根据观测结果,对每种植物的生长情况进行综合评定。由于每个指标在植物处理污水中的影响力大小不同,依次按照茎叶生长状况、萎蔫程度、倒伏、病虫害情况赋予影响力重要值q分别为10,10,5,5,每个指标又按状况出现的严重程度分为1,2,3,即按1/2,1/5,1/10递减,无病虫害则为全分,有则减半,最后所得总重要值即为综合评定结果S,即S=q×Rx。每种植物均有平行实验,结果取两个池子中的植物重要值的平均数。
按照上述方法,分析表格可以看出,从植物移植初期生活力方面比较,总重要值S从大到小依次为:香蒲(101.25)>黄花鸢尾(97.5)>芦苇(97)>菖蒲(95)>慈姑(82.25)>泽泻(76.5)>水葱(67.5)>茭白(60)。从植物适应性和生存力来看,香蒲、黄花鸢尾、芦苇、菖蒲明显优于水葱和茭白。
这部分实验主要在多种浓度实验污水条件下分析了植物种植之后的生存状况,它间接反映了植物的耐污力,这也是植物能否达到湿地备选植物标准的重要条件之一。作为污水处理湿地,耐污力是植物生存和为微生物提供依附场所的前提。
在整个实验过程中,分别测定了种植前和收割后的植物高度变化(分别称“原高”和“后高”)和质量变化(分别称“原重”和“后重”)。高度测量是从植物的基部到植物体每个主要分支的长度,取平均值,而质量则测定的是植物的鲜重,控出植物根部的水分,测定包括根部在内的植物体质量变化。测定植物池中的每株植物生物量,最后取平均值。高度和质量的实测数据如表4-1,图4-33和图4-34所示。
表4-1 植物高度与质量变化
从植物高度变化图看(图4-33),每种植物高度变化差异明显,其中,香蒲和水葱变化最大,分别从平均96.5cm和86 cm长到205 cm和148 cm,芦苇、菖蒲、茭白增长不大,但是从繁茂程度来看,芦苇和菖蒲分支较多,而茭白分支很少,长势不好。
植物生物量变化与高度变化并不吻合,这说明有的植物在高度上变化大,而有的植物分支多,覆盖度大。从图4-34可以看出,慈姑和菖蒲生物量变化最大,除了茭白偏低以外,其他则增重相当。
图4-33 不同湿地植物高度变化图
图4-34 不同湿地植物生物量变化图
2.湿地植物净化效果评价
由于人工湿地植物对一般浓度污水的净化效果已有许多报道,故本实验选取了相对较高浓度的污水进行实验。一方面想探讨一下植物对高浓度污水的净化力,另外,植物在高浓度下的成活情况也是净化污水的关键,因为它影响着根际微生物群落的形成。实验做了两种浓度的进水实验,测定指标为TN,TP,CODCr。高浓度污水各个指标含量分别为:TN,112 mg/L;TP,2.659 mg/L;CODCr,140 mg/L。低浓度污水中的含量分别为:TN,74.6mg/L;TP,1.03 mg/L;CODCr,84 mg/L。停留时间均为3 d,间歇进水,日进水2次,日处理量1.86 L/(m2·d),去除率由进水污染物浓度和最终的出水污染物浓度求得,不同植物对高低浓度污水的净化效果不同,而整个实验过程中,两组对照池子几乎没什么差别,故在图中仅作出大池子对照的去除率变化,如图4-35和图4-36所示。
图4-35 低浓度下不同湿地植物去除率
图4-36 高浓度下不同湿地植物去除率(www.xing528.com)
从图4-35可以看,在进水浓度较低的情况下,慈姑、泽泻对TN的去除率较高,达到70%左右,其他均在60%左右,差别不是很明显;TP去除率较高,均达到76%以上,去除率最高的为香蒲,达到87.65%;但各植物对CODCr的去除差别明显,去除率在33.3%~80.95%,芦苇和菖蒲对CODCr去除率最高。
图4-36显示的是高浓度进水条件下的去除率比较,从该图可知,除了黄花鸢尾以外,TN的去除率均在70%±2%,相对较高的是芦苇、香蒲。其中,处理间方差为11.14,而处理内方差为9.14,F值为1.22,差异不显著,而对照池与植物池在氮的去除率方面差异明显,植物对TP的去除率均在80%以上,最高达到91.5%(香蒲)。这些植物对于TP的去除率差异也不明显,值为0.617;CODCr除了慈姑为78.35%以外,其他均在80%以上。
从高、低浓度污水总的去除率情况来看,8种植物中,除了慈姑对低浓度污水中TN去除率高于对高浓度污水外,其他植物均是对高浓度污水的TN去除效果较好,植物对TP、CODCr的去除效果均是高浓度污水好于低浓度污水。也就是说,污水在营养物质丰富的条件下,会更有利于植物对营养物质的吸收利用。从每种植物对高、低浓度污水来看,低浓度条件下对TN去除率最高的为慈姑(70.35%)、泽泻(67.1%),这两种植物对高浓度污水去除率均在70%左右,与低浓度下的去除率差异不明显。水葱在低浓度下对TN的去除率仅为55.30%,TP去除率较高的为香蒲(87.65%)、泽泻(86.35%),其他植物均相当,稳定在80%±2%,而芦苇和菖蒲对CODCr去除率最高。高浓度条件下,TN去除率最高的为香蒲、芦苇,而对TP和CODCr去除效果最好的植物种类同低浓度时的植物种类。
在此基础上,本课题开展了组合植物净化效果的研究。从图4-37可以看出,植物组合对TN的去除率基本都已达到75%以上,最高已经达到92%。虽然停留3 d的去除率均高于或者与停留1 d的去除率持平,但停留1 d去除率变化最大,这说明停留1 d的去除速率最大。这也间接证明,植物对营养元素的吸收与自身的营养状况有着密切的关系,随着时间的延长,吸收作用逐渐减弱。比较不同植物组合对TN去除率大小,芦苇-美人蕉在停留1 d时,去除率已经达到91.3%,3 d时又略有增加,为91.7%,而水葱-菖蒲变幅较大,从停留1 d的51.90%增加到停留3 d的90.90%。总体看来,香蒲-美人蕉,芦苇-美人蕉TN去除效果最好。
图4-37 不同湿地植物组合对TN去除效果比较
植物对氮的去除,一方面取决于植物自身生长过程中对营养元素的吸收作用大小,另一方面取决于植物的输氧能力以及根系情况。因为这两个因素使得植物根际系统的微生物群落不同,而微生物的组成和数量在一定程度上决定了硝化和反硝化作用强度。佘丽华等(2009)研究复合垂直流人工湿地各基质层的硝化与反硝化细菌数量以及硝化与反硝化作用强度发现,硝化作用强度变化和硝化细菌数量呈显著正相关,反硝化作用强度和反硝化细菌数量也呈显著正相关,且它们的变化与人工湿地的溶解氧状况相一致。这是本实验中植物组合效果表现出差异的原因,也是研究植物筛选的意义所在。
图4-38 不同湿地植物组合对TP去除效果比较
不同湿地植物组合对TP的去除率差别不是很大(图4-38),基本稳定在75%~80%。说明各种植物对TP的吸收作用相当。相比较而言,香蒲-菖蒲在停留1 d时去除率最大,为85.1%。其次是香蒲-美人蕉。而停留3 d时,水葱-菖蒲对TP的去除率也达到了83.4%。停留1 d时,芦苇-芦苇对TP去除率明显低于其他植物,仅为64.8%。
作为人工建造的湿地系统,有机物的投入量主要由污水中贡献的有机物量、植物的生物产量及其分配所决定,植物的生物产量由植物地上部分残留、根产量与根分泌物组成。水生植物床可以看成是一种以植物根系为填料的生物反应器,在根系表面丰富的微生物可以对有机物进行降解。人工湿地中的不溶性有机物主要通过植物根系微生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。
从对CODCr的去除来看(图4-39),每组植物组合停留3 d时的去除率均明显高于停留1 d时的去除率,并且最高达到91.5%。芦苇-美人蕉在停留1 d时去除率最大,停留3 d时仅次于香蒲-菖蒲。在众多的研究之中,所有对有机物的研究结果都显示出,对有机污染有较强的去除能力是人工湿地的显著特点之一。废水中大部分有机物的最终归宿是被异养微生物转化为微生物体及CO2和H2O,这些新生的微生物可以通过定期更换填料最终从系统中去除。
图4-39 不同湿地植物组合对CODCr去除效果比较
几种湿地植物组合对NH3-N去除率差异明显(图4-40),去除率在46%~86%。停留1 d时,香蒲-菖蒲去除率最高,为76.3%,其次为水葱-菖蒲,达到71.7%,香蒲-美人蕉最低,仅为46.6%(香蒲为46.6%);停留3 d时,植物组合的去除率均好于停留1 d时,并且最高已经达到85.4%(香蒲-菖蒲)。但是组合之间比较,去除率高低顺序没有变化。香蒲-菖蒲对NH3-N去除率高于其他湿地植物组合。
图4-40 不同湿地植物组合对NH3-N去除效果比较
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