植物滞留系统中草本植物对磷的去除效果研究.pdf

植物滞留系统中草本植物对磷的去除效果研究 * 美英 1， 2 杨晓华 1 郭亚男 1 姜荣 1 1． 北京师范大学环境学院水沙重点实验室 水环境模拟国家重点实验室，北京 100875; 2． 内蒙古工业大学能源与动力工程学院环境科学与工程系， 呼和浩特 010051 摘要 以黑麦草、 地毯草、 高羊茅和早熟禾为研究对象， 研究 4 种草本植物在植物滞留系统中不同介质、 不同入口浓度 下对城市非点源 人工降雨径流 中污染物磷的富集能力和去除效果。结果表明 4 种草本植物对人工降雨径流中的 磷均有明显的去除效果， TP 平均去除率在 60. 24 ～ 83. 56 。不同草本植物去除人工降雨径流中 TP 的能力，从强 到弱的顺序依次为早熟禾 ＞ 黑麦草 ＞ 地毯草 ＞ 高羊茅。其中， 对于同一种草本植物同样的入口浓度情况下， 沙土Ⅱ 为最佳土壤介质， 具有最佳的去除磷能力。4 种草本植物对磷的去除率随入口浓度的增加， 去除率也随之增加。4 种 草本植物地上部和地下部磷累积量分别为 2. 27 ～ 5. 92 mg和 4. 33 ～ 6. 46 mg; 其中黑麦草磷累积总量最高，其次是地 毯草， 最低的是早熟禾。综合考虑污染物去除率和磷在植物体内的累积量， 交替种植早熟禾和黑麦草可提高植物滞留 系统去磷能力且有利于延长系统寿命。 关键词 城市非点源; 植物滞留系统; 草本植物; 磷 STUDY ON REMOVAL EFFICIENCY OF PHOSPHORUS BY GRASSES IN BIORETENTION Mei Ying1， 2Yang Xiaohua1Guo Yanan1Jiang Rong1 1． State Key Laboratory of Water Environment Simulation，School of Environment， Beijing Normal University， Beijing 100875，China;2． Department of Environmental Science and Engineering，School of Energy and Power Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China AbstractBased on the laboratory study，removal efficiency of total phosphorus TP by Lolium perenne ，Axonopus compressus，Festuca arundinacea，and Poa annua in different soil media and in different inflow concentration of urban non- point source pollution was researched． The results showed that the sandⅡ was the best media for bioretention． And with the increasing of inflow concentration，the phosphorus removal rate was improved by the four herbaceous plants． The results also indicated that the content of TP was 2. 27 ～ 5. 92 mg and 4. 33 ～ 6. 46 mg in shoots and in roots of four herbaceous plants， respectively． The highest accumulated content of TP was in Lolium perenne，and then Axonopus compressus，the lowest in Poa annua． The average removal rate to TP was 60. 24 ～ 83. 56 ，respectively． According to TP removal capacity of four herbaceous plants， the order was Poa annua ＞ Lolium perenne ＞ Axonopus compressus ＞ Festuca arundinacea．The comprehensive uation results showed that alternately plants the Poa annua and Lolium perenne in the bioretetnion，which was helpful to improve phosphorus removal efficiency and prolong the working life of bioretention． Keywordsurban non-point source pollution;bioretention;herbaceous plant;phosphorus * 国家自然科学基金项目 50939001，51079004 ;国家重点基础研究 发展 规 划 项 目 2010CB951104 ; 高 校 博 士 点 基 金 博 导 类 项 目 20100003110024 ;长江学者和创新团队项目 IRT0809 ; 内蒙古工业 大学青年基金项目 X201217 ; 国家创新研究群体科学基金资助。 0引言 随着城市污水点源污染治理的不断完善， 城市非 点源污染成为城市地表水污染的主要来源。植物滞 留系统是 20 世纪 90 年代开始发展起来的城市非点 源污染治理的最佳管理措施之一 ［1］。植物滞留系统 是独特的土壤 － 植物 － 微生物生态系统。植物滞留 系统将城市雨水径流收集起来并通过植物、 土壤介 质、 覆盖层和微生物等去除初期雨水径流中污染物， 72 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 同时提供渗水系统 ［2］。此外， 植物滞留系统具有营 养盐去除效果好、 防风除尘、 减少地表径流、 有效控制 洪涝及生态景观性能好等一系列优点， 因此在城市非 点源治理中具有广阔的应用前景 ［3］。人类生产和生 活产生大量磷负荷， 而磷是地表水体富营养化的重要 因素乃至限制因素 ［4- 6］， 因此， 探明用于去除城市非 点源中磷的植物滞留系统中磷去除机理具有重要 意义 ［7］。 筛选对城市模拟降雨径流中对磷具有高效净化 能力的植物，特别是适应性好的景观草本植物， 是提 高植物滞留系统性能的关键 ［8- 9］，也是一种植物修复 技术之一 ［10- 11］。本研究采用具有代表性的 4 种草本 植物， 进行盆栽实验， 对不同景观草本植物去除人工 模拟雨水径流中 TP 的能力进行分析。通过实验研 究试图从中筛选出具有富集能力强并去除率高的草 本植物，为植物滞留系统的植物选择及对提高城市 非点源治理提供参考依据。最后， 通过实验研究优化 并筛选植物滞留系统的组成结构为植物滞留系统的 构建提供实践经验和理论依据。 1实验部分 1. 1供试植物 本着因地制宜的原则， 根据植物生物学特性、 耐 污性、 景观效益及磷的吸收去除能力， 通过综合分析， 最终选择 4 种草本植物作为本实验的研究对象， 包括 黑 麦 草 Loliumperenne 、地 毯 草 Axonopus compressus 、 高羊茅 Festuca arundinacea 和早熟禾 Poa annua 。其种子均购自北京农科院东门中蔬大 森林花卉市场。黑麦草是禾本科黑麦属多年生疏丛 型草本植物， 须根发达; 地毯草是多年生丛生禾草; 早 熟禾科属于多年生丛生如地毯状的草本植物， 具有很 好的草坪效果， 对土壤要求不严， 耐瘠薄， 是很好的园 林植物; 高羊茅禾本科， 草坪型观赏性植物。供试的 4 种草本植物种植在 3 种沙土中， 其物化性质见表 1。 表 1土壤物化性质 d101/ mm d602/ mm 砂粒 / 粉粒 / 黏粒 / O． M． / CEC / cmol kg － 1 分类 沙土Ⅰ0. 070. 2495500. 282. 86壤质砂土 沙土Ⅱ0. 070. 2296400. 373壤质砂土 沙土Ⅲ0. 020. 11722800. 354. 28砂质黏壤土 注 1 10 的土壤过筛时对应的土壤粒径。 2 60 的土壤过筛时对应的土壤粒径。 1. 2供试污水 供试的人工雨水由磷酸二氢钠 分析纯 配置， 总磷含量控制在 0. 05 ～ 0. 5 mg/L， pH 值调至 7。 1. 3实验方法 在北京师范大学环境学院的玻璃温室内种植盆 栽实验， 采用沙培方法进行。具体实验方法如下 首 先， 称取质量为 0. 5 g 的植物种子， 种植在直径为 20 cm， 高为 20 cm 的 PVC 盆中 上面留 4 cm 高度， 种子 上覆盖土层厚度为 1 cm ; 其次， 待植物生长稳定后 1 个月左右 喷洒人工配置的初期雨水， 每次喷酒 1. 5 L， 每 10 d 加配置的模拟雨水 1 次， 为 1 周期， 共 浇注 10 周期; 最后， 等实验结束时取出草本植物， 用 自来水冲洗干净， 再用去离子水洗干净， 滤纸吸干水 分， 分地上部分和地下部分称取鲜重， 并对样品进行 杀青、 烘干测其干重， 分析全磷含量。每个处理样本 设 3 次重复。 1. 4测定项目和方法 水样 TP 采用重铬酸钾氧化法测定; pH 用酸度计 法测定; 生物量测定 将准确称量鲜重后的植物自然 风干后， 烘箱内85 ℃ 烘干 48 h 至恒重， 称干量。植 物磷积累量 P 的计算公式为 P C M 1 式中 C 为植物地上及地下部分磷浓度， mg/g; M 为植 物生物量 干重 ， g。 1. 5数据统计方法 实验 数 据 采 用 Origin 8. 0、SPSS16. 0、EXCEL 2003 统计分析软件进行数据处理。污水中污染物的 去除率η 计算公式为 η Cin－ Cout /Cin 100 2 式中Cin为人工模拟雨水初期浓度， mg/L; Cout为通 过植物盆栽实验净化后的人工模拟雨水排放的浓度。 2结果与分析 2. 1不同土壤介质对磷去除效果的影响 人工模拟雨水中磷在盆栽实验中的去除， 一方面 是通过土壤介质上以磷酸盐沉降并固结在土壤介质 基质上的形式去除; 另一方面是以可给性磷的形式被 82 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 植物所吸收。本实验选取 3 种土壤介质和 4 种植物 分析模拟雨水径流中污染物磷的去除率， 同种植物不 同沙土介质中磷的去除率见图 1。 图 1不同土壤介质对磷污染物的去除率 从图 1 可见 以沙土Ⅲ为介质时， 4 种草本植物 对模拟雨水中污染物磷的去除率最低， 其中早熟禾、 黑麦 草、 地 毯 草 和 高 羊 茅 对 磷 的 去 除 率 分 别 为 70. 99 、 50. 64 、 37. 97 及 51. 94 。早熟禾去除 率最高， 黑麦草去除率最低。 种植在沙土Ⅱ上的 4 种草本植物， 对磷的去除率 均最高。这可能与土壤介质性质、 植物生理和生长特 性有关。从污染物去除率角度， 沙土Ⅱ为最佳介质， 可作为植物滞留系统土壤介质， 有利于植物生长及磷 污染物的去除。早熟禾、 黑麦草、 地毯草和高羊茅对 磷的 去 除 率 分 别 为 89. 51 、 79. 23 、 85. 41及 69. 09 。早熟禾去除率最高， 高羊茅去除率最低。 种植在沙土Ⅰ上的 4 种草本植物对磷的去除率 略小于种植在沙土Ⅱ上的。对 TP 去除率由高到低 排序为 早熟禾 88. 54 ＞ 地毯草 79. 94 ＞ 黑 麦草 68. 77 ＞ 高羊茅 66. 61 。 2. 2不同植物对磷去除效果的影响 植物滞留系统作为城市非点源控制措施之一， 要 求土壤介质营养盐含量低， 并能够快速渗漏城市降雨 径流。不同土壤介质对污染物去除率也不同， 但对磷 的去除总体趋势是一样的。沙土Ⅱ中种植 4 种草本 植物获取磷的去除率， 结果见图 2。 由图 2 可知 对于种植在去除率较高的沙土Ⅱ上 的 4 种草本植物中， 早熟禾对模拟雨水径流中磷的去 除率最高＞ 83. 56 。这与早熟禾属须根性植物 特性有关。同时， 早熟禾对土壤要求不严， 耐瘠薄等 特性比较适合种植在植物滞留系统砂质土壤中。相 对而言， 其他 3 种草本植物对磷的去除率低于早熟 图 2不同植物对磷污染物的去除率 禾， 分别为黑麦草 66. 11 ， 地毯草 67. 17 及高 羊茅 60. 24 。 2. 3不同入口浓度磷去除效果的影响 4 种草本植物种植在沙土Ⅱ上时， 随着模拟雨水 径流中磷浓度的变化， 去除率也有所变化。由图 3 可 知 当模拟降雨径流中污染物磷浓度为0. 5 mg/L时， 4 种草本植物 早熟禾、 黑麦草、 地毯草和高羊茅 对模 拟雨水径流中磷的去除率均为 85 以上。对于早熟 禾， 随着模拟雨水径流中磷浓度的变化， 对磷的去除 率变化不大 范围为 72 ～ 93 ， 去除污染物磷较 稳定。对于黑麦草和高羊茅， 随模拟雨水径流中磷浓 度的变化， 对磷的去除率变化较大， 其变化范围分别 为黑麦草 30 ～ 89 及高羊茅 10 ～ 87 。当模拟 降雨径流中污染物磷浓度为0. 05 mg/L时， 黑麦草和 高羊茅对磷的去除率分别为 30 和 10 。总之， 模 拟雨水径流中， 当入口浓度高时对磷污染物的去除率 高， 当入口浓度低时， 去除率相对也较低。 图 3不同入口浓度下对磷污染物的去除率 2. 4植物总磷累积量 由图 4 可知 早熟禾地上部分含磷量最高， 为 423 mg/kg， 地毯草最低， 为 232 mg/kg。4 种草本植 92 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 物地上部分磷含量由高到低的排序为 早熟禾 ＞ 黑麦 草 ＞ 高羊茅 ＞ 地毯草。早熟禾地下部分含磷量最高， 为618 mg/kg， 高羊茅最低， 为398 mg/kg。4 种草本 植物地下部分磷含量由高到低的排序为 早熟禾 ＞ 黑 麦草 ＞ 地毯草 ＞ 高羊茅。从图 5 可知 所选 4 种草本 植物地上部分与地下部分的磷含量比值均小于 1， 表 明磷不易从根系向茎叶转移， 不利于通过收获植物去 除这部分磷， 磷主要积累在 4 种草本植物的根系中。 图 4草本植物地上部分和地下部分的含磷量 图 54 种草本植物地上及地下污染物磷含量的比值 植物体内磷的累积量由两种因素所决定 一种因 素为植物地上及地下部分磷含量; 另一种因素为植物 地上及地下部分生物量。由图 6 可知 磷地上部分总 累积量为 黑麦草最高， 为 5. 92 g， 早熟禾最低， 为 3. 27 g。磷地下部分总累积量为 黑麦草最高， 为6. 46 g， 早 熟禾最低， 为 4. 33 g。从磷总累积量角度， 黑麦草为最 佳实验植物。通过综合考虑植物滞留系统应交替种植 早熟禾和黑麦草， 不仅能够达到短期有效的去除磷污 染物， 同时能够达到提高长时间去除磷污染物的效果， 从而有助于延长植物滞留系统使用寿命。 3结论 选用 4 种景观草本植物处理人工模拟雨水中磷， 经过 10 次降雨实验及其通过设定不同情景分析， 得 图 6四种草本植物地上部分和地下部分的磷累积量 出以下结论 1 4 种草本植物对人工模拟雨水中 TP 均有较好 的净化效果， 其对 TP 的去除能力从强到弱的顺序依 次为早熟禾 ＞ 黑麦草 ＞ 地毯草 ＞ 高羊茅。早熟禾 对 TP 去除率最高， 达 83. 56 ， 是去除城市非点源中 污染物磷的最佳草本植物。 24 种草本植物对磷去除率随入口浓度的增加 而增加， 其中早熟禾， 随着模拟雨水径流中磷浓度变 化， 对磷的去除率变化幅度不大。而高羊茅， 随模拟 雨水径流中磷浓度的变化， 对磷的去除率变化幅度 较大。 3 早熟禾、 黑麦草、 地毯草和高羊茅在沙土Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ上种植时生长均良好。其中沙土Ⅱ为最佳土壤 介质。对于干重， 生物量增加量最大的是黑麦草， 其 次是地毯草， 早熟禾最低。 44 种草本植物磷总量与植物生物量呈显著正 相关， 磷累积的部位无显著差异， 地上部和地下部磷 浓度最高的均是黑麦草。 综合考虑污染物去除率和磷在植物体内的累积 量， 交替种植早熟禾和黑麦草能够提高植物滞留系统 去磷能力且有利于延长系统寿命。 参考文献 ［1］Davis A P，Shokouhian M，Sharma H，et al． Laboratory study of biological retention for urban stormwater management［J］． Water Environment Research，2001，73 1 5- 14． ［2］Davis A P，Asce F． Field perance of bioretentionhydrology impacts［J］． Journal of Hydrologic Engineering，2008，13 2 90- 95． ［3］Davis A P，Hunt W F，Traver R G，et al． Bioretention technology overview of currentpractice andfuture needs ［J］ ．Journalof Environmental Engineering-Asce， 2009， 135 3 109- 117． 下转第 37 页 03 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 图 1不同混凝剂对锰离子的处理效果 图 2不同混凝剂对铬离子的处理效果 以通过电性中和形成沉淀物而将离子去除， 但其效果 不如铝盐混凝剂， 这主要是因为在实验条件下 PAC 能产生多羟基络合物， 这些羟基络合物对铬和锰均有 一定的网捕作用。但是， 当加入量为90 mg/L后， 去除 率增加缓慢， 并且开始下降， 这主要是因为加入过量 的混凝剂， 使原本脱稳的溶液又产生电位而稳定。实 验表 明 PAC 的 处 理 效 果 比 PAM 好，其 用 量 为 90 mg/L。 2. 3实验结果和分析 经过 2 组实验 取平 均值 得 到实 验 结 果如图 3 所示。 从图 3 可以看出 PAM 投加量越大， 锰和铬的去 除率越高， 这是因为在实验条件下 PAM 有絮凝作用， 可使沉淀絮团增大， 加速沉淀过程。当聚丙烯酰胺加 到50 mg/L 以 后， 锰 和 铬 的 去 除 率 增 加 变 缓， 所 以 PAM 最佳投入量为50 mg/L。 图 3助凝剂投入量对处理效果的影响 3结论 通过进行最佳水力条件、 最佳混凝剂和最佳助凝 剂投加量的选择实验后， 可确定最佳混凝剂组为 聚 合氯化铝 － 聚丙烯酰胺， 其最佳投加量分别为 聚合 氯化铝为90 mg/L， 聚丙烯酰胺为50 mg/L。当 pH 9. 0 时， 采用先投加无机混凝剂再投加有机混凝剂的 顺序， 水力条件工艺控制为先加无机混凝剂， 慢速搅 拌1 min， 再 加 有 机 助 凝 剂 快 速 搅 拌2 min， 效 果 为 最佳。 废水经处理后浊度可以降至 12 ～ 16 NTU， 水质 清澈， 形成的沉淀颗粒大而易于回收， 且此沉淀可加 酸溶解， 溶解后可与锰矿浸出， 用于电解生产金属锰。 参考文献 ［1］姚俊， 田宗平， 姚祖风， 等． 电解金属锰废水处理的研究［J］． 中 国锰业， 2000， 18 3 25- 27． ［2］樊玉川． 含锰废水处理研究［J］． 湖南有色金属， 1995， 14 3 36- 38． ［3］国家环保局编委会． 水和废水监测分析方法［M］． 3 版． 北京 中国环境科学出版社， 199796- 120． 作者通信处钟琼410004湖南长沙环境保护职业技术学院环境 工程系 E- mailzhongqiong5302 163． com 2012 － 09 － 16 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 30 页 ［4］卫泽斌，胡启智，刘 雯，等． 利用磷富集植物去除和回收污水 中的磷［J］． 水处理技术，2010，36 4 6- 8． ［5］吴湘，杨肖娥，韩志萍，等． 铜绿微囊藻对漂浮栽培植物去除 氮磷效应的影响［J］． 水土保持学报，2010，24 6 251- 254． ［6］刘云根， 田昆， 刘惠芳． 新型除磷剂应用于滇池富营养化水体的 试验研究［J］． 环境工程， 2010， 28 1 36- 39． ［7］Hsieh C，Davis A P，Needelman B A． Bioretention column studies of phosphorus removal from urban stormwater runoff［J］．Water Environment Research，2007，79 2 177- 184． ［8］Read J，Wevill T，Fletcher T，et al． Variation among plant species in pollutant removal from stormwater in biofiltration systems［J］． Water Research，2008， 42893- 902． ［9］Sun X L，Davis A P． Heavy metal fates in laboratory bioretention systems［J］． Chemosphere，2007，661601- 1609． ［ 10］张超兰，陈秀娟，韦必帽，等． 沉水、 挺水培养水生植物去除 污水中氮磷的效果研究［J］． 西南农业学报，2009，22 3 786- 790． ［ 11］常会庆，寇太记，乔鲜花，等． 几种植物去除污染水体中养分 效果研究［J］． 水土保持通报，2009，29 5 118- 122． 作者通信处杨晓华100875北京师范大学环境学院 E- mailXiaohuayang bnu． edu． cn 2012 － 09 － 23 收稿 73 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期