表面流人工濕地對遼河水質長期凈化效果

楊 波

(吉林農(nóng)業(yè)科技學院 農(nóng)學院, 吉林 吉林 132101)

立足于整個全球生態(tài)環(huán)境，大氣、陸地、海洋成為其尤為關鍵的生態(tài)系統(tǒng)構成，此外還包括土壤、森林及山地高原等多種生態(tài)子系統(tǒng)[1-3]，整體而言，具有明顯的生態(tài)特點，其影響要素不僅具有多樣性[4-5]，還體現(xiàn)著明顯的復雜性。介于陸地和水域之間還分布著特殊的局地生態(tài)構成，那就是緊密連接陸地和水域的濕地。作為重要的水域生態(tài)構成部分，濕地不僅能夠有效地調節(jié)局地氣候，在涵養(yǎng)水源方面發(fā)揮著關鍵效應，同時能夠促進生物多樣性分布，具有尤為關鍵的生態(tài)意義[6-7]。為了有效借鑒利用濕地的生態(tài)功能，在污水處理過程中常常借助于人工濕地這一生態(tài)方式，這是20世紀70年代發(fā)展起來并逐漸廣泛推廣的污水處理新途徑，該污水處理系統(tǒng)不僅包括水體及濕地植被，還包括基質及微生物，這四部分構成了其基本生態(tài)功能，經(jīng)過一系列的生化處理方式來有效去除水體污染物，對于降低水體營養(yǎng)化及污染物質效果突出，不僅呈現(xiàn)突出的環(huán)保效益[8-9]，而且去污效果較為突出，能夠針對不同的污染水體開展不同的濕地搭建，從而針對性地開展?jié)竦厝ノ厶幚恚M而取得良好效果。濕地在去污方面不僅借助于濕地的植被的過濾及吸附作用，其中基質對于污染物的沉淀吸附效應也較為突出，此外，微生物的分解效應也較為突出，不同類型的濕地構建對于特定的污染物去除具有一定的針對性，其優(yōu)勢各異，結合其結構的差異，不僅能夠分為水平流、垂直流，還包括溝渠型等[10-11]。由于濕地具有突出的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益，因此國內外開展了大量的相關研究，且運用日益廣泛；作為常用的基質填充物，煤渣及礫石運用較為廣泛，在研究技術不斷進步的情況下，礦石副產(chǎn)品甚至于工業(yè)副產(chǎn)品逐步運用在基質填充方面，常見的有沸石、白云石等，混合基質能夠產(chǎn)生更高效的去污效能；此外，關于濕地植被的選擇等方面研究也越來越成熟，經(jīng)過大量實證研究得知，無論是香蒲，還是美人蕉等，均能夠在水體去污過程中發(fā)揮尤為突出的效果，且其生長適應性也得到了很好的體現(xiàn)，不僅呈現(xiàn)出較強的美感，同時體現(xiàn)更為重要的經(jīng)濟效益。

在城鎮(zhèn)化發(fā)展的過程中，越來越多的人口進入城市，在城市承載能力有限的情況下，越來越多的生活垃圾及工業(yè)廢水隨之產(chǎn)生[12-13]，加之污染物處理水平有限，大量的污染物進入大自然，近些年來農(nóng)村地區(qū)的污染現(xiàn)象也較為突出，尤其是部分地區(qū)水污染問題相當嚴重，不僅河流污染現(xiàn)象嚴重，且地下水的污染問題也較為突出，為污染治理帶來了巨大難度。據(jù)權威統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，從廢水排放量的角度來看，400多億t的排放量為污水治理造成了巨大壓力[8]，且生活污水呈現(xiàn)明顯的上升態(tài)勢，大量污水以及未處理廢水進入河流湖泊，無論是河流還是地下水，均受到了嚴重的影響，這也正是水資源治理的迫切需求。為了有效利用濕地去污，大量的表面流濕地投入到污水治理過程中，這種類型的濕地具有較低建設及運行成本，但是其需要占用較大的空間[14-15]，加之容易受季節(jié)變化制約，其凈化效果并不穩(wěn)定，因此主要運用在農(nóng)業(yè)排水處理方面。為了提升污水處理效率及綜合效益，在此基礎上的多級串聯(lián)逐漸投入到濕地構建過程中，不僅能夠有效降低水體富營養(yǎng)化，而且除污效果較佳[16-17]。對于人工濕地而言，其去污效能的發(fā)揮不僅取決于基質及微生物方面，還取決于濕地植被的選擇，其整體構造最終影響著其水體凈化效果，因此在濕地構建過程中不僅注重基本構造，還要充分考慮整體的去污效果。基于此，本研究基于不同濕地植被錯配的角度開展人工濕地去污研究，并將茭白等作為濕地植被研究對象，通過對比分析探究如何優(yōu)化濕地去污，為污水治理提供有益參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 人工濕地設計與流程

本研究開始于2014年5月，具體試驗地點為吉林省農(nóng)科院濕地研究區(qū)(125.31°E，43.86°N)，本研究過程中采用的濕地類型是表面流，將尼龍網(wǎng)覆蓋其底部并作為集水區(qū)；試驗中共構建濕地單元4個，要求其長、寬、高分別為20 m，5 m，1 m，為了盡可能地避免濕地單元間的交互影響，本研究借助于土埂進行分割處理，要求其寬度達到0.5 m；在基質填充物選擇方面，本研究采取的是混合基質，對于底部排水層而言，使用大粒徑礫石進行填充，厚度及粒徑分別為25 cm，30 mm；中層基質為中號爐渣，厚度及粒徑分別為25 cm，25 mm；上層基質小號爐渣，其厚度及粒徑分別達到25 cm，15 mm，最后將泥沙鋪放其上，從而完成了基質的構建處理。之后進行實地植被的選擇及種植，在試驗過程中不僅選擇了茭白、鳶尾，還將美人蕉、蘆葦作為濕地植被研究對象，分別種植于濕地各單元，要求每平米種植密度為3～7棵，在其底部集水區(qū)用尼龍網(wǎng)覆蓋，這樣能夠最大限度避免基質明顯下滲，從而對于集水區(qū)運行提供保障；為了使各單元水循環(huán)有效地運行，在對角線方向埋入PVC管，這樣也能夠起到便于水樣采集的目的。

首先對茭白等濕地植被開展為期一個月的馴化處理，采取的是微污染水的馴化，待完成該馴化處理后方可進行污水去除效應分析。首先選取長勢基本一致的濕地植被，分別種植于沙質基質，并加入自來水直至其達到飽和，在培養(yǎng)期借助于地下水進行長達15 d的培養(yǎng)處理，且使其上保持薄水層，要求厚度約2 cm，在這期間進行換水處理的次數(shù)不低于三次。接下來對濕地進行污水注入處理，要求注入速度緩慢，水深達到80 cm，具體時間為2014年7月，在水管的作用下污水均勻流入，并逐漸下滲，要求注水時間達到12 h，水力負荷在0.75 m3/(m2·d)的范圍內，經(jīng)過處理的水最終經(jīng)PVC管排出，通過不同時期取樣開展水質分析，具體如下[13]：

各指標的去除率=(進水口值—出水口值)/出水口值×100%。

1.2 測定方法

氮、磷積累量(PA)=植被氮、磷含量(PC)×植被生物量(PB)。

地上、地下生物量比(A/U)=地上部生物量/地下部生物量。

采用Excel 2010和SPSS 21.0進行差異性檢驗和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 表面流人工濕地對水質凈化能力

由表1可知，2015—2018年人工濕地不同植被對BOD5去除率變化范圍在38.11%～52.82%，隨著年份的增加而增加；不同年份BOD5去除率均表現(xiàn)蘆葦和茭白顯著高于美人蕉和鳶尾(p<0.05)，其中蘆葦和茭白差異不顯著(p>0.05)，美人蕉和鳶尾差異不顯著(p>0.05)。人工濕地不同植被對CODCr去除率變化范圍在42.02%～58.69%，隨著年份的增加而增加；不同年份CODCr去除率均表現(xiàn)蘆葦和茭白顯著高于美人蕉和鳶尾(p<0.05)，其中蘆葦和茭白差異不顯著(p>0.05)，美人蕉和鳶尾差異不顯著(p>0.05)。TN去除率變化范圍在43.11%～57.91%，隨著年份的增加而增加；不同年份TN去除率均表現(xiàn)蘆葦和茭白顯著高于美人蕉和鳶尾(p<0.05)，其中蘆葦和茭白差異不顯著(p>0.05)，美人蕉和鳶尾差異不顯著(p>0.05)。TP去除率變化范圍在32.13%～46.98%，隨著年份的增加而增加；不同年份TP去除率均表現(xiàn)蘆葦和茭白顯著高于美人蕉和鳶尾(p<0.05)，其中蘆葦和茭白差異不顯著(p>0.05)，美人蕉和鳶尾差異不顯著(p>0.05)。

表1 表面流人工濕地對水質凈化能力

2.2 表面流人工濕地氮、磷積累量

由表2可知，2015—2018年人工濕地地上生物量變化范圍在54.13～103.09 g/m2，隨著年份的增加而增加；不同年份地上生物量均表現(xiàn)蘆葦和茭白顯著高于美人蕉和鳶尾(p<0.05)，其中蘆葦和茭白差異不顯著(p>0.05)，美人蕉和鳶尾差異不顯著(p>0.05)。地下生物量變化范圍在119.13～171.15 g/m2，隨著年份的增加而增加；不同年份地下生物量均表現(xiàn)蘆葦和茭白顯著高于美人蕉和鳶尾(p<0.05)，其中蘆葦和茭白差異不顯著(p>0.05)，美人蕉和鳶尾差異不顯著(p>0.05)。

表2 表面流人工濕地氮、磷積累量 g/m2

N累積量變化范圍在37.12～72.09 g/m2，隨著年份的增加而增加；不同年份N累積量均表現(xiàn)蘆葦和茭白顯著高于美人蕉和鳶尾(p<0.05)，其中蘆葦和茭白差異不顯著(p>0.05)，美人蕉和鳶尾差異不顯著(p>0.05)。P累積量變化范圍在139.09～169.12 g/m2，隨著年份的增加而增加；不同年份P累積量均表現(xiàn)蘆葦和茭白顯著高于美人蕉和鳶尾(p<0.05)，其中蘆葦和茭白差異不顯著(p>0.05)，美人蕉和鳶尾差異不顯著(p>0.05)。

2.3 表面流人工濕地土壤養(yǎng)分特征

由表3可知，2015—2018年人工濕地土壤有機碳、全氮、全鉀、速效磷、堿解氮含量呈一致的變化規(guī)律，隨著年份的增加而增加；不同年份土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀、速效磷、堿解氮含量均表現(xiàn)蘆葦和茭白顯著高于美人蕉和鳶尾(p<0.05)，其中蘆葦和茭白差異不顯著(p>0.05)，美人蕉和鳶尾差異不顯著(p>0.05)；不同年份土壤全磷含量差異不顯著(p>0.05)。

表3 表面流人工濕地土壤有機碳和養(yǎng)分特征

2.4 表面流人工濕地土壤微生物生物量

由表4可知，2015—2018年人工濕地土壤微生物量碳、氮、磷呈一致的變化規(guī)律，隨著年份的增加而增加；不同年份土壤微生物量碳、氮、磷含量均表現(xiàn)蘆葦和茭白顯著高于美人蕉和鳶尾(p<0.05)，其中蘆葦和茭白差異不顯著(p>0.05)，美人蕉和鳶尾差異不顯著(p>0.05)；不同年份土壤微生物量磷含量差異不顯著(p>0.05)。SMBN/SMBP隨著年份的增加而增加不同年份SMBN/SMBP均表現(xiàn)蘆葦和茭白顯著高于美人蕉和鳶尾(p<0.05)，其中蘆葦和茭白差異不顯著(p>0.05)，美人蕉和鳶尾差異不顯著(p>0.05)，SMBC/SMBN呈相反的變化趨勢。

表4 表面流人工濕地土壤微生物生物量

2.5 表面流人工濕地去除率與土壤養(yǎng)分相關性

人工濕地去除率與土壤養(yǎng)分存在一定的關系，由表5可知，人工濕地地下生物量、N累積量、P累積量、土壤全氮、全磷與TN和TP去除率呈顯著正相關(p<0.05)；土壤速效磷、堿解氮、微生物量碳、微生物量氮與BOD5和CODCr去除率呈顯著正相關(p<0.05)。

表5 表面流人工濕地去除率與土壤養(yǎng)分相關性

2.6 表面流人工濕地去除率排序分析

本研究通過RDA排序分析來對群落多樣性及環(huán)境因子之間的關系開展相應分析，這種分析方法可以同時對多個環(huán)境影響因子開展研。從表6可知，第一個排序軸的特征值根為0.623，與環(huán)境因子在0.01的檢驗水平下達到顯著，相關系數(shù)達到0.951；第二排序軸的特征值根達到0.116，物種與環(huán)境因子顯著正相關，前兩個排序軸的累積解釋度達到了90.34%。由此可知，土壤養(yǎng)分能夠很好解釋人工濕地去除率，其中地下生物量、N累積量、P累積量、土壤全氮、全磷與TN和TP去除率呈顯著正相關(p<0.05)；土壤速效磷、堿解氮、微生物量碳、微生物量氮與BOD5和CODCr去除率呈顯著正相關(p<0.05)，這與相關性結果相一致。

表6 典范對應排序軸特征值及解釋比例 %

3 討論與結論

通過連續(xù)4 a的連續(xù)觀測分析可知，無論是BOD5，CODCr，還是TN和TP，其去除率均受到了時間的制約，且具有較為接近的發(fā)展態(tài)勢[18-19]，均在時間不斷增加的情況下，表現(xiàn)出明顯的上升態(tài)勢，且去除效果較好的是蘆葦和茭白，其污染物去除率明顯高于其他兩種植被，且其差異達到了顯著水平；對于蘆葦和茭白，去污效果雖然存在一定的差異，但是差異不顯著(p>0.05)，對于美人蕉和鳶尾來說亦是如此[20-21]。對于人工濕地而言，對P的去除效應一方面利用濕地植被的吸附效應，另一方面借助于基質的截留及沉淀吸附效果，加之微生物新陳代謝對于該物質的吸收利用，最終形成了較為明顯的去除效果。對于本研究濕地而言，其pH為中性，以免制約植被及微生物生長，主要的基質為石灰石和高爐渣，其較高含量的Ca，F(xiàn)e在促進微生物活動方面起著重要作用，促進微生物對于水體養(yǎng)分物質的吸收利用；此外，對于濕地基質而言，其具有較強的吸附性，對于污染物去除具有較好效果。通過對人工濕地的分析得知，其N元素具有較為復雜的循環(huán)，對于N的去除，一方面在硝化、反硝化的作用機理下得以實現(xiàn)[20-21]，此外好氧微生物在此過程中也能夠通過降解作用發(fā)揮較好的去除效應，從而形成對TN形成良好的去除效果[22-23]。

人工濕地的凈化能力不僅取決于基質及微生物方面，還取決于植被的選擇，其整體構造最終影響著其水體凈化效果；對于人工濕地污水處理系統(tǒng)而言，其不僅包括水體及濕地植被，還包括基質及微生物[22-23]，這四部分構成了其基本生態(tài)功能，經(jīng)過一系列的生化處理方式來有效去除水體污染物，對于降低水體營養(yǎng)化及污染物質效果突出，不僅呈現(xiàn)突出的環(huán)保效益[8]，而且去污效果較為突出，能夠針對不同的污染水體開展不同的濕地搭建，從而針對性地開展?jié)竦厝ノ厶幚恚M而取得良好效果[24-25]。整體而言，在濕地基質及植被等綜合作用下，加之微生物的參與，其最終形成了較良好的去污效果，但是隨著時間的推移，對于基質而言，其對污染物的吸附過濾效應會逐漸減弱，最終當其達到飽和狀態(tài)后則無法繼續(xù)發(fā)揮作用，其重復利用難度較大；但是對于濕地植被而言，其截留過濾效應較為突出，這是其直接的去污效應，加之微生物的作用，能夠形成較好的去污效果，主要原因在于植被一方面為微生物提供一定的養(yǎng)分物質，促進其活性，另一方面增加了濕地滲透能力，最終促進濕地的去污使用效果及使用時間，因此，濕地植被選擇尤為關鍵，尤其是其對不同的污染物具有不同的去除效果，在濕地構建過程中需要加以錯配，并選擇有針對性的基質填充物。對于濕地植被而言，其地上、地下的N，P含量具有較大的差異，其前者明顯較高，主要原因在于其該物質在植株不同器官的分配[17-18]。無論是地上、地下生物量，還是N和P累積量，其含量變化均受到了時間的制約，且具有較為接近的發(fā)展態(tài)勢，均在時間不斷增加的情況下，表現(xiàn)出明顯的上升態(tài)勢；對于地上生物量而言，較高的是蘆葦和茭白，且明顯高于其他兩種植被，于蘆葦和茭白來講，地上生物量雖然存在著一定差異，但是差異并不顯著[23-24]，對于美人蕉和鳶尾來說亦是如此。對于N，P積累量的去除可以借助于收割的方式進行，且具有良好的凈化效果，尤其是蘆葦和茭白，其發(fā)達的根系對于促進微生物活動起著尤為突出的效應，進而促進濕地對污染物的去除效果，在濕地搭建過程中需要注意不同植被的錯配，從而發(fā)揮優(yōu)勢互補的作用，以提升凈化水質的效果。此外，植被及基質的合理錯配也是濕地構建過程中需要進一步探索的方向。