高盐废水人工湿地处理中耐盐植物的筛选

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

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4 000～8 000 mg·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%[3-5]；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[6-8]。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。

1.3 人工湿地实验装置

实验装置长为800 mm，宽为600 mm，高为700mm，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。

氯离子去除率=3 次重复试验的去除率平均值-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、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。

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。

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。

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。