近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始廣泛關(guān)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(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題〔1〕。雖然多種污水處理技術(shù)可以用來(lái)修復(fù)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(shù)，人工濕地以其低投入、易管理及易對(duì)河流進(jìn)行原位修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)成為改善河流污染問(wèn)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(yíng)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(zhǎng)介質(zhì)的同時(shí)，也能夠通過(guò)過(guò)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(guò)植物根際、基質(zhì)對(duì)污水性質(zhì)的適應(yīng)和濕地內(nèi)部溶解氧等環(huán)境的構(gòu)建來(lái)實(shí)現(xiàn)其活性和數(shù)量的比較大化〔6〕。所以在構(gòu)建人工濕地時(shí)，植物和基質(zhì)是比較為重要的考慮因素。
目前對(duì)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(guān)于濕地中植物、基質(zhì)級(jí)配的共同作用對(duì)水平流人工濕地處理污染河水營(yíng)養(yǎng)物的影響研究相對(duì)空白，而且大量研究結(jié)果表明構(gòu)建人工濕地時(shí)采用當(dāng)?shù)匚锊氖禽^好的選擇。由于單一濕地?zé)o法同時(shí)提供好氧-厭氧的利于脫氮的環(huán)境，因此越來(lái)越多的研究采用復(fù)合濕地來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的有效處理，而且人工濕地對(duì)有機(jī)物的去除差異性較小。因此，筆者構(gòu)建了種植有蘆葦(Phragmites australis)和空白無(wú)植物的水平潛流人工濕地，研究作為表流-水平流復(fù)合濕地中二級(jí)潛流的水平潛流人工濕地植物和大孔隙率、多級(jí)配基質(zhì)對(duì)處理河流營(yíng)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(shí)驗(yàn)裝置
于西安建筑科技大學(xué)校內(nèi)構(gòu)建2組結(jié)構(gòu)相同的由有機(jī)玻璃構(gòu)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(shí)驗(yàn)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(hào)濕地為種植蘆葦?shù)乃綕摿鳚竦�，種植密度為13株/m2，2號(hào)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(shí)驗(yàn)水質(zhì)
西安市皂河污染嚴(yán)重，水中有機(jī)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(fù)合濕地的級(jí)濕地，實(shí)驗(yàn)用水為經(jīng)過(guò)表流濕地處理后的皂河河水，實(shí)驗(yàn)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(jī)物并提高出水溶解氧，與水平潛流濕地共同營(yíng)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(shí)驗(yàn)采用連續(xù)進(jìn)水方式，水力負(fù)荷為0.1m3/(m2·d)，水力停留時(shí)間為2.5 d，運(yùn)行水位位于基質(zhì)表面下5 cm。反應(yīng)器構(gòu)造見(jiàn)圖 1。
圖 1 實(shí)驗(yàn)裝置示意
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)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(jí)配對(duì)營(yíng)養(yǎng)物去除效果的影響，在距離濕地進(jìn)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(jí)配基質(zhì)的中間層)的水樣。濕地進(jìn)出水水樣每周取一次，DO采用HQ30d便攜式溶解氧測(cè)定儀(美國(guó)哈希公司)測(cè)定，TN、NH3-N、NO3--N、NO2--N、TP、PO43--P、COD、BOD5和SS按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》〔8〕測(cè)定。濕地植物于2012年5月26日基本長(zhǎng)出，于2012年10月5日收割，生長(zhǎng)期為132 d。收割時(shí)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(cè)定〔9〕。
數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用Excel2010和SPSS20.0軟件，當(dāng)p<0.05時(shí)認(rèn)為差異性顯著。
2 結(jié)果與分析
2.1 水平潛流人工濕地對(duì)河流營(yíng)養(yǎng)物的去除效果
2組復(fù)合濕地的進(jìn)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(jìn)出水水質(zhì)變化
濕地進(jìn)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(jìn)水中的懸浮物，所以水中營(yíng)養(yǎng)物以溶解性為主。在為期1 a的實(shí)驗(yàn)中，1、2號(hào)濕地對(duì)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(duì)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(jìn)水中較高的溶解氧有利于硝化的進(jìn)行，另一方面是由于進(jìn)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(jìn)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(hào)和2號(hào)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中植物能夠促進(jìn)水平潛流濕地的脫氮作用，特別是反硝化作用。這是因?yàn)橹参锔鶇^(qū)釋放的溶解氧和碳源對(duì)硝化、反硝化有促進(jìn)作用〔10〕。此外可以看出2組濕地出水中的TN、NH3-N大部分時(shí)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(guān)〔11〕。
1號(hào)和2號(hào)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(shuō)明與脫氮相比，植物對(duì)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(duì)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(duì)磷進(jìn)行直接吸收，還優(yōu)化了濕地對(duì)磷吸附去除的條件〔11〕。與脫氮不同的是水平潛流濕地對(duì)磷去除率的下降發(fā)生在春季，可能是這段時(shí)間濕地中藻類生長(zhǎng)造成的。
2.2 基質(zhì)級(jí)配和植物對(duì)水平流人工濕地空間內(nèi)部去除營(yíng)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(yù)防堵塞，實(shí)驗(yàn)在濕地上、下基質(zhì)層采用大粒徑礫石，以利于濕地通過(guò)上部空間進(jìn)行富氧及植物根系向濕地下部深處進(jìn)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(duì)營(yíng)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(gè)空間部分，為濕地3個(gè)沿程取樣點(diǎn)在相同高程的水樣混合后所得到結(jié)果。
圖 3 濕地對(duì)營(yíng)養(yǎng)物去除率的空間變化
從圖 3可以看出，實(shí)驗(yàn)采用的基質(zhì)級(jí)配對(duì)濕地脫氮除磷效果的空間分布有較大的影響，1號(hào)濕地對(duì)TN和NH3-N的空間去除率具有相似的趨勢(shì)，即隨著濕地深度的增加其處理效果逐漸降低，說(shuō)明1號(hào)濕地能夠很好地實(shí)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(hào)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(hào)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(jìn)濕地的脫氮效果，這種促進(jìn)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(bǔ)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(kuò)展，1號(hào)濕地通過(guò)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(hào)濕地的空間變化可以看出粒徑級(jí)配避免了濕地內(nèi)部脫氮效果的空間差異，但由于無(wú)法彌補(bǔ)濕地下部碳源不足的缺點(diǎn)，從而不能改善濕地下部對(duì)總氮的去除效果。
從圖 3可以看出，2組濕地對(duì)TP和PO43--P的空間去除具有相似的趨勢(shì)：中部比較高，上、下部相似。但1號(hào)濕地各個(gè)空間對(duì)TP和PO43--P的去除效果要明顯高于2號(hào)濕地，說(shuō)明植物能在水平潛流濕地的整個(gè)內(nèi)部空間范圍內(nèi)促進(jìn)除磷效果。與濕地除氮不同的是，無(wú)論有無(wú)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(shuō)明對(duì)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(hào)水平潛流濕地的除磷效果在上、中、下空間的差異小于2號(hào)濕地(1、2號(hào)濕地上、中、下層之間除磷率的波動(dòng)差異分別為2.8%~7.9%和3.7%~18.9%)，說(shuō)明植物的存在能夠有效彌補(bǔ)大粒徑基質(zhì)對(duì)磷吸附能力不足帶來(lái)的缺陷。因此在水平潛流人工濕地脫氮除磷中，植物和多級(jí)基質(zhì)相互補(bǔ)充、彌補(bǔ)對(duì)方對(duì)濕地造成的空間差異，可使整個(gè)濕地空間范圍內(nèi)具有較為均衡的性能。
2.3 植物對(duì)水平潛流人工濕地去除營(yíng)養(yǎng)物的吸收和促進(jìn)作用
秋季對(duì)1號(hào)濕地中的植物進(jìn)行收割，通過(guò)測(cè)量植物干重和植物內(nèi)的氮磷含量，得到實(shí)驗(yàn)期間通過(guò)植物吸收所去除的營(yíng)養(yǎng)物總量，并與2號(hào)濕地進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表 1所示。
由表 1可知，在進(jìn)水負(fù)荷一致的條件下，植物能夠有效減少出水中的營(yíng)養(yǎng)物負(fù)荷，1號(hào)濕地出水中TN、TP分別比2號(hào)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(hào)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(bào)道中較高的水平〔14〕，造成這種差異的原因是復(fù)合濕地的組成形式，導(dǎo)致水平潛流濕地中營(yíng)養(yǎng)物大部分為利于植物吸收的溶解態(tài)。通過(guò)計(jì)算1號(hào)濕地中植物和其他組成對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的去除負(fù)荷得知，植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的直接吸收作用略大于植物對(duì)濕地其他組成的間接促進(jìn)作用(間接促進(jìn)可去除35.2 g/m2 TN和8.1 g/m2 TP，植物對(duì)氮的間接促進(jìn)作用大于對(duì)于磷的間接促進(jìn)作用)，植物直接吸收在1號(hào)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(jìn)作用，植物對(duì)整個(gè)濕地脫氮除磷的貢獻(xiàn)在20%~35%。具體參見(jiàn)http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
(1)植物能夠提高水平潛流濕地對(duì)污染河流營(yíng)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(duì)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(gè)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(guò)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(duì)營(yíng)養(yǎng)物的直接吸收作用略大于其對(duì)濕地其他組成的間接促進(jìn)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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