不同類型人工濕地對生活污水的凈化效果

鄒渝+李云禎

摘要：分別研究垂直流、水平流和溝渠型人工濕地對生活污水中總氮（TN）、總磷（TP）、氨態氮（NH4+-N）、生物耗氧量（BOD5）、化學耗氧量（CODCr）的去除效果。結果表明：不同類型人工濕地對生活污水中各種污染物的凈化效果存在一定的差異，對污水去除率均呈倒“V”形變化規律，不同時間的去除率排序基本表現為反彈期>穩定期>恢復期>啟動期；綜合比較可知，不同類型人工濕地均能有效促進水質的凈化，其中垂直流人工濕地對污水中TP、BOD5、CODCr的去除率較大，水平流人工濕地對污水中TN、NH4+-N的去除率較大；從出水水質穩定性來看，垂直流人工濕地出水各項指標較穩定，水平流、溝渠型較差，說明不同類型人工濕地對污染物的去除效果和機制不同；不同類型人工濕地植被地上、地下生物量所占的比例各不相同，地上部生物量、氮、磷含量均高于地下部，并且地上地下生物量比（A/U）均大于1，不同類型人工濕地植被地上和地下氮、磷累積量均呈“V”形變化規律，各時期積累量排序基本表現為反彈期>穩定期>恢復期>啟動期。相關性分析表明，不同類型人工濕地植被氮、磷積累量分別與生物量、氮含量、磷含量呈顯著（P<0.05）或極顯著（P<0.01）的線性關系，由此推測，可以通過生物量和植被氮、磷含量來評價濕地植被對氮、磷的去除作用。

關鍵詞：人工濕地；植物；凈化效果；生活污水

中圖分類號： X506文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）07-0252-06

人工濕地一般被稱為構建濕地、蘆葦床系統等，是20世紀70年代才蓬勃興起的一種處理污水的方式，主要是由土壤、礫石、爐渣等按一定比例構成的選擇性地植入植被的污水處理生態系統[1-2]，包括四大基本要素（水體、基質、水生植被和微生物），能夠通過一系列物理、化學、生物途徑對特定污染物進行高效的去除，具有低投資、低運行費用、低耗能和美觀等特點[3-4]，已被廣泛運用于各類不同水體的水質凈化、水環境富營養化的防治，在不少地區取得了良好的環境效應和經濟效益[5-7]。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，不同類型人工濕地具有較大差別，對污染物質的去除能力有較大的差異，按結構可將其分為溝渠型、水平流、垂直流等人工濕地，其優缺點各不相同[8]。隨著城鎮化水平的加快，我國水質污染和水資源浪費現象十分嚴重，據不完全統計，全國年排廢水量超 400億t 以上，生活污水排放量日益增多，大部分未經任何處理直接排入生態系統，加重了水資源的短缺，因此，合理開發利用水資源及凈化水質具有現實和長遠意義[9-10]。近年來，關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，關于不同類型人工濕地對富營養化水體處理效果的系統比較則鮮見報道[3-4]。因此，針對不同類型人工濕地對污水凈化的比較研究，探討不同濕地類型應用于富營養化水體在處理效率方面的差異，可為構建人工濕地、凈化生活污水、控制水體污染和富營養化提供理論依據和實踐措施。

1材料與方法

1.1人工濕地設計與流程

人工廢水配制：總氮（TN）含量，8.69 mg/L；總磷（TP）含量，0.37 mg/L；化學耗氧量（CODCr），356.8 mg/L；生物耗氧量（BOD5），125.4 mg/L；銨態氮（NH4+-N）含量，8.23 mg/L；pH值7.04。

人工濕地結構：試驗區位于四川省農業科學院的試驗大棚內，共設3個人工濕地結構單元，垂直流、水平流單元均設置為50 m2（長×寬×深=25 m×2.0 m×0.8 m）；分3層依次填充基質，底層以大粒徑礫石（粒徑20～30 mm）作為排水層，厚度約為25 cm，中層選用當地中號爐渣（粒徑15～25 mm），厚度約為25 cm，上層選用當地小號爐渣、泥沙（粒徑10～15 mm）（爐渣、泥沙能夠避免土壤系統表面的短流現象，多孔特性增加了表面積，有利于微生物的代謝活動），厚度約為25 cm；單元內種植美人蕉（Canna indica），種植密度為3～7株/m2；溝渠單元設置為100 m2（長×寬×深=10 m×10 m×0.5 m）的正方形，并沿其對角線開設2條溝渠，溝寬0.2 m、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，其上鋪放尼龍網，防止填料下漏，沿對角線埋入直徑為15 mm的聚氯乙烯（PVC）管，使人工濕地中的循環水能夠流入PVC管，便于試驗樣品的采集。

人工濕地植被：2014年5月先用微污染水對美人蕉馴化1個月再進行凈化能力試驗，選擇株型大小、生物量基本一致的美人蕉，栽于人工濕地沙質基質上；栽上植物后，加自來水至沙質基質飽和，地下水培養1個月，并保持其上2～3 cm薄水層，穩定15 d，其間換水3次。2014年7月將污水經配水池緩慢放入人工濕地（水深78～83 cm），由于水流通過水管均勻流入人工濕地，污水通過布設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，水力負荷控制為 0.75 m3/（m2·d）。進水為上述配制的人工污水，經過人工濕地處理后的水從底部PVC管排出，取不同時期出水口水，于實驗室進行化驗分析，具體公式如下[11-12]：

1.2測定方法

人工濕地運行1年后，分別于2015年4個不同時期進行水樣采集與測試，統計每種人工濕地1 m2樣方中植株數量、株高等生長性狀，并將其收割，分為地上、地下部分烘干，測定其生物量，分別將地上、地下部植被樣品粉碎后用H2SO4-H2O2消煮制備成溶液，植被TN含量用過硫酸鉀氧化吸光光度法測定，TP含量用釩鉬藍法測定[11-12]。

水質指標的檢測參考相關文獻；BOD5的測定采用稀釋接種法；CODCr的測定采用重鉻酸鉀氧化法；NH4+-N含量的測定采用納氏試劑分光光度法；TN含量的測定采用過硫酸鉀-紫外分光光度法；TP含量的測定采用鉬銻抗分光光度法[13]。相關公式：

1.3數據分析與處理

用SPSS 18.0統計分析軟件分別對數據進行單因素方差分析（One-Way ANOVA），多重比較采用LSD法，利用植被氮、磷積累量與植被生物量、氮含量、磷含量進行線性回歸的建立，由原始數據擬合線性回歸關系經統計學檢驗得到擬合度參數r2，并檢驗相關系數的顯著性（α=0.05、0.01）。

2結果與分析

2.1不同類型人工濕地不同時期出水含量及去除率

根據人工濕地的運行情況，可以將人工濕地分為4個時期：啟動期、穩定期、反彈期和恢復期。由表1可知，不同類型人工濕地出水TN含量、TP含量、NH4+-N含量、BOD5、CODCr呈先降低后增加趨勢，呈“V”形變化規律，在啟動期最大，由啟動期到反彈期降低幅度較大，反彈期以后其含量有所增加，且增加的幅度較為平緩，恢復期的含量基本與穩定期保持一致，不同類型人工濕地在各時期TN含量、TP含量、NH4+-N含量、BOD5、CODCr基本表現為啟動期>穩定期>恢復期>反彈期；不同類型人工濕地出水TN含量變化范圍為2.13～6.21 mg/L，TP含量變化范圍為0.09～0.31 mg/L，NH4+-N含量變化范圍為1.23～6.03 mg/L，BOD5變化范圍為41.05～109.52 mg/L，CODCr變化范圍為89.65～273.56 mg/L；不同類型人工濕地對TN、TP、NH4+-N、BOD5、CODCr去除率呈現出明顯的時期差異，呈倒“V”形變化規律，在反彈期最大，由啟動期到反彈期逐漸提高，并且其增加幅度較大，反彈期以后去除率有所降低，且降低的幅度較為平緩，恢復期的去除率基本與穩定期保持一致，各時期基本排序表現為反彈期>恢復期>穩定期>啟動期，人工濕地TN去除率變化范圍為28.54%～75.49%，TP去除率變化范圍為 16.22%～75.68%，NH4+-N去除率變化范圍為26.73%～85.05%，BOD5去除率變化范圍為12.66%～67.26%，CODCr去除率變化范圍為23.33%～74.87%。從出水水質穩定性來看，垂直流人工濕地出水各項指標較穩定，水平流和溝渠型較差。

2.2不同類型人工濕地植被對污水平均去除率

由圖1可見，不同類型人工濕地對TN去除率變化范圍為46.63%～56.70%，排序為水平流>溝渠型>垂直流，其中水平流、溝渠型人工濕地對TN去除率差異不顯著，二者顯著高于垂直流（P<0.05）；不同類型人工濕地對TP去除率變化范圍為38.51%～58.78%，排序為垂直流>水平流>溝渠型，其中垂直流人工濕地對TP去除率顯著高于水平流、溝渠型（P<0.05），水平流、溝渠型人工濕地對TP去除率差異不顯著；不同類型人工濕地對NH4+-N去除率變化范圍為5796%～60.60%，排序為水平流>溝渠型>垂直流，且不同類型人工濕地對NH4+-N去除率差異均不顯著；不同類型人工濕地對BOD5去除率變化范圍為32.00%～51.35%，排序為溝渠型>垂直流>水平流，且不同類型人工濕地對BOD5去除率差異均顯著（P<0.05）；不同類型人工濕地對CODCr去除率變化范圍為45.45%～55.15%，排序為溝渠型>垂直流>水平流，其中垂直流、溝渠型人工濕地對CODCr去除率差異不顯著，二者顯著高于水平流（P<0.05）。

2.3不同類型人工濕地植被的生物量及其分配

由圖2可知，垂直流、水平流、溝渠型人工濕地植被地上生物量變化范圍為205.9～235.6 g/m2，排序為垂直流>水平流>溝渠型，且不同類型人工濕地植被地上生物量差異均顯著（P<0.05）；不同類型人工濕地植被地下生物量變化范圍為102.6～152.3 g/m2，排序為垂直流>水平流>溝渠型，其中垂直流人工濕地植被地下生物量最高，且與其他2類濕地差異顯著（P<0.05），水平流、溝渠型人工濕地植被地下生物量差異不顯著；不同類型人工濕地植被A/U值變化范圍在15～2.1，排序為水平流>溝渠型>垂直流，其中垂直流、溝渠型人工濕地植被 A/U 值差異不顯著，二者顯著高于水垂直流人工濕地（P<005）；不同類型人工濕地植被氮含量變化范圍為16.8～243 mg/g，排序為水平流>溝渠型>垂直流，其中垂直流、溝渠型人工濕地植被氮含量差異不顯著，二者顯著低于垂直流人工濕地（P<0.05）；不同類型人工濕地植被磷含量變化范圍為1.5～3.2 g/mg，排序為垂直流>水平流>溝渠型，其中水平流、溝渠型人工濕地植被磷含量差異不顯著，二者顯著低于垂直流人工濕地（P<0.05）。由此可見，不同類型人工濕地植被A/U值均大于1，并且地下生物量占總生物量的40%以上，這是植被內在的生長特性，也表現了物種對這種環境的適應能力。

2.4不同類型人工濕地植被地上和地下氮、磷積累量

由圖3可知，不同類型人工濕地植被地上和地下氮、磷積累量具有明顯一致的規律，對于垂直流人工濕地，地上氮積累量變化范圍為16.3～35.6 g/m2，地下氮積累量變化范圍為14.5～32.3 g/m2，地上、地下氮積累量的排序均為反彈期>穩定期>恢復期>啟動期，并且地上氮積累量均高于地下氮積累量；地上磷積累量變化范圍為1.6～3.1 g/m2，地下磷積累量變化范圍為1.2～2.1 g/m2，地上、地下磷積累量排序均為反彈期>穩定期>恢復期>啟動期，并且地上磷積累量均高于地下磷積累量（圖3-a、圖3-b）。對于水平流人工濕地，地上氮積累量變化范圍為12.1～32.7 g/m2，地下氮積累量變化范圍為9.3～29.1 g/m2，地上、地下氮積累量的排序均為反彈期>穩定期>恢復期>啟動期，并且地上氮積累量均高于地下氮積累量；地上磷積累量變化范圍為1.3～2.8 g/m2，地下磷積累量變化范圍為0.8～2.7 g/m2，地上、地下磷積累量排序均為反彈期>穩定期>恢復期>啟動期，并且地上磷積累量均高于地下磷積累量（圖3-c、圖3-d）。對于溝渠型人工濕地，地上氮積累量變化范圍為11.7～28.1 g/m2，地下氮積累量變化范圍為8.2～23.5 g/m2，地上氮積累量排序為反彈期>穩定期>恢復期>啟動期，并且地上氮積累量均高于地下氮積累量；地上磷積累量變化范圍為0.8～2.9 g/m2，地下磷積累量變化范圍為0.9～2.5 g/m2，地上磷積累量排序為反彈期>穩定期>啟動期>恢復期，地下磷積累量排序為反彈期>穩定期>恢復期>啟動器，并且地上磷積累量均高于地下磷積累量。

2.5不同類型人工濕地植被氮、磷積累量與生物量、氮含量、磷含量的相關性

表2由原始數據擬合得到回歸關系，經統計學檢驗得到擬合度參數r2，并在α=0.05、0.01水平檢驗相關系數的顯著性，從而顯示不同類型人工濕地植被氮、磷積累量與生物量、氮含量、磷含量的相關關系；F檢驗結果表明，表2中的線性回歸關系達到顯著或極顯著水平，各回歸關系成立。由表2還可知，不同類型人工濕地植被氮、磷積累量分別與生物量、氮含量、磷含量呈顯著（P<0.05）或極顯著（P<0.01）的線性關系，由此可以推測，可以通過生物量和植被氮、磷含量來評價濕地植被對氮、磷的去除作用。

3結論與討論

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凈化水質，通常情況下人工濕地基質均為孔隙度較高的礫石，為微生物提供了更多的掛膜空間[14-16]。在本研究中，人工濕地基質為爐渣、泥沙，它們能夠避免土壤系統表面的短流，多孔擴大了表面積，有利于微生物的代謝活動，增強了人工濕地的去除效果。根據人工濕地1年的運行情況，可以將人工濕地分為4個時期：啟動期、穩定期、反彈期和恢復期；綜合人工濕地植被凈化污水效果來看，其凈化水質效果存在不同時期的差異，對污水去除率呈“V”形變化，基本排序為反彈期>穩定期>恢復期>啟動期；從不同時期來看，人工濕地對TN、TP、NH4+-N、BOD5、CODCr的去除率在啟動期較低，啟動期植被生長較為緩慢，未與基質、土壤等形成完整的去污生態系統，此時人工濕地吸收作用并未表現出來，穩定期植被迅速生長和繁殖，去除效果也更加明顯，反彈期各項生長指標均達到最大值，這個時期對TN、TP、NH4+-N、BOD5、CODCr的去除效果最明顯，反彈期以后，濕地植被密度達到最大，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，凈化水質效果緩慢下降等，這與前人的研究結果一致[14-15]。在本研究中，濕地植被美人蕉新生根系的須根較多，有利于根區微生物的著生，通過硝化和反硝化途徑凈化的氮量相對較少，從長期角度出發，微生物硝化、反硝化作用是人工濕地凈化氮的主要途徑，優選根系發達的植被是提高該系統氮去除率的重要措施之一[14，17]。

不同類型人工濕地凈化污水效果存在一定差異，綜合不同類型人工濕地凈化污水效果可知，以垂直流人工濕地對污水中TP、BOD5、CODCr的去除率較高，水平流人工濕地對污水中TN、NH4+-N的去除率較高，說明不同類型人工濕地對污染物的去除效果和機制不同；人工濕地植被對氮循環較為復雜，主要通過氨的揮發、硝化、反硝化過程、介質的吸附、微生物固氮和氮的遷移轉化得以去除[14]，對NH4+-N的去除主要是通過好氧微生物的降解[11-12]，對磷的去除主要以吸附為主，隨泥沙顆粒在介質中被截留，通過植物吸收、物理化學作用及微生物降解3個方面的作用去除[15，18-19]；其中基質的吸附是人工濕地凈化水質的主要過程，由于溝渠型人工濕地土壤基質孔隙度低，為微生物生長提供載體的基質僅為表層部分，污染物隨水流從基質表面漫流而過，吸附作用僅僅停留在基質表層，而垂直流、水平流的基質均為孔隙度較高的礫石，不僅復氧能力優于土壤基質，而且為微生物提供了大量的掛膜空間，因此水平流人工濕地對TN、NH4+-N的處理效果較好[14，17]。此外，本研究人工濕地基質選用沙（主要成分SiO2），對氮的吸附能力較弱，容易達到飽和，可以忽略不計，而氮的循環條件較為復雜，濕地植物不僅通過植物吸收，還通過基質吸附、硝化和反硝化及氨的揮發等途徑凈化污水中的氮[14，19]。為了探討植物在人工濕地系統凈化污水中氮的機制，本研究監測了濕地植物生物量和植物體內氮、磷含量的變化，表明植物自身吸收同化污水中氮水平與植物根系微生物作用有關。

不同類型人工濕地植被地上部生物量、地下部生物量所占的比例各不相同，地上部生物量均高于地下部生物量，就植株體內的氮、磷含量而言，地上部分氮、磷積累量高于地下部分，這種生物量的分配模式體現了氮、磷元素生長部位的分配特點，屬于植物對氮、磷內在生長特性的平衡調節[14，19]。人工濕地植被氮、磷積累量能夠反映植被對氮、磷的直接去除能力，營養物質的分配特點會涉及到采取的收割方式，本研究中人工濕地植被（美人蕉）基本可以通過地上、地下部分的收割去除大部分氮、磷積累量，使其移出生態系統。此外，人工濕地整合和協調了土壤基質-微生物-植被的凈化機制，但基質的吸附凈化容量達到飽和，并且其凈化作用隨著植被的生長可能發生變化，其凈化效果還與植被的生長速度、生長階段、植被的生物量、植被根區微生物作用等有關，在以后研究過程中，須結合污水狀況及當地氣候特點有針對性地選擇合適的濕地植被，最大限度地發揮濕地植被的凈化作用。

由于試驗條件有限，本研究的人工濕地為定期灌溉地下水，濕地系統處于相對靜止狀態，與實際運行的人工濕地有一定差別。另外，人工濕地的凈化作用隨著植物的生長可能發生變化，僅反映特定生長階段的凈化效果，長期的凈化效果仍待進一步研究。此外，對于污染物含量較高的污水要經過前置處理達到人工濕地處理污水等級后，才能最大程度發揮人工濕地的凈化效果。

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