陳敏芝，虞佳莉，陳余晨，陳 超，朱旭釬，王志穎

(浙江師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，浙江金華321004)

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人工濕地技術(shù)處理金華市孝順鎮(zhèn)污水研究

陳敏芝，虞佳莉，陳余晨，陳 超，朱旭釬，王志穎*

(浙江師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，浙江金華321004)

[目的]研究一種適合我國(guó)國(guó)情的低耗、高效、綠色的人工濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)，以更好地處理中小城鎮(zhèn)污水，拓展人工濕地的綠色生態(tài)功能。[方法]采用模擬人工濕地系統(tǒng)，取浙江省金華市孝順鎮(zhèn)生活污水，在每輪濕地系統(tǒng)中水力停留7 d，考察進(jìn)水水質(zhì)及出水水質(zhì)中總磷(TP)、總氮(TN)和化學(xué)需氧量(COD)的變化情況，進(jìn)行濕地基質(zhì)和植物的篩選。同時(shí)，對(duì)這幾種基質(zhì)和植物進(jìn)行搭配組合，篩選出適合處理金華市孝順鎮(zhèn)污水的最佳組合，并進(jìn)行景觀設(shè)計(jì)研究。[結(jié)果]融合景觀設(shè)計(jì)后的濕地系統(tǒng)TP去除率為71.23%，TN去除率為78.08%，COD去除率為71.70%，處理效果較好。[結(jié)論]結(jié)果表明，從上到下依次為碎石、石灰石、煤渣的基質(zhì)搭配組合加上美人蕉+茭白的植物搭配組合，進(jìn)行景觀設(shè)計(jì)后，去污能力最優(yōu)。

污水處理；人工濕地；總磷；總氮；化學(xué)需氧量；去除率

目前，中小城鎮(zhèn)水污染日益嚴(yán)重，根據(jù)《全國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)》報(bào)道，2013年我國(guó)城鎮(zhèn)生活污水排放量達(dá)485.1億t，COD889.8萬(wàn)t，氨氮141.4萬(wàn)t[1]。約90%的小城鎮(zhèn)生活污水直接排入河流和溝渠，對(duì)中小城鎮(zhèn)環(huán)境帶來(lái)了極大的壓力[2]。因此，亟需尋找一種適合中小城鎮(zhèn)污水處理的高效、經(jīng)濟(jì)的新型污水處理技術(shù)。人工濕地是由人工建造和控制運(yùn)行的綜合生態(tài)系統(tǒng)，利用土壤-微生物-植物系統(tǒng)的自我調(diào)控機(jī)制和綜合自凈能力，完成對(duì)污水的深度處理，具有基建投資省、運(yùn)行費(fèi)用低、凈化效果好等特點(diǎn)，特別適合處理一些中小城鎮(zhèn)的污水。

該項(xiàng)目根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選取了浙江省金華市常見的3種基質(zhì)和3種挺水植物，通過(guò)基質(zhì)篩選、植物篩選、基質(zhì)搭配組合、植物搭配組合、景觀設(shè)計(jì)這幾輪實(shí)驗(yàn)，考察不同基質(zhì)、植物對(duì)TP、TN和COD的凈化效果，旨在研究一種適合我國(guó)國(guó)情的低耗、高效、綠色的人工濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)，以更好地處理中小城鎮(zhèn)污水。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)用污水調(diào)查浙江省金華市孝順鎮(zhèn)的污水水體環(huán)境狀況，選擇孝順鎮(zhèn)孝順溪上的幾個(gè)生活污水排污口污水作為試驗(yàn)用污水。

1.2基質(zhì)選取基質(zhì)是污水處理的主要場(chǎng)所，也是微生物的主要載體，同時(shí)又可以為水生植物提供支持載體和生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[3-4]。根據(jù)具體原污水的水質(zhì)，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)分析，最終選取了煤渣、碎石和石灰石這3種基質(zhì)。

1.3植物選取植物對(duì)于改善濕地基質(zhì)土壤微環(huán)境，進(jìn)而馴化有利于污染物去除的微生物有著重要影響[5]。水生植物的選擇主要考慮植物的凈化能力、耐污能力和抗病蟲害能力、易管理、季節(jié)性等方面[6]。因此，結(jié)合各方面因素，從金華市農(nóng)科院選擇了茭白、美人蕉和慈姑3種植物。

1.4人工濕地的構(gòu)建采用市售8 L(33.5 cm×23.5 cm×18.5 cm)規(guī)格的塑料桶，統(tǒng)一加入基質(zhì)10 cm(不同基質(zhì)搭配組合時(shí)各加入3.33 cm)。按照桶的規(guī)格，涉及植物的實(shí)驗(yàn)部分，每桶種植兩株植物。

1.5試驗(yàn)設(shè)計(jì)共設(shè)計(jì)基質(zhì)篩選、植物篩選、基質(zhì)搭配組合、植物搭配組合、景觀設(shè)計(jì)這5輪實(shí)驗(yàn)(表1)。每輪實(shí)驗(yàn)水力停留7 d，檢測(cè)進(jìn)、出水水樣中TP、TN、COD這3個(gè)指標(biāo)，分析變化情況，篩選出最佳的濕地系統(tǒng)。其中植物篩選在基質(zhì)篩選的基礎(chǔ)上，選用了最優(yōu)基質(zhì)；植物搭配組合是在基質(zhì)搭配組合的基礎(chǔ)上，選用最優(yōu)的基質(zhì)搭配組合；景觀設(shè)計(jì)又是在植物搭配組合上，加入了浮萍、田字萍、水鱉這3種小植物，設(shè)計(jì)出效果較好的模擬人工濕地系統(tǒng)。

1.6分析方法TN采用HJ 636—2012測(cè)定[7]；TP采用GB 11893—89測(cè)定[8]；COD采用COD消解儀消解，AQ400便攜式比色計(jì)測(cè)定。

1.7數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)各實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，根據(jù)3次獨(dú)立試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差(STDEV)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Origin8.0 和Excel處理。

表1各輪實(shí)驗(yàn)基質(zhì)和植物的組成情況

Table 1Composition of experimental matrix and plants in each round

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容Experimentalcontent組Group基質(zhì)(從上到下)Matrix(fromtoptobottom)植物Plant基質(zhì)篩選1-1煤渣Matrixselection1-2碎石1-3石灰石植物篩選2-1煤渣茭白Plantselection2-2煤渣美人蕉2-3煤渣慈姑基質(zhì)搭配組合3-1碎石+石灰石+煤渣Matrixcombination3-2石灰石+碎石+煤渣3-3石灰石+煤渣+碎石植物搭配組合4-1碎石+石灰石+煤渣慈姑+美人蕉Plantcombination4-2碎石+石灰石+煤渣美人蕉+茭白4-3碎石+石灰石+煤渣茭白+慈姑景觀設(shè)計(jì)碎石+石灰石+煤渣美人蕉+茭白Landscapedesign浮萍+田字萍+水鱉

2　結(jié)果與討論

2.1人工濕地處理后TP的變化情況人工濕地對(duì)磷素污染物的去除主要依靠基質(zhì)的吸附作用[9]。由圖1可知，在基質(zhì)篩選中，煤渣的除P率最高，為69.34%。煤渣具有多孔結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積，殘?zhí)恳簿哂幸欢ǖ奈交钚裕哂泻芎玫倪^(guò)濾作用[10]。Zhang J等證明煤渣中的Ca、Fe、Al 能沉淀污水中的可溶性磷[11]。國(guó)外也有學(xué)者研究認(rèn)為，富含鈣、鐵和鋁質(zhì)的基質(zhì)凈化污水中磷素的能力較強(qiáng)[12-13]。

在植物篩選實(shí)驗(yàn)中，選用了除P效果最好的煤渣作為基質(zhì)，分別種植茭白、美人蕉、慈姑3種植物，除P率明顯高于單一基質(zhì)組，其中美人蕉的除P率最高，達(dá)90.60%。研究表明，在高磷廢水中，植株根際圈存在著對(duì)P有較強(qiáng)去除能力的施氏假單胞菌和產(chǎn)堿桿菌[14]，美人蕉的根際圈也存在較多除P能力較強(qiáng)的微生物，能較好地除P。此外，美人蕉的根系為淺根散生須根型，發(fā)達(dá)的根系與基質(zhì)相互交錯(cuò)，為微生物提供了巨大的附著面積，易于形成生物膜，促進(jìn)污染物的降解和利用[15]。植物根系及附近微生物的降解吸收作用大大增強(qiáng)濕地介質(zhì)的攔截吸收功能，整體上提高了TP的去除率[16]。

在基質(zhì)搭配組合中，3種基質(zhì)按照不同的疊放層次進(jìn)行組合搭配，相較于單一的基質(zhì)，除P率也顯著增加。其中從上到下基質(zhì)依次為碎石+石灰石+煤渣的除P率最高，達(dá)85.87%。研究表明，濕地表面與空氣有充分的接觸，濕地系統(tǒng)上部獲得良好的復(fù)氧條件后，上層基質(zhì)中的好氧微生物活性增強(qiáng)，有利于磷細(xì)菌的代謝活動(dòng)，使出水中TP濃度降低[17]。不同的搭配組合能更好地發(fā)揮各個(gè)基質(zhì)的優(yōu)勢(shì)。

在植物搭配組合中，選用了碎石+石灰石+煤渣基質(zhì)搭配組合，兩兩植物搭配構(gòu)成濕地系統(tǒng)。其中美人蕉+茭白的除P率最高，達(dá)72.24%。植物篩選中，在基質(zhì)相同的情況下，美人蕉的TP去除率最高，而從植物搭配的結(jié)果也可以看出，有美人蕉的植物搭配組合，TP的去除率也相應(yīng)較高，但與基質(zhì)搭配組合相比，TP去除率有所下降，有可能是植物分泌出一些有機(jī)酸陰離子，能與Fe、Ca等元素形成螯合物，將基質(zhì)中難溶磷釋放出來(lái)，使TP含量有所上升。

圖1　各輪人工濕地系統(tǒng)處理后TP的去除率Fig.1　Removal rate of TP from sewage after being processed by each turn of artificial wetland system

2.2人工濕地處理后TN的變化情況由圖2可知，在基質(zhì)篩選中，煤渣和石灰石的TN去除率都很高，分別為69.74%和68.54%。這是因?yàn)槊涸褪沂Y(jié)構(gòu)疏松，表面和內(nèi)部均有大量孔隙，常被用作良好的吸附劑來(lái)處理廢水[18]。而碎石的除N率為負(fù)數(shù)(由于不方便作圖，未標(biāo)出)，有可能是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所獲取的碎石含有硝酸鹽等含N化合物，從而導(dǎo)致N的溶出[19]。

研究發(fā)現(xiàn)，植物為微生物提供了良好的生存環(huán)境，使其在污水凈化過(guò)程中發(fā)揮主要作用[20]，這與圖2中植物篩選實(shí)驗(yàn)組的TN去除率總體高于基質(zhì)篩選實(shí)驗(yàn)組相吻合。由圖可知，美人蕉與慈姑的除N率均較高，分別達(dá)78.67%、84.31%。美人蕉具有非常發(fā)達(dá)的根部，其吸收N的能力會(huì)隨著根系的深入和硝化細(xì)菌的大量繁殖持續(xù)增加，直至平穩(wěn)[21]。慈姑也具有較好的凈化污水的作用。研究表明，環(huán)境中的N是限制慈姑生長(zhǎng)的主要因子[22]，但因慈姑生物量較美人蕉低，因此除N率也較美人蕉低[23]。茭白作為一種多年生挺水型水生草本植物，對(duì)于污水中N的去除也有顯著效果[24]，其除N效率之所以最低，是因?yàn)楸旧硇鐽量少，因此，從污水中吸收的也少[23]。

在基質(zhì)搭配組合實(shí)驗(yàn)中，相較于單一基質(zhì)煤渣或者石灰石，除N率有下降，可能與所獲取的碎石含有含N化合物等有關(guān)?；|(zhì)搭配組合可以彌補(bǔ)碎石這一缺陷，有效去除TN含量。組合3(從上到下基質(zhì)依次為石灰石+煤渣+碎石)的除N率最大，為39.92%，遠(yuǎn)高于其他兩組?？芍?，濕地填料顆粒尺寸的分布對(duì)濕地中的空隙體積和水流模式有決定性作用。研究表明，選擇比表面積較大的填料有利于生物膜的生長(zhǎng)，更利于N的去除[25]。

在植物搭配組合實(shí)驗(yàn)中，茭白+慈姑和美人蕉+茭白的除N率均較大。美人蕉對(duì)污水TN的去除率要高于茭白，茭白比美人蕉具有更強(qiáng)的硝化能力，有利于硝化-反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，因此在以后的試驗(yàn)中，將兩者套種可能會(huì)取得較好的脫N效果[23]。慈姑發(fā)達(dá)的根系又對(duì)氨氮的吸收有重要影響[26]。在相同基質(zhì)的條件下，慈姑和美人蕉的除N率較高，但慈姑+美人蕉的除N率最低，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過(guò)程中組合3的慈姑腐敗分解導(dǎo)致水中N含量增加[27]。有可能也是因?yàn)閮煞N植物競(jìng)爭(zhēng)性吸收，導(dǎo)致其中一種植物吸收N的能力有所下降。

圖2　各輪人工濕地系統(tǒng)處理后TN的去除率Fig.2　Removal rate of TN from sewage after being processed by each turn of artificial wetland system

2.3人工濕地處理后COD的變化情況由圖3可知，在基質(zhì)篩選實(shí)驗(yàn)中，石灰石的去除率最高，為81.77%。在無(wú)植物的情況下，COD的去除主要靠填料吸附和填料表面微生物的同化吸收[28]，石灰石吸附有機(jī)物的能力較強(qiáng)，其COD去除率也相應(yīng)較高。

圖3　各輪人工濕地系統(tǒng)處理后COD的去除率Fig.3　Removal rate of COD from sewage after being processed by each turn of artificial wetland system

在植物篩選實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過(guò)茭白或美人蕉處理的污水COD值有明顯下降，其去除率分別為68.66%和69.62%。慈姑的COD去除率僅為22.47%。人工濕地床體中COD的去除主要依賴于根區(qū)附近的好氧微生物的作用，而這種作用又決定于水生植物向根部傳送O2能力的大小[29]。美人蕉發(fā)達(dá)的根系能把空氣中的氧通過(guò)葉片輸送到植物的根區(qū)，為基質(zhì)和根區(qū)微生物群落大量生長(zhǎng)繁殖提供適宜的微生態(tài)環(huán)境，從而增強(qiáng)對(duì)有機(jī)物的去除效果[21]。而茭白的根系發(fā)達(dá)且深淺交錯(cuò)、輸氧能力強(qiáng)，同樣為好氧微生物分解COD提供了良好環(huán)境。研究結(jié)果也與上述一致，即經(jīng)過(guò)茭白或美人蕉處理的污水的COD值明顯下降。

在基質(zhì)搭配組合實(shí)驗(yàn)中，組合1和組合3的COD去除效果較好，COD去除率分別達(dá)70.23%和73.46%，說(shuō)明基質(zhì)搭配組合對(duì)COD的去除有很好的作用。混合填料不同的性質(zhì)不僅為人工濕地基質(zhì)系統(tǒng)中微生物提供了更加多樣的生長(zhǎng)環(huán)境，且不同填料對(duì)不同污染物去除的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)可以提高污染物總體的去除效果[30]。然而與基質(zhì)篩選處理組相比，選用單一的石灰石基質(zhì)COD去除率更高。這可能是基質(zhì)搭配組合污水在獲取之前連續(xù)下雨導(dǎo)致污水中的COD濃度下降，進(jìn)而影響了基質(zhì)對(duì)COD的去除效果。

在植物搭配組合實(shí)驗(yàn)中，污水中COD的去除率均明顯超過(guò)了植物篩選處理組。這表明混合栽種植物的人工濕地較單一栽種植物的人工濕地而言，植物生長(zhǎng)更快，對(duì)污染物的凈化效果更好。不同植物的COD去除能力有所差別，這可能是因?yàn)椴煌瑵竦刂参锏母得谘跄芰蚇、P吸收性能不同而造成的[31]。同時(shí)，含有美人蕉的兩組COD去除率值均高于無(wú)美人蕉的一組。該結(jié)果與單一植物時(shí)美人蕉的COD去除率最高相同，表明美人蕉確實(shí)有極好的COD去除能力，在今后處理COD含量較高的污水時(shí)可以應(yīng)用。

2.4景觀設(shè)計(jì)處理后污水中各指標(biāo)的變化情況從表2可以看出，經(jīng)過(guò)景觀設(shè)計(jì)處理后，污水的除P率為71.23%，與單純的美人蕉+茭白的植物搭配組合相比，兩者的除P率幾乎相同。這是因?yàn)闈竦叵到y(tǒng)除P的主要途徑是填料對(duì)P的吸附與沉淀，植物和微生物對(duì)P的吸收只是一種短期效應(yīng)[32]。由于3種小植物的生物量都較小，對(duì)除P率的影響也較小，因此景觀設(shè)計(jì)不僅能夠保證除P效果，還能增強(qiáng)景觀功能。

表2景觀設(shè)計(jì)處理后污水中各指標(biāo)的變化情況

Table 2Variations of each indicator in sewage after the landscape design

項(xiàng)目Item進(jìn)水水質(zhì)Influentwater∥mg/L出水水質(zhì)Effluentwater∥mg/L去除率Removalrate∥%TP0.80±0.010.23±0.0171.23±0.92TN2.68±0.160.59±0.0278.08±0.80COD75.73±0.0121.43±1.2671.70±1.67

景觀設(shè)計(jì)后，除N率達(dá)到78.08%，比美人蕉+茭白組合的除N率提高12.68%，除N率明顯提高。這可能是由于N的濃度對(duì)小植物生物量的影響最大。濃度越高則小植物生物量增長(zhǎng)越多[33]。當(dāng)N營(yíng)養(yǎng)物充足時(shí)，小植物生物量會(huì)隨光照時(shí)間的增長(zhǎng)而增加，繼而提高對(duì)N的去除率?？梢娂尤?種小植物的景觀設(shè)計(jì)還能在一定程度上增強(qiáng)除N效果。

與植物搭配組合中美人蕉+茭白的COD去除率82.39%相比，景觀設(shè)計(jì)的COD去除率為71.70%，略有下降?？赡苁羌尤氲?種小植物與其發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)性吸收，也有可能是因?yàn)楦逤OD對(duì)加入的小植物生長(zhǎng)有一定的抑制作用，COD濃度越高則抑制作用越明顯[33]。人工濕地系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果受溫度的影響較大，因?yàn)樗w中COD的去除是在微生物對(duì)有機(jī)物的分解、礦化和植物吸附、吸收共同作用下而得以實(shí)現(xiàn)的[32]。上輪植物搭配組合實(shí)驗(yàn)是在高溫天氣進(jìn)行的，而景觀設(shè)計(jì)處理時(shí)溫度降低，導(dǎo)致植物、微生物的生理活性下降，從而影響污染物的去除效果。但景觀設(shè)計(jì)的COD去除率也不是很低，說(shuō)明景觀設(shè)計(jì)在增強(qiáng)人工濕地的景觀性的同時(shí)能保證人工濕地的COD去除率。

本輪實(shí)驗(yàn)在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇適合城鎮(zhèn)生活污水處理的基質(zhì)搭配(從上到下依次為碎石、石灰石、煤渣)和植物搭配(美人蕉+茭白)的最佳組合，加入一些小植物進(jìn)行合理布局，使其具有觀賞價(jià)值，融合景觀設(shè)計(jì)，拓展人工濕地的綠色生態(tài)職能。

3　結(jié)論

實(shí)驗(yàn)研究了以煤渣、碎石、石灰石作為濕地基質(zhì)，美人蕉、茭白、慈姑作為濕地植物，不同搭配組合下的人工濕地模擬系統(tǒng)對(duì)金華市孝順鎮(zhèn)污水中TP、TN、COD凈化的影響。

(1)不同基質(zhì)對(duì)不同污染物的去除具有優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和協(xié)同作用，可以提高污染物的總體去除效果。煤渣具有最佳的除P效果，較好的除N效果。石灰石具有最佳的除N、除COD效果。綜合實(shí)際TN、TP、COD等的去除率，最終得出最優(yōu)的基質(zhì)搭配組合由上到下依次為石灰石、碎石、煤渣。

(2)混合種植植物的人工濕地較單一栽種植物的人工濕地而言，植物生長(zhǎng)更快，對(duì)污染物的凈化效果更好。茭白、美人蕉、慈姑都具有較好的除P效果且相差不大。慈姑、美人蕉具有較好的除N效果。美人蕉、茭白具有較好的COD去除效果。美人蕉+茭白的植物組合具有最佳的除P效果，較好的除N、除COD效果。茭白+慈姑具有最佳的除N效果。慈姑+美人蕉的組合具有最佳的COD去除效果。綜合實(shí)際TN、TP、COD等的去除率，最終得出最佳植物搭配組合為美人蕉+茭白。

(3)合適的人工濕地基質(zhì)體系以及適宜生長(zhǎng)的濕地植物組合融合了景觀設(shè)計(jì)，適合處理金華市中小城鎮(zhèn)的生活污水，能夠兼具生態(tài)修復(fù)性和景觀性，對(duì)今后人工濕地的綠色生態(tài)職能開發(fā)有借鑒意義。

[1] 中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部.全國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)(2013)[EB/OL].(2015-03-16)[2016-04-01].http://s.mep.gov.cn/hjtj/qghjtjgb/201503/t20150316 _297266.htm.

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Treatment of Domestic Sewage in Xiaoshun Township of Jinhua City by Artificial Wetland Technology

CHEN Min-zhi, YU Jia-li, CHEN Yu-chen, WANG Zhi-ying*et al

(College of Chemistry & Life Sciences, Zhejiang Normal University, Jinhua, Zhejiang 321004)

[Objective] To study a kind of green low-consumption and high-efficiency artificial wetland ecological restoration technology suitable for China’s national conditions to better deal with small and medium-sized urban sewage and extend green ecological function of artificial wetlands. [Method] By using simulated artificial wetland system, domestic sewage from Xiaoshun Township, Jinhua City, Zhejiang Province was treated for 7 d in each turn of wetland system, and the changes of total phosphorus (TP), total nitrogen (TN) and chemical oxygen demand (COD) in the influent and effluent water were analyzed. Meanwhile, wetland matrices and plants were selected and then matched to select the optimal combination suitable for processing domestic sewage from Xiaoshun Township in Jinhua City, and then landscape design was researched. [Result] The wetland system had a better processing efficiency, and the removal rate of TP, TN, and COD from the domestic sewage was 71.23%, 78.08%, and 71.70% respectively. [Conclusion] The matrix combination of macadam, limestone and coal cinder from top to bottom as well as the plant allocation of canna andZizaniaaquaticahas the best capacity to remove pollutants from the sewage after landscape design.

Sewage disposal; Artificial wetland; TP; TN; COD; Removal rate

金華市科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2013-3-032)。

陳敏芝(1994-)，女，浙江寧波人，本科生，專業(yè)：科學(xué)教育。*通訊作者，實(shí)驗(yàn)師，碩士，從事生理生態(tài)學(xué)、環(huán)境生態(tài)學(xué)研究。

2016-06-12

S 181.3；X 522

A

0517-6611(2016)19-057-04