2018, Vol. 39
2. 南京信息工程大学环境科学与工程学院, 南京 210044;
3. 江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室, 南京 210044
2. School of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China;
3. Jiangsu Key Laboratory of Atmospheric Environment Monitoring and Pollution Control, Nanjing 210044, China
人工湿地由基质、植物和微生物等组成, 并利用物理、化学和生物的协同作用, 通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解等作用来实现对污水的高效净化[1].人工湿地的基质可以支持植物生长并且为微生物提供附着场所.生物炭(biochar)是指生物质在无氧或限氧条件下, 通过热解形成的一种含碳量丰富、性质稳定的产物[2].目前, 生物炭在土壤改良应用方面越来越广[3, 4].
在环境治理方面, 生物炭多孔的结构和较大的比表面积, 使其与活性炭一样可被用来作为净化污水的吸附剂[5], 以降低污水中的氨氮和磷酸盐含量[6], 并将其转化为植物生长所需的氮、磷元素[7].段婧婧等[8]报道, 加入生物炭可以降低污水TN浓度并有效利用污水中的氮、磷元素, 以提高水芹产量.另外, 生物炭已用于人工湿地以提高人工湿地的净化能力, 如生物炭可显著提高垂直流人工湿地对污水的净化效率[9].唐美珍等[10]的研究表明, 用生物炭固定化的Pseudomonas flava WD-3可提高冬季人工湿地的净化能力, 其对COD、氨氮和TP的去除率分别为游离菌的1.03、1.15和1.14倍.卢少勇等[11]的研究发现生物炭在人工湿地中既可以吸附氨氮, 也可以为反硝化提供碳源.然而有关生物炭对湿地植物根系生长的影响等鲜见报道.为此, 本文将生物炭加入人工湿地以研究生物炭对湿地植物根系形态及溶解氧的影响, 以期为生物炭在人工湿地中的应用提供理论基础.
1 材料与方法 1.1 实验材料本实验中所用的生物炭为市售小麦秸秆、芦苇和木屑生物炭; 细砂购自建材市场, 细砂为0~0.3 mm、0.3~1 mm、1~2 mm、2~3 mm和>3 mm的粒径百分比分别是32%、26%、7%、10%和25%.菖蒲取自南京信息工程大学校园池塘; 实验用水模拟生活污水, 由磷酸二氢钾、葡萄糖、氯化铵和硝酸钾等配置而成, 其水质指标如表 1所示.
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表 1 实验进水水质指标 Table 1 Quality of the influent water |
1.2 人工湿地设计
人工湿地由2个花盆组成(图 1), 其中外盆直径30 cm, 高16 cm, 底部有凸起; 内盆底部直径20 cm, 且有4个直径为1 cm的孔洞, 顶部直径28 cm, 高30 cm, 外盆和内盆中的水可通过内盆底部孔洞自由交换.将3种生物炭(小麦秸秆生物炭、芦苇生物炭和木屑生物炭)分别与细砂按1:9(体积比)的比例混合均匀, 混合后的基质为细砂+秸秆炭、细砂+芦苇炭和细砂+木屑炭.分别将混合后的3种基质7 L放置于内盆中, 同时将1 L基质装入根袋中, 并在根袋中插入带孔的PVC管(PVC管材直径5 cm, 长20 cm, 每隔5 cm钻孔, 图 1), 然后将根袋放入内盆基质中构成人工湿地.另外设对照(CK)处理, 即内盆和根袋中只放细砂, 未放生物炭.在每个人工湿地根袋中种植长度约为10 cm的菖蒲幼苗2株, 种植密度33株·m-2.每种人工湿地设3次重复.
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图 1 模拟人工湿地示意 Fig. 1 Schematic of the constructed wetland |
人工湿地于2017年5月建立, 并加入污水运行, 在运行期间, 每隔1周加入1次污水以确保菖蒲正常生长.在10月20日, 加入污水8 L, 然后在加入污水后的第2、4和6 d[相当于水力负荷0.06、0.03和0.02 m3·(m2·d)-1]测定人工湿地PVC管中的溶解氧含量, 并分别取样分析污水中氨氮、总氮、总磷及COD含量. 11月3日, 将根袋从盆中取出, 然后将根系从根袋中取出并分析根系形态和生物量.
1.3 分析方法水样中铵态氮采用水杨酸分光光度法测定, 总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定, 总磷采用钼酸铵分光光度法测定, COD采用重铬酸钾氧化法测定, 具体方法参照文献[12].人工湿地溶解氧含量采用溶解氧仪(上海雷磁JPB-607A)测定.菖蒲的总根长、总根投影面积、总根表面积、总根体积、总根尖数和分枝数用加拿大Regent公司的WinRHIZO根系分析系统分析.
污染物去除率的计算公式[13]为:
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式中, c0为初始污染物浓度, mg·L-1; ct为t天后污染物浓度, mg·L-1.
1.4 数据分析利用Microsoft Office Excel 2003进行数据处理并绘图; 利用SPSS 22.0进行数据分析, 采用单因素方差分析和LSD法比较不同处理间根系形态和氨氮、总氮、总磷和COD去除率的差异, 利用Pearson相关系数分析根系形态与污染物去除率、溶解氧含量之间的相关性及显著水平, 所有数据均采用平均值±标准差表示.
2 结果与分析 2.1 生物炭对人工湿地去除氨氮的影响加入污水2 d后, 基质为秸秆炭+细砂、芦苇炭+细砂和木屑炭+细砂的人工湿地对氨氮去除率与未加生物炭人工湿地(CK)相比分别增加29.9%、38.6%和23.2%, 其中添加芦苇炭的人工湿地与CK处理对氨氮的去除存在显著差异(P < 0.05).污水加入4 d后, 与CK处理相比, 加入生物炭的人工湿地对氨氮去除率分别增加36.0%、51.9%和27.0%, 其中加入秸秆炭、芦苇炭和木屑炭的人工湿地对氨氮去除与CK相比均存在显著差异(P < 0.05).加入污水6 d后, 与CK处理相比, 加入生物炭的人工湿地对氨氮的去除率分别增加11.36%、14.75%和8.24%, 各处理间均无显著差异(图 2).由此可见, 在短期内(4 d)加入生物炭可促进人工湿地对氨氮的去除, 停留时间超过6 d后, 生物炭对人工湿地去除氨氮无显著影响.添加生物炭对人工湿地去除氨氮的影响能力为:木屑炭>秸秆炭>芦苇炭.
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不同小写字母表示P < 0.05差异显著性水平, 下同 图 2 人工湿地对氨氮的去除率 Fig. 2 Removal rate of ammonia nitrogen by the constructed wetland |
加入污水2 d后, 基质为秸秆炭+细砂、芦苇炭+细砂和木屑炭+细砂的人工湿地对总氮去除率与CK相比分别增加26.4%、16.7%和27.6%.加入污水4 d和6 d后, 与CK相比, 加入秸秆炭、芦苇炭和木屑的人工湿地对总氮去除率分别增加26.6%与10.2%、21.8%与7.2%和41.6%与16.4%, 其中添加木屑炭的人工湿地与CK处理对总氮去除呈显著差异(P < 0.05, 图 3).添加生物炭对人工湿地去除总氮的影响能力为:木屑炭>秸秆炭>芦苇炭.
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图 3 人工湿地对总氮的去除率 Fig. 3 Removal rate of total nitrogen by the constructed wetland |
加入污水2 d后, 基质为秸秆炭+细砂、芦苇炭+细砂和木屑炭+细砂的人工湿地对总磷的去除率与CK相比分别增加121.5%、74.0%和136.1%, 其中添加木屑炭与芦苇炭的人工湿地对总磷的去除率呈显著差异(P < 0.05).相同地, 加入污水4 d和6 d后, 与CK相比, 添加3种生物炭的人工湿地对总磷去除率分别增加25.4%与18.5%、20.5%与16.0%和47.6%与29.3%(图 4).添加3种生物炭对人工湿地去除总磷的效果表现为:木屑炭>秸秆炭>芦苇炭.
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图 4 人工湿地对总磷的去除率 Fig. 4 Removal rate of total phosphorus by the constructed wetland |
加入污水2 d后, 基质为秸秆炭+细砂、芦苇炭+细砂和木屑炭+细砂的人工湿地对COD去除率与CK相比分别增加21.7%、16.0%和22.7%, 加入生物炭显著提高了人工湿地对COD的去除率(P < 0.05). 4 d和6 d后, 与CK相比, 加入生物炭的人工湿地对COD去除率分别增加6.0%与4.5%、5.1%与3.6%和8.7%与9.7%, 加入木屑炭显著提高了人工湿地对COD的去除率(P < 0.05, 图 5). 3种生物炭对人工湿地中COD去除的效果表现为:木屑炭>秸秆>芦苇.
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图 5 人工湿地对COD的去除率 Fig. 5 Removal rate of COD by the constructed wetland |
加入污水2 d后, 基质为秸秆炭+细砂、芦苇炭+细砂和木屑炭+细砂的人工湿地中溶解氧含量与CK相比分别增加255.6%、214.3%和357.1%;相同地, 4 d和6 d后, 与CK相比, 添加3种生物炭的人工湿地中的溶解氧含量分别增加107.1%与63.9%、93.6%与52.5%和134.0%与84.7%.添加生物炭显著提高了人工湿地中的溶解氧含量(P < 0.05, 图 6), 4种人工湿地中溶解氧含量大小为:添加木屑炭人工湿地>添加秸秆炭人工湿地>添加芦苇炭人工湿地>CK.
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图 6 人工湿地溶解氧的变化 Fig. 6 Variation of dissolved oxygen in the constructed wetland |
人工湿地中加入生物炭后, 菖蒲总根长和总投影面积显著增加(P < 0.05)[图 7(a)和7(b)].与CK处理相比, 加入秸秆炭、芦苇炭和木屑炭后菖蒲总根长分别增加52.3%、42.2%和96.1%;相同地, 菖蒲总根投影面积也分别增加68.7%、57.2%和106.2%.菖蒲总根长和总根投影面积均为添加木屑炭的人工湿地显著高于添加秸秆或芦苇生物炭人工湿地(P < 0.05).人工湿地中加入生物炭后, 菖蒲总根表面积、总根体积均显著增加(P < 0.05)[图 7(c)和7(d)].与CK处理相比, 人工湿地中加入秸秆炭、芦苇炭和木屑炭后菖蒲总根表面积和总体积分别增加68.7%与85.4%、57.2%与72.7%和106.2%与185.6%, 且加入木屑炭的人工湿地中菖蒲总根表面积和总根体积显著高于添加芦苇炭或秸秆炭的人工湿地(P < 0.05).
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图 7 菖蒲根系形态 Fig. 7 Root morphological characteristics of Acorus calamus L. |
人工湿地加入木屑炭后, 菖蒲总根尖数、总分枝数显著高于添加秸秆炭或芦苇炭的人工湿地(P < 0.05)[图 7(e)和7(f)].与CK处理相比, 人工湿地加入秸秆炭、芦苇炭和木屑炭后菖蒲的总根尖数分别增加76.1%、64.0%和172.5%, 相同地, 加入3种生物炭后, 菖蒲根的分枝数也分别增加31.4%、19.8%和75.3%.人工湿地中加入3种生物炭后对菖蒲根尖数和总分支数的影响能力为:木屑炭>秸秆炭>芦苇炭.
人工湿地中加入木屑炭后, 菖蒲地上部分和根干重显著高于CK处理(P < 0.05)[图 8(a)].加入秸秆炭、芦苇炭和木屑炭后人工湿地中菖蒲地上部分干重分别增加47.9%、42.1%和84.9%, 相同地, 菖蒲根的干重也分别增加66.1%、32.9%和121.6%, 并且添加木屑炭处理与芦苇炭处理间有显著差异(P < 0.05). 3种生物炭对菖蒲根和地上部分干重的影响表现为木屑炭>秸秆>芦苇.
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图 8 菖蒲根和地上部分干重 Fig. 8 Dry weight of Acorus calamus L. |
菖蒲根系形态影响了人工湿地溶解氧含量.相关分析显示, 菖蒲总根长、总投影面积、总表面积、总体积、总分枝数、总根尖数和根干重与人工湿地中溶解氧含量均呈极显著正相关(P < 0.01)(表 2).植物根系泌氧量与植物光照条件、植物叶面积[14]和生物量有关[15], 在本研究中, 加入生物炭后菖蒲地上部分(叶)干重增加[图 8(b)], 叶面积变大, 光合作用增强, 从而增加了菖蒲根系的泌氧量.黄丹萍等[16]发现菖蒲的根尖泌氧量最大, 离根尖越远, 泌氧量越小.因此本研究中加入生物炭后, 菖蒲总根尖数显著增加[图 7(e)], 从而使得菖蒲根系泌氧量增大, 增加了人工湿地中的溶解氧含量.
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表 2 湿地植物根系形态与水质指标的相关性分析1) Table 2 Correlation analysis of the root system features of the wetland plants with water quality indices |
3.2 湿地植物根系形态对人工湿地净化能力的影响
人工湿地加入生物炭增加了人工湿地对氨氮的去除率, 且在第4 d, 加入的3种生物炭均显著增加了人工湿地对氨氮的去除率(P < 0.01)(图 2).卢少勇等[11]认为生物炭可吸附氨氮而增加人工湿地对氨氮的去除, 因此, 加入生物炭提高人工湿地对氨氮的去除率可能与生物炭吸附氨氮有关.然而, 在本研究中, 相关分析显示人工湿地对氨氮去除率与根系形态参数相关性不高(表 2), 可能与人工湿地对氨氮的去除主要与基质的吸附和离子交换有关[17, 18].因此, 在本研究中菖蒲对氨氮的吸收不是去除氨氮的主要途径.
相关分析结果表明, 在第6 d时, 人工湿地对总氮的去除率与菖蒲根长、投影面积、表面积、总体积、根尖数和分枝数呈极显著正相关(P < 0.01), 与地上部分和根干重呈显著正相关(P < 0.05).加入生物炭提高人工湿地对总氮的去除率, 可能有以下二方面的原因:一是因为菖蒲的根系及基质的吸附作用使得氮在根区大量聚集, 同时一部分氮被根系吸收[19].二是菖蒲根系为微生物提供附着场所[20], 根系越发达, 对微生物的生长和繁殖越有利[21], 特别是生物炭促进了菖蒲根系泌氧, 增加根际溶解氧含量, 有利于硝化细菌数量的增加, 从而促进氮的去除.
本实验中菖蒲根长、投影面积、表面积、总体积、根尖数、分枝数和根干重与总磷去除率均呈极显著正相关(P < 0.01).湿地中磷的去除主要包括植物、基质和微生物的共同作用[22, 23].李爱权等[24]认为在无植物的垂直流人工湿地中基质对磷的吸附是去除磷的重要途径.李林锋等[25]的研究发现有湿地植物的人工湿地对总磷的去除显著优于无湿地植物的湿地.徐德福等[26]的研究发现湿地植物对磷的吸收量与生物量成显著正相关.因此, 加入生物炭后菖蒲根系形态特征与总磷去除呈显著正相关, 可能与生物炭促进菖蒲根系生长(图 8), 进而提高根系对磷的吸收量有关.从表 2可以看出, 人工湿地对COD的去除与根系形态参数也呈正相关, 其原因可能与生物炭促进植物根系生长, 增加根系泌氧量, 提高人工湿地溶解氧含量有关.另一方面根系分泌物对根际土壤的生物活性有一定的促进作用[27], 因此, 生物炭促进菖蒲根系生长, 可能增加根系分泌物的数量, 从而提高了基质微生物活性, 促进了有机物的分解, 提高COD的去除率.
4 结论(1) 添加秸秆炭、芦苇炭和木屑炭提高了人工湿地对氨氮、总氮、总磷和COD的去除率和人工湿地中溶解氧含量, 另外, 添加生物炭促进了菖蒲根的生长, 增加了菖蒲的根长、根重、根面积、根体积、分枝数和总根尖数.
(2) 人工湿地中菖蒲的根长、根重、根面积、根体积、分枝数和总根尖数与湿地溶解氧含量、总氮、总磷和COD去除率呈显著正相关性.
(3) 不同生物炭对菖蒲根系形态的影响不同, 木屑炭比秸秆炭和芦竹炭更能促进菖蒲根系的生长和提高人工湿地对污水的净化能力.
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