湿地植物在不同水力条件下对中水的净化效果

胡碧莹 王海洋

摘要 [目的]研究湿地植物在不同水力条件下对中水的净化功效。[方法]在人工构建的湿地系统中，将中水回用作为湿地水源，研究了5种湿地植物菖蒲、美人蕉、梭鱼草、再力花和狐尾藻在不同水力停留时间、水深和水流速度（湿地表面流速和湿地渗滤流速）下对供试中水总氮（TN）、总磷（TP）的去除效果。[结果]湿地植物在适宜水力条件下对中水具有一定的净化效果，其中菖蒲和美人蕉的TN系统出水含量符合“地表水环境质量标准Ⅲ类”水体要求，TP系统出水含量符合“地表水环境质量标准Ⅱ类”水体要求。综合考虑5种植物对TN、TP的去除效果，模拟湿地系统适宜采用的水力停留时间为2 d，水深为20 cm。该情况下，不同表面流速处理对中水TN平均表面去除率达到21.08%，TP平均表面去除率达到17.63%。而不同渗滤流速处理对中水TN、TP系统去除均值分别为57.72%和64.84%。[结论]该研究可为中水污染治理提供科学依据。

关键词湿地植物；水力停留时间；水深；水流速度；中水净化

中图分类号X52文献标识码

A文章编号0517-6611（2017）08-0081-05

Purification Effects of Wetland Plants in Reclaimed Water under Different Hydraulic Conditions

HU Biying，WANG Haiyang*（School of Horticulture and Landscape Architecture，Southwest University，Chongqing 400715）

Abstract[Objective]To study the purification efficiency of wetland plants under different hydraulic conditions.[Method]Based on the constructed wetland system with reclaimed water，the experiments on removal efficiency of TN，TP under different hydraulic retention time，water depth and velocity （surface flow velocity and percolation flow velocity） in Acorus calamus L.，Canna indica L.，Pontederia cordata L.，Thalia dealbata L and Myriophyllum verticillatum L.were conducted.[Result]The results showed that wetland plants under varying hydraulic conditions have significant effects on reclaimed water purification.Above all the five plants ，Acorus calamus L.and Canna indica L.have optimal performance on pollutants removal.The concentrations of TN in the treated effluent of Acorus calamus L.and Canna indica L.could achieve the “Environmental Quality Standards For Surface Water Class Ⅲ Standard”，and which of TP could achieve “Environmental Quality Standards For Surface Water Class Ⅱ Standard”.Comprehensively considering the removal capability of five plants，suitable hydraulic conditions was suggested as 2 d of hydraulic retention time，20 cm of water depth.Under this circumstances，the average surface removal rate of TN，TP were 21.08%，17.63%，the mean values of TN，TP in system treated effluent were 57.72%，64.84% respectively.[Conclusion]The study can provide scientific basis for water pollution control.

Key wordsWetland plants；Hydraulic retention time；Water depth；Water velocity；Reclaimed water purification

面對日趋严重的水资源匮乏问题，城市污水再利用变得尤为重要，中水因其回用成本较低、水源含量相对丰富等特点，适合作为湿地水源的补给。在中水回用作湿地水源的过程中，不同水力条件处理对净化效果的影响显著，在模拟多个不同特征的湿地水流运动过程后发现，水力停留时间、水深和水力负荷是影响湿地净化效果的三大水力要素，在实际运行中均存在一个最佳值，大于或小于该值均会使去除率有所下降[1]。

在实地考察和规划中，湿地水流速度比水力负荷更易于获取，有研究表明，湿地表面流具有高阻力、低流速的特点[2]，而湿地渗滤流则依据达西定律（Darcys law），其数值随着湿地蓄水量的下降而下降[3-4]，用于表示湿地系统内水流速度。笔者引入湿地水流速度这一要素，并将其细化为湿地表面流速和湿地渗滤流速，与水力停留时间以及水深一起作为试验水力条件。选取5种常用湿地植物菖蒲（Acorus calamus L.）、美人蕉（Canna indica L.）、梭鱼草（Pontederia cordata L.）、再力花（Thalia dealbataL.）和狐尾藻（Myriophyllum verticillatum L.），人工构建5个基质成分相同的单物种湿地单元，将中水回用作为系统水源，研究分析了5种湿地植物在不同水力条件下对中水总氮（TN）、总磷（TP）的去除效果，旨在为中水污染治理提供科学依据。

1材料与方法

1.1人工湿地系统构建

该试验在重庆市北碚区西南大学植物大棚内进行。依据《人工湿地污水处理技术导则》（RISN-TG 006—2009）[5]要求，共构建了5个长2 m、宽1 m、高1 m的湿地系统，每个系统内仅栽单种植物，种植密度为16～25株/m2。湿地系统构造如图1所示。

注：1～3号出口为调节水深处理；4号为表面净化率检测水样出口；5号为系统净化率检测水样出口

Note：No.1-3 stand for exports of regulating water level treatments；No.4 stands for export of surface purification rate；No.5 stands for export of system purificantion rate

1.2试验进水水質试验进水模拟中水各项指标，参照《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）[6]中一级A排放标准进行人工配置，主要成分包括NH4NO3、KH2PO4、葡萄糖等。各项水质指标见表1。

1.3试验处理

于2016年3—11月研究5种湿地植物在不同水力停留时间、水深和水流速度（湿地表面流速和湿地渗滤流速）下的净化效果，考虑所选植物性状，试验期间配以恒流泵保持系统连续进出水。水力停留时间和水深试验先进行，共设置

1、2、3 d 3组水力停留时间处理；10、20、40 cm 3组水深处理。以上每组控制试验重复3次，试验结束后及时取水样进行检测。

水流速度试验在水力停留时间和水深试验之后进行，试验期间配以流速仪监控水层流速。通过对彩云湖国家湿地公园、璧山观音塘湿地公园和九曲河湿地公园的实地考察及水速测量，共设置0.01、0.03、0.05 m/s 3组湿地表面流速处理；依据《人工湿地污水处理技术导则》要求，设置0.05、0.10、0.20 m/d 3组湿地渗滤流速处理。以上每组控制试验重复3次，取样后及时进行检测。

5种湿地植物进入成熟期后启动试验，期间采用间歇进水方式，试验期连续进出水，非试验期则不进水，将试验系统置于“湿润—干旱—湿润”的水循环中模拟天然湿地水环境，最大程度地还原天然湿地水文特点。

1.4数据分析

用Excel和SPSS 19对数据进行统计分析，包括比较各供试植物在不同水力停留时间、水深和水流速度下对中水TN、TP的去除率，以及供试植物种间去除率差异等。

2结果与分析

2.1不同水力停留时间和水深处理对植物去除TN、TP能力的影响

2.1.1不同水力停留时间处理下5种植物对TN、TP的去除效果。人工湿地去除TN、TP的能力与植物类型、温度、土壤等条件相关，不同水力停留时间对污染物去除率造成影响[7-8]。由图2可见，5种植物对TN的平均去除率从大到小依次为菖蒲、美人蕉、再力花、梭鱼草、狐尾藻，其中菖蒲对TN的平均去除率为94.62%，狐尾藻的平均去除率仅为22.50%。每种植物的TN去除率都在2 d达到峰值，之后降低。

由图3可见，5种植物对TP的平均去除率从大到小依次为美人蕉、菖蒲、再力花、梭鱼草、狐尾藻。除再力花外，其余植物均在2 d达到去除峰值。所有试验处理中，去除效果最好的是2 d处理下的美人蕉，TP平均去除率达到93.41%，而狐尾藻的TP平均去除率仅32.79%。有研究表明，适当延长水力停留时间可以提高人工湿地磷的去除率，因为水力停留时间影响污水中磷向基质微孔表面扩散和向吸附点靠近的概率[9]，而且随着水力停留时间的延长，湿地植物对磷的吸收量也会增加。

湿地系统中氮、磷的去除一方面可以借由植物的吸收同化作用，另一方面，植物可为微生物的生长繁殖提供良好的环境，通过微生物和植物的协同作用也能降解水体中污染物含量[10]。水力停留时间过短会导致生化反应不充分，停留时间过长则会引起污染物的滞留，结合图2、3可知，水力停留时间设置为2 d较为合适。

2.1.2不同水深处理下5种植物对TN、TP的去除效果。

水深会直接影响湿地植物的生长、繁殖、分布等过程，其对植物种群竞争和群落演替具有重要意义[11]。有研究表明，随着水深的增加，污染物的去除率呈先增大后降低的趋势，污染物的主要去除途径也会发生变化[12]。

从图4可见，不同水深处理下5种植物对TN的去除效果差异明显，其中菖蒲的平均TN去除率最大，达93.75%。每种植物的最适水深差异较大，其中，狐尾藻、美人蕉的净化峰值出现在10 cm水深处，菖蒲的净化峰值出现在20 cm水深处，而梭鱼草、再力花的净化峰值出现在40 cm水深处。这与供试植物 “机会窗”[13]水深不同有关，同时也表明植物去除TN的能力受种间差异影响或水深差异影响。

从图5可见，5种植物中以20 cm水深处的美人蕉对TP的去除率最大，平均去除率达95.80%。菖蒲和梭鱼草的TP去除峰值也出现在水深20 cm处，再力花和狐尾藻的去除峰值出现在水深10 cm处。水体中磷素的去除途径与氮素有很大不同，磷素无法通过气态挥发离开水体，绝大部分磷以不溶性磷酸盐的形式存在，在同样的停留时间下，虽然深水位磷的负荷量更大，但从试验结果来看，水深40 cm处磷的去除率并不高，这可能是由于进水中磷浓度较低的缘故。

以上分析表明，水深处理对5种植物去除TN、TP的效果均有显著影响，但最适水深在不同植物间差别较大。5种供试植物“机会窗”水深不同，试验结果也显示在“机会窗”水深附近的去除效果显著优于其他水深处理。Holland等[14]利用罗丹明对人工湿地不同水深和流量情况下的水流过程进行试验，发现随着水深的增大，湿地的水力性能逐渐减弱。郭长强等[15]研究指出，水深较大时会致使湿地水环境分布不均，影响植物净化效果，这与笔者的研究结论相似，水深40 cm处5种植物TN、TP的净化效果普遍不如水深20、10 cm处。

2.2不同水流速度处理对植物去除TN、TP能力的影响

依据上述试验结果，将流速试验的水力停留时间设置为2 d，水深设置为20 cm。

2.2.1不同表面流速处理下5种植物对TN、TP的去除效果。

由表2可知，5种植物对TN、TP的表面去除率均高于空白对照（CK），说明湿地植物有良好的去污效果。5种植物中美人蕉对TN、TP的平均去除率最高，这是由于其根系最为发达，自身吸收作用效果显著[16]。

可见，美人蕉、再力花、狐尾藻在表面流速0.01 m/s时对TN、TP的去除效果最好，菖蒲在0.03 m/s时对TN的去除效果最好。各处理以表面流速0.01 m/s时的美人蕉对TN的去除效果最好，去除率达57.40%。菖蒲、梭鱼草、狐尾藻在表面流速0.01 m/s时对TP的去除效果最好，美人蕉和再力花在表面流速0.03 m/s时的去除效率最好，5种植物中对TP去除率最高的是表面流速0.03 m/s时的再力花，去除率达32.53%。

低流速时水源在基质中的穿行速度较慢，有利于对氮、磷的吸附和沉淀，而流速过快会造成水体中的微小颗粒难于被基质和植物根系上的生物膜吸附，甚至将生物膜冲刷脱落，不利于植物对营养物质的吸收和湿地内生化反应的进行。对不同表面流速处理下的TN、TP去除率进行One-way ANOVA分析，结合图6、7的去除均值动态，可知TN去除效果比TP去除效果稍好，二者平均去除率分别为21.08%和17.63%，均在0.01 m/s处达到峰值。

2.2.2不同渗滤流速处理下5种植物对TN、TP的去除效果。

由表3可知，5种植物对TN、TP的去除率均高于空白对照。5种植物中对TN去除效果最好的是菖蒲，对TP去除效果最好的是美人蕉。将表3和表2进行比较，发现各植物对TN、TP的系统去除率明显高于表面去除率，说明氮、磷的主要去除途径为植物根系与微生物的协同作用[17]，植物体自身吸收同化所占比例不高。

对不同渗滤流速处理下的TN、TP去除率分别进行One-way ANOVA分析，结果显示，其平均去除率分别为57.72%和64.84% 。虽然不同渗滤流速处理对TN、TP的去除率影响不显著，但结合图8、9去除均值动态可知，5种植物在0.10、0.20 m/d时对TN、TP的去除效果不如0.05 m/d时，表明在一定范围内，较低的渗滤流速有利于植物对氮、磷的吸收和湿地内生化反应的进行。

3讨论

3.1湿地植物净化中水效果

参照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）[18]中关于景观用水的要求，该试验中除表面流速试验因采集系统表层水样净化率不高以外，其余处理下各植物对中水TN、TP去除效果较好，尤以菖蒲和美人蕉优势最为明显，其TP去除效果达到 Ⅱ 类水体要求、TN去除效果达到Ⅲ类水体要求，显示出中水用于湿地供水的优势。我国水资源短缺，中水因其回用成本较低及水源含量相对丰富等特点，非常适合作为景观水体的补给。

3.2净化效果与水力条件的相关性

水力条件对湿地净化效果影响显著，且在各水力条件间存在动态平衡，以达到最优去除率。结合该试验结果，适当延长水力停留时间可以提高人工湿地氮、磷的去除率；而水深试验结果在不同植物间受“机会窗”影响较大，但总体趋势表明，一定范围内，水深增大会导致湿地净化性能降低。水流速度的减缓有利于植物和基质对氮、磷的吸附和沉淀，在连续进出水的情况下，表面流速设置在0.01 m/s时效果最好；而渗滤流速处理对TN、TP的去除率影响不明显。

3.35种植物消氮纳磷能力及配置建议

在5种供试植物中，菖蒲、美人蕉为湿生植物或挺水植物，梭鱼草、再力花为挺水植物，狐尾藻为沉水植物，试验结果显示，狐尾藻对TN、TP的去除率低于另外4种植物。这是由于挺水植物比沉水植物有更大的生物量和更为发达的根系，因此挺水植物对污水的净化效果和对污染负荷变化的适应性均优于沉水植物。本着人工湿地景观美化及污水净化的功能需求，结合各湿地植物生长特性及氮、磷去除效果的动态特征，以“高+中+低”立体式层次搭配为基础诉求，在实际植物配置应用中，可以考虑将沉水植物区域置于挺水植物区域之前。

4结论

（1）5种供试植物对中水TN、TP均有一定的去除效果，其中美人蕉和菖蒲去除率较高，且去除效果稳定，其TP系统出水含量符合《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅱ类水体要求，TN含量符合Ⅲ类水体要求。

（2）在3组水力停留时间（1、2、3 d）处理下，5种供试植物对TN、TP的去除率基本呈先上升后下降的趋势，因此可將水力停留时间设置在2 d最为合适。不同水深处理（10、20、40 cm）下对TN、TP的去除效果在植物种间差别较大，但总体趋势显示水深40 cm处效果不如水深20或10 cm处。

（3）不同表面流速处理（0.01、0.03、0.05 m/s）对中水TN、TP的去除效果影响明显，TN平均表面去除率达到21.08%，TP平均表面去除率达到17.63%。而不同渗滤流速处理（0.05、0.10、0.20m/d）对中水TN、TP的去除效果影响不明显，TN和TP的平均系统去除率分别为57.72%和64.84%。

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