新型植物景觀墻處理生活污水研究

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摘要：在傳統(tǒng)景觀墻設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用不銹鋼結(jié)構(gòu)、有機(jī)玻璃管和3種水生植物（鳳眼蓮、菖蒲和水蔥）構(gòu)建了1種能有效凈化污染水體的新型植物景觀墻裝置，研究該裝置對(duì)高校生活污水中典型污染物的凈化效果。結(jié)果表明，新型植物景觀墻對(duì)污水COD、NH4+-N、TP、TSS和色度的平均去除率分別達(dá)到了81.8%、79.6%、64.7%、93.1和71.3%，且出水水質(zhì)保持穩(wěn)定。出水COD、TSS含量和色度達(dá)到GB18918－2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，出水NH4+-N和TP含量達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。裝置具有占地面積小、運(yùn)行維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：高校生活污水；植物景觀墻；水生植物；COD

自1986年法國著名植物學(xué)家帕特里克•布蘭科（PatrickBLANC）首次提出“垂直花園”的概念后，各式各樣的植物景觀墻開始在城市綠化方面嶄露頭角[1]。植物景觀墻指在城市建筑物的立面上模擬布置植物的生長環(huán)境，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件種植合適的綠色植物，不僅具有極高的美學(xué)價(jià)值，還有凈化空氣、隔音降噪、調(diào)節(jié)空氣濕度等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]。水生植物可以直接吸收污水中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，富集某些重金屬污染物，且能促進(jìn)微生物對(duì)一些有機(jī)污染物進(jìn)行生物降解[3]。近年來，國內(nèi)外的研究者已經(jīng)成功篩選出了鳳眼蓮、蘆葦?shù)纫慌芨咝コ鬯懈黝愇廴疚锏乃参铮⑺鼈儜?yīng)用到人工濕地、生態(tài)浮島等技術(shù)中，取得了良好的污水處理效果[4-5]。本研究將植物景觀墻與植物修復(fù)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)并制作了1種能有效凈化污染水體的新型植物景觀墻。高校生活污水水量大，但來源比較單一，排放集中，且水質(zhì)一般優(yōu)于普通居民用戶生活污水。利用污水處理手段對(duì)校園生活污水進(jìn)行處理并回用，是建設(shè)“節(jié)水型社會(huì)”的重要舉措，也能為學(xué)校節(jié)約用水成本。校園生活污水可用于綠化用水、沖廁用水和景觀用水等。本實(shí)驗(yàn)使用專利成果新型植物景觀墻對(duì)桂林某大學(xué)校區(qū)的生活污水進(jìn)行處理，研究其對(duì)生活污水中典型污染物的去除效果，以考察裝置的適用性。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1裝置和運(yùn)行方式。實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。裝置長×寬×高為2.0m×1.5m×3.0m。裝置由蠕動(dòng)泵、進(jìn)水桶、不銹鋼架體、有機(jī)玻璃管、塑料導(dǎo)流管、水生植物、球閥和流量控制器等組成。其中有機(jī)玻璃管長1.5m、直徑20cm，管壁上平均開設(shè)9個(gè)直徑10cm的圓孔，圓孔內(nèi)能夠栽種植物。景觀墻架體呈階梯狀，每層階梯高度為50cm，階梯平面寬度為30cm，共7層。有機(jī)玻璃管的數(shù)量與架體的階梯數(shù)量一致，固定于階梯上，多個(gè)有機(jī)玻璃管依次首尾相連。污水由進(jìn)水管通過蠕動(dòng)泵的作用流入架體最頂端的有機(jī)玻璃管中，然后依次向下，最底部的有機(jī)玻璃管中的水由出水管回流到進(jìn)水桶中。為了適應(yīng)不同高度的植物，架體各個(gè)階梯的高度可調(diào)節(jié)。為了使有機(jī)玻璃管中的水能夠順利自行流動(dòng)，有機(jī)玻璃管沿水流方向向下傾斜設(shè)置。為了控制流量，防止污水因流量過大從有機(jī)玻璃管中溢出，相鄰的有機(jī)玻璃管之間加裝球閥。另外，進(jìn)水管上還設(shè)置流量控制器，方便控制流量。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于校區(qū)污水處理站內(nèi)，實(shí)施時(shí)間為2017年3－5月。新型植物景觀墻中所用水生植物為菖蒲（AcoruscalamusL.）、水蔥（ScirpusvalidusVahl）和鳳眼蓮（Eichhorniacrassipes），采購于桂林某花鳥市場，選用生長健康且大小基本一致的植物在有機(jī)玻璃管上的圓孔中間隔種植，每個(gè)圓孔種2～3株植物，并保證每個(gè)圓孔中植物根系不至于過密導(dǎo)致水流堵塞。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，取污水處理站調(diào)節(jié)池污水，灌滿進(jìn)水桶（進(jìn)水桶容積為50L），開啟蠕動(dòng)泵開始進(jìn)水，控制進(jìn)水體積流量為80～100L/h。每個(gè)運(yùn)行周期為18～24h，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程持續(xù)60d，裝置調(diào)試運(yùn)行1天后每隔3d分別采集進(jìn)出口水樣，采樣時(shí)間為每天中午12:00－13:00進(jìn)行，各取3個(gè)平行樣，取樣后立即送到實(shí)驗(yàn)室保存在4℃的冰箱中，待測。1.2進(jìn)水水質(zhì)。實(shí)驗(yàn)裝置采用連續(xù)進(jìn)水方式。進(jìn)水為校區(qū)的生活污水，呈淺灰色，微臭，COD為105～310mg/L，NH4+-N、TP、SS的質(zhì)量濃度分別為35～69、5.0～9.8、65～118mg/L，色度45～136度，溫度8～19℃，pH為6.8～8.0。1.3分析方法與數(shù)據(jù)處理。COD：重鉻酸鉀法；NH3-N含量：納氏試劑分光光度法；TP含量：鉬酸銨分光光度法；TSS含量：稱量法；色度：鉑鈷比色法；pH：便攜式酸度計(jì)。植物株高：在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)和結(jié)束時(shí)分別用鋼卷尺測定；植物生物量：在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)和結(jié)束時(shí)分別采集植物，用自來水反復(fù)沖洗干凈后在烘箱中70℃烘干至恒量，將根莖葉分別稱量。使用MicrosoftExcel2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用Origin8.5繪制圖表，用SPSS18.0進(jìn)行顯著性分析。

2結(jié)果與討論

2.1COD的去除。污水中的有機(jī)污染物會(huì)在有氧的條件下被裝置中的微生物分解為氨氮、二氧化碳等產(chǎn)物，進(jìn)而水生植物在光照的條件下利用這些產(chǎn)物合成自身所需的營養(yǎng)物質(zhì)并釋放氧氣，這個(gè)過程不斷循環(huán)達(dá)到去除污水中有機(jī)污染物的效果[6]。新型植物景觀墻進(jìn)、出水中COD及去除率隨時(shí)間變化情況如圖2所示。由圖2可知，進(jìn)水COD在105～310mg/L，隨時(shí)間波動(dòng)較大。這可能是校園生活污水與學(xué)生活動(dòng)規(guī)律有關(guān)，不同時(shí)段差異很大，且期間桂林雨水較多，也會(huì)對(duì)進(jìn)水水質(zhì)帶來一些影響。初期COD去除率僅60%左右，可能是實(shí)驗(yàn)植物仍在逐步適應(yīng)生活污水環(huán)境。整個(gè)實(shí)驗(yàn)中出水COD維持在50mg/L以下，最低達(dá)到28mg/L。COD去除率為62.5%～90.3%，平均去除率為81.8%。與GB18918－2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)（50mg/L）相比，出水COD達(dá)標(biāo)率達(dá)到95%[7]。鄭志偉等采用紅樹生物塘處理農(nóng)村生活污水，其COD的平均去除率為73.3%[8]。李旭東等用高效藻類塘處理太湖地區(qū)農(nóng)村污水，其COD的平均去除率為70%[9]。新型植物景觀墻對(duì)污水中COD去除效率較常見的植物穩(wěn)定塘較高，且占地面積更小，可拆卸，運(yùn)行維護(hù)簡單方便。2.2NH4+-N去除特征。新型植物景觀墻進(jìn)、出水中NH4+-N含量及去除率隨時(shí)間變化情況如圖3所示。由圖3可知，進(jìn)水NH4+-N的質(zhì)量濃度在35～69mg/L波動(dòng)，出水NH4+-N質(zhì)量濃度為10～21mg/L，與GB18918－2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)（5mg/L）對(duì)比，達(dá)標(biāo)率為0，若與二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（25mg/L）相比達(dá)標(biāo)率則為100%。裝置對(duì)氨氮的去除率平均為69.9%，最高達(dá)到83.3%。裝置對(duì)NH4+-N的去除主要依靠水生植物的吸收、微生物的硝化和NH4+-N的揮發(fā)等，其去除效率受到pH、溫度、DO含量等多種因素影響[10]。對(duì)NH4+-N的去除效果較不理想可能與實(shí)驗(yàn)期間桂林溫度較低，實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)植物與微生物活性下降有關(guān)。前人的研究表明，冬季水生植物對(duì)于氨氮的去除效果顯著弱于夏季[10-12]；SONG等對(duì)1個(gè)占地80hm2的人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水的凈化效果進(jìn)行了為期6年的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)出水中NH4+-N含量在冬季（質(zhì)量濃度(14.0±1.9)mg/L）和夏季（(8.6±1.0)mg/L）有顯著的差異[13]。另外，通過曝氣等手段提高裝置中的DO含量可能會(huì)提高裝置對(duì)NH4+-N的去除效果[14]。2.3TP的去除特征。新型植物景觀墻進(jìn)、出水中TP含量及去除率隨時(shí)間變化情況如圖4所示。由圖4可知，進(jìn)、出水中TP的質(zhì)量濃度分別為5.0～9.8、1.7～3.6mg/L，TP去除率為45.5%～75.9%，平均去除率為63.7%。出水TP含量與GB18918－2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)（0.5mg/L）比較達(dá)標(biāo)率為0，若與二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（3.0mg/L）相比達(dá)標(biāo)率則為90%。人工濕地是利用水生植物凈化污水的裝置中應(yīng)用最廣泛的，然而大多數(shù)人工濕地系統(tǒng)在去除污水中TP方面表現(xiàn)不佳。DONG等比較多種不同類型的人工濕地后認(rèn)為，人工濕地系統(tǒng)對(duì)于TP的去除率接近50%，其中綜合除磷效果最好的水平潛流式人工濕地TP去除率平均也僅為69.8%[11]。另外有研究表明，植物對(duì)磷的吸收量與其生物量成顯著正相關(guān)[15]。增加景觀墻尺寸或者選用生物量更大的水生植物可能會(huì)提高裝置對(duì)TP的去除效果。2.4TSS和色度的去除效果。新型植物景觀墻對(duì)于校園生活污水的TSS和色度都有較良好的去除效果，出水中TSS和色度的平均分別為7mg/L和27度，均達(dá)到GB18918－2002的一級(jí)A要求。裝置進(jìn)、出水平均水質(zhì)見表1。COD、NH4+-N、TP、SS的去除率分別為81.8%、79.6%、64.7%、71.3%，色度降低71.3%。由于沒有前置格柵和初沉池，且校園污水中含有大量雨水SS較高，因此導(dǎo)致裝置在連續(xù)運(yùn)行7d后在下部有機(jī)玻璃管連接處發(fā)生堵塞現(xiàn)象，人工清除泥沙后裝置繼續(xù)正常運(yùn)行。2.5植物株高和生物量的變化。植物株高和生物量可以直觀地反應(yīng)植物的生長狀況，見表2和表3。由表2可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，水生植物菖蒲和水蔥的株高均顯著高于實(shí)驗(yàn)前（p＜0.05）；鳳眼蓮的株高也高于實(shí)驗(yàn)前，但是標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，株高增長不顯著。實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)鳳眼蓮、菖蒲和水蔥的總生物量比實(shí)驗(yàn)前分別增加了29.9%、39.0%和33.6%。3種實(shí)驗(yàn)植物都對(duì)校園生活污水表現(xiàn)出良好的耐受性，且能吸收污水中的營養(yǎng)物質(zhì)并快速地生長。

3結(jié)論

新型植物景觀墻裝置將水生植物的景觀功能和環(huán)境修復(fù)功能相結(jié)合，賦予了傳統(tǒng)植物墻新的活力。研究結(jié)果表明，本裝置能有效去除高校生活污水中的污染物，其中對(duì)于污水中COD、NH4+-N、TP、TSS和色度的平均去除率分別達(dá)到81.8%、79.6%、64.7%、93.1和71.3%。出水指標(biāo)中COD、TSS和色度均基本達(dá)到GB18918－2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)要求，出水中NH4+-N和TP含量基本達(dá)到GB18918－2002二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)所有出水指標(biāo)滿足GB/T18920－2002的要求[16]。3種實(shí)驗(yàn)植物對(duì)高校生活污水表現(xiàn)出良好的耐受性，其生物量在實(shí)驗(yàn)期間均顯著增加。從整體運(yùn)行效果來看，新型植物景觀墻在美化校園的同時(shí)，能較好地處理校園生活污水，且相比于人工濕地、植物穩(wěn)定塘等污水處理設(shè)施有占地面積小、運(yùn)行維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，可以作為以高校生活污水為原水的污水再生回用裝置，污水處理后可用于校園綠化用水、景觀用水等，大大節(jié)約了用水成本。

作者:俞果 馬建初 蔣萍萍 游少鴻 劉杰 梁延鵬