用于船舶修造含盐污水处理的人工湿地植物的筛选与配置方法

摘要

本发明涉及一种用于船舶修造含盐污水处理的人工湿地植物筛选与配置方法，在适用于海岸线环境的耐盐草本植物中，利用船舶修造含盐污水的特点，根据耐盐耐污能力、适应能力与生理特性指标来筛选适用于船舶修造含盐污水处理的人工湿地的草本植物，并根据污水的海水含量将筛选得到的草本植物分别进行植物配置。本发明中根据船舶修造含盐污水的特点，通过科学的筛选手段，筛选获得适应于高盐环境且污水净化能力强的湿地植物，并根据各湿地植物特点以及污水的海水含量进行合理的植物配置，本发明中的湿地植物来源广、管理方便、运行成本低且污水净化效果显著，尤其适用于船舶修造含盐污水处理的人工湿地种植。

说明书

技术领域

本发明涉及生态环保技术领域，尤其涉及一种用于船舶修造含盐污水处理的人工 湿地植物筛选与配置方法。

背景技术

世界港口业、海运业的迅猛发展，促进了船舶修造业的进一步繁荣，随着世界船舶 修理产业的东移，给中国船舶工业的发展提供了良好的发展机遇。在船舶修造业等海洋经 济和临港产业发展的同时，船舶洗舱及修理过程将产生大量的修造污水，修造污水包括含 油废水和生活污水，其中含油废水又包括机舱含油废水、压舱水、坞底含油废水等。修造污 水严重影响当地海洋生态环境安全，区域修造污水合理处理、综合利用已成为发展海洋经 济和临港产业、保护海洋生态环境的重大环保问题。

人工湿地污水处理技术是20世纪70年代末发展起来的一种污水处理新技术，是一 种兼具环境效益和生态效益的污水处理方法，不但可以去除污染物，还可以促进污水中营 养物质的循环和再利用，同时还能绿化土地，改善区域气候，促进生态环境的良性循环，并 且由于人工湿地是通过植物-土壤-微生物的综合作用实现污染物的去除的，因而具有广泛 的适用性。植物是人工湿地的重要组成部分，其生长状况极大地影响着人工湿地的运行，因 此选择合适的植物对于人工湿地的高效运行有着重要的意义。例如：人工湿地技术已应用 于高盐土壤及水体环境下污水的处理，付春平等研究了香蒲湿地处理天津泰达地区高含盐 再生水的净化效果，结果表明，香蒲湿地在土壤浅层地下水含盐量高达25000～33000mg· L-1的情况下，处理TDS达到4.8‰的高盐水体，香蒲生长旺盛，对污染物也有较好的净化效 果。郭焕晓通过试验筛选了适合中国北部沿海高盐度地区人工湿地的植物，结果表明，香 蒲、睡莲、水葱、美人蕉、千屈菜和黄花鸢尾都可以用作中国北部沿海高盐度地区微咸水人 工湿地污水处理系统的植物。

这些研究表明采用人工湿地处理沿海船舶修造含盐污水是切实可行的，但是船舶 修造综合废水的高盐度环境对植物的生长具有明显的抑制作用，因而目前还未见这方面的 报道，尤其适合于船舶修造含盐污水处理的人工湿地植物。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术而提供一种用于船舶修造含盐污水 处理的人工湿地植物筛选与配置方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于船舶修造含盐污水处理 的人工湿地植物筛选与配置方法，其特征在于，在适用于海岸线环境的耐盐草本植物中，利 用船舶修造含盐污水的特点，根据耐盐耐污能力、适应能力与生理特性指标来筛选适用于 船舶修造含盐污水处理的人工湿地的草本植物，并根据污水的海水比例将筛选得到的草本 植物分别进行植物配置。

作为优选，所述耐盐草本植物为大米草、黄花鸢尾、花菖蒲、短尾灯心草、水葱、美 人蕉、千屈菜、芦苇及香蒲，上述植物适用于海岸带的含盐环境。

综合根系长度、活力、叶片丙二醛含量、生长量、植物体氮浓度、植物体磷浓度、植 物氮的积累量及植物磷的积累量8个指标进行欧式距离综合聚类分析，作为优选，当船舶修 造含盐污水中海水含量为10％～30％时，所述植物配置为黄花鸢尾、千屈菜及芦苇；当船舶 修造含盐污水中海水含量为30％～50％时，所述植物配置为黄花鸢尾、千屈菜、芦苇及大米 草。

进一步，所述耐盐耐污能力指标为植物生长量和植物氮磷累积量，其中植物氮磷 累积量(PA)的计算公式为：PA＝PC×PB，其中PA为植物氮磷累积量，PC为植物氮磷浓度，PB 为植物生长量；

所述适应能力与生理特性指标为植株生长量、根系长度、根系数量、根系活力以及 叶片丙二醛含量，植株生长量用相对生长速率(RGR)表示，其中W₂和W₁分 别表示实验后(t₂)和实验前(t₁)植株的重量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中根据船舶修造含盐污水的特点，通 过科学的筛选手段，筛选获得适应于高盐环境且污水净化能力强的湿地植物，并根据各湿 地植物特点以及污水的海水含量进行合理的植物配置，本发明中的湿地植物来源广、管理 方便、运行成本低且污水净化效果显著，尤其适用于船舶修造含盐污水处理的人工湿地种 植。

附图说明

图1为实施例2中培养用水中海水的比例为10％时湿地植物的聚类分析图；

图2为实施例2中培养用水中海水的比例为30％时湿地植物的聚类分析图；

图3为实施例2中培养用水中海水的比例为50％时湿地植物的聚类分析图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

调研能应用于海岸带环境的耐盐植物进行了，确定了大米草、黄花鸢尾、花菖蒲、 短尾灯心草、水葱、美人蕉、千屈菜、芦苇、香蒲等为实验的主要对象，进行水培实验。用含海 水比例为10％、30％、50％的污水对上述植物进行培养实验，其中采用的污水水质如下COD, 189.6±26.7；BOD5,82.0±15.6；NH4+-N,21.3±9.0；TN,26.2±10.2；TP,2.4±0.9；SS, 161.0±38.1。经过90天培养，通过观察植株的生长量、根系长度、根系数量、根系活力、叶片 丙二醛(MDA)含量等指标评价其耐盐耐污能力。

植物适应含盐污水的能力由其植株生长量，根系数目、根系长度、叶片丙二醛 (MDA)含量等指标来反映，其中植物的生长量用相对生长速率(RGR)表示，

$RGR=\frac{{\mathrm{lnW}}_2-{\mathrm{lnW}}_1}{t_2-t_1}$

其中W₂和W₁分别表示实验后(t₂)和实验前(t₁)植株的重量。重量采用干重，将植株 在80℃烘箱中烘48小时，测量干重。根系数量采用3株植物的平均根系数计算,根系长度采 用3株植物的最长根平均数计算,根系活力根系活力测定采用TTC法，根系TTC还原量反应了 根系的活力水平，用于判断根系吸收能力的强弱。叶片MDA含量通常用于反映植物在逆境下 的脂膜过氧化的指标，测定方法参照文献进行。

植物耐污去污能力由植物生长量和植物氮磷累积量来表示，其中植物生长量是反 应植物吸收N、P能力的重要指标之一，每种植物在种前称重，经过一定时间培养后再称重， 将待测样品在80℃烘箱中烘至恒重后称重，计算单株平均生长量。植物氮磷积累量表示植 物从湿地系统中带走的氮磷量，是直接反应植物的净化潜力的重要指标，其测定方法为：将 植物样品用H₂SO₄-2H₂O₂消煮制备成溶液，总氮含量用过硫酸钾氧化吸光光度法测定，总磷 用钒钼蓝法测定。植物氮磷积累量(PA)的计算公式为：PA＝PC×PB，式中，PA为植物氮磷积 累量，PC为植物氮磷浓度，PB为植物生长量。

按上述测定方法测定各指标后，采用SPSS统计软件计算各个指标的平均值和标准 差,如果物种之间存在显著差异,采用ANOVA多项比较法检验差异的显著性，结果分别如。

湿地植物适应能力与生理特性由表1所示，由表1可见，9种植物种植在含盐污水中 生长90d后，在根系数量、长度、活力以及叶片MDA含量等方面都表现出差异。

表19种植物在不同海水比例污水中培养的生理特性

注：“/”表示植物死亡，表中数据为10株植物的平均值。

植物的生长量是反映植物适应环境能力的基本参数之一，对于不同大小的植物采 用相对生长速率表示其生长情况更具有可比性。经过90天培养后，9种植物的相对生长速率 如表1所示，从表1中的数据可知，在不同的海水比例下，植物的相对生长速率表现出差异 性，当海水比例为10％及30％时，相对生长速率较快的植物包括黄花鸢尾、千屈菜、芦苇等 植物，它们均为常见的生长量旺盛的湿地植物，具有适应性强，生长旺盛等特点，但当污水 中海水的比例提高到50％时，由表1可见，这些植物的生长也受到了明显的抑制，其相对生 长速率降至0.001～0.004d^-1，其他的湿地植物如花菖蒲、短尾灯心草、水葱、美人蕉、香蒲等 植物则因为不适应高盐环境而死亡。与此相反，大米草的生长受盐度的影响则很小，在50％ 的海水比例下，其相对生长速率仍然保持在0.011d^-1。显示其极高的耐盐能力。

植物根系数量与长度是湿地植物的适应能力强弱的形态学表现指标之一，是植物 适应能力强弱的最直接的形态学表现。从根系数量来看，当海水比例为10％和30％时，根系 较多的植物包括美人蕉、千屈菜、芦苇、香蒲。当培养用水中海水的比例上升至50％时，根系 较多的植物包括大米草、黄花鸢尾和芦苇。从植物根系长度来看，当培养用水中海水的比例 为10％和30％时，根系较长的植物包括黄花鸢尾、美人蕉、芦苇，其根系长度均在20cm以上。 当培养用水中海水的比例为50％时，根系较长的植物包括大米草、黄花鸢尾、千屈菜和芦 苇，其根系长度均在12cm以上。

根系活力是植物适应能力强弱的生理表现指标之一。当培养用水中海水的比例为 10％和30％时，根系活力较强的植物包括黄花鸢尾、美人蕉、千屈菜和芦苇，其根系TTC还原 量均在28.61μg·g^-1·h^-1以上。根系活力较弱的植物包括花菖蒲、短尾灯心草、水葱和香 蒲，其根系TTC还原量均在7.54μg·g^-1·h^-1以下。当培养用水中海水的比例为50％时，根系 活力较强的植物包括大米草、黄花鸢尾和芦苇，其根系TTC还原量均在23.55μg·g^-1·h^-1以 上。

叶片丙二醛(MDA)含量通常用于反映植物在逆境下的脂膜过氧化的指标。在逆境 条件下植物MDA含量会升高，抗性越强的植物其MDA含量越低，因此，将叶片MDA含量作为植 物耐盐耐污能力筛选的指标之一。当培养用水中海水的比例为10％和30％时，叶片丙二醛 (MDA)含量较低的植物包括大米草、黄花鸢尾、千屈菜和芦苇，其MDA含量在22.94nmol·g^-1以下，叶片丙二醛(MDA)含量较高的植物包括花菖蒲、短尾灯心草、水葱、美人蕉和香蒲，其 MDA含量在38.17nmol·g^-1以上。当培养用水中海水的比例为50％时，叶片丙二醛(MDA)含量 较低的植物为大米草，其MDA含量为5.84nmol·g^-1。

植物的耐污与去污能力应该包括：植物生长量、植物氮磷平均含量、植物对氮磷的 积累能力等指标。由表2、表3及表4可见，9种植物种植在含盐污水中生长90d后，在耐污与去 污能力方面表现出不同的特性。

表2培养用水中海水的比例为10％时湿地植物的氮磷积累量

表3培养用水中海水的比例为30％时湿地植物的氮磷积累量

表4培养用水中海水的比例为50％时湿地植物的氮磷积累量

植物氮磷积累量表示植物从湿地系统中带走的氮磷量，是直接反应植物的净化潜 力的重要指标之一，其大小由生长量和植物内氮磷平均含量决定。氮、磷的积累能力与生长 量基本一致，当培养用水中海水的比例为10％和30％时，氮磷累积量比较多的植物包括：黄 花鸢尾、千屈菜和芦苇等生物量旺盛的常规湿地植物。当培养用水中海水的比例提高到 50％时，除大米草以外的湿地植物生长普遍受到了抑制，生物量和氮磷累积量明显小于生 长于海水比例为10％和30％时的植株，并且水葱、美人蕉、短尾灯心草、香蒲、花菖蒲等植物 因为不适应高盐环境而死亡。仍然存活的植物包括黄花鸢尾、大米草、千屈菜、芦苇。可以看 出，植物氮磷的积累能力主要由生长量决定。

实施例2：

建立科学的耐盐湿地植物筛选与净化潜力评价体系，是湿地植物筛选工作必须先 解决的问题。从试验植物上述的单一指标排名可看出，不同指标间的排名有一定相关性，但 也存在着显著的差异，说明采用单一的指标不能科学客观地反映植物的耐盐能力与污水净 化潜力。因此，本研究对根系长度、活力、叶片丙二醛含量、生长量、植物体氮浓度、植物体磷 浓度、植物氮的积累量、植物磷的积累量这8个指标进行了欧式距离综合聚类分析，结果如 图1、图2及图3所示。

由图1和图2可知，当培养用水中海水的比例为10％和30％时，对湿地植物进行聚 类分析，并结合培养过程中植物的表现，从聚类距离来看，将9中湿地植物以并类距离10为 标准划分为2类较为科学合理。其中第1类为净化潜力强的植物，包括黄花鸢尾、千屈菜和芦 苇，第2类为净化潜力较弱的植物，包括水葱、美人蕉、短尾灯心草、香蒲、花菖蒲、大米草。由 图3可知，当培养用水中海水的比例为50％时，对湿地植物进行聚类分析，对9中湿地植物以 并类距离10为标准进行划分也可以分为2类，而其中所包括的植物则有所不同，此时净化潜 力较强的植物包括黄花鸢尾、千屈菜和芦苇和大米草，其余植物因为不适应高盐环境而死 亡，归为一类。

由上述实施例1和实施例2可知：(1)筛选得到了耐盐耐污湿地植物，实验结果表明 大米草、黄花鸢尾、千屈菜、芦苇的耐盐耐污能力较强，适合于含盐污水的人工湿地处理。 (2)当污水中含盐量不同时，其对植物生理特性的影响有较大差别，因此，对于不同盐度含 量的污水进行处理时适宜采用的湿地植物有所不同。当废水盐度较低时，可选择黄花鸢尾、 千屈菜、芦苇等较常规的人工湿地植物，生长力较旺盛，去污能力强。但当废水的盐度较高 时，其生长将受到极大的抑制，此时可以选择大米草等盐生植物作为人工湿地植物，能够耐 受极高的盐度环境。

实施例3：

待处理污水中海水浓度为10％，将黄花鸢尾、千屈菜及芦苇三种植物等面积比例 混种在人工湿地中，种植总面积为15m²，试验期间人工湿地的进水负荷为0.15m³·(m²·d )^-1，进水流量为40m³·d，待处理污水在湿地中的总停留时间为3～5d，系统24小时连续运 转。人工湿地对于COD的去除能力约在25gm^-2d^-1，对NH₄⁺-N的去除能力约在1.5gm^-2d^-1。

实施例4

待处理污水中海水浓度为30％，将黄花鸢尾、千屈菜及芦苇三种植物等面积比例 混种在人工湿地中，种植总面积为15m²，试验期间人工湿地的进水负荷为0.15m³·(m²·d )^-1，进水流量为40m³·d，待处理污水在湿地中的总停留时间为3～5d，系统24小时连续运 转。人工湿地对于COD的去除能力约在20gm^-2d^-1，对NH₄⁺-N的去除能力约在1.2gm^-2d^-1。

实施例5：

待处理污水中海水浓度为50％，将黄花鸢尾、千屈菜、芦苇以及大米草四种植物等 面积比例混种在人工湿地中，种植总面积为15m²，试验期间人工湿地的进水负荷为0.15m³· (m²·d)^-1，进水流量为40m³·d，待处理污水在湿地中的总停留时间为3～5d，系统24小时连 续运转。人工湿地对于COD的去除能力约在30gm^-2d^-1，对NH₄⁺-N的去除能力约在1.5gm^-2d ^-1。