近年來，國內(nèi)外開始廣泛關注由工業(yè)、農(nóng)業(yè)、市政等污廢水排放所造成的城市地表水富營養(yǎng)化問題〔1〕。雖然多種污水處理技術可以用來修復污染河流，但作為一種環(huán)境友好、資源節(jié)約的生態(tài)技術，人工濕地以其低投入、易管理及易對河流進行原位修復等優(yōu)點成為改善河流污染問題的優(yōu)先選擇〔2〕。
人工濕地處理污水 主要依賴于濕地中植物、基質(zhì)和微生物的相互作用〔3〕。其中植物不僅本身能吸收污水中的營養(yǎng)物，還能提高濕地系統(tǒng)中微生物的數(shù)量〔4〕;基質(zhì)在為植物和微生物提供生長介質(zhì)的同時，也能夠通過過濾和吸附等作用直接去除污染物〔5〕;而濕地微生物更多的是通過植物根際、基質(zhì)對污水性質(zhì)的適應和濕地內(nèi)部溶解氧等環(huán)境的構建來實現(xiàn)其活性和數(shù)量的比較大化〔6〕。所以在構建人工濕地時，植物和基質(zhì)是比較為重要的考慮因素。
目前對濕地植物和基質(zhì)的研究多集中于植物和基質(zhì)種類的選擇，關于濕地中植物、基質(zhì)級配的共同作用對水平流人工濕地處理污染河水營養(yǎng)物的影響研究相對空白，而且大量研究結果表明構建人工濕地時采用當?shù)匚锊氖禽^好的選擇。由于單一濕地無法同時提供好氧-厭氧的利于脫氮的環(huán)境，因此越來越多的研究采用復合濕地來實現(xiàn)對污水的有效處理，而且人工濕地對有機物的去除差異性較小。因此，筆者構建了種植有蘆葦(Phragmites australis)和空白無植物的水平潛流人工濕地，研究作為表流-水平流復合濕地中二級潛流的水平潛流人工濕地植物和大孔隙率、多級配基質(zhì)對處理河流營養(yǎng)物的影響作用，并分析了植物在人工濕地中的直接和間接作用。
1 材料與方法
1.1 實驗裝置
于西安建筑科技大學校內(nèi)構建2組結構相同的由有機玻璃構成的水平潛流人工濕地(尺寸均為0.75 m×0.4 m×0.8 m)。為了獲得較好的水力性能和處理效果，實驗采用了不同粒徑的填料組成，其礫石粒徑配比從下到上為15 cm大粒徑(d：15～30 mm)、25 cm小粒徑(d：5～15 mm)、15 cm大粒徑(d：15～30 mm)，基質(zhì)孔隙率為50%。1號濕地為種植蘆葦?shù)乃綕摿鳚竦�，種植密度為13株/m2，2號濕地為未種植植物的空白水平潛流濕地。礫石、蘆葦均取自西安皂河附近。
1.2 實驗水質(zhì)
西安市皂河污染嚴重，水中有機物、懸浮物等濃度較大〔7〕。為提高處理效果采用表流濕地作為復合濕地的級濕地，實驗用水為經(jīng)過表流濕地處理后的皂河河水，實驗期間其水質(zhì)為：TN(24.4±1.5) mg/L、NH3-N(17.5±1.2) mg/L、TP(2.0±0.1) mg/L、PO43--P (1.5±0.1) mg/L、BOD5(11.4±0.9) mg/L、COD(69.9±4.8) mg/L、DO(2.9±0.3) mg/L、SS(25.3±5.1) mg/L。表流濕地處理能有效去除河水中的懸浮物、有機物并提高出水溶解氧，與水平潛流濕地共同營造出利于脫氮除磷的好氧-厭氧環(huán)境，有利于有效凈化高污染河水。實驗采用連續(xù)進水方式，水力負荷為0.1m3/(m2·d)，水力停留時間為2.5 d，運行水位位于基質(zhì)表面下5 cm。反應器構造見圖 1。
圖 1 實驗裝置示意
1.3 實驗方法
實驗從2012年5月18日至2013年5月18日為期1 a。為了研究植物和基質(zhì)級配對營養(yǎng)物去除效果的影響，在距離濕地進水口水平方向的1/4、2/4和3/4處分別采集深度為7.5、25、45 cm(各種級配基質(zhì)的中間層)的水樣。濕地進出水水樣每周取一次，DO采用HQ30d便攜式溶解氧測定儀(美國哈希公司)測定，TN、NH3-N、NO3--N、NO2--N、TP、PO43--P、COD、BOD5和SS按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》〔8〕測定。濕地植物于2012年5月26日基本長出，于2012年10月5日收割，生長期為132 d。收割時保留植物根部及基質(zhì)以上10 cm的莖稈。植物樣品的氮磷含量采用H2SO4-H2O2消解法測定〔9〕。
數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用Excel2010和SPSS20.0軟件，當p<0.05時認為差異性顯著。
2 結果與分析
2.1 水平潛流人工濕地對河流營養(yǎng)物的去除效果
2組復合濕地的進出水水質(zhì)情況如圖 2所示。
圖 2 2組水平潛流人工濕地的進出水水質(zhì)變化
濕地進出水中TN、TP的主要組分分別為NH3-N、PO43--P，且由于表流濕地有效去除了進水中的懸浮物，所以水中營養(yǎng)物以溶解性為主。在為期1 a的實驗中，1、2號濕地對TN、NH3-N、TP、PO43--P的平均去除率分別為43.8%、53.9%、69.6%、71.8%和34.9%、50.4%、46.2%、41.1%。與其他水平潛流濕地不同的是，2組濕地對NH3-N的去除效果都大于TN，造成這種差異的原因一方面是由于進水中較高的溶解氧有利于硝化的進行，另一方面是由于進水中可生化利用碳源的低濃度水平(BOD5 11.4±0.9 mg/L，COD69.9±4.8 mg/L)，造成2組濕地中反硝化所需碳源的缺乏，進而一定程度上限制了濕地的反硝化作用。而且從圖 2可以看出，1號和2號水平潛流濕地出水中TN、NH3-N平均質(zhì)量濃度分別為(13.7±1.6)、(8.1±1.2) mg/L和(15.9±1.4)、(8.7±1.1) mg/L〔p(TN)=0.103，p(NH3-N)=0.579〕。實驗過程中植物能夠促進水平潛流濕地的脫氮作用，特別是反硝化作用。這是因為植物根區(qū)釋放的溶解氧和碳源對硝化、反硝化有促進作用〔10〕。此外可以看出2組濕地出水中的TN、NH3-N大部分時間處于較低水平，但在冬季去除率均明顯下降，這與植物、微生物在冬季的低溫條件下失活有關〔11〕。
1號和2號濕地出水中的TP、PO43--P分別為(0.6±0.04)、(0.4±0.03) mg/L和(1.1±0.06)、(0.9±0.06) mg/L〔p(TP)=0.004，p(PO43--P)=0.000〕，說明與脫氮相比，植物對濕地除磷的影響更為明顯且差異性更為顯著，種植植物的水平潛流濕地對磷的去除效果更好且更加穩(wěn)定。這表明植物在水平潛流濕地中不僅對磷進行直接吸收，還優(yōu)化了濕地對磷吸附去除的條件〔11〕。與脫氮不同的是水平潛流濕地對磷去除率的下降發(fā)生在春季，可能是這段時間濕地中藻類生長造成的。
2.2 基質(zhì)級配和植物對水平流人工濕地空間內(nèi)部去除營養(yǎng)物的影響作用
為提高水平潛流人工濕地的處理效果和預防堵塞，實驗在濕地上、下基質(zhì)層采用大粒徑礫石，以利于濕地通過上部空間進行富氧及植物根系向濕地下部深處進行繁殖;中間層采用小粒徑礫石，便于增加礫石表面積，從而加大濕地基質(zhì)與污水的接觸面積和微生物的附著面積。濕地對營養(yǎng)物去除率的空間變化情況如圖 3所示。
注：上、中、下分別指濕地內(nèi)部的上、中、下3個空間部分，為濕地3個沿程取樣點在相同高程的水樣混合后所得到結果。
圖 3 濕地對營養(yǎng)物去除率的空間變化
從圖 3可以看出，實驗采用的基質(zhì)級配對濕地脫氮除磷效果的空間分布有較大的影響，1號濕地對TN和NH3-N的空間去除率具有相似的趨勢，即隨著濕地深度的增加其處理效果逐漸降低，說明1號濕地能夠很好地實現(xiàn)同步硝化反硝化，濕地底部缺氧是其去除率低的限制因素;2號濕地上部脫氮效果略低于中部，而下部TN去除率則快速下降，表明了2號濕地下部因缺少碳源而抑制了其反硝化能力。2組濕地的空間脫氮差異反映出植物可促進濕地的脫氮效果，這種促進作用在濕地上層空間表現(xiàn)得比較為明顯(TN去除率分別為60.6%、43.3%);在濕地中層由于小粒徑礫石表面積較大而部分彌補了植物造成的差距，使得2組濕地的脫氮效果較為相近(TN去除率分別為55.7%、46.6%);而濕地下部由于植物根系可在濕地下部擴展，1號濕地通過植物根部釋放的碳源顯著提高了反硝化能力〔12〕(TN去除率為44.3%，NH3-N去除率為47.3%)。從2號濕地的空間變化可以看出粒徑級配避免了濕地內(nèi)部脫氮效果的空間差異，但由于無法彌補濕地下部碳源不足的缺點，從而不能改善濕地下部對總氮的去除效果。
從圖 3可以看出，2組濕地對TP和PO43--P的空間去除具有相似的趨勢：中部比較高，上、下部相似。但1號濕地各個空間對TP和PO43--P的去除效果要明顯高于2號濕地，說明植物能在水平潛流濕地的整個內(nèi)部空間范圍內(nèi)促進除磷效果。與濕地除氮不同的是，無論有無植物，水平潛流濕地都在小粒徑基質(zhì)處具有比較好的除磷效果。這說明對于磷的去除，基質(zhì)的作用更為明顯，小粒徑基質(zhì)更有利于磷的攔截與吸附〔13〕。1號水平潛流濕地的除磷效果在上、中、下空間的差異小于2號濕地(1、2號濕地上、中、下層之間除磷率的波動差異分別為2.8%~7.9%和3.7%~18.9%)，說明植物的存在能夠有效彌補大粒徑基質(zhì)對磷吸附能力不足帶來的缺陷。因此在水平潛流人工濕地脫氮除磷中，植物和多級基質(zhì)相互補充、彌補對方對濕地造成的空間差異，可使整個濕地空間范圍內(nèi)具有較為均衡的性能。
2.3 植物對水平潛流人工濕地去除營養(yǎng)物的吸收和促進作用
秋季對1號濕地中的植物進行收割，通過測量植物干重和植物內(nèi)的氮磷含量，得到實驗期間通過植物吸收所去除的營養(yǎng)物總量，并與2號濕地進行對比，結果如表 1所示。
由表 1可知，在進水負荷一致的條件下，植物能夠有效減少出水中的營養(yǎng)物負荷，1號濕地出水中TN、TP分別比2號濕地減少79.1、16.8 g/m2，表明植物的存在能夠有效提高濕地的去除率特別是除磷效果。
1號濕地中植物直接吸收了43.9、8.7 g/m2的TN、TP，這一數(shù)值處于研究報道中較高的水平〔14〕，造成這種差異的原因是復合濕地的組成形式，導致水平潛流濕地中營養(yǎng)物大部分為利于植物吸收的溶解態(tài)。通過計算1號濕地中植物和其他組成對營養(yǎng)物的去除負荷得知，植物對營養(yǎng)物的直接吸收作用略大于植物對濕地其他組成的間接促進作用(間接促進可去除35.2 g/m2 TN和8.1 g/m2 TP，植物對氮的間接促進作用大于對于磷的間接促進作用)，植物直接吸收在1號濕地脫氮除磷所占比例分別為11.3%、17.4%。綜合考慮植物的直接吸收和間接促進作用，植物對整個濕地脫氮除磷的貢獻在20%~35%。具體參見http://www.dowater.com更多相關技術文檔。
3 結論
(1)植物能夠提高水平潛流濕地對污染河流營養(yǎng)物的脫氮除磷效果，與未種植植物濕地相比，種有植物的濕地對TN、TP的去除率可分別提高8.9%、23.4%。
(2)2組濕地的空間脫氮差異表明，植物能夠有效改善濕地內(nèi)部整個空間的脫氮和除磷效果。
(3)小粒徑基質(zhì)能有效提高濕地的除磷效果，而通過不同基質(zhì)配比與植物的有效組合可以更好地保持濕地內(nèi)部空間脫氮除磷效果的均勻性。
(4)植物對營養(yǎng)物的直接吸收作用略大于其對濕地其他組成的間接促進作用，植物吸收在濕地脫氮除磷所占比例分別為11.3%、17.4%。
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