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  农业资源与环境学报  2014, Vol. 31 Issue (1): 74-78

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尚克春, 刘宪斌, 陈晓英
SHANG Ke-chun, LIU Xian-bin, CHEN Xiao-ying
高盐废水人工湿地处理中耐盐植物的筛选
Screening of the Salt Tolerant Plants for High Salinity Wastewater Treatment by the Artificial Wetland
农业资源与环境学报, 2014, 31(1): 74-78
Journal of Agricultural Resources and Environment, 2014, 31(6): 513-520
http://dx.doi.org/10.13254/j.jare.2013.0137

文章历史

收稿日期:2013-09-05
高盐废水人工湿地处理中耐盐植物的筛选
尚克春1,2, 刘宪斌1, 陈晓英3     
1.天津科技大学海洋科学与工程学院, 天津 300457;
2.天津市滨海新区塘沽环境保护监测站, 天津 300450;
3.天津市滨海新区塘沽环保产业服务中心, 天津 300450
摘要:天津塘沽作为滨海新区核心区,是目前天津发展最快的地区之一。由于本区盐碱土壤等自然条件,污水中盐分含量较高,制约了废水的回用。本文通过模拟人工湿地实验,比较了芦苇(Phragmites australis)、盐地碱篷(Suaeda salsa)、碱蒿(Artemisia anethifolia)、黄花鸢尾(Iris wilsonii)、盐角草(Salicornia europaea)和大米草(Spartina anglica)等耐盐植物对轻污染水体中高浓度氯离子的去除能力,筛选出去除能力较强的植物,并确定植物对盐分去除率达到最大时的生态系统条件。结果表明,适合人工湿地的耐盐碱植物对氯离子的去除效果依次为:芦苇>盐地碱篷>碱蒿>黄花鸢尾>盐角草>大米草,停留时间一般在第4 d时可达到平衡。该研究为利用人工湿地处理高盐废水提供了科学依据。
关键词高盐废水     耐盐植物     人工湿地    
Screening of the Salt Tolerant Plants for High Salinity Wastewater Treatment by the Artificial Wetland
SHANG Ke-chun1,2, LIU Xian-bin1, CHEN Xiao-ying3    
1.Marine Science Engineering College, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China;
2.Tanggu Environmental Protection Monitoring Station, Binhai New Area of Tianjin City, Tianjin 300450, China;
3.Tanggu Environmental Protection Industrial Service Center, Binhai New Area of Tianjin City, Tianjin 300450, China
Abstract:Tanggu, as the core area in Binhai New Area, is currently one of the fastest developing areas in Tianjin City. Because of the saline alkali soil and other natural conditions, wastewater reuse is restricted by high salinity. The removal of high concentration chloride by Phragmites australis, Suaeda salsa, Artemisia anethifolia Weber, Iris wilsonii, Salicornia europaea, and Spartina anglica in light polluted water was compared by the simulation experiment of artificial wetland. The plants with stronger removal ability were selected and the ecosystem condition with maximum removal rate was determined. The results showed that the removal effect of chloride by salt-tolerant plants in artificial wetland was: Phragmites australis>Suaeda salsa>Artemisia anethifolia>Iris wilsonii>Salicornia europaea>Spartina anglica. The removal efficiency reached balance after four days. This study provided a scientific basis for the high salinity wastewater treatment by artificial wetland.
Key words: high salinity wastewater     salt-tolerant plants     artificial wetland    

天津塘沽地处华北平原东部,是我国制盐、制碱、造船和海洋石油开发的重要基地。但塘沽因土壤含盐量高,水资源不足,降水偏少,地下水矿化度高难以利用,而成为资源型缺水地区。水资源短缺与利用的矛盾,严重制约着本地经济、社会及农业的快速发展。因此,如何用低成本的方式,降低废水中的盐分,使废水资源化,成为亟待解决的问题。

人工湿地具有氮磷污染物去除能力强、耐污染冲击负荷和运转维护管理方便等优势,已被应用于各种高含盐量废水的深度处理[1]。前人研究结果表明,人工湿地对沿海高盐度地区(含盐量为4000~8000mg·L-1)的微咸水中总氮和总磷的最高去除率分别可达50%和37%[2];对城市污水处理厂处理后含盐量较高(含盐量为5 000~7 000 mg·L-1)的再生水中有机污染物去除率约为30%[3, 4, 5];对含盐量较高的水产养殖废水中氮、磷也有很好的去除效果[6, 7, 8]。人工湿地处理系统综合了物理、化学、生物3种作用,能够去除污水或废水中的有机物、氮、磷和重金属等[9],采用此方法实现污水的再生回用不仅适合国情,同时也适合塘沽区情。针对塘沽本地污水中含盐量较高的特点,人工湿地中耐盐植物的筛选显得尤为重要。

本研究构建了高盐度进水条件下人工湿地的实验装置,比较了不同耐盐植物对氯离子的去除效果,并研究植物对盐分的去除率达到最大时的生态系统条件,筛选出耐盐范围较高的植物,为利用人工湿地处理高盐废水提供了科学依据。 1 材料与方法 1.1 人工湿地实验耐盐植物的筛选

所选植物是通过野外调查和室内实验相结合的办法筛选出的,最终选定为6 种植物:芦苇、黄花鸢尾、大米草、盐角草、盐地碱蓬和碱蒿。 1.1.1 耐盐植物的耐盐性调查

在天津滨海新区塘沽及周边地区,采取野外调查与资料查阅相结合的办法,对本区的株高在1 m以下的野生耐盐植物的耐盐程度进行了调查,共调查盐碱植物23种、隶属17 科。 1.1.2 植物的耐盐性室内实验

结合野外调查结果,初步选定塘沽本地耐盐较高的6种植物和人工湿地常用5 种植物作为实验植物,按水生植物和陆生植物分类分别设计实验,测定其耐盐范围。水生植物包括芦苇、香蒲、水葱、水葫芦、黄花鸢尾、美人蕉和大米草,经去土、洗净根后置于高为25 cm、直径为20 cm的烧杯内进行培养。人工基材采用约2 cm 厚度的泡沫板,并在板上打孔,以固定植物。每个烧杯种植1棵植物,每种植物各重复3 次。陆生植物包括盐角草、枸杞、盐地碱蓬、碱蒿,种在高为20 cm、直径为70 cm 的塑料大盆中,采用花园土作为栽培基质。植物上盆后,盆中盛有相同体积的污水,并要求水面高度接近盆弦,水量7 L。同时设置未种植物的空白对照。每盆栽植植物的初始数量与其原生条件下单位面积内植物数量相同。实验室温度控制在20~25℃,进行20 d的驯养,观察植物在盐度为0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%情况下的生长变化情况。 1.2 实验废水

实验水样取自北排河,污水的水质如表 1 所示。

表 1 北排河水质(mg·L-1 Table 1 Water quality in North Pai River(mg·L-1
1.3 人工湿地实验装置

实验装置长为800 mm,宽为600 mm,高为700 mm,板厚为100 mm,由聚乙烯板构建,容器外侧由角钢焊接加固。进水管设在宽度方向中心一侧,并设置1 个,进水管距离池顶300 mm。出水管设在宽度方向中心另一侧,并设置3 个,其中最顶端的出水管距离底端400 mm,3 个出水管间距200 mm。取样管设置在容器池底中心位置,垂直方向上布置3 支取样管,3个取样管间距200 mm,均匀分布在容器的中间位置。实验装置如图 1 所示。

图 1 实验装置图 Figure 1 Experimental device

本实验所用材料主要包括植物、实验废水和基质。所需基质采用2 种:沸石和鹅卵石,二者孔隙度分别为55.0%和50.4%,其粒径均分别为1~8 mm 和1~10 cm。其中,沸石是沸石族矿物的总称,由硅氧和铝氧四面体组成,是一种含水的碱金属或碱土金属的铝硅酸盐矿物,沸石按矿物特征可分为片状、架状、纤维状及沫粉类4 种;按孔道体系特征沸石分为一维、二维和三维体系。而鹅卵石的主要化学成分是二氧化硅,其次是少量氧化铁和微量的锰、铜、铝、镁等元素及化合物。 1.4 人工湿地的运行与测试方法

进水水源为采集的北排河水,每周采水1 次,并采用连续运行方式向实验装置内进水,进水依靠重力作用缓缓流入,停留时间为7 d。每种植物的栽植数量与其原生条件下单位面积内植物数量相同,每种植物各重复3 次,同时设置未种植物的空白对照。实验过程中,湿地水样取样频率为每日1 次,氯离子测量方法采用硝酸银滴定法,按照参考文献[10]进行。 2 结果与分析

对天津塘沽及周边地区,共调查盐碱植物23 种,隶属17科,结果如表 2 所示。

表 2 本地耐盐植物种类及耐盐范围[11] Table 2 The local salt tolerant plant species and their salt tolerance range[11]

根据表 2 得出:最耐盐碱的是禾本科的芦苇、大米草,耐盐度达3%以上,其次是碱蒿、盐角草、盐地碱蓬、枸杞,耐盐度都在2%以上。可选芦苇、大米草、碱蒿、盐地碱蓬、盐角草、枸杞进行下一步室内实验。

对选定的塘沽本地6 种植物和人工湿地常用5 种植物进行室内实验,测定其耐盐范围,实验结果如 表 3所示。

表 3 不同盐度对植株的影响 Table 3 Effect growing of different salinity

表 3可知,芦苇、黄花鸢尾、大米草、盐角草、盐地碱蓬和碱蒿这6种植物可归为重度耐盐植物;枸杞这1 种植物可归为中度耐盐植物;香蒲、水葱、水葫芦、美人蕉这4种植物可归为轻度耐盐植物。选择芦苇、黄花鸢尾、大米草、盐角草、盐地碱蓬、碱蒿这6 种重度耐盐植物进行下一步的人工湿地模拟实验。

测量植物耐盐范围的室内实验,经过20 d的培养,盐度为0.4%时,12 种植物正常生长,都具有良好的适应性,且株高、平均湿重都有所增加,其中芦苇、黄花鸢尾有新芽萌出;盐度为0.6%时,芦苇、黄花莺尾、大米草、盐角草、盐地碱蓬、碱蒿生长良好,平均湿重都有所增加,但香蒲、水葫芦、水葱和美人蕉生长缓慢,枸杞继续生长伴有叶片枯萎;盐度为0.8%时,芦苇、大米草、盐地碱蓬、碱蒿生长良好,湿重和株高都在增加,盐角草、黄花鸢尾仍可以继续生长,但长势略缓,枸杞叶片枯萎;盐度为1.0%时,芦苇、黄花鸢尾、盐地碱蓬和碱蒿没有新叶萌发,叶片枯萎脱落,湿重减少;盐度达到1.2%时,碱蒿老叶枯萎,根部变黑。香蒲、水葱、美人蕉和黄花鸢尾的耐盐范围研究结果与郭焕晓等[2]研究相一致。相比之下,芦苇、盐地碱蓬、碱蒿、黄花鸢尾、盐角草、大米草耐盐性较好,适于作为高盐度地区废水人工湿地的植物。

图 2 可以看出,芦苇、盐地碱蓬、碱蒿、黄花鸢尾、盐角草和大米草6种植物对高盐废水中氯离子的去除,停留时间一般在第4 d时可达到平衡,去除效果依次为:芦苇>盐地碱篷>碱蒿>黄花鸢尾>盐角草>大米草,芦苇、盐地碱篷、碱蒿这3 种植物去除氯离子情况相一致,且其去除效果明显好于黄花鸢尾、盐角草、大米草。

图 2 不同停留时间植物对氯离子的去除率 Figure 2 Removal rate for plants to remove chloride ion at different dwell time

人工湿地实验结果表明,6 种植物对高含盐量Cl-的去除率是先逐渐增强,到第4 d时可达到平衡。鲁敏等[12]研究发现:对芦苇、香蒲、美人蕉等植物进行人工湿地实验,停留时间1 d 各种植物对CODCr、TN、TP 和浊度就有明显去除,并且出水已基本达到国家一级排放标准。本研究耐盐植物第4 d时达到去除平衡,这是因为高盐量废水对植物具有离子毒害和渗透胁迫等作用[13, 14],随着废水盐度的增加,植物的渗透胁迫升高,导致植物叶片面积和气孔度减少,蒸腾作用减弱等形态学和生理学特征的改变[15, 16],从而影响废水中氯离子等其他物质的去除时间。 3 结论

(1)通过野外调查与资料查阅相结合的办法,调 查塘沽及周边地区盐碱土绿化植物23 种,隶属17 科,其中最耐盐碱的是禾本科的芦苇、大米草等,耐盐 度达3%以上,其次是碱蒿、盐角草、枸杞,耐盐度都在 2%以上。

(2)通过选用11 种植物作为实验植物,进行室内 实验,测定其耐盐范围,结果表明:芦苇、黄花鸢尾、大 米草、盐角草、盐地碱蓬、碱蒿这6 种植物可归为重度 耐盐植物;枸杞这1 种植物可归为中度耐盐植物;香 蒲、水葱、水葫芦、美人蕉这4 种植物可归为轻度耐盐 植物。因此,选定以上6 种重度耐盐植物进行人工湿 地小试实验,测定其对氯离子的去除效果。

(3)通过人工湿地小试实验,得出结论如下:芦苇、 盐地碱蓬、碱蒿、黄花鸢尾、盐角草、大米草6 种植物 对高盐废水中氯离子的去除,停留时间一般在第4 d 时可达到平衡,植物对氯离子的去除效果为:芦苇>盐 地碱篷>碱蒿>黄花鸢尾>盐角草>大米草。芦苇、盐地 碱篷、碱蒿这3种植物去除氯离子效果明显好于黄花 鸢尾、盐角草、大米草。

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