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高盐废水人工湿地处理中耐盐植物的筛选

来源:六九路网
农业资源与环境学报 2014年2月・第31卷・第1期:74—78 ourual ofAgricultural Resources and Environment February 2014・Vo1.31・No.1:74-78 ._. I__‘ 口 同 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 ,陈晓英。 (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(Artemisiaanethifo— lia)、黄花鸢尾(Iris wilsonii)、盐角草(Salieornia europaea)和大米草(spartina an ̄ica)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 中图分类号:X173 文献标志码:A 文章编号:2095—6819(2014)01—0074—05 doi:10.13254 ̄.jare.2013.0137 Screening of the Salt Tolerant Plants for IIigh Saliitny Wastewater Treatment by the Artiifcial Wetland SHANG Ke—chun1,2 LIU Xian-bin .CHEN Xiao—yingz (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 Industiral Se卜 vice 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 lkaali soil and other natural conditions,wastewater reuse is restricted by high salinity.The removal of high concentration chloride by Phrag- mites australis,Suaeda salsa,A rtemisia anethifolia Webe5 Iris wilsonii,Salieornia 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 condi— tion with maximum removal rate was determined.The results showed that the removal effect of chloride by salt-tolerant plants in artiifcial wetland was:Phragmites austrlais>Suaeda salsa>A rtemisiaanethifolia>Iris wilsonii>Salicomia europaea>spartinaanglica.The removal eficifency reached balance after four days.This study provided a scientific basis for the high salinity wastewater treatment by artificial wet- land. Keywords:high salinity wastewater;salt-tolerant plants;artificil awetland 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 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 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 高含盐量废水的深度处理}l】。前人研究结果表明,人工 湿地对沿海高盐度地区(含盐量为4 000—8 000 mg・L一) 的微咸水中总氮和总磷的最高去除率分别可达50% 和37%tzl;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- )的再生水中有机污染物 去除率约为30%t -51;对含盐量较高的水产养殖废水 此,如何用低成本的方式,降低废水中的盐分,使废水 收稿日期:2013—09—05 作者简介:尚克春(1984一),女,硕士研究生,工程师,主要从事环境管 理和监测工作。E-maih 641244662@qq.tom ・---——74・---—— 尚克春,等:高盐废水人工湿地处理中耐盐植物的筛选 中氮、磷也有很好的去除效果[6-8]。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 ,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.O%、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。 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 2014年2月 表1北排河水质(mg・L- ) Table 1 Water quMity in Noah Pai River(mg・L ) 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。 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;按孑L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 作用缓缓流人,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[101进行。 氯离子去除率:3次重复试验的去除率平均值一 对照试验去除率。 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。 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、 一75— 农业资源与环境学报・第3l卷・第1期 取样管 f / : / 41,,- …E 口 管 c _ 、  ’I r晷 8 : ==j-c 进水管 : l . ● Iu‘_ 蘸Ir 晷 /、——: > 一一一 r、 /I/  起T、、 ● / 80o S 图实验装置图图1实验装置Figure 1 Experimental device / 面立体图(mm)“  表2本地耐盐植物种类及耐盐范围…1 Table 2 The local salt tolerant plant species and their salt tolerance range【“] 名称 芦苇(Phragmites australis) 枸杞(Lycium bucbarum) 盐角草(Salicornia europaea) 盐地碱蓬(S 如sdsa) 科名 禾本科 茄科 藜科 藜科 株高/cm >lo0 >l0o 10 ̄lo0 20-80 30~10o <20 40-13O 60-120 5~20 <20 5O~15O <2O <20 耐盐范围,% 3.O^¨4.O 2.65—3.O 2.5-3.0 2.5-3.6 1.5-3.O2 生理类型 拒盐植物 专性聚盐植物 聚盐植物 专性聚盐肉质植物 碱蒿(Artemisia anethifolia) 单叶蔓荆(Vitex trifolia) 大米草(印artina anglicaHubb) 藜(Chenopodium album) 藜科 马鞭草科 禾本科 藜科 菊科 专性聚盐肉质植物 专性盐生植物 专性泌盐植物 专性泌盐植物 专性盐生植物 专性盐生植物 O.6~O.8 3.O~4.0 0.1~2.O 0.6-0.8 碱地蒲公英(Herba Tol-t ̄uci) 凤尾兰(Yucca Gloriosa L) 百合科 木犀科 茄科 1.0左右 0.4左右 O_3~0.6 0.3~0.4 金叶女贞(Ligustrum ∞研L) 曼陀罗(Datura stramonium) 马莲(ia lracteal Pal1) 兼性耐盐植物 耐盐性能强 耐盐性能强 兼性耐盐植物 鸢尾科 马齿苋科 景天科 大花马齿苋(Portulacagrandilfora) 费菜(Sedum aizoon) 五叶地锦(P.thomsoni L) 2.5 20—5O 3~10 30-1oo 5-30 <20 <20 5O~120 10o~150 <2O 0.3O 0-30 O_3~0.4 0.3-0.6 0.3~O.6 0.30 0-30 O-3O O.3O O_3O 兼性耐盐植物 兼性耐盐植物 兼性耐盐植物 兼性耐盐植物 葡萄科 豆科 紫花苜蓿(Medicago sativa L) 地黄(Rehmannia) 一玄参科 唇形科 苋科 菊科 串红(Salviasplendens Ker-Gawler) 鸡冠花(Cockscomb Flower) 兼性耐盐植物 轻盐碱植物 野菊花(Dendranthema indicum) 芙蓉葵(Hibiscus moscheutos) 牵牛(Pharbitis nil(Linn ̄)Choisy) 轻盐碱植物 兼性耐盐植物 兼性耐盐植物 锦葵科 旋花科 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。 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 由表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 一养,盐度为0.4%时,12种植物正常生长,都具有良好 76一 尚克春,等:高盐废水人工湿地处理中耐盐植物的筛选 2014年2月 舳 加 ∞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 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 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 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。 人工湿地实验结果表明,6种植物对高含盐量 cl一的去除率是先逐渐增强,到第4 d时可达到平衡。 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 鲁敏等 2J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COD TN、 TP和浊度就有明显去除,并且出水已基本达到国家 一减少;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 2J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。 由图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 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【 ,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 q,从而影响废 水中氯离子等其他物质的去除时间。 0 停留时间/d 图2不同停留时间植物对氯离子的去除率 Figure 2 Removal rate f0r plants t0 remove chloride ion at diferent dwell time 一77一 农业资源与环境学报・第31卷・第1期 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l7 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。 参考文献 [1】王琴,张海涛,瞿贤,等.高盐工业废水人工湿地处理中植物的 筛选【JJ_环境工程学报,2012,1(6):227—231. 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