水生植物净化农村生活污水

传统的生活污水处理工艺在农村应用存在建设与运营成本太高的问题，农村散户生活污水通常仅经过三格化粪池或者四格净化池(三格化粪池+人工湿地)处理后，排入沟渠汇入附近的鱼塘、河流、湖泊等，对自然水体的水质造成严重威胁[1-2]，面源污染风险严重。针对农村散户生活污水量差异大、污染源相对分散、可生化性好、污染物浓度较高等特点[3]，利用农户周边鱼塘、农田构建湿地，使污染物进一步降解后再进入自然水体的植物修复技术，具有效果好、投资运行成本低、景观效果好、能产生一定的经济价值等优点，成为分散农村生活污水治理的首选工艺之一[4]。这类湿地的净化机理是依靠植物的吸附/吸收作用、微生物作用和物理化学作用[5]共同对污水进行净化处理，其运行效果的关键因素是植物类型。目前，关于水生植物净化能力的研究很多[6-9]，主要是比较不同植物对不同污染程度水体的修复效果，由于各研究的实验条件、植物品种、进水浓度等存在差异，植物在污水处理系统中去污能力不同，给设计与施工单位选择净化能力强的植物造成困难。因而筛选出具有显著去污特性的水生植物，成为植物修复技术的关键之一。

据调查，农村散户生活污水中主要污染物出水浓度为 TN(总氮)27.6~159.3 mg · L-1、TP(总磷)1.58~18.16 mg·L-1、CODC(r化学需氧量)80.9~313.2 mg·L-1、NH3 - N(氨氮)21.3~148.9 mg · L-1、SS(悬浮固体)151.0~685.0 mg·L-1[10-11]，本研究在设定的模拟化农村散户生活污水出水浓度下，比较 29 种水生植物净化系统对污染物的去除效果，通过聚类分析筛选出一批净化效果好的水生植物，为农村分散生活污水面源污染水生态修复提供技术参考与理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

以常见的29 种水生植物为材料，植物品种见表1。


1.2 试验方法

试验于2017 年7—9 月在中南林业科技大学苗圃内进行，选取处于生长旺盛期的植物，用长×宽×高=0.80 m×0.70 m×0.80 m 的粗陶水缸进行露天避雨缸栽试验，每缸种植的同类植物初始生物量大致保持一致，并设置无植物对照，每个处理设置 3 个重复。基质为细砂，深度为 25.00 cm。在自然光照、避雨条件下用静置 1 d 的自来水培育水生植物 10 d，待植物正常生长后一次性加入中南林业科技大学校区化粪池出水，模拟农村散户生活污水，最终实验水体 TN 为 31.76~31.97 mg·L-1，TP 为 3.89~3.94 mg·L-1，CODCr 为178.87~178.98 mg·L-1，NH3-N 为23.58~23.69 mg·L-1，SS 为166.65~166.77 mg·L-1，pH 为6.96~7.01。生长过程中，每隔15 d 对实验缸中水质进行采样分析，每次采水样 100 mL，试验周期为 75 d。试验中用静置 1 d的自来水每5 d 补充因蒸发蒸腾及试验采样损耗的水分。每缸水深始终保持在50 cm。

1.3 分析方法

TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ 636—2012);TP 采用钼酸铵分光光度法(HJ 671—2013);CODCr 采用重铬酸盐法(HJ 828—2017);NH3-N 采用纳氏试剂分光光度法(HJ 535—2009);SS 采用重量法　　(GB 11901—1989);pH 采用酸度计测量。

(1)生物量变化量=种植75 d 生物量-种植0 d 生物量

(2)污水中污染物去除植物效应植物效应=(C0-C-C ′)/C0×100%式中：C0 为污染物初始浓度;C 为污染物最终浓度;C ′为对照组污染物浓度。

(3)隶属函数值计算方法


式中：Zij 为i 植物j 指标的去污隶属函数值;Xij 为i 植物j 指标的测定值;Xi min和Xi max分别为各植物同一指标值的最小值和最大值。

1.3 数据分析

数据分析采用 SPSS 19.0。

2 结果与分析

2.1 水生植物生物量变化量

试验 75 d 后水生植物生物量变化量(图 1)在每缸125.40~1 212.30 g 之间，平均值为508.90 g。其中，美人蕉、芦苇、凤眼莲生物量变化量具有显著性优势，水葱、再力花、花叶芦竹、香蒲、茭草、萍蓬草、大薸、旱伞草的生物量变化量大于29 种植物的平均值。生物量变化量是衡量植物生长状况及适宜性的一个重要指标，结果表明以上植物均能适应实验中的污水环境，具有很好的耐污能力。

2.2 水生植物对TN 的去除效果

由29 种水生植物对TN 的去除效果(表2)可以看出，不同水力停留时间(HRT)时 TN 的净化效果具有显著差异性(P<0.05)，但试验中后期HRT 对菖蒲、马蹄莲、凤眼莲、菱以及所有沉水植物的去除效果影响不显著。HRT 在30 d 和45 d 时凤眼莲净化能力明显优于其他植物。15 d 后芡实和菱的净化能力逊于其他植物。75 d 实验结束时，29 种植物净化TN 的植物效应为6.21%~26.66%，花叶芦竹、香蒲、美人蕉、芦苇对TN 的净化具有显著优势(P<0.05)，净化能力较强。




2.3 水生植物对NH3-N 的去除效果

由 29 种水生植物对NH3-N 的去除效果(表 3)可以看出，不同 HRT 时NH3-N 的净化效果具有显著差异性(P<0.05)，在试验60 d 后HRT 对德国鸢尾、马蹄莲、睡莲、菱、狐尾藻、轮叶黑藻、伊乐藻的去除效果影响不显著。HRT 在30 d 和45 d 时凤眼莲的净化能力优于其他28 种植物，净化速率较快，45 d 后净化能力减弱。芡实和菱在试验中净化能力逊于其他植物。 75 d 试验结束时，29 种植物净化NH3-N 的植物效应为 7.03%~23.92%，芦苇对 NH3-N 的净化具有显著优势(P<0.05)，净化能力较强。


2.4 水生植物对TP 的去除效果

由29 种水生植物对TP 的去除效果(表4)可以看出，不同 HRT 时TP 的净化效果具有显著差异性(P<0.05)，在试验中后期HRT 对菖蒲、花叶芦竹、茭草、美人蕉、凤眼莲、芦苇的去除效果影响不显著。HRT 在 30 d 和 45 d 时凤眼莲的净化能力优于其他 28 种植物，净化速率较快，45 d 后净化能力减弱。香蒲、芦苇在45 d 后净化能力优于其他植物，金鱼藻、轮叶黑藻、萍蓬草在60 d 前净化能力逊于其他植物，之后净化能力提高。75 d 试验结束时，29 种植物净化TP 的植物效应为 17.40%~28.13%。香蒲、芦苇对 TP 的净化具有显著优势(P<0.05)，净化能力较强。


2.5 水生植物对CODCr的去除效果

由29 种水生植物对CODCr的去除效果(表5)可以看出，不同HRT 时CODCr 的净化效果具有显著差异性(P<0.05)。凤眼莲净化能力优于其他 28 种植物，净化速率较快。HRT 在30 d 和45 d 时槐叶萍的净化能力较强，后期净化能力减弱。茭草在 45 d 和 60 d 净化能力逊于其他植物，之后净化能力提高。75 d 试验结束时，29 种植物净化CODCr 的植物效应为 7.47%~18.62%，凤眼莲对 CODCr 的净化具有显著优势(P<0.05)，净化能力较好。

2.6 水生植物对SS 的去除效果

由29 种水生植物对SS 的去除效果(表6)可以看出，不同 HRT 时SS 的净化效果具有显著差异性(P<0.05)。芦苇30 d 后净化能力优于其他28 种植物，净化速率较快。HRT 在15 d 和30 d 时德国鸢尾净化能力较弱，HRT 在30 d 和45 d 时芡实净化能力较弱，后期净化能力增强。75 d 试验结束时，29 种植物净化SS 的植物效应为 8.90%~13.00%。芦苇对SS 的净化具有显著优势(P<0.05)，净化能力较好。

2.7 水生植物生物量变化量与各污染物净化率相关性分析

对四类水生植物生物量变化量与四类水生植物对5 种污染物的植物效应进行相关性分析(表7)，挺水植物生物量变化量与挺水植物对SS的植物效应呈极显著正相关关系(P<0.01)，漂浮植物生物量变化量与漂浮植物对TN、CODCr 的植物效应呈显著正相关关系(P<0.05)，结果表明，挺水植物对SS 的净化能力，漂浮植物对TN、CODCr的净化能力受生物量变化量的影响较大。


2.8 水生植物净化能力聚类分析

筛选净化能力强的水生植物品种，不仅要求其对污染物具有较高的植物效应，同时要求其净化速率也要高。因此将水生植物的生物量变化量，水生植物对TN、NH3-N、TP、CODCr、SS 的植物效应，以及植物净化效果达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB/T18918—2002)一级A 标准的时间作为筛选指标，得到29 种水生植物筛选指标的平均隶属函数值(表8)，可比较出各植物间的净化能力强弱。挺水植物中芦苇、香蒲、花叶芦竹、美人蕉净化能力较强，浮叶植物中睡莲净化能力较强，漂浮植物中凤眼莲净化能力较强，沉水植物中伊乐藻、苦草净化能力较强。对水生植物净化能力强弱采用组间连接方法进行系统聚类分析(图2)，可将29 种水生植物分为三大类：高净化能力植物为芦苇、凤眼莲、香蒲、花叶芦竹、美人蕉;中等净化能力植物为旱伞草、马蹄莲、大薸、睡莲、槐叶萍、伊乐藻、满江红、水葱、苦草、菖蒲、金鱼藻、千屈菜、荷花、萍蓬草、梭鱼草、茭草、狐尾藻、再力花、菹草、轮叶黑藻、德国鸢尾、芡实、黄菖蒲;低净化能力植物为菱。

3 讨论

本研究显示挺水植物中芦苇、香蒲、花叶芦竹、美人蕉净化能力较强，浮叶植物中睡莲净化能力较强，漂浮植物中凤眼莲净化能力较强，沉水植物中伊乐藻、苦草净化能力较强，这与前人对水生植物净化能力的研究结果基本一致[13-20]。净水机理主要包括植物的吸附/吸收作用、微生物作用和物理化学作用[11]。水生植物对于净水效果的提升除了植物本身对污染物的吸附作用，还可以通过根系的泌氧作用促进微生物的繁殖，从而强化水生植物系统对污水的净化效果[21]。有研究证明凤眼莲、狐尾藻等水生植物对氮、磷的去除主要依靠植物吸附作用[22]。本研究试验结束时，无植物对照组可以净化大部分污染物成分，而各植物对污染物的去除率仅占 10%~20% 左右，说明微生物作用、物理化学作用是本试验污水净化的主要机理，这与杨晓波[23]的研究结果一致，其可能原因是污水较为浑浊，沉淀物质对污水中污染物浓度有一定影响。但是植物的种植可以有效提高污染物的去除率，这主要来自于植物本身吸收、吸附作用以及根际植物提高微生物活性的作用，其总体作用即为植物效应[21]。


本研究结果表明，挺水植物对SS 的净化能力、漂浮植物对TN、CODCr 的净化能力受生物量变化量的影响较大，挺水植物生物量变化量与挺水植物对 SS 的植物效应呈极显著正相关关系(P<0.01)，漂浮植物生物量变化量与漂浮植物对TN、CODCr 的植物效应呈显著正相关关系(P<0.05)。其原因可能是微生物作用、物理化学作用是本试验污水净化的主要机理，生物量的增加可以促进植物的吸附、吸收作用，同时生物量增加的过程中根系也在进一步生长，释放充足的氧气，为微生物提供了良好的活动场所，促进了微生物的作用。

凤眼莲对CODCr的去除效果具有一定优势，适用于对有机物的去除。凤眼莲在试验处理前期对TN、NH3-N、TP 净化速率具有一定优势，说明凤眼莲针对这些污染物的净化在短期内具有明显效果，但是在试验后期对污染物净化能力与其他植物无显著差异，说明凤眼莲对低浓度生活污水的净化能力无明显优势。芦苇和香蒲在试验后期对TP 净化效果较好，说明芦苇和香蒲对低浓度生活污水TP 的去除能力较强。试验筛选出的5 种净化效果较好的水生植物当中，凤眼莲属于外来入侵物种，在工程应用中，需要采取一定控养措施[24-25]，防止其对原有生态系统造成危害。




4 结论

(1)凤眼莲对 TN、NH3-N、TP 的净化在短期内具有明显效果。芦苇和香蒲在试验后期对TP 净化效果较好。

(2)挺水植物中芦苇、香蒲、花叶芦竹、美人蕉净化能力较强，浮叶植物中睡莲净化能力较强，漂浮植物中凤眼莲净化能力较强，沉水植物中伊乐藻、苦草净化能力较强。（来源：中南林业科技大学环境科学与工程学院）