新型植物景观墙处理生活污水研究

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摘要：在传统景观墙设计的基础上，利用不锈钢结构、有机玻璃管和3种水生植物（凤眼莲、菖蒲和水葱）构建了1种能有效净化污染水体的新型植物景观墙装置，研究该装置对高校生活污水中典型污染物的净化效果。结果表明，新型植物景观墙对污水COD、NH4+-N、TP、TSS和色度的平均去除率分别达到了81.8%、79.6%、64.7%、93.1和71.3%，且出水水质保持稳定。出水COD、TSS含量和色度达到GB18918－2002一级A标准，出水NH4+-N和TP含量达到二级标准。装置具有占地面积小、运行维护简单等优点。

关键词：高校生活污水；植物景观墙；水生植物；COD

自1986年法国著名植物学家帕特里克•布兰科（PatrickBLANC）首次提出“垂直花园”的概念后，各式各样的植物景观墙开始在城市绿化方面崭露头角[1]。植物景观墙指在城市建筑物的立面上模拟布置植物的生长环境，结合当地的气候条件种植合适的绿色植物，不仅具有极高的美学价值，还有净化空气、隔音降噪、调节空气湿度等诸多优点[2]。水生植物可以直接吸收污水中的氮、磷等营养物质，富集某些重金属污染物，且能促进微生物对一些有机污染物进行生物降解[3]。近年来，国内外的研究者已经成功筛选出了凤眼莲、芦苇等一批能高效去除污水中各类污染物的水生植物，并将它们应用到人工湿地、生态浮岛等技术中，取得了良好的污水处理效果[4-5]。本研究将植物景观墙与植物修复技术相结合，设计并制作了1种能有效净化污染水体的新型植物景观墙。高校生活污水水量大，但来源比较单一，排放集中，且水质一般优于普通居民用户生活污水。利用污水处理手段对校园生活污水进行处理并回用，是建设“节水型社会”的重要举措，也能为学校节约用水成本。校园生活污水可用于绿化用水、冲厕用水和景观用水等。本实验使用专利成果新型植物景观墙对桂林某大学校区的生活污水进行处理，研究其对生活污水中典型污染物的去除效果，以考察装置的适用性。

1实验部分

1.1装置和运行方式。实验装置见图1。装置长×宽×高为2.0m×1.5m×3.0m。装置由蠕动泵、进水桶、不锈钢架体、有机玻璃管、塑料导流管、水生植物、球阀和流量控制器等组成。其中有机玻璃管长1.5m、直径20cm，管壁上平均开设9个直径10cm的圆孔，圆孔内能够栽种植物。景观墙架体呈阶梯状，每层阶梯高度为50cm，阶梯平面宽度为30cm，共7层。有机玻璃管的数量与架体的阶梯数量一致，固定于阶梯上，多个有机玻璃管依次首尾相连。污水由进水管通过蠕动泵的作用流入架体最顶端的有机玻璃管中，然后依次向下，最底部的有机玻璃管中的水由出水管回流到进水桶中。为了适应不同高度的植物，架体各个阶梯的高度可调节。为了使有机玻璃管中的水能够顺利自行流动，有机玻璃管沿水流方向向下倾斜设置。为了控制流量，防止污水因流量过大从有机玻璃管中溢出，相邻的有机玻璃管之间加装球阀。另外，进水管上还设置流量控制器，方便控制流量。实验地点位于校区污水处理站内，实施时间为2017年3－5月。新型植物景观墙中所用水生植物为菖蒲（AcoruscalamusL.）、水葱（ScirpusvalidusVahl）和凤眼莲（Eichhorniacrassipes），采购于桂林某花鸟市场，选用生长健康且大小基本一致的植物在有机玻璃管上的圆孔中间隔种植，每个圆孔种2～3株植物，并保证每个圆孔中植物根系不至于过密导致水流堵塞。实验开始时，取污水处理站调节池污水，灌满进水桶（进水桶容积为50L），开启蠕动泵开始进水，控制进水体积流量为80～100L/h。每个运行周期为18～24h，整个实验过程持续60d，装置调试运行1天后每隔3d分别采集进出口水样，采样时间为每天中午12:00－13:00进行，各取3个平行样，取样后立即送到实验室保存在4℃的冰箱中，待测。1.2进水水质。实验装置采用连续进水方式。进水为校区的生活污水，呈浅灰色，微臭，COD为105～310mg/L，NH4+-N、TP、SS的质量浓度分别为35～69、5.0～9.8、65～118mg/L，色度45～136度，温度8～19℃，pH为6.8～8.0。1.3分析方法与数据处理。COD：重铬酸钾法；NH3-N含量：纳氏试剂分光光度法；TP含量：钼酸铵分光光度法；TSS含量：称量法；色度：铂钴比色法；pH：便携式酸度计。植物株高：在实验开始时和结束时分别用钢卷尺测定；植物生物量：在实验开始时和结束时分别采集植物，用自来水反复冲洗干净后在烘箱中70℃烘干至恒量，将根茎叶分别称量。使用MicrosoftExcel2013进行数据处理，使用Origin8.5绘制图表，用SPSS18.0进行显著性分析。

2结果与讨论

2.1COD的去除。污水中的有机污染物会在有氧的条件下被装置中的微生物分解为氨氮、二氧化碳等产物，进而水生植物在光照的条件下利用这些产物合成自身所需的营养物质并释放氧气，这个过程不断循环达到去除污水中有机污染物的效果[6]。新型植物景观墙进、出水中COD及去除率随时间变化情况如图2所示。由图2可知，进水COD在105～310mg/L，随时间波动较大。这可能是校园生活污水与学生活动规律有关，不同时段差异很大，且期间桂林雨水较多，也会对进水水质带来一些影响。初期COD去除率仅60%左右，可能是实验植物仍在逐步适应生活污水环境。整个实验中出水COD维持在50mg/L以下，最低达到28mg/L。COD去除率为62.5%～90.3%，平均去除率为81.8%。与GB18918－2002一级A标准（50mg/L）相比，出水COD达标率达到95%[7]。郑志伟等采用红树生物塘处理农村生活污水，其COD的平均去除率为73.3%[8]。李旭东等用高效藻类塘处理太湖地区农村污水，其COD的平均去除率为70%[9]。新型植物景观墙对污水中COD去除效率较常见的植物稳定塘较高，且占地面积更小，可拆卸，运行维护简单方便。2.2NH4+-N去除特征。新型植物景观墙进、出水中NH4+-N含量及去除率随时间变化情况如图3所示。由图3可知，进水NH4+-N的质量浓度在35～69mg/L波动，出水NH4+-N质量浓度为10～21mg/L，与GB18918－2002的一级A标准（5mg/L）对比，达标率为0，若与二级标准（25mg/L）相比达标率则为100%。装置对氨氮的去除率平均为69.9%，最高达到83.3%。装置对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的挥发等，其去除效率受到pH、温度、DO含量等多种因素影响[10]。对NH4+-N的去除效果较不理想可能与实验期间桂林温度较低，实验装置内植物与微生物活性下降有关。前人的研究表明，冬季水生植物对于氨氮的去除效果显著弱于夏季[10-12]；SONG等对1个占地80hm2的人工湿地系统对污水的净化效果进行了为期6年的监测，发现出水中NH4+-N含量在冬季（质量浓度(14.0±1.9)mg/L）和夏季（(8.6±1.0)mg/L）有显著的差异[13]。另外，通过曝气等手段提高装置中的DO含量可能会提高装置对NH4+-N的去除效果[14]。2.3TP的去除特征。新型植物景观墙进、出水中TP含量及去除率随时间变化情况如图4所示。由图4可知，进、出水中TP的质量浓度分别为5.0～9.8、1.7～3.6mg/L，TP去除率为45.5%～75.9%，平均去除率为63.7%。出水TP含量与GB18918－2002的一级A标准（0.5mg/L）比较达标率为0，若与二级标准（3.0mg/L）相比达标率则为90%。人工湿地是利用水生植物净化污水的装置中应用最广泛的，然而大多数人工湿地系统在去除污水中TP方面表现不佳。DONG等比较多种不同类型的人工湿地后认为，人工湿地系统对于TP的去除率接近50%，其中综合除磷效果最好的水平潜流式人工湿地TP去除率平均也仅为69.8%[11]。另外有研究表明，植物对磷的吸收量与其生物量成显著正相关[15]。增加景观墙尺寸或者选用生物量更大的水生植物可能会提高装置对TP的去除效果。2.4TSS和色度的去除效果。新型植物景观墙对于校园生活污水的TSS和色度都有较良好的去除效果，出水中TSS和色度的平均分别为7mg/L和27度，均达到GB18918－2002的一级A要求。装置进、出水平均水质见表1。COD、NH4+-N、TP、SS的去除率分别为81.8%、79.6%、64.7%、71.3%，色度降低71.3%。由于没有前置格栅和初沉池，且校园污水中含有大量雨水SS较高，因此导致装置在连续运行7d后在下部有机玻璃管连接处发生堵塞现象，人工清除泥沙后装置继续正常运行。2.5植物株高和生物量的变化。植物株高和生物量可以直观地反应植物的生长状况，见表2和表3。由表2可知，实验结束后，水生植物菖蒲和水葱的株高均显著高于实验前（p＜0.05）；凤眼莲的株高也高于实验前，但是标准偏差较大，株高增长不显著。实验周期内凤眼莲、菖蒲和水葱的总生物量比实验前分别增加了29.9%、39.0%和33.6%。3种实验植物都对校园生活污水表现出良好的耐受性，且能吸收污水中的营养物质并快速地生长。

3结论

新型植物景观墙装置将水生植物的景观功能和环境修复功能相结合，赋予了传统植物墙新的活力。研究结果表明，本装置能有效去除高校生活污水中的污染物，其中对于污水中COD、NH4+-N、TP、TSS和色度的平均去除率分别达到81.8%、79.6%、64.7%、93.1和71.3%。出水指标中COD、TSS和色度均基本达到GB18918－2002一级A标准要求，出水中NH4+-N和TP含量基本达到GB18918－2002二级标准要求，同时所有出水指标满足GB/T18920－2002的要求[16]。3种实验植物对高校生活污水表现出良好的耐受性，其生物量在实验期间均显著增加。从整体运行效果来看，新型植物景观墙在美化校园的同时，能较好地处理校园生活污水，且相比于人工湿地、植物稳定塘等污水处理设施有占地面积小、运行维护简单等优点，可以作为以高校生活污水为原水的污水再生回用装置，污水处理后可用于校园绿化用水、景观用水等，大大节约了用水成本。

作者:俞果 马建初 蒋萍萍 游少鸿 刘杰 梁延鹏