營養(yǎng)物質(zhì)。污水中的無機(jī)磷一方面在植物的吸收和同化作用下,被合成ATP、DNA和RNA等有機(jī)成分,植物被收割而將磷從系統(tǒng)中去除;另一方面,通過微生物對磷的正常同化吸收(將磷作為微生物體必需成分C60H87023N12P,而供微生物生長之需),聚磷菌對磷的過量積累,從而通過對濕地床的定期更換而將其從系統(tǒng)中去除。由于人工濕地中植物的光合作用及呼吸作用(即所謂的光反應(yīng)和暗反應(yīng))的交替進(jìn)行,植物根系輸氧量的多少隨光照強(qiáng)度的交替變化而相應(yīng)地發(fā)生變化,加之濕地床不同區(qū)域內(nèi)耗氧速率的不同,致使系統(tǒng)中出現(xiàn)好氧和厭氧狀態(tài),從而有利于微生物對磷的釋放和過量積累作用的發(fā)生。本次實(shí)驗(yàn)主要篩選出了適宜貴州氣候的,具有較高凈化污水能力的幾種植物,這些植物都具有發(fā)達(dá)的根系或是寬大的葉片,我們還對植物本身體內(nèi)磷的增長量以及植物根系的泌氧性等方面作了專項(xiàng)研究。為地溝式土地處理和人工濕地在貴州省的推廣和應(yīng)用提供了一定的理論基礎(chǔ)。在土地處理系統(tǒng)和人工濕地系統(tǒng)上種植植物,構(gòu)成了特有的土壤—植物—微生物系統(tǒng)。融合了生物膜法和自然凈化的特點(diǎn),因此具有很強(qiáng)的凈化能力。該實(shí)驗(yàn)中試系統(tǒng)在運(yùn)行的9個(gè)月期間,顯示出對城鎮(zhèn)污水中總磷(TP)去除的良好效果,平均去除效率為95.30%;對NH