不同類型人工濕地凈化水質(zhì)季節(jié)變化分析

舒柳

摘要：研究了垂直流、水平流、表面流和溝渠型4種不同類型人工濕地處理凈化水質(zhì)的季節(jié)變化。結(jié)果表明，4種人工濕地對總氮（TN）的平均去除率分別為61.8%、58.6%、57.1%和41.3%；對氨氮（NH+4-N）的平均去除率分別為62.8%、52.4%、56.0%和41.5%；對總磷（TP）的平均去除率分別為65.5%、59.5%、42.2%和38.8%；對生物耗氧量（BOD5）的平均去除率分別為41.0%、32.1%、35.9%和30.5%；對化學(xué)耗氧量（CODCr）的平均去除率分別為64.1%、58.9%、57.5%和49.8%；對高錳酸鉀指數(shù)的去除率分別為51.1%、43.6%、47.6%和32.5%。綜合比較可知，人工濕地植被能有效促進濕地對污水的去除效果，不同人工濕地去除效果存在一定的差異，4種不同類型人工濕地對TN、TP、NH+4-N、BOD5和高錳酸鉀指數(shù)的去除效果較好，對CODCr的去除效果較差，以垂直流人工濕地去除效果最好，水平流和表面流人工濕地次之，溝渠型人工濕地去除效果最差。從出水水質(zhì)穩(wěn)定性來看，垂直流人工濕地出水各項指標最穩(wěn)定，水平流和表面流次之，溝渠型人工濕地最差；4種人工濕地對污水去除率隨季節(jié)均呈“V”形變化，基本表現(xiàn)為秋季>夏季≈冬季>春季。

關(guān)鍵詞：人工濕地；凈化水質(zhì)；季節(jié)變化

中圖分類號：S181.6文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）09-0384-04

人工濕地是由土壤、礫石、爐渣等按一定比例構(gòu)成的選擇性地植入植被的污水處理生態(tài)系統(tǒng)[1-2]，該系統(tǒng)基質(zhì)、水生植物和微生物等通過一系列物理、化學(xué)和生物途徑對污水進行高效去除，現(xiàn)已廣泛運用于污水處理并且取得了良好的環(huán)境凈化效果和經(jīng)濟效益[1-4]。人工濕地不僅具有同化吸收污染物的功能，還有攔截、過濾污染物的作用[1-2，5-7]，不同類型人工濕地具有較大差別，對污染物質(zhì)的去除能力有較大的差異，按結(jié)構(gòu)可將其分為表面流、水平流、垂直流和溝渠型人工濕地，其優(yōu)缺點各不相同[3，6]。近幾十年來，關(guān)于人工濕地的研究大多局限于單一濕地類型，較少進行不同類型人工濕地處理污水效果的比較，不同類型人工濕地對富營養(yǎng)化水體處理效果的比較研究也鮮見報道。鑒于此，針對4種類型人工濕地處理效果的比較研究，探索不同濕地類型應(yīng)用于富營養(yǎng)化水體處理效率之間的差異，為恢復(fù)水生植物和自然濕地、構(gòu)建人工濕地、凈化生活污水、控制水體污染和富營養(yǎng)化提供理論依據(jù)和實踐措施。

1材料與方法

1.1人工濕地設(shè)計與流程

人工廢水配制方法：CODCr368 mg/L，BOD5 105 mg/L，TN 8.45 mg/L，TP 0.29 mg/L，NH+4-N 5.72 mg/L；高錳酸鉀指數(shù)11.30 mg/L；pH值為7.12～7.78。

試驗區(qū)位于四川郫縣安德鎮(zhèn)園田村的庭院人工濕地，人工濕地結(jié)構(gòu)：底部為集水區(qū)，其上鋪放尼龍網(wǎng)。垂直流和水平流單元均設(shè)置為50 m2（長×寬×深=25 m×2.0 m×0.8 m），分3層依次填充基質(zhì)，底層大粒徑礫石（粒徑20～30 mm）作為排水層，厚度約為25 cm，中層選用當(dāng)?shù)刂刑枲t渣（粒徑15～25 mm），厚度約為25 cm，上層選用當(dāng)?shù)匦√枲t渣和泥沙（粒徑10～15 mm），厚度約為25 cm，單元內(nèi)種植鳶尾科鳶尾屬的鳶尾（Iris pseudacorus）和香蒲（Typhalatifolia），種植密度為3～7棵/m2；自由表面流單元為40 m2（長×寬×深=20 m×2.0 m×0.4 m），基質(zhì)為土壤，種植植物為鳶尾（Iris pseudacorus）和香蒲（Typhalatifolia）；溝渠單元設(shè)置為100 m2（長×寬×深=10 m×10 m×0.5 m）的正方形，并沿其對角線開設(shè)2條溝渠，溝寬0.2 m，溝長14.1 m，平均深度 0.5 m。每個處理單元間用1 m寬的土埂隔開，底部為集水區(qū)，其上鋪放尼龍網(wǎng)，防止填料下漏，沿對角線埋入直徑為 15 mm 的PVC管，使人工濕地中的循環(huán)水能流入PVC管，便于試驗樣品采集。

2013年5月20日先用微污染水對4種植物馴化1個月再進行凈化能力試驗，選擇株型大小、生物量基本一致的4種濕地植物，栽于人工濕地沙子基質(zhì)上，植物栽上后，加自來水至沙子基質(zhì)飽和，地下水培養(yǎng)1個月，并保持其上2～3 cm薄水層，穩(wěn)定15 d，其間換水3次。2013年7月20日將污水經(jīng)配水池緩慢放入人工濕地（水深78～83 cm），控制水流通過水管均勻流入人工濕地，污水通過布設(shè)在人工濕地的布水管流入，緩慢向下滲濾，放水12 h后，停止注水，水力負荷控制在0.75 m3/（m2·d）。進水為上述配制的人工污水，經(jīng)過人工濕地處理后的水從底部PVC管排出。

1.2樣品的測定

結(jié)合人工濕地的運行情況和植被的生長狀況，不同季節(jié)取出水口水質(zhì)，實驗室測定分析，各指標的去除率=（進水口值-出水口值）/進水口值×100%[1-2]。

測定項目包括TN、TP、NH+4-N、BOD5、CODCr和高錳酸鉀指數(shù)；BOD5采用稀釋接種法；CODCr采用重鉻酸鉀氧化法；NH+4-N采用納氏試劑分光光度法；TN采用過硫酸鉀-紫外分光光度法；TP采用鉬銻抗分光光度法；參照文獻[7]測定高錳酸鹽指數(shù)。

1.3數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2003統(tǒng)計，以平均值±標準誤差表示（x±s），采用SPSS 18.0分別對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析（One-way ANOVA），多重比較采用LSD，用 Origin 7.5作圖。

2結(jié)果與分析

2.1不同類型人工濕地TN、TP和NH+4-N季節(jié)變化及去除率

圖1為垂直流、水平流、表面流和溝渠型4種人工濕地不同季節(jié)TN、TP和NH+4-N出水濃度及去除率。4種人工濕地出水TN、TP和NH+4-N濃度總體變化為春季最高，夏季和秋季降低，冬季則有回升的趨勢，具體表現(xiàn)為春季>夏季>冬季>秋季；在出水濃度穩(wěn)定性方面，由春季到冬季垂直流人工濕地變化最小，水平流和表面流次之，溝渠型變化最大；不同季節(jié)4種人工濕地對TN、TP和NH+4-N去除率呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異，均表現(xiàn)為秋季>冬季>夏季>春季，其中春季明顯低于其他季節(jié)，相同季節(jié)以垂直流人工濕地處理效果最好，水平流和表面流次之，溝渠型最差，基本表現(xiàn)為垂直流人工濕地>水平流人工濕地>表面流人工濕地>溝渠型人工濕地。

2.2不同類型人工濕地BOD5、CODCr和高錳酸鉀指數(shù)季節(jié)變化及去除率

圖2為垂直流、水平流、表面流和溝渠型4種人工濕地不同季節(jié)BOD5、CODCr和高錳酸鉀指數(shù)出水濃度及去除率。4種人工濕地出水BOD5、CODCr和高錳酸鉀指數(shù)總體變化為春季最大，夏季和秋季急劇下降，冬季則有回升的趨勢，具體表現(xiàn)為春季>夏季>冬季>秋季；在出水濃度穩(wěn)定性方面，由春季到冬季垂直流人工濕地變化最小，水平流和表面流次之，溝渠型變化最大；不同季節(jié)4種人工濕地對BOD5、CODCr和高錳酸鉀指數(shù)去除率呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異，基本表現(xiàn)為秋季>夏季≈冬季>春季，其中春季明顯低于其他季節(jié)，相同季節(jié)以垂直流人工濕地處理效果最好，水平流和表面流次之，溝渠型最差，基本表現(xiàn)為垂直流人工濕地>水平流人工濕地>表面流人工濕地>溝渠型人工濕地。

2.3不同類型人工濕地對污水去除率比較

圖3為4種人工濕地對污水去除效果的比較。4不同類型人工濕地對TN、TP、NH+4-N、BOD5、 CODCr和高錳酸鉀指數(shù)的去除效果存在一定的差異，大致表現(xiàn)為垂直流人工濕

地>水平流人工濕地>表面流人工濕地>溝渠型人工濕地；4種人工濕地對TN的去除率分別為61.8%、58.6%、571%和41.3%，垂直流、水平流和表面流人工濕地對TN的去除效果差異不明顯，但明顯高于溝渠型人工濕地（P<0.05）；4種人工濕地對NH+4-N的去除率分別為628%、52.4%、56.0%和41.5%，垂直流、水平流和表面流人工濕地對TN的去除率均顯著高于溝渠型人工濕地（P<0.05），其中水平流和表面流人工濕地對TN的去除率差異并不顯著；4種人工濕地對TP的去除率分別為655%、595%、42.2%和38.8%，垂直流和水平流人工濕地對TP的去除率差異不顯著，但顯著高于表面流和溝渠型人工濕地（P<0.05）；4種人工濕地對BOD5的去除效果較差，分別為410%、32.1%、35.9%和30.5%，垂直流和表面流人工濕地對BOD5的去除率差異不顯著，但顯著高于水平流和溝渠型人工濕地（P<0.05）；4種人工濕地對CODCr的去除率分別為64.1%、58.9%、575%和49.8%，垂直流、水平流和表面流人工濕地對CODCr的去除效果差異不明顯，但明顯高于溝渠型人工濕地（P<0.05）；4種人工濕地對高錳酸鉀指數(shù)的去除率分別為51.1%、43.6%、47.6%和32.5%，垂直流和表面流人工濕地對高錳酸鉀指數(shù)的去除率差異并不顯著，但與水平流和溝渠型人工濕地達到顯著差異水平（P<005）。

3討論與結(jié)論

人工濕地凈化水質(zhì)機制較為復(fù)雜，本研究人工濕地基質(zhì)為爐渣和泥沙，爐渣和泥沙能夠避免土壤系統(tǒng)表面的短流，其多孔性擴大了表面積，有利于微生物的代謝活動，進而增強了人工濕地的去除效果[7-11]。不同類型人工濕地凈化污水效果存在一定差異，綜合4種人工濕地凈化污水效果（圖1和圖2），以垂直流人工濕地對污水中各項指標去除率最大，水平流和表面流人工濕地次之，溝渠型人工濕地去除效果最差，充分體現(xiàn)在對TN、TP、BOD5、NH+4-N和高錳酸鉀指數(shù)的去除，說明不同類型人工濕地對污染物的去除效果和機制不同。基質(zhì)的吸附是人工濕地凈化水質(zhì)的主要過程[1-2，6-7，12]，由于溝渠型人工濕地土壤基質(zhì)孔隙度低，水在基質(zhì)表面流動，復(fù)氧能力差，為微生物生長提供載體的基質(zhì)僅為表層部分，污染物隨水流從基質(zhì)表面漫流而過，吸附作用僅僅停留在基質(zhì)表層，而垂直流和水平流的基質(zhì)均為孔隙度較高的礫石，不僅復(fù)氧能力優(yōu)于土壤基質(zhì)，而且為微生物提供了大量的掛膜空間[8-11]，因此垂直流和水平流對氨氮的處理效果明顯優(yōu)于表面流和溝渠型人工濕地。

人工濕地主要通過植被的截流、過濾以及微生物的新陳代謝等活動化水質(zhì)[5-8]。其中對有機物的去除效果比較穩(wěn)定；N循環(huán)較為復(fù)雜，主要通過氨的揮發(fā)、硝化、反硝化過程、

介質(zhì)的吸附、微生物固氮和氮的遷移轉(zhuǎn)化得以去除；對 NH+4-N 的去除主要是通過好氧微生物的降解；P的去除主要以吸附為主，隨泥沙顆粒在介質(zhì)中被截留，通過植物吸收、物理化學(xué)作用及微生物降解3方面的作用去除，通過微生物的作用和植被的輸氧作用形成了氧化態(tài)的根區(qū)，為好氧、兼性和厭氧微生物提供了各自適宜的生境，有利于微生物在人工濕地縱深擴展，從而促進了深層基質(zhì)中微生物的生長和繁殖[9-12]；4種人工濕地對高錳酸鹽指數(shù)的去除效率不高，這是由于進水高錳酸鹽指數(shù)的負荷低，可生化性不強所致。有研究表明，人工濕地中污水pH值<8.0時，氨的揮發(fā)凈化途徑基本可以忽略[8，10，13-14]，經(jīng)測得不同類型人工濕地出水pH值均小于8.0，也即除了植物吸收和基質(zhì)凈化以外，基本上是硝化和反硝化途徑起作用，因此，硝化和反硝化作用是人工濕地凈化N的主要途徑。

4種人工濕地對污水去除率隨季節(jié)均呈“V”字形變化，均表現(xiàn)為秋季>夏季≈冬季>春季，即不同類型人工濕地對污水去除效果很大程度上依賴于植被及微生物的季節(jié)動態(tài)變化。濕地植被在春季處于萌芽階段，生長較為緩慢，未與基質(zhì)、土壤等形成完整的去污生態(tài)系統(tǒng)，此時人工濕地對污水的去除效果偏低，吸收作用還沒有明顯地表現(xiàn)出來，夏季植被迅速生長和繁殖，去除效果也更加明顯，秋季各項生長指標均達到最大，有助于其根區(qū)微生物等的繁殖，這個時期對TN、TP、NH+4-N、BOD5、CODCr和高錳酸鉀指數(shù)的去除效果最為明顯，秋季以后，植被密度達到最大，缺乏有限的空間和資源，地面部分開始枯黃、根系也逐漸潰爛，凈化水質(zhì)效果緩慢下降等，導(dǎo)致秋季以后其去除效果呈現(xiàn)下降趨勢。此外，在去除各類污染物的過程中微生物是主要承擔(dān)者，冬、春季節(jié)較低的溫度影響了微生物酶活性[1-2，8，12]，從而導(dǎo)致人工濕地對各指標的去除效果降低。

人工濕地整合協(xié)調(diào)了基質(zhì)-微生物-植物的凈化系統(tǒng)，但基質(zhì)吸附凈化能力有一定限度[9-12]，盡管大量學(xué)者提出了基質(zhì)強化凈化能力的方法，隨著時間的推移，基質(zhì)的吸附凈化容量達到飽和，人工濕地具有凈化污染物能力的植被可以重復(fù)利用[3-6，8-12]，通過定量收獲、刈割等方式可以延續(xù)其凈化能力，并選擇生物量較大、富集污染元素較強的植被是提高不同類型人工濕地凈化水質(zhì)能力的關(guān)鍵措施。

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