不同类型人工湿地处理富营养化水体的试验研究

李长虹，李伟斯，徐 斌，李修岭

(1.山东省临沂市环境监测站，山东 临沂 276000；2.青岛理工大学环境与市政工程学院，山东 青岛 266033；3. 临沂大学生命科学学院，山东 临沂 276000)

【研究意义】人工湿地作为一种人工生态系统，在利用有关基质、植物和微生物三者协同作用的基础上来达到有效净化污废水的效果，因其生态化的处理方式而应用广泛，且效果良好[1-2]，不仅在工业废水和生活污水净化处理方面应用广泛，也应用于农业排水的净化，其净化效果主要依赖于物理、化学及生物的综合作用[3-4]。但净化效果需依赖于相关的基质填料与能够产生显著净化效果的植物。【前人研究进展】目前人工湿地方面的基质与植物等相关研究已在国内外广泛进行。常规的基质填料主要包括沙和砾石等，随着研究的不断深入，诸如矿石及工业副产品等性能较高的基质填料等研究日益成熟，同时一些混合基质研究也不断开始，比如沸石、白云石等[5]。当然，对湿地植物的相关研究也逐渐转向多功能化的方向，通过研究发现诸如香蒲、美人蕉、灯心草等都是相当理想的湿地植物，对于污水具有较强的净化效果，同时这些植物具有很好的生长适应性，在颇具美感的同时具有良好的实用效果[6-7]。因此，人工湿地日益成为一种环保有效的污水处理技术，一种生态化的处理手段。在国外，人工湿地在废水及污水处理方面的研究相当广泛，但在国内这方面的研究相对较少，在城市水污染严重的今天，研究湿地污水废水净化具有重要的现实意义，能够对我们的生活带来有益的影响[8-9]。【本研究切入点】人工湿地一方面利用植被及基质填料对污染物进行吸附、拦截、过滤，另一方面通过微生物的吸收降解效应来处理污染物营养成分，因此湿地类型不同，其净化效果也不尽相同。根据湿地结构的不同，可将之分为表面流、水平流、垂直流和沟渠型，不同结构的湿地具有不同的净化效果[10-11]。近年来，主要对单一类型的湿地进行净化效果研究等，对不同类型湿地的净化效果比较方面的研究相对较少[12-13]。【拟解决的关键问题】湿地结构不同，其运行方式、处理对象及效率等方面都存在很大的差异，在实际污、废水净化过程中要结合具体的污废水主要营养成分开展净化去除处理。因此，本研究针对富营养化水质，在同等条件下分别对表面流、潜流、垂直流3种人工湿地的净化作用进行对比，探索不同湿地类型应用于富营养化水体处理效率之间的差异。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.2 人工湿地设计与流程

在此次实验中特设计湿地结构如下：底部作为集水区，并将尼龙网铺放在上面，然后设置60 m2的直流单元，且长、宽、深分别为30、2.0、0.5 m，进而分3层依次进行基质填充：第一，底层作为排水层，是通过粒径15～35 mm的大粒径砾石进行构建，需要15 cm的厚度；第二，中层使用中号炉渣作为基质填料，为达到更好的净化效果，要求其粒径在10～25 mm，厚度需达15 cm；第三，上层使用小号炉渣作为基质填料，并配合泥沙使用，要求粒径在5～10 mm，厚度达20 cm；另外，潜流和表面流单元也设置为60 m2，并以土壤及粘土为填充基质，且长、宽、深分别为30、2.0、0.5 m；最后要用宽度为1 m的土埂将各单元进行分隔开来，从而形成铺放尼龙网的底部集水区，这样能够大大降低填料的下漏现象，另外，还要在每个单元进行对角线的PVC管埋入处理，管的直径要达到12 mm，这样湿地中的水能够通过PVC管进行不断的循环，从而方便水样采集。以美人蕉作为湿地植被，要求其株型、生物量基本一致，这样便于实验，将之以10株/m2的密度种植在3种不同类型的湿地中。

进水的水质具有富营养化特性，并达到了0.7 m3/(m2·d)的水力负荷，试验时间在2014年2月至2015年11月，在湿地运行期间分别于2月、5月、8月和11月进行了进水温度测定，其平均水温分别是15.2、28.3、16.7和4.1 ℃，进水pH 7.12～7.68。湿地对进水进行处理后由底部PVC管排出，然后在不同的月份进行出水口的水质测定[14-15]。

去除率=(进水口值-出水口值)/出水口值×100 %

1.3 数据分析

人工湿地投入使用一年后，对湿地植被开展一系列的测量和采集，并对各单元1 m2范围内植株生长情况进行统计，主要侧重在数目、株高等生长情况；将其采割后对之进行地上和地下部分分类并随之烘干，这样处理之后就能分别测定其生物量的分布；然后分别将之粉碎，用H2SO4-H2O2消煮后制成溶液，并对成分进行测定[16]。其中植被N、P的积累量取决于其浓度和植被的生物量。

植被N、P积累量=植被体内N、P浓度×植被生物量

利用SPSS 21.0统计分析软件进行相应的回归分析：对所采取的数据进行单因素方差分析，多重比较分析利用LSD。

2 结果与分析

2.1 不同类型人工湿地对的去除率分析

2.2 不同类型人工湿地对TN去除率

从图2可知，虽然湿地类型不同，但TP去除率有明显的季节变化规律，呈倒“V”字形的变化趋势，且其去除率在夏季达到最高水平。就垂直流湿地而言，其对TN去除率波动范围在39.56 %～82.35%，潜流湿地对其去除率波动范围在28.79 %～62.35 %，表面流湿地对其去除率在30.25 %～71.02 %；同样的月份，垂直流湿地带来的去除效果最为明显。

图1 不同类型人工湿地对去除率Fig.1 The removal rate of of different constructed wetlands

图2 不同类型人工湿地对TN去除率Fig.2 The removal rate of TN of different constructed wetlands

2.3 不同类型人工湿地对TP去除率

从图3可知，虽然湿地类型不同，但TP去除率均表现出明显的季节变化规律，且呈倒“V”字形的变化趋势，其中夏季时3种类型的人工湿地对TP的去除率均达到最大水平。垂直流湿地对TP去除率波动范围在32.05 %～61.23 %，潜流湿地对去除率在23.15 %～42.15 %，表面流湿地对去除率波动范围在26.32 %～53.41 %；同样的月份，垂直流湿地带来的去除效果最为明显。

2.4 不同类型人工湿地对高锰酸钾指数去除率

从图4可知，不同类型湿地对高锰酸钾指数表现出明显的季节性，呈倒“V”字形变化趋势，在夏季去除效果达到最佳水平。垂直流湿地对高锰酸钾指数去除率波动范围在36.95 %～62.14 %，潜流湿地的去除率在31.02 %～54.23 %，表面流湿地对其去除率波动范围在32.15 %～56.94 %。

图3 不同类型人工湿地对TP去除率Fig.3 The removal rate of TP of different constructed wetlands

图4 不同类型人工湿地对高锰酸钾指数去除率Fig.4 The removal rate of potassium permanganate index of different constructed wetlands

图5 不同类型人工湿地对BOD5去除率Fig.5 The removal rate of BOD5 of different constructed wetlands

2.5 不同类型人工湿地对BOD5去除率

从图5可知，不同类型人工湿地对BOD5去除率具有明显的季节性，呈倒“V”字形变化趋势，在夏季对BOD5去除率达到最大水平。垂直流湿地对BOD5去除率在52.36 %～86.95 %；潜流湿地对其去除率在45.98 %～69.87 %，且变化幅度低于其他2种类型湿地；表面流湿地对其去除率在49.85 %～83.25 %。

2.6 不同类型人工湿地对CODCr去除率

从图6可知，不同类型湿地对其去除效果存在明显的季节性，呈倒“V”字形变化趋势，在夏季其去除率达到最高水平。垂直流湿地对CODCr去除率在59.85 %～86.35 %，潜流湿地对其去除率在52.02 %～82.21 %，表面流湿地的去除率在57.25 %～86.32 %。

2.7 不同类型人工湿地对水质各指标的去除率

图6 不同类型人工湿地对CODCr去除率Fig.6 The removal rate of CODCr of different constructed wetlands

2.8 人工湿地植被N、P含量、积累量及其相关性

3种不同类型人工湿地植被N含量存在较大差异(表1)，在14.23～26.98 g/mg变化，且垂直流的N含量远远高于其他2种类型。P含量远远低于N含量，其变化范围在1.98～3.74 g/mg。N积累量变化范围在5.07～11.54 g/m2，但垂直流的N积累量明显高于其他2种类型，而潜流和表面流的的N积累量差别不大。P积累量的变化范围在0.75～1.54 g/m2，但垂直流的P积累量明显高于其他2种类型，而潜流和表面流的P积累量差别不大。整体的对比发现，垂直流人工湿地植被N、P含量及其积累量远远超过其他2种类型的湿地，而其他2种类型的湿地则无显著差异。

图7 不同类型人工湿地对水质各指标的去除率Fig.7 The removal rate of all the indicators of different constructed wetlands

项目ItemN(mg/g)P(mg/g)N积累量(g/m2)N accumulationP积累量(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潜流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：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

Notes: Different lowercase letters in the same column indicate significant differences (P<0.05).

2.9 人工湿地植被去除率与生理特性相关性研究

表2 人工湿地植被去除率与生理特性相关性研究

注：*，P<0.05；**，P<0.01。

vertical flow wetland (VFW), subsurface flow wetland (SFW) and free surface wetland(FSW)。

3 讨 论

3种人工湿地对水质去除率均表现为明显的季节特点，即夏、秋季人工湿地的净化效果好于春、冬季，主要是因为不同季节植被的生长状况不同，进而导致其吸附、过滤等效果不同最终影响植被的净化效果。春季，植被处于生长初期，难以产生有效的去除效果；而夏秋季节，植被生长旺盛，植被的吸收与吸附作用明显，同时微生物活跃带来明显的降解效果，因此这一时期对水质的净化效果最佳。而对于冬季而言，植被生命力在衰退直至死亡，根茎机能日渐消退，其吸附、过滤等功能急剧下降，因此其净化效果也在急剧下降[23-24]。

湿地植被一方面通过直接吸收及过滤污废水的营养物质及有机物来对水质进行净化，另一方面通过提高湿地渗透能力、增强微生物活性等作用来间接进行水质净化，并对于基质的使用时间起到延长作用，因此湿地植被直接关乎湿地的水质净化效果[23-25]。通过对3种人工湿地地上植被研究发现，就湿地植株体内的N、P含量而言，其地下部分的N和P积累量要明显低于地上部分，这与N、P元素生长部位的分配特点有关，是植被对其生长所需N和P的内在平衡调节[17-18]。植被对N、P的净化效果能够在N、P的积累量变化中得以体现，由于营养成分特性不同，其在植被中的分布区域也不尽相同，因而可以利用不同的收割方式将部分营养成分去除。本研究中，可利用收割地上部分的湿地植被来将多数的N、P积累量去除，从而增强整体的去除效果；同时，通过研究发现植被体N、P积累量受到植被生物量的显著影响，二者具有极显著的线性相关关系，所以为了增强人工湿地的去除效应必须选择适宜湿地环境的植被物种，同时利用植被地上生物量的增加来进行定期去除N、P成分。因此在以后的研究中，在构建人工湿地的过程中，尽量利用不同植被的净化效果进行多植被的湿地组合，从而达到生物量较大、对污染元素具有较强吸附能力的效果。

4 结 论

(3)人工湿地综合利用基质-微生物-植被的净化机理，考虑到基质的吸附净化能力会随着时间的推移而降低直至达到饱和状态，一旦其吸附容量达到饱和水平将因清理难度大而难以再次重复利用；相反，湿地植被则能够利用其截流过滤作用有效净化水质，并在微生物的综合作用下产生显著的净化作用。湿地植被一方面通过直接吸收及过滤污、废水的营养物质及有机物来对水质进行净化，另一方面通过提高湿地渗透能力、增强微生物活性等作用来间接进行水质净化，并对于基质的使用时间起到延长作用，因此湿地植被的选择相当重要，这直接关乎湿地的水质净化效果。在实际的湿地构建中，湿地植被的选择不是单一的，要做好湿地植被的错配，因为不同的植被对水质中不同的成分具有不同的净化效果和能力，要依靠多元化的湿地植被来提升湿地系统的净化能力，同时选择合适的基质填料，综合利用湿地的去除净化作用。