不同類型人工濕地處理富營養化水體的試驗研究

李長虹，李偉斯，徐 斌，李修嶺

(1.山東省臨沂市環境監測站，山東 臨沂 276000；2.青島理工大學環境與市政工程學院，山東 青島 266033；3. 臨沂大學生命科學學院，山東 臨沂 276000)

【研究意義】人工濕地作為一種人工生態系統，在利用有關基質、植物和微生物三者協同作用的基礎上來達到有效凈化污廢水的效果，因其生態化的處理方式而應用廣泛，且效果良好[1-2]，不僅在工業廢水和生活污水凈化處理方面應用廣泛，也應用于農業排水的凈化，其凈化效果主要依賴于物理、化學及生物的綜合作用[3-4]。但凈化效果需依賴于相關的基質填料與能夠產生顯著凈化效果的植物。【前人研究進展】目前人工濕地方面的基質與植物等相關研究已在國內外廣泛進行。常規的基質填料主要包括沙和礫石等，隨著研究的不斷深入，諸如礦石及工業副產品等性能較高的基質填料等研究日益成熟，同時一些混合基質研究也不斷開始，比如沸石、白云石等[5]。當然，對濕地植物的相關研究也逐漸轉向多功能化的方向，通過研究發現諸如香蒲、美人蕉、燈心草等都是相當理想的濕地植物，對于污水具有較強的凈化效果，同時這些植物具有很好的生長適應性，在頗具美感的同時具有良好的實用效果[6-7]。因此，人工濕地日益成為一種環保有效的污水處理技術，一種生態化的處理手段。在國外，人工濕地在廢水及污水處理方面的研究相當廣泛，但在國內這方面的研究相對較少，在城市水污染嚴重的今天，研究濕地污水廢水凈化具有重要的現實意義，能夠對我們的生活帶來有益的影響[8-9]。【本研究切入點】人工濕地一方面利用植被及基質填料對污染物進行吸附、攔截、過濾，另一方面通過微生物的吸收降解效應來處理污染物營養成分，因此濕地類型不同，其凈化效果也不盡相同。根據濕地結構的不同，可將之分為表面流、水平流、垂直流和溝渠型，不同結構的濕地具有不同的凈化效果[10-11]。近年來，主要對單一類型的濕地進行凈化效果研究等，對不同類型濕地的凈化效果比較方面的研究相對較少[12-13]。【擬解決的關鍵問題】濕地結構不同，其運行方式、處理對象及效率等方面都存在很大的差異，在實際污、廢水凈化過程中要結合具體的污廢水主要營養成分開展凈化去除處理。因此，本研究針對富營養化水質，在同等條件下分別對表面流、潛流、垂直流3種人工濕地的凈化作用進行對比，探索不同濕地類型應用于富營養化水體處理效率之間的差異。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.2 人工濕地設計與流程

在此次實驗中特設計濕地結構如下：底部作為集水區，并將尼龍網鋪放在上面，然后設置60 m2的直流單元，且長、寬、深分別為30、2.0、0.5 m，進而分3層依次進行基質填充：第一，底層作為排水層，是通過粒徑15～35 mm的大粒徑礫石進行構建，需要15 cm的厚度；第二，中層使用中號爐渣作為基質填料，為達到更好的凈化效果，要求其粒徑在10～25 mm，厚度需達15 cm；第三，上層使用小號爐渣作為基質填料，并配合泥沙使用，要求粒徑在5～10 mm，厚度達20 cm；另外，潛流和表面流單元也設置為60 m2，并以土壤及粘土為填充基質，且長、寬、深分別為30、2.0、0.5 m；最后要用寬度為1 m的土埂將各單元進行分隔開來，從而形成鋪放尼龍網的底部集水區，這樣能夠大大降低填料的下漏現象，另外，還要在每個單元進行對角線的PVC管埋入處理，管的直徑要達到12 mm，這樣濕地中的水能夠通過PVC管進行不斷的循環，從而方便水樣采集。以美人蕉作為濕地植被，要求其株型、生物量基本一致，這樣便于實驗，將之以10株/m2的密度種植在3種不同類型的濕地中。

進水的水質具有富營養化特性，并達到了0.7 m3/(m2·d)的水力負荷，試驗時間在2014年2月至2015年11月，在濕地運行期間分別于2月、5月、8月和11月進行了進水溫度測定，其平均水溫分別是15.2、28.3、16.7和4.1 ℃，進水pH 7.12～7.68。濕地對進水進行處理后由底部PVC管排出，然后在不同的月份進行出水口的水質測定[14-15]。

去除率=(進水口值-出水口值)/出水口值×100 %

1.3 數據分析

人工濕地投入使用一年后，對濕地植被開展一系列的測量和采集，并對各單元1 m2范圍內植株生長情況進行統計，主要側重在數目、株高等生長情況；將其采割后對之進行地上和地下部分分類并隨之烘干，這樣處理之后就能分別測定其生物量的分布；然后分別將之粉碎，用H2SO4-H2O2消煮后制成溶液，并對成分進行測定[16]。其中植被N、P的積累量取決于其濃度和植被的生物量。

植被N、P積累量=植被體內N、P濃度×植被生物量

利用SPSS 21.0統計分析軟件進行相應的回歸分析：對所采取的數據進行單因素方差分析，多重比較分析利用LSD。

2 結果與分析

2.1 不同類型人工濕地對的去除率分析

2.2 不同類型人工濕地對TN去除率

從圖2可知，雖然濕地類型不同，但TP去除率有明顯的季節變化規律，呈倒“V”字形的變化趨勢，且其去除率在夏季達到最高水平。就垂直流濕地而言，其對TN去除率波動范圍在39.56 %～82.35%，潛流濕地對其去除率波動范圍在28.79 %～62.35 %，表面流濕地對其去除率在30.25 %～71.02 %；同樣的月份，垂直流濕地帶來的去除效果最為明顯。

圖1 不同類型人工濕地對去除率Fig.1 The removal rate of of different constructed wetlands

圖2 不同類型人工濕地對TN去除率Fig.2 The removal rate of TN of different constructed wetlands

2.3 不同類型人工濕地對TP去除率

從圖3可知，雖然濕地類型不同，但TP去除率均表現出明顯的季節變化規律，且呈倒“V”字形的變化趨勢，其中夏季時3種類型的人工濕地對TP的去除率均達到最大水平。垂直流濕地對TP去除率波動范圍在32.05 %～61.23 %，潛流濕地對去除率在23.15 %～42.15 %，表面流濕地對去除率波動范圍在26.32 %～53.41 %；同樣的月份，垂直流濕地帶來的去除效果最為明顯。

2.4 不同類型人工濕地對高錳酸鉀指數去除率

從圖4可知，不同類型濕地對高錳酸鉀指數表現出明顯的季節性，呈倒“V”字形變化趨勢，在夏季去除效果達到最佳水平。垂直流濕地對高錳酸鉀指數去除率波動范圍在36.95 %～62.14 %，潛流濕地的去除率在31.02 %～54.23 %，表面流濕地對其去除率波動范圍在32.15 %～56.94 %。

圖3 不同類型人工濕地對TP去除率Fig.3 The removal rate of TP of different constructed wetlands

圖4 不同類型人工濕地對高錳酸鉀指數去除率Fig.4 The removal rate of potassium permanganate index of different constructed wetlands

圖5 不同類型人工濕地對BOD5去除率Fig.5 The removal rate of BOD5 of different constructed wetlands

2.5 不同類型人工濕地對BOD5去除率

從圖5可知，不同類型人工濕地對BOD5去除率具有明顯的季節性，呈倒“V”字形變化趨勢，在夏季對BOD5去除率達到最大水平。垂直流濕地對BOD5去除率在52.36 %～86.95 %；潛流濕地對其去除率在45.98 %～69.87 %，且變化幅度低于其他2種類型濕地；表面流濕地對其去除率在49.85 %～83.25 %。

2.6 不同類型人工濕地對CODCr去除率

從圖6可知，不同類型濕地對其去除效果存在明顯的季節性，呈倒“V”字形變化趨勢，在夏季其去除率達到最高水平。垂直流濕地對CODCr去除率在59.85 %～86.35 %，潛流濕地對其去除率在52.02 %～82.21 %，表面流濕地的去除率在57.25 %～86.32 %。

2.7 不同類型人工濕地對水質各指標的去除率

圖6 不同類型人工濕地對CODCr去除率Fig.6 The removal rate of CODCr of different constructed wetlands

2.8 人工濕地植被N、P含量、積累量及其相關性

3種不同類型人工濕地植被N含量存在較大差異(表1)，在14.23～26.98 g/mg變化，且垂直流的N含量遠遠高于其他2種類型。P含量遠遠低于N含量，其變化范圍在1.98～3.74 g/mg。N積累量變化范圍在5.07～11.54 g/m2，但垂直流的N積累量明顯高于其他2種類型，而潛流和表面流的的N積累量差別不大。P積累量的變化范圍在0.75～1.54 g/m2，但垂直流的P積累量明顯高于其他2種類型，而潛流和表面流的P積累量差別不大。整體的對比發現，垂直流人工濕地植被N、P含量及其積累量遠遠超過其他2種類型的濕地，而其他2種類型的濕地則無顯著差異。

圖7 不同類型人工濕地對水質各指標的去除率Fig.7 The removal rate of all the indicators of different constructed wetlands

項目ItemN(mg/g)P(mg/g)N積累量(g/m2)N accumulationP積累量(g/m2)P accumulation垂直流Vertical flow wetland26.98±3.74 a3.74±0.81 a11.54±2.41 a1.54±0.14 a潛流Free surface wetland15.78±2.45 b1.98±0.54 b5.78±1.78 b0.75±0.12 b表面流Subsurface flow wetland14.23±1.23 b2.21±0.41 b5.07±1.02 b0.89±0.09 b

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Notes: Different lowercase letters in the same column indicate significant differences (P<0.05).

2.9 人工濕地植被去除率與生理特性相關性研究

表2 人工濕地植被去除率與生理特性相關性研究

注：*，P<0.05；**，P<0.01。

vertical flow wetland (VFW), subsurface flow wetland (SFW) and free surface wetland(FSW)。

3 討 論

3種人工濕地對水質去除率均表現為明顯的季節特點，即夏、秋季人工濕地的凈化效果好于春、冬季，主要是因為不同季節植被的生長狀況不同，進而導致其吸附、過濾等效果不同最終影響植被的凈化效果。春季，植被處于生長初期，難以產生有效的去除效果；而夏秋季節，植被生長旺盛，植被的吸收與吸附作用明顯，同時微生物活躍帶來明顯的降解效果，因此這一時期對水質的凈化效果最佳。而對于冬季而言，植被生命力在衰退直至死亡，根莖機能日漸消退，其吸附、過濾等功能急劇下降，因此其凈化效果也在急劇下降[23-24]。

濕地植被一方面通過直接吸收及過濾污廢水的營養物質及有機物來對水質進行凈化，另一方面通過提高濕地滲透能力、增強微生物活性等作用來間接進行水質凈化，并對于基質的使用時間起到延長作用，因此濕地植被直接關乎濕地的水質凈化效果[23-25]。通過對3種人工濕地地上植被研究發現，就濕地植株體內的N、P含量而言，其地下部分的N和P積累量要明顯低于地上部分，這與N、P元素生長部位的分配特點有關，是植被對其生長所需N和P的內在平衡調節[17-18]。植被對N、P的凈化效果能夠在N、P的積累量變化中得以體現，由于營養成分特性不同，其在植被中的分布區域也不盡相同，因而可以利用不同的收割方式將部分營養成分去除。本研究中，可利用收割地上部分的濕地植被來將多數的N、P積累量去除，從而增強整體的去除效果；同時，通過研究發現植被體N、P積累量受到植被生物量的顯著影響，二者具有極顯著的線性相關關系，所以為了增強人工濕地的去除效應必須選擇適宜濕地環境的植被物種，同時利用植被地上生物量的增加來進行定期去除N、P成分。因此在以后的研究中，在構建人工濕地的過程中，盡量利用不同植被的凈化效果進行多植被的濕地組合，從而達到生物量較大、對污染元素具有較強吸附能力的效果。

4 結 論

(3)人工濕地綜合利用基質-微生物-植被的凈化機理，考慮到基質的吸附凈化能力會隨著時間的推移而降低直至達到飽和狀態，一旦其吸附容量達到飽和水平將因清理難度大而難以再次重復利用；相反，濕地植被則能夠利用其截流過濾作用有效凈化水質，并在微生物的綜合作用下產生顯著的凈化作用。濕地植被一方面通過直接吸收及過濾污、廢水的營養物質及有機物來對水質進行凈化，另一方面通過提高濕地滲透能力、增強微生物活性等作用來間接進行水質凈化，并對于基質的使用時間起到延長作用，因此濕地植被的選擇相當重要，這直接關乎濕地的水質凈化效果。在實際的濕地構建中，濕地植被的選擇不是單一的，要做好濕地植被的錯配，因為不同的植被對水質中不同的成分具有不同的凈化效果和能力，要依靠多元化的濕地植被來提升濕地系統的凈化能力，同時選擇合適的基質填料，綜合利用濕地的去除凈化作用。