李長(zhǎng)虹，李偉斯，徐 斌，李修嶺

(1.山東省臨沂市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，山東 臨沂 276000；2.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033；3. 臨沂大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 臨沂 276000)

【研究意義】人工濕地作為一種人工生態(tài)系統(tǒng)，在利用有關(guān)基質(zhì)、植物和微生物三者協(xié)同作用的基礎(chǔ)上來達(dá)到有效凈化污廢水的效果，因其生態(tài)化的處理方式而應(yīng)用廣泛，且效果良好[1-2]，不僅在工業(yè)廢水和生活污水凈化處理方面應(yīng)用廣泛，也應(yīng)用于農(nóng)業(yè)排水的凈化，其凈化效果主要依賴于物理、化學(xué)及生物的綜合作用[3-4]。但凈化效果需依賴于相關(guān)的基質(zhì)填料與能夠產(chǎn)生顯著凈化效果的植物。【前人研究進(jìn)展】目前人工濕地方面的基質(zhì)與植物等相關(guān)研究已在國(guó)內(nèi)外廣泛進(jìn)行。常規(guī)的基質(zhì)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(yè)副產(chǎn)品等性能較高的基質(zhì)填料等研究日益成熟，同時(shí)一些混合基質(zhì)研究也不斷開始，比如沸石、白云石等[5]。當(dāng)然，對(duì)濕地植物的相關(guān)研究也逐漸轉(zhuǎn)向多功能化的方向，通過研究發(fā)現(xiàn)諸如香蒲、美人蕉、燈心草等都是相當(dāng)理想的濕地植物，對(duì)于污水具有較強(qiáng)的凈化效果，同時(shí)這些植物具有很好的生長(zhǎng)適應(yīng)性，在頗具美感的同時(shí)具有良好的實(shí)用效果[6-7]。因此，人工濕地日益成為一種環(huán)保有效的污水處理技術(shù)，一種生態(tài)化的處理手段。在國(guó)外，人工濕地在廢水及污水處理方面的研究相當(dāng)廣泛，但在國(guó)內(nèi)這方面的研究相對(duì)較少，在城市水污染嚴(yán)重的今天，研究濕地污水廢水凈化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，能夠?qū)ξ覀兊纳顜碛幸娴挠绊慬8-9]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】人工濕地一方面利用植被及基質(zhì)填料對(duì)污染物進(jìn)行吸附、攔截、過濾，另一方面通過微生物的吸收降解效應(yīng)來處理污染物營(yíng)養(yǎng)成分，因此濕地類型不同，其凈化效果也不盡相同。根據(jù)濕地結(jié)構(gòu)的不同，可將之分為表面流、水平流、垂直流和溝渠型，不同結(jié)構(gòu)的濕地具有不同的凈化效果[10-11]。近年來，主要對(duì)單一類型的濕地進(jìn)行凈化效果研究等，對(duì)不同類型濕地的凈化效果比較方面的研究相對(duì)較少[12-13]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】濕地結(jié)構(gòu)不同，其運(yùn)行方式、處理對(duì)象及效率等方面都存在很大的差異，在實(shí)際污、廢水凈化過程中要結(jié)合具體的污廢水主要營(yíng)養(yǎng)成分開展凈化去除處理。因此，本研究針對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)，在同等條件下分別對(duì)表面流、潛流、垂直流3種人工濕地的凈化作用進(jìn)行對(duì)比，探索不同濕地類型應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化水體處理效率之間的差異。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.2 人工濕地設(shè)計(jì)與流程

在此次實(shí)驗(yàn)中特設(shè)計(jì)濕地結(jié)構(gòu)如下：底部作為集水區(qū)，并將尼龍網(wǎng)鋪放在上面，然后設(shè)置60 m2的直流單元，且長(zhǎng)、寬、深分別為30、2.0、0.5 m，進(jìn)而分3層依次進(jìn)行基質(zhì)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(jìn)行構(gòu)建，需要15 cm的厚度；第二，中層使用中號(hào)爐渣作為基質(zhì)填料，為達(dá)到更好的凈化效果，要求其粒徑在10～25 mm，厚度需達(dá)15 cm；第三，上層使用小號(hào)爐渣作為基質(zhì)填料，并配合泥沙使用，要求粒徑在5～10 mm，厚度達(dá)20 cm；另外，潛流和表面流單元也設(shè)置為60 m2，并以土壤及粘土為填充基質(zhì)，且長(zhǎng)、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(jìn)行分隔開來，從而形成鋪放尼龍網(wǎng)的底部集水區(qū)，這樣能夠大大降低填料的下漏現(xiàn)象，另外，還要在每個(gè)單元進(jìn)行對(duì)角線的PVC管埋入處理，管的直徑要達(dá)到12 mm，這樣濕地中的水能夠通過PVC管進(jìn)行不斷的循環(huán)，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(shí)驗(yàn)，將之以10株/m2的密度種植在3種不同類型的濕地中。

進(jìn)水的水質(zhì)具有富營(yíng)養(yǎng)化特性，并達(dá)到了0.7 m3/(m2·d)的水力負(fù)荷，試驗(yàn)時(shí)間在2014年2月至2015年11月，在濕地運(yùn)行期間分別于2月、5月、8月和11月進(jìn)行了進(jìn)水溫度測(cè)定，其平均水溫分別是15.2、28.3、16.7和4.1 ℃，進(jìn)水pH 7.12～7.68。濕地對(duì)進(jìn)水進(jìn)行處理后由底部PVC管排出，然后在不同的月份進(jìn)行出水口的水質(zhì)測(cè)定[14-15]。

去除率=(進(jìn)水口值-出水口值)/出水口值×100 %

1.3 數(shù)據(jù)分析

人工濕地投入使用一年后，對(duì)濕地植被開展一系列的測(cè)量和采集，并對(duì)各單元1 m2范圍內(nèi)植株生長(zhǎng)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，主要側(cè)重在數(shù)目、株高等生長(zhǎng)情況；將其采割后對(duì)之進(jìn)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(cè)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(duì)成分進(jìn)行測(cè)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(nèi)N、P濃度×植被生物量

利用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行相應(yīng)的回歸分析：對(duì)所采取的數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，多重比較分析利用LSD。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型人工濕地對(duì)的去除率分析

2.2 不同類型人工濕地對(duì)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(jié)變化規(guī)律，呈倒“V”字形的變化趨勢(shì)，且其去除率在夏季達(dá)到最高水平。就垂直流濕地而言，其對(duì)TN去除率波動(dòng)范圍在39.56 %～82.35%，潛流濕地對(duì)其去除率波動(dòng)范圍在28.79 %～62.35 %，表面流濕地對(duì)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(duì)去除率Fig.1 The removal rate of of different constructed wetlands

圖2 不同類型人工濕地對(duì)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(duì)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(xiàn)出明顯的季節(jié)變化規(guī)律，且呈倒“V”字形的變化趨勢(shì)，其中夏季時(shí)3種類型的人工濕地對(duì)TP的去除率均達(dá)到最大水平。垂直流濕地對(duì)TP去除率波動(dòng)范圍在32.05 %～61.23 %，潛流濕地對(duì)去除率在23.15 %～42.15 %，表面流濕地對(duì)去除率波動(dòng)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(duì)高錳酸鉀指數(shù)去除率

從圖4可知，不同類型濕地對(duì)高錳酸鉀指數(shù)表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性，呈倒“V”字形變化趨勢(shì)，在夏季去除效果達(dá)到最佳水平。垂直流濕地對(duì)高錳酸鉀指數(shù)去除率波動(dòng)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(duì)其去除率波動(dòng)范圍在32.15 %～56.94 %。

圖3 不同類型人工濕地對(duì)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(duì)高錳酸鉀指數(shù)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(duì)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(duì)BOD5去除率

從圖5可知，不同類型人工濕地對(duì)BOD5去除率具有明顯的季節(jié)性，呈倒“V”字形變化趨勢(shì)，在夏季對(duì)BOD5去除率達(dá)到最大水平。垂直流濕地對(duì)BOD5去除率在52.36 %～86.95 %；潛流濕地對(duì)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(duì)其去除率在49.85 %～83.25 %。

2.6 不同類型人工濕地對(duì)CODCr去除率

從圖6可知，不同類型濕地對(duì)其去除效果存在明顯的季節(jié)性，呈倒“V”字形變化趨勢(shì)，在夏季其去除率達(dá)到最高水平。垂直流濕地對(duì)CODCr去除率在59.85 %～86.35 %，潛流濕地對(duì)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(duì)水質(zhì)各指標(biāo)的去除率

圖6 不同類型人工濕地對(duì)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(guān)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他2種類型。P含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)比發(fā)現(xiàn)，垂直流人工濕地植被N、P含量及其積累量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)水質(zhì)各指標(biāo)的去除率Fig.7 The removal rate of all the indicators of different constructed wetlands

項(xiàng)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(guān)性研究

表2 人工濕地植被去除率與生理特性相關(guān)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(duì)水質(zhì)去除率均表現(xiàn)為明顯的季節(jié)特點(diǎn)，即夏、秋季人工濕地的凈化效果好于春、冬季，主要是因?yàn)椴煌竟?jié)植被的生長(zhǎng)狀況不同，進(jìn)而導(dǎo)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(zhǎng)初期，難以產(chǎn)生有效的去除效果；而夏秋季節(jié)，植被生長(zhǎng)旺盛，植被的吸收與吸附作用明顯，同時(shí)微生物活躍帶來明顯的降解效果，因此這一時(shí)期對(duì)水質(zhì)的凈化效果最佳。而對(duì)于冬季而言，植被生命力在衰退直至死亡，根莖機(jī)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及有機(jī)物來對(duì)水質(zhì)進(jìn)行凈化，另一方面通過提高濕地滲透能力、增強(qiáng)微生物活性等作用來間接進(jìn)行水質(zhì)凈化，并對(duì)于基質(zhì)的使用時(shí)間起到延長(zhǎng)作用，因此濕地植被直接關(guān)乎濕地的水質(zhì)凈化效果[23-25]。通過對(duì)3種人工濕地地上植被研究發(fā)現(xiàn)，就濕地植株體內(nèi)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(zhǎng)部位的分配特點(diǎn)有關(guān)，是植被對(duì)其生長(zhǎng)所需N和P的內(nèi)在平衡調(diào)節(jié)[17-18]。植被對(duì)N、P的凈化效果能夠在N、P的積累量變化中得以體現(xiàn)，由于營(yíng)養(yǎng)成分特性不同，其在植被中的分布區(qū)域也不盡相同，因而可以利用不同的收割方式將部分營(yíng)養(yǎng)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(shù)的N、P積累量去除，從而增強(qiáng)整體的去除效果；同時(shí)，通過研究發(fā)現(xiàn)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(guān)關(guān)系，所以為了增強(qiáng)人工濕地的去除效應(yīng)必須選擇適宜濕地環(huán)境的植被物種，同時(shí)利用植被地上生物量的增加來進(jìn)行定期去除N、P成分。因此在以后的研究中，在構(gòu)建人工濕地的過程中，盡量利用不同植被的凈化效果進(jìn)行多植被的濕地組合，從而達(dá)到生物量較大、對(duì)污染元素具有較強(qiáng)吸附能力的效果。

4 結(jié) 論

(3)人工濕地綜合利用基質(zhì)-微生物-植被的凈化機(jī)理，考慮到基質(zhì)的吸附凈化能力會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低直至達(dá)到飽和狀態(tài)，一旦其吸附容量達(dá)到飽和水平將因清理難度大而難以再次重復(fù)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(zhì)，并在微生物的綜合作用下產(chǎn)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及有機(jī)物來對(duì)水質(zhì)進(jìn)行凈化，另一方面通過提高濕地滲透能力、增強(qiáng)微生物活性等作用來間接進(jìn)行水質(zhì)凈化，并對(duì)于基質(zhì)的使用時(shí)間起到延長(zhǎng)作用，因此濕地植被的選擇相當(dāng)重要，這直接關(guān)乎濕地的水質(zhì)凈化效果。在實(shí)際的濕地構(gòu)建中，濕地植被的選擇不是單一的，要做好濕地植被的錯(cuò)配，因?yàn)椴煌闹脖粚?duì)水質(zhì)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(tǒng)的凈化能力，同時(shí)選擇合適的基質(zhì)填料，綜合利用濕地的去除凈化作用。