垂直流人工濕地氮磷降解規律的研究

顧修強　栗婷婷　付偉章　葛曉紅　鄭書聯　耿淑英

摘要：在實驗室中利用盆栽模擬垂直流人工濕地結構，種植綠蘿和紫邊碧玉椒草兩種植物，測定進水、出水、填料、植物中的總氮總磷含量，研究了垂直流人工濕地去除水體中總氮、總磷時，植物與填料的去除作用所占的比例，探究紫邊碧玉椒草對氮磷的去除效果。結果表明：污水中總磷的去除主要為填料吸附作用，去除效率占80.01%～82.02%，還有植物吸收作用，去除效率占13.62%～14.20% ；對于總氮的去除，填料吸附作用占68.26%～71.57%，除填料吸附作用外，微生物等其他因素的作用占很大比例，約24%，植物吸收所占比例較小。紫邊碧玉椒草在濕地中的應用達到了與綠蘿相當的效果，可嘗試應用于人工濕地中。實驗結果可為人工濕地的植物篩選以及氮磷降解規律方面提供可行的建議與理論依據。

關鍵詞：垂直流人工濕地；氮磷降解規律；植物篩選

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）18005105

1引言

人工濕地技術由于其低成本、運行簡單等特點，已廣泛地應用于處理城鎮污水、富營養化水體；河道生態整治；工農業廢水治理等方面＼[1＼]。人工濕地是由人工建造和控制運行的與沼澤地類似的地面，將污水、污泥有控制的投配到經人工建造的濕地上，污水與污泥在沿一定方向流動的過程中，主要利用土壤、人工介質、植物、微生物的物理、化學、生物三重協同作用，對污水、污泥進行處理的一種技術＼[2＼]。其作用機理包括吸附、滯留、過濾、氧化還原、沉淀、微生物分解、轉化、植物遮蔽、殘留物積累、蒸騰水分和養分吸收及各類動物的作用＼[3＼]。

在人工濕地污水處理系統中，植物起著非常重要的作用，主要表現在吸收污染物質，植物根系向基質釋放氧氣，植物根系固定植物床，改變水力傳導能力，創造生物共生條件，影響微生物和酶的分布以及植物的景觀美學作用等方面＼[4，5＼]。植物吸收在脫氮除磷中的貢獻為0.7%～76%，研究者們的報道很不統一＼[6＼]，Michela等＼[7＼]認為在人工濕地處理污水的整個過程中，植物的吸收具有重要作用；Geary等＼[8＼]也認為，在高負荷下，濕地主要的除磷機理還是基質的吸附存儲，而不是植物吸收。Maurizio等＼[9＼]的研究也表明在不同的季節，不同植物地上部分對氮的吸收率可以達到 53%～75%。

劉志偉等人＼[10＼]對垂直流人工濕地植物與填料優化組合做了夏季和冬季的對比研究，結果表明夏季人工濕地植物對污染物質的去除效率較高。春夏季正是植物生長的季節，植物可以在人工濕地中發揮較好的去除作用。所以本實驗在夏季進行，可以研究在植物生長條件與生長情況較好，并對水體中污染物去除效率較高的情況下，植物在垂直流人工濕地中對氮磷的去除效率所占比例。以往的人工濕地試驗中較多的是分析對比人工濕地總體的去除污染物的效果＼[11，12＼]，本實驗排除微生物降解和N2揮發等情況造成的干擾，只對比植物與填料的去除效率占模擬人工濕地總去除效率的比例，選用綠蘿和紫邊碧玉椒草兩種植物，這兩種植物都是水生植物，耐澇，有一定的固氮作用，且有一定的觀賞價值，符合本實驗條件的要求。綠蘿作為水生植物被應用于許多人工濕地的研究中，被證實對污水有很好的處理效果＼[13＼]；紫邊碧玉椒草等許多植物并未被應用于人工濕地，本實驗同時探討該植物在人工濕地中的應用效果。

2目的

沸石和蛭石都是人工濕地中常用且去除效率較高的填料，因此本實驗選取蛭石與沸石組成的復合填料作為垂直流人工濕地的基質。測定實驗進水、出水、填料與不同植物中的總氮總磷的含量，分析垂直流人工濕地中氮磷的降解規律，植物與填料共同作用下對濕地的氮磷去除效率中，植物與填料分別占多少比例，以及不同植物對氮磷去除效果的影響。一些實驗研究了不同影響因子對潛流人工濕地的氮磷降解規律的影響＼[14＼]，本實驗研究垂直流人工濕地中的氮磷降解規律，及紫玉在人工濕地中應用的可行性，希望在人工濕地的實際應用中可以提供有用可行的建議與理論依據。

3材料與方法

3.1實驗用水

本實驗采用自己配制的實驗所用污水，以保證進水的理化性質穩定，減小對實驗結果的影響。根據《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的二級標準配制污水水樣，取102.5 mg磷酸二氫鉀、200.0 mg蔗糖、500 mg硫酸銨于燒杯中，分別溶解，加入5 L水，攪拌均勻，配置成人工濕地實驗中的進水。進水需每天當天配制，以保證進水水質的穩定。水質pH值6.7～7.3，COD 100～110 mg/L，總氮22～25 mg/L，總磷2.3～2.8 mg/L。

3.2實驗設計

本實驗在夏季8月份進行。實驗室溫度約為28～30℃選擇高15 cm，上直徑13 cm，下直徑10 cm的圓形塑料花盆進行試驗。由下至上分別為4 cm高粒徑1 cm礫石，3 cm高粒徑2 mm的蛭石，3 cm高粒徑2 mm的沸石，4cm高土壤，栽入大小均等的8顆綠蘿植株或4棵紫邊碧玉椒草（以下簡稱紫玉），見圖1。共設置15組實驗，3組綠蘿與填料搭配的盆栽（1號～3號），3組為紫玉與填料搭配的盆栽（4號～6號），6組為分別種植綠蘿和紫玉并不加蛭石和沸石填料的盆栽（7號～12號），1組為只加填料不種植物的盆栽對照組（13～15號）。

花盆下方放置一個1000 mL的燒杯承接模擬垂直流人工濕地的出水，花盆上方懸掛輸液瓶，加入配制好的污水，通過閥門控制流速（250 mL/24 h）基本穩定，水力停留時間為72 h，每3 d取一次水樣，測定出水中的總氮、總磷含量與每日進水的總磷、總氮含量。最后測定實驗前后土壤與植物中總氮與總磷含量。將未經實驗，用蒸餾水澆灌的植物與實驗組植物分別洗凈根部土壤及填料，擦干水分，然后放入烘箱90 ℃烘干至恒重，粉碎后進行測定，空白填料與實驗組填料去除雜物，自然風干后粉碎，過0.25 mm篩進行測定。測定時設置3組平行，減小實驗誤差。

3.3指標分析方法＼[15＼]

本實驗中各測定指標及測定方法見表1。

3.4實驗儀器與藥品

3.4.1實驗儀器

紫外分光光光度計、凱氏定氮儀、紅外分光光度計、消煮爐、高壓蒸滅菌器、烘箱、比色管、滴定管、消煮管等實驗室常用玻璃儀器。

3.4.2實驗藥品

磷酸二氫鉀、蔗糖、硫酸銨、硫酸、硝酸、高氯酸、鹽酸、過氧化氫、氫氧化鈉、過硫酸鉀、抗壞血酸、鉬酸銨、酒石酸銻鉀、酚酞、硝酸鉀等。

4結果分析

4.1模擬濕地對水體中總氮總磷的去除效率

污水中總磷去除率隨進水流量變化趨勢如圖2所示，填料與植物組合的盆栽，隨著時間增加，出水中磷的去除效率先升高后降低，第九天時去除率達到最大。種植紫玉的盆栽對總磷的去除效率略高于種植綠蘿的盆栽。

只種植綠蘿或紫玉，未添加填料的盆栽對污水中總磷的去除效率為30%～60%，其余花盆的去除效率均較高，都在70%以上。植物對水體中污染物有著顯著的去除效果，但去除效率較低。

填料單獨作用時，對人工濕地中氮磷的去除效率較植物高許多，與填料和植物共同作用時去除效率相當，但是一段時間后去除效率逐漸降低，12d后未種植植物的盆栽對污水中總磷的去除效率低于1～6號盆（植物與填料組合）。

綜合來看，種植紫邊碧玉椒草對總磷的去除效果比種植綠蘿對總磷的去除效果好。濕地對總磷的去除機理主要是填料的吸附作用，其次是植物的吸收作用。在本實驗模擬人工濕地系統中，植物與填料共同作用時對污水中總磷的去除效果高于二者單獨作用，但小于二者單獨作用之和。

圖3為污水中總氮去除率隨時間變化趨勢，隨著時間增加，所有實驗組的去除效率都呈下降趨勢，第9 d后下降趨勢緩慢，趨于穩定。種植綠蘿的盆栽對總氮的去除效率略高于種植紫玉的盆栽。綠蘿比紫玉根系更為發達，根長更長，除氮效率較高。

只種植綠蘿或紫玉，未添加填料的盆栽對污水中總氮的去除效率略低于填料和植物組合的盆栽，但相差不大，去除效率均在3%～38%之間。

未栽種植物的盆栽在第3 d取樣時，去除效率較高，達到65%，之后逐漸下降，在第12 d后低于其他實驗組盆栽。

本實驗中模擬濕地的盆栽對水體中總氮的去除效率普遍偏低，可能是由于實驗進水的總氮濃度較低，影響了植物與填料的去除效率，也可能是實驗規模較小，限制了植物、填料、微生物等因素發揮的作用。

4.2填料對水體中總氮總磷的去除效果

圖4為試驗結束后測得盆栽中填料的總磷總氮含量與空白值的對比，由圖2和3可知，未種植植物的盆栽對污水中污染物的去除效率也比較高，圖4中，7號盆中填料的氮磷含量均較高。

紫玉與填料組合的盆栽中，填料總磷含量比未種植植物的盆栽中填料總磷的含量低，而總氮含量較高。在圖2中，紫玉與填料組合的盆栽對總磷的總體去除效果要高于未種植植物的盆栽，與植物組合的盆栽中填料的利用率較低，但紫玉對總磷的去除效果比較好。紫玉對填料去除作用的影響較大

綠蘿與填料組合的盆栽中，填料總磷含量比未種植植物的盆栽中填料總磷的含量高，而總氮含量略低于未種植植物的盆栽，綠蘿對填料去除作用的影響較小

植物種類會影響填料對污水中不同污染物的去除效率，由圖2可知紫邊碧玉椒草對總磷的去除效果較好，而此實驗組的填料對水體中總氮去除效果也較好。使用紫玉作為濕地植物，可以保證對紫玉對總磷和總氮的綜合去除效果。

2017年9月綠色科技第18期

4.3植物與填料在總磷的去除中的貢獻

綠蘿吸收的總磷占實驗中總磷總去除率的14.22%，填料吸附的總磷占實驗中總磷總去除率的82.02%，其他的上層土壤和最底層礫石吸附過濾作用等作用占3.76%。（一般微生物的活動與總磷的去除率之間無顯著相關＼[17＼]）紫邊碧玉椒草吸收的總磷占實驗中總磷總去除率的13.62%，填料吸附的總磷占實驗中總磷總去除率的80.01%，其他的上層土壤和最底層礫石吸附過濾作用等作用占6.37%，見圖5。填料對污水中總磷的去除作用所占比例最大，均在80%以上，其次為植物的吸附

作用，所占比例較大。

綠蘿與紫玉對總磷的去除效率相差較大，但植物作用所占比例相近，填料的吸附作用所占比例相差不大，植物與填料去除效率所占比的比值約為0.17。可見雖然選用植物不同，但植物與填料對水體中總磷的去除規律是一致的。

4.4植物與填料在總氮的去除中的貢獻

由圖6可知，綠蘿吸收的總氮占實驗中總氮總去除率的7.07%，填料吸附的總氮占實驗中總氮總去除率的68.24%，其他上層土壤和最底層礫石吸附作用、微生物的反硝化作用＼[18＼]等24.69%，紫邊碧玉椒草吸收的總氮占實驗中總氮總去除率的4.07%，填料吸附的總氮占實驗中總氮總去除率的71.57%，其他上層土壤和最底層礫石吸附作用、微生物的反硝化作用等占24.36%。填料對污水中總氮的去除作用所占比例最大，植物的吸收作用只占很小的比例。

植物與填料對水體中總氮的去除規律不十分顯著，綠蘿對氮的去除作用所占比例高于紫玉所占比例，所以植物種類影響濕地中植物與填料對水體中總氮的去除規律。

5結論

（1）污水中總磷的去除主要為植物吸收（80.01%～82.02%）和填料吸附（13.62%～14.22%）的作用，對于總氮的去除，主要是填料的吸附作用，約占68.24%～71.57%，微生物作用也占較大比例約24%。人工濕地的實際應用中，可以適當對于含氮量較高的污水多培養一些微生物，增強對總氮的去除能力；對含磷量較高的污水適當增加植物生物量。

（2）人工濕地中植物、填料、微生物等組成部分對污水中污染物的去除效果不是疊加的，而是相互配合，共同作用的。單獨的填料或者植物對水體中的污染物的去除效果均較為明顯，在人工濕地中種植植物后，濕地對總氮總磷的總體去除效率會提高，但低于兩者單獨作用之和。可能是微生物與植物和填料共同作用而相互影響的結果。

本實驗中，濕地對總磷的去除規律較為明顯，植物作用所占去除效率與填料作用所占去除效率的比值約為0.17。對總氮的去除規律并不明確，還需進一步研究。

顧修強，等：垂直流人工濕地氮磷降解規律的研究

環境與安全

（3） 植物種類會影響人工濕地填料對不同污染物的去除效率與去除規律，有的植物會使填料對水體中某種污染物質的去除效果降低，有的會使填料對水體中某種污染物質的去除效果增強。實驗表明，種植綠蘿的實驗組的填料對污水中總磷的去除量較高，種植紫邊碧玉椒草的實驗組的填料對污水中總氮的去除量較高。

（4） 紫邊碧玉椒草對水體中總磷與總氮的去除效果也較好，幾乎可以達到與濕地常用植物綠蘿相近的去除效率。并具有一定的觀賞性，可以嘗試應用于人工濕地中。垂直流人工濕地選取植物時應根據污水中污染物質的種類選擇適合的濕地植物。

本實驗在實驗室進行，許多因素如pH值，溫度等因素較好控制，在實際應用中很多因素可能會對實驗結果有影響，人工濕地的結構、進水的污染物質濃度與植物的選用等都會對結果產生影響，還需深入討論。

參考文獻：

[1]

劉志偉，宋俊玲，郭志偉. 復合垂直流人工濕地植物與填料優化組合研究＼[J＼]. 環境工程，2014（9）：32～35.

＼[2＼]張巍，趙軍，郎咸明，等.人工濕地系統微生物去除污染物的研究進展＼[J＼].環境工程學報，2010，4（4）：721～728.

＼[3＼]肖蕾，賀鋒，黃丹萍，等.人工濕地反硝化外加碳源研究進展＼[J＼].水生態學雜志，2012，33（1）：139～143.

＼[4＼]黃娟，王世和，鐘秋爽，等. 植物生理生態特性對人工濕地脫氮效果的影響＼[J＼]. 生態環境學報，2009（2）：471～475.

＼[5＼]Jing S R，Lin Y F，Lee D Y，et al.Nutrient removal from polluted river water by using constructed wetlands＼[J＼].Bioresource Technology，2001，76（2）：131～135.

＼[6＼]李勝男，崔麗娟，宋洪濤，等. 不同濕地植物土壤氮、磷去除能力比較＼[J＼]. 生態環境學報，2012（11）：1870～1874.

＼[7＼]Michela S，Maurizio B. Effect of different macrophytes in abating nitrogen from a synthetic wastewater＼[J＼]. Ecological Engineering，2010（36）：1222～1231.

＼[8＼]Geary P M，Moore J A.Suitability of a treatment wetland for dairy wastewater＼[J＼].Water Science and Technology，1999，40（3）：179～185.

＼[9＼]Maurizio B，Michela S. Effects of five macrophytes on nitrogen remediation and mass balance in wetland mesocosms ＼[J＼]. Ecological Engineering，2012（46）：34～ 42.

＼[10＼]劉志偉，宋俊玲，郭志偉.復合垂直流人工濕地植物與填料優化組合研究＼[J＼].環境工程，2014（9）：32～35.

＼[11＼]胡世琴.人工濕地不同植被凈化污水效果及其氮磷累積研究＼[J＼]. 水土保持研究，2017（1）： 200～206.

＼[12＼]梁康，王啟爍，王飛華，等. 人工濕地處理生活污水的研究進展＼[J＼]. 農業環境科學學報，2014（3）：422～428.

＼[13＼]杜少文. 濕地植物污水凈化效果及其機理的初步研究＼[D＼].青島：中國海洋大學，2011.

＼[14＼]李濤，周律. 濕地植物對污水中氮、磷去除效果的試驗研究＼[J＼].環境工程，2009，27（4）：25～28.

＼[15＼]國家環境保護總局水和廢水監測分析方法編委會，水和廢水監測分析方法＼[M＼]. 北京：中國環境科學出版社，2002.

＼[16＼]崔延瑞，張璐璐，程瑤，等. 流型、植物種類和基質厚度對人工濕地去除廢水中氨氮的影響＼[J＼]. 科學技術與工程，2016（12）：312～315.

＼[17＼]陳濤，于魯冀，柏義生，等.微污染水體水平潛流濕地強化脫氮研究＼[J＼].環境工程，2016，8（4）：23～26.

＼[18＼]張榮社，李廣賀，周琪，等.潛流濕地中植物對脫氮除磷效果的影響中試驗究＼[J＼].環境科學，2005，26（4）：83～86.

Study on the Conservation of Nitrogen and Phosphorus in Vertical Flow Constructed Wetland

Gu Xiuqiang1，Li Tingting2，Fu Weizhang2，Ge Xiaohong2，Zheng Shulian2，Geng Shuying2

（1. Environmental Protection Bureau of Feicheng， Taian 271600， China；

2. College of Resources and Environment， Shandong Agricultural University， Taian 271000，China）

Abstract： The total phosphorus content of total nitrogen in water， effluent， filler and plant was determined by using pots to simulate vertical flow constructed wetland structure， planting green radish and purple edge jibelia herb. The

removal rate of total nitrogen and total phosphorus in the vertical flow constructed wetland was studied. The removal efficiency of nitrogen and phosphorus was studied by the ratio of plant and filler removal. The results showed that the removal of total phosphorus absorbed by filler in the wastewater was mainly 80.01% to 82.02%， and the absorption of the plants was 13.62%～14.20%. For the removal of total nitrogen， the adsorption effect of filler was 68.26%～71.57%. In addition to the adsorption of fillers， microbial and other factors accounted for a large proportion， accounting for about 24%， and the proportion of plant uptake was small. The application of Peperomia tetraphylla in wetland achieves the similar effect with Scindapsus， which can be used to try in artificial wetland. The experimental results provide feasible suggestions and theoretical basis for plant screening and nitrogen and phosphorus degradation in constructed wetlands.

Key words： vertical flow constructed wetland； nitrogen and phosphorus degradation law； plant screening