混合式植物生态岛对污水处理厂污水的净化效果研究

张牧园

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300381）

1 引言

我国工业化高速发展，许多工业废水与生活污水在未完全处理的情况下排放至河流中，导致水环境恶化，污染严重，进而导致水体富营养化，影响水质安全和生态安全，阻碍我国的可持续绿色发展。针对这一问题，一些学者提出利用水生植物的水质净化功能去除水体中的污染物，进而实现污水处理厂污水的净化[1]。闫滨等[2]探讨了不同组合模式下的多孔混凝土与水生植物对水体中TN 和TP 的去除效果，从而为水体净化提供新的思路和途径。朱彬等[3]研究了生态滤池中不同种类的水生植物对生活污水的净化能力，并且分析了水生植物对生态滤池中微生物群落组成的影响。在现有的研究中已经得到证实，不同的水生植物进行混合种植，构建混合式植物生态岛，可以形成优势互补，从而提升净化效果。为此，本文以太湖流域污水处理厂为例，选取了5 种常见的水生植物，并对不同组合之间的污水净化效果进行对比，以获取污水净化效果最佳的组合。本研究为污水处理厂的污水净化提供了新的思路与途径，对我国的可持续发展战略有积极意义。

2 材料与方法

2.1 水生植物选择

研究选择5 种不同类型的水生植物构建植物生态岛，分别为慈姑（A）、水生美人蕉（B）、千屈菜（C）、垂花水竹芋（D）、凤眼蓝（E）。所有植物均来源于太湖流域污水处理厂附近的池塘。其中，慈姑是泽泻科慈姑属的直立水生草本植物，是一种挺水植物，有纤匍枝，且慈姑叶柄较长，叶片形状的差异较大。水生美人蕉是一种芸香科花椒属的挺水植物，其叶片宽大，通常为阔椭圆形，水生美人蕉叶片颜色一般是黄绿相间或紫色。千屈菜是千屈菜科千屈菜属的多年生草本植物，是一种水生挺水植物，千屈菜的根茎一般在地下横向生长，较为粗壮，直立生长，多有分枝，整体为青绿色，其上覆盖有粗毛或密集的绒毛。垂花水竹芋是一种竹芋科垂花水竹芋属的多年生草本植物，是一种挺水植物，其叶互生，叶片通常呈椭圆形；垂花水竹芋叶片为青绿色、叶片边缘覆有一层紫色，叶片上有白色粉末状物质覆盖；垂花水竹芋的叶片长度在20～40 cm，宽度在10～15 cm，其叶柄较长。凤眼蓝是一种雨久花科凤眼蓝属的浮水草本植物，是一种浮水植物，凤眼蓝高度通常在30～60 cm，其根须十分发达，呈棕黑色，一般长度在30 cm 左右；凤眼蓝的茎非常短，有长匍匐枝，匍匐枝通常呈淡绿色或淡紫色，当匍匐枝与母株分离后，会成长为一株新的凤眼蓝。

水生植物组合：水生植物组合共有5 种，分别为组合1（E+A+B）、组合2（E+B+C）、组合3（E+C+D）、组合4（E+B+C）以及组合5（B+C+D）。上述所有水生植物均通过塑料材质花盆式浮床和无纺纤维材质浮床进行种植，如图1 所示，以方便后续的生态岛构建。不同的浮床之间采用钢丝实现串联固定。

图1 两种类型的浮床

2.2 实验方法

实验地点为太湖流域官林污水处理厂尾水生态处理实验基地。于该地点构建一个面积为100 m×50 m，且被均匀分成5 部分的人工湿地，每块长度的长为50 m，宽为20 m，如图2 所示。

图2 实验构建的人工湿地

分别种植组合1、组合2、组合3、组合4 以及组合5，对应图2 中的人工湿地1、人工湿地2、人工湿地3、人工湿地4 以及人工湿地5。图2 中显示，在污水处理厂的排口中流出尾水，通过配水槽，均匀地流向各块人工湿地，且每块人工湿地中的尾水停留时间均为3 d。通过水生植物的吸收作用以及生态岛中微生物群落的分解作用，去除水体中的污染物。

3 结果分析

3.1 水生植物的高度变化

实验时间为2022 年8 月1 日—2022 年10 月1 日，实验的总时长为2 个月。在实验前，各个水生植物的平均高度如下：慈姑在实验前的平均高度为20.8 cm；水生美人蕉在实验前的平均高度为22.5 cm；千屈菜在实验前的平均高度为23.6 cm；垂花水竹芋在实验前的平均高度为23.5 cm；凤眼蓝是漂浮植物，因此不计算其高度。在实验两个月后，除了凤眼蓝以外，其他水生植物的平均高度均有明显增长。慈姑在实验后的平均高度为38.8 cm，比实验前高18.0 cm；水生美人蕉在实验后的平均高度为52.3 cm，比实验前高29.8 cm；千屈菜在实验后的平均高度为43.3 cm，比实验前高19.7 cm；垂花水竹芋在实验后的平均高度为54.5 cm，比实验前高31.0 cm。可以看到，在两个月后，各个水生植物的成长都十分明显，这表明上述水生植物均能够在污水中较好地生长，适合用于水体净化和生态修复。

3.2 各个组合中水体的COD变化

对5 种水生植物组合构成的生态岛对水体COD 的去除效果进行测试，如表1 所示。可以看到，在实验初期，基于组合1、组合2、组合3、组合4 以及组合5 构建的生态岛处理后，水体的COD 含量均为138.0 mg/L。在实验中期，基于组合1 构建的生态岛处理后，水体的COD 含量为105.3 mg/L；基于组合2 构建的生态岛处理后，水体的COD 含量116.3 mg/L；基于组合3 构建的生态岛处理后，水体的COD 含量为108.5 mg/L；基于组合4 构建的生态岛处理后，水体的COD 含量为115.4 mg/L；基于组合5 构建的生态岛处理后，水体的COD含量为112.4 mg/L。在实验后，基于组合1 构建的生态岛处理后，水体的COD 含量为94.2 mg/L；基于组合2 构建的生态岛处理后，水体的COD 含量为101.4 mg/L；基于组合3 构建的生态岛处理后，水体的COD 含量为96.3 mg/L；基于组合4 构建的生态岛处理后，水体的COD 含量为99.6 mg/L；基于组合5 构建的生态岛处理后，水体的COD 含量98.4 mg/L。在上述内容中可以看到，组合1 处理后的水体COD 含量下降幅度最大。

表1 各个组合中水体的COD变化

3.3 各个组合中水体的TP 变化

对5 种水生植物组合构成的生态岛对水体TP 的去除效果进行测试。在实验初期，基于组合1、组合2、组合3、组合4 以及组合5 构建的生态岛处理后，水体的TP 含量均为0.36 mg/L。在实验中期，基于组合1 构建的生态岛处理后，水体的TP 含量为0.15 mg/L；基于组合2 构建的生态岛处理后，水体的TP 含量为0.12 mg/L；基于组合3 构建的生态岛处理后，水体的TP含量为0.14 mg/L；基于组合4 构建的生态岛处理后，水体的TP含量为0.13 mg/L；基于组合5 构建的生态岛处理后，水体的TP含量为0.12 mg/L。在实验后，基于组合1 构建的生态岛处理后，水体的TP 含量为0.07 mg/L；基于组合2 构建的生态岛处理后，水体的TP 含量为0.10 mg/L；基于组合3 构建的生态岛处理后，水体的TP 含量为0.11 mg/L；基于组合4 构建的生态岛处理后，水体的TP 含量为0.12 mg/L；基于组合5 构建的生态岛处理后，水体的TP 含量为0.11 mg/L。在上述内容中可以看到，在实验中，组合1 处理后的水体TP 含量下降幅度最大。

3.4 各个组合中水体的TN变化

对5 种水生植物组合构成的生态岛对水体TN 的去除效果进行测试。在实验初期，基于组合1、组合2、组合3、组合4 及组合5 构建的生态岛处理后，水体的TN 含量均为15.2 mg/L。在实验中期，基于组合1 构建的生态岛处理后，水体的TN含量为10.5 mg/L；基于组合2 构建的生态岛处理后，水体的TN含量为11.7 mg/L；基于组合3 构建的生态岛处理后，水体的TN 含量为12.5 mg/L；基于组合4 构建的生态岛处理后，水体的TN 含量为11.3 mg/L；基于组合5 构建的生态岛处理后，水体的TN 含量为10.9 mg/L。在实验后，基于组合1构建的生态岛处理后，水体的TN 含量为7.9 mg/L；基于组合2 构建的生态岛处理后，水体的TN 含量为8.4 mg/L；基于组合3构建的生态岛处理后，水体的TN 含量为9.2 mg/L；基于组合4 构建的生态岛处理后，水体的TN 含量为9.1 mg/L；基于组合5 构建的生态岛处理后，水体的TN 含量为8.7 mg/L。综上，在实验中，组合1 处理后的水体TN 含量下降幅度最大。

3.5 各个组合中水体的NH4+变化

对5 种水生植物组合构成的生态岛对水体NH4+的去除效果进行测试。在实验初期，基于组合1、组合2、组合3、组合4 以及组合5 构建的生态岛处理后，水体的NH4+含量均为1.25 mg/L。在实验中期，基于组合1 构建的生态岛处理后，水体的NH4+含量为0.67 mg/L；基于组合2 构建的生态岛处理后，水体的NH4+含量为0.74 mg/L；基于组合3 构建的生态岛处理后，水体的NH4+含量为0.82 mg/L；基于组合4 构建的生态岛处理后，水体的NH4+含量为0.75 mg/L；基于组合5 构建的生态岛处理后，水体的NH4+含量为0.77 mg/L。在实验后，基于组合1 构建的生态岛处理后，水体的NH4+含量为0.58 mg/L；基于组合2 构建的生态岛处理后，水体的NH4+含量为0.61 mg/L；基于组合3 构建的生态岛处理后，水体的NH4+含量为0.59 mg/L；基于组合4 构建的生态岛处理后，水体的NH4+含量为0.60 mg/L；基于组合5 构建的生态岛处理后，水体的NH4+含量为0.64 mg/L。在上述内容中可以看到，在实验中，组合1 处理后的水体NH4+含量下降幅度最大。综上所述，基于组合1 构建的生态岛的水体净化效果最好，能够有效地降低水体中COD、TP、TN 以及NH4+的含量。

4 结语

由于工业化进展加快，工业废水和生活废水的排量也在加大，各个河流中的水体污染问题较为严重，影响水生态和人们的用水、饮水安全。在这种情况下，污水处理厂的建立十分必要。污水处理厂尾水的生态处理也因此受到了较为广泛的关注。为此，研究提出构建混合式植物生态岛的策略，以实现污水净化，提高水质。实验结果证明，研究构建的混合式植物生态岛的成长态势良好，对污水处理厂污水中的污染物去除率高，能够有效实现污水处理厂污水净化。