饲草植物对农村生活污水尾水氮磷营养盐吸收特性

于如海，汪思宇，王昀晨，程方奎，吕锡武,*

(1.东南大学能源与环境学院，江苏南京 210000；2.东南大学无锡太湖水环境工程研究中心，江苏无锡 214000)

随着国家经济技术的高速发展，村落水环境污染呈现日趋严重的现象[1]，我国农村地区污水处理水平较低，80%以上的污水未经处理直接排放[2]，黄季琨等[3]对农村实地情况的调查表明，乡镇企业的发展、人口城镇化等因素均对农村环境产生了不良影响。2007年，徐洪斌等[4]对太湖流域的典型村落调查发现农村生活污水污染物浓度略高于城镇生活污水，提出了水解-生物转盘-人工湿地组合处理工艺。2019年7月，中央农办、农业农村部、生态环境部等九部门印发《关于推进农村生活污水治理的指导意见》[5]，指出治理农村生活污水应本着绿色为本、生态发展的原则，鼓励通过栽植植物实现生态化改造。人工湿地作为生态单元，通过植物、基质、微生物三者协同作用[6]进行水质净化，具有投资省、易维护的特点[7]，已被广泛应用于尾水处理。传统的湿地植物如水生蔬菜——金花菜亩产量低[8]，花卉植物生长速度慢，因此，在保证出水水质的情况下，如何强化湿地植物氮磷资源化利用是进行生态化改造的关键问题。

1 试验材料和方法

1.1 饲草植物的选择

根据饲草植物的生物量、生长耐受性进行筛选，选定江西洪绍农业发展有限公司的巨菌草、甜象草、皇竹草3种饲草作为本次研究对象。

1.2 试验方法

1.2.1 植物吸收动力学试验

吸收动力学研究在20世纪50年代初开创并发展，能有效地将不同植物每个时间段对不同营养元素的吸收过程进行量化，该研究引入最大吸收速率和离子亲和力这2个参数，为植物的筛选提供了有力依据[18]。20世纪70年代，Nielsen[19]提出最低平衡浓度(Cmin)，为更全面的定量描述植物根系对不同养分的吸收情况提供新的指标。因此，开展饲草植物对各种营养盐吸收动力学试验有助于进一步明确饲草植物对湿地系统中氮磷等营养元素的去除机理，为在不同营养环境水体中筛选能有效去除氮素磷素的植物提供理论依据。

试验结束后立即将植物从溶液中取出，用去离子水将植株根系冲洗干净，放入烘箱，先将烘箱温度调至105 ℃，烘干30 min进行杀青，再将温度调至80 ℃，烘至恒重，称量干重。

1.2.2 饲草型湿地净化尾水试验

图1 人工湿地剖视图

1.3 测定方法

2 结果与讨论

2.1 植物吸收动力学参数计算

采用一元二次多项式拟合离子消耗曲线方程，方程如式(1)。

y=ax2+bx+c

(1)

其中：x——植物在溶液中的吸收时间，h；

y——烧杯中经植物吸收后的溶液质量浓度，mg/L。

对式(1)求一阶导数，可得到溶液浓度变化速率随时间的方程，方程如式(2)。

y′=2ax+b

(2)

令x→0，则y′=b即浓度的最大变化速率，由此得最大吸收速率，计算如式(3)。

Imax=b·V/m

(3)

其中：V——加入溶液体积，L；

m——根干重，g；

Imax——最大吸收速率，μg/(g·h)。

将y′=1/2b带入式(2)中求出x，再将x带入式(1)，所求得的y为Km，Km为亲和力常数。Imax越大，表明植物对该离子的潜在吸收能力越大。1/Km表示根系亲和力，与Km成反比，Km越小，植物对该离子的亲和力越强。

令y′=0，求出植物在溶液中吸收速率为0的时间，代入式(1)，求出体系的Cmin，Cmin越小，说明植物能从养分贫瘠的环境吸收营养的能力越强，耐贫瘠能力越好。另外，再引入α、β来比较根系吸收速率、植物对养分的耐瘠能力，计算如式(4)～(5)。

α=Imax/Km

(4)

(5)

其中：Km——亲和力常数，mg/L；

Cmin——平衡质量浓度，mg/L。

α越大，离子进入植物体内速率越快；β越小，植物耐瘠能力越强，越能在低浓度养分条件下生存，α和β的引入可以有效地克服亲和力常数、平衡浓度排序不一致的矛盾。

Cacco等[23]将植物Imax和Km分成4种组合。(1)高Imax、低Km，适应于广泛营养；(2)高Imax、高Km，适应于高浓度营养；(3)低Imax、低Km，适应于低浓度营养；(4)低Imax、高Km，任何条件都不利。最大吸收速率越大，植物对该离子的吸收潜力越大，亲和力常数越小，植物对该离子的亲和力越强。

2.2 3种饲草氮、磷吸收动力学试验

图2 3种饲草植物对吸收动力学曲线

表1 3种饲草植物对吸收动力学参数

图3 3种饲草植物对吸收动力学曲线

表2 3种饲草植物对的吸收动力学参数

2.2.3 3种饲草对氨氮的吸收动力学

图4 3种饲草植物对氨氮吸收动力学曲线

表3 3种饲草植物对氨氮吸收动力学参数

3种饲草对氨氮的吸收与其他种类的植物存在较大差异，檀香逸等[28]对8种观赏植物的研究表明，栀子花、红掌、吊兰的Imax分别为43.54、82.36、102.22 μg/(g·h)，均小于饲草；其余5种观赏植物的Imax与巨菌草相似，为125.45～451.33 μg/(g·h)；栀子花的Km为14.96 mg/L，大于巨菌草；观音竹、龟背竹、发财树、白掌、绿萝的Km均小于12.80 mg/L，小于饲草，可见观赏植物对氨氮的亲和力整体优于饲草。巩佳佳等[27]对4种冷季型禾草的研究表明，禾草的Km为15.66～20.16 mg/L，大于饲草；3种饲草中巨菌草的Imax最大为450.96 μg/(g·h)，优于禾草，禾草对氨氮的Imax为166.91～219.00 μg/(g·h)，可见饲草对于氨氮的亲和力优于禾草，巨菌草对氨氮的吸收效果优于禾草。唐艺璇等[24]和张熙灵等[25]的研究发现，挺水植物的Imax均大于349.20 μg/(g·h)且大于饲草，Km均大于14.60 mg/L且大于饲草，可见挺水植物比饲草适合在高氨氮浓度的环境下生存。综上，饲草对氨氮的亲和力比挺水植物和禾草好，具有明显优势，这可能与饲草生长期氮肥需求量大有关，而3种饲草中巨菌草对氨氮的吸收效果最佳。

2.3 饲草型人工湿地尾水净化效果

人工湿地对尾水的净化是由基质吸附、植物吸收、微生物降解三者协同完成，巨菌草、皇竹草、甜象草的生长特性如表4所示，同时考虑对氮磷营养元素的吸收动力学结果以及植物耐受性，选择巨菌草和皇竹草进行湿地种植，进一步探究饲草对湿地运行效果的影响。

表4 3种饲草生长特性对比

由表4可知，巨菌草、皇竹草均有良好的温度耐受性，在0 ℃以上的气温条件植株可正常生长，因此在南方地区冬季采用合适的保暖措施如搭建湿地温室大棚既可保证饲草植物顺利越冬，又可保证湿地冬季出水水质的稳定性。

试验湿地位于江苏省无锡市温室大棚内，自2020年8月通入低污染负荷污水，经过2周的稳苗期，植株长势良好，出水水质稳定，之后进行水力负荷对出水水质影响的探究。试验过程中通过控制蠕动泵改变水力负荷，探究在0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m3/(m2·d)这5种水力负荷下无植物种植与饲草植物种植的人工湿地处理效果差异。

图5 不同水力负荷下的变化

图6 不同水力负荷下的变化

图7 不同水力负荷下氨氮的变化

3 结论

(3)饲草应用于农村生活污水生物处理尾水的研究表明，巨菌草和皇竹草可有效提高污染物去除效果，实现氮磷资源化利用。将拥有良好经济附加值的饲草引入人工湿地，可在实现尾水污染物净化的同时资源化利用氮磷，为农村生活污水处理提供新思路。