不同類型人工濕地凈化水質(zhì)季節(jié)變化分析

舒柳

摘要：研究了垂直流、水平流、表面流和溝渠型4種不同類型人工濕地處理凈化水質(zhì)的季節(jié)變化。結(jié)果表明，4種人工濕地對(duì)總氮（TN）的平均去除率分別為61.8%、58.6%、57.1%和41.3%；對(duì)氨氮（NH+4-N）的平均去除率分別為62.8%、52.4%、56.0%和41.5%；對(duì)總磷（TP）的平均去除率分別為65.5%、59.5%、42.2%和38.8%；對(duì)生物耗氧量（BOD5）的平均去除率分別為41.0%、32.1%、35.9%和30.5%；對(duì)化學(xué)耗氧量（CODCr）的平均去除率分別為64.1%、58.9%、57.5%和49.8%；對(duì)高錳酸鉀指數(shù)的去除率分別為51.1%、43.6%、47.6%和32.5%。綜合比較可知，人工濕地植被能有效促進(jìn)濕地對(duì)污水的去除效果，不同人工濕地去除效果存在一定的差異，4種不同類型人工濕地對(duì)TN、TP、NH+4-N、BOD5和高錳酸鉀指數(shù)的去除效果較好，對(duì)CODCr的去除效果較差，以垂直流人工濕地去除效果最好，水平流和表面流人工濕地次之，溝渠型人工濕地去除效果最差。從出水水質(zhì)穩(wěn)定性來看，垂直流人工濕地出水各項(xiàng)指標(biāo)最穩(wěn)定，水平流和表面流次之，溝渠型人工濕地最差；4種人工濕地對(duì)污水去除率隨季節(jié)均呈“V”形變化，基本表現(xiàn)為秋季>夏季≈冬季>春季。

關(guān)鍵詞：人工濕地；凈化水質(zhì)；季節(jié)變化

中圖分類號(hào)：S181.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）09-0384-04

人工濕地是由土壤、礫石、爐渣等按一定比例構(gòu)成的選擇性地植入植被的污水處理生態(tài)系統(tǒng)[1-2]，該系統(tǒng)基質(zhì)、水生植物和微生物等通過一系列物理、化學(xué)和生物途徑對(duì)污水進(jìn)行高效去除，現(xiàn)已廣泛運(yùn)用于污水處理并且取得了良好的環(huán)境凈化效果和經(jīng)濟(jì)效益[1-4]。人工濕地不僅具有同化吸收污染物的功能，還有攔截、過濾污染物的作用[1-2，5-7]，不同類型人工濕地具有較大差別，對(duì)污染物質(zhì)的去除能力有較大的差異，按結(jié)構(gòu)可將其分為表面流、水平流、垂直流和溝渠型人工濕地，其優(yōu)缺點(diǎn)各不相同[3，6]。近幾十年來，關(guān)于人工濕地的研究大多局限于單一濕地類型，較少進(jìn)行不同類型人工濕地處理污水效果的比較，不同類型人工濕地對(duì)富營養(yǎng)化水體處理效果的比較研究也鮮見報(bào)道。鑒于此，針對(duì)4種類型人工濕地處理效果的比較研究，探索不同濕地類型應(yīng)用于富營養(yǎng)化水體處理效率之間的差異，為恢復(fù)水生植物和自然濕地、構(gòu)建人工濕地、凈化生活污水、控制水體污染和富營養(yǎng)化提供理論依據(jù)和實(shí)踐措施。

1材料與方法

1.1人工濕地設(shè)計(jì)與流程

人工廢水配制方法：CODCr368 mg/L，BOD5 105 mg/L，TN 8.45 mg/L，TP 0.29 mg/L，NH+4-N 5.72 mg/L；高錳酸鉀指數(shù)11.30 mg/L；pH值為7.12～7.78。

試驗(yàn)區(qū)位于四川郫縣安德鎮(zhèn)園田村的庭院人工濕地，人工濕地結(jié)構(gòu)：底部為集水區(qū)，其上鋪放尼龍網(wǎng)。垂直流和水平流單元均設(shè)置為50 m2（長×寬×深=25 m×2.0 m×0.8 m），分3層依次填充基質(zhì)，底層大粒徑礫石（粒徑20～30 mm）作為排水層，厚度約為25 cm，中層選用當(dāng)?shù)刂刑?hào)爐渣（粒徑15～25 mm），厚度約為25 cm，上層選用當(dāng)?shù)匦√?hào)爐渣和泥沙（粒徑10～15 mm），厚度約為25 cm，單元內(nèi)種植鳶尾科鳶尾屬的鳶尾（Iris pseudacorus）和香蒲（Typhalatifolia），種植密度為3～7棵/m2；自由表面流單元為40 m2（長×寬×深=20 m×2.0 m×0.4 m），基質(zhì)為土壤，種植植物為鳶尾（Iris pseudacorus）和香蒲（Typhalatifolia）；溝渠單元設(shè)置為100 m2（長×寬×深=10 m×10 m×0.5 m）的正方形，并沿其對(duì)角線開設(shè)2條溝渠，溝寬0.2 m，溝長14.1 m，平均深度 0.5 m。每個(gè)處理單元間用1 m寬的土埂隔開，底部為集水區(qū)，其上鋪放尼龍網(wǎng)，防止填料下漏，沿對(duì)角線埋入直徑為 15 mm 的PVC管，使人工濕地中的循環(huán)水能流入PVC管，便于試驗(yàn)樣品采集。

2013年5月20日先用微污染水對(duì)4種植物馴化1個(gè)月再進(jìn)行凈化能力試驗(yàn)，選擇株型大小、生物量基本一致的4種濕地植物，栽于人工濕地沙子基質(zhì)上，植物栽上后，加自來水至沙子基質(zhì)飽和，地下水培養(yǎng)1個(gè)月，并保持其上2～3 cm薄水層，穩(wěn)定15 d，其間換水3次。2013年7月20日將污水經(jīng)配水池緩慢放入人工濕地（水深78～83 cm），控制水流通過水管均勻流入人工濕地，污水通過布設(shè)在人工濕地的布水管流入，緩慢向下滲濾，放水12 h后，停止注水，水力負(fù)荷控制在0.75 m3/（m2·d）。進(jìn)水為上述配制的人工污水，經(jīng)過人工濕地處理后的水從底部PVC管排出。

1.2樣品的測(cè)定

結(jié)合人工濕地的運(yùn)行情況和植被的生長狀況，不同季節(jié)取出水口水質(zhì)，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定分析，各指標(biāo)的去除率=（進(jìn)水口值-出水口值）/進(jìn)水口值×100%[1-2]。

測(cè)定項(xiàng)目包括TN、TP、NH+4-N、BOD5、CODCr和高錳酸鉀指數(shù)；BOD5采用稀釋接種法；CODCr采用重鉻酸鉀氧化法；NH+4-N采用納氏試劑分光光度法；TN采用過硫酸鉀-紫外分光光度法；TP采用鉬銻抗分光光度法；參照文獻(xiàn)[7]測(cè)定高錳酸鹽指數(shù)。

1.3數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2003統(tǒng)計(jì)，以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示（x±s），采用SPSS 18.0分別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA），多重比較采用LSD，用 Origin 7.5作圖。

2結(jié)果與分析

2.1不同類型人工濕地TN、TP和NH+4-N季節(jié)變化及去除率

圖1為垂直流、水平流、表面流和溝渠型4種人工濕地不同季節(jié)TN、TP和NH+4-N出水濃度及去除率。4種人工濕地出水TN、TP和NH+4-N濃度總體變化為春季最高，夏季和秋季降低，冬季則有回升的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為春季>夏季>冬季>秋季；在出水濃度穩(wěn)定性方面，由春季到冬季垂直流人工濕地變化最小，水平流和表面流次之，溝渠型變化最大；不同季節(jié)4種人工濕地對(duì)TN、TP和NH+4-N去除率呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異，均表現(xiàn)為秋季>冬季>夏季>春季，其中春季明顯低于其他季節(jié)，相同季節(jié)以垂直流人工濕地處理效果最好，水平流和表面流次之，溝渠型最差，基本表現(xiàn)為垂直流人工濕地>水平流人工濕地>表面流人工濕地>溝渠型人工濕地。

2.2不同類型人工濕地BOD5、CODCr和高錳酸鉀指數(shù)季節(jié)變化及去除率

圖2為垂直流、水平流、表面流和溝渠型4種人工濕地不同季節(jié)BOD5、CODCr和高錳酸鉀指數(shù)出水濃度及去除率。4種人工濕地出水BOD5、CODCr和高錳酸鉀指數(shù)總體變化為春季最大，夏季和秋季急劇下降，冬季則有回升的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為春季>夏季>冬季>秋季；在出水濃度穩(wěn)定性方面，由春季到冬季垂直流人工濕地變化最小，水平流和表面流次之，溝渠型變化最大；不同季節(jié)4種人工濕地對(duì)BOD5、CODCr和高錳酸鉀指數(shù)去除率呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異，基本表現(xiàn)為秋季>夏季≈冬季>春季，其中春季明顯低于其他季節(jié)，相同季節(jié)以垂直流人工濕地處理效果最好，水平流和表面流次之，溝渠型最差，基本表現(xiàn)為垂直流人工濕地>水平流人工濕地>表面流人工濕地>溝渠型人工濕地。

2.3不同類型人工濕地對(duì)污水去除率比較

圖3為4種人工濕地對(duì)污水去除效果的比較。4不同類型人工濕地對(duì)TN、TP、NH+4-N、BOD5、 CODCr和高錳酸鉀指數(shù)的去除效果存在一定的差異，大致表現(xiàn)為垂直流人工濕

地>水平流人工濕地>表面流人工濕地>溝渠型人工濕地；4種人工濕地對(duì)TN的去除率分別為61.8%、58.6%、571%和41.3%，垂直流、水平流和表面流人工濕地對(duì)TN的去除效果差異不明顯，但明顯高于溝渠型人工濕地（P<0.05）；4種人工濕地對(duì)NH+4-N的去除率分別為628%、52.4%、56.0%和41.5%，垂直流、水平流和表面流人工濕地對(duì)TN的去除率均顯著高于溝渠型人工濕地（P<0.05），其中水平流和表面流人工濕地對(duì)TN的去除率差異并不顯著；4種人工濕地對(duì)TP的去除率分別為655%、595%、42.2%和38.8%，垂直流和水平流人工濕地對(duì)TP的去除率差異不顯著，但顯著高于表面流和溝渠型人工濕地（P<0.05）；4種人工濕地對(duì)BOD5的去除效果較差，分別為410%、32.1%、35.9%和30.5%，垂直流和表面流人工濕地對(duì)BOD5的去除率差異不顯著，但顯著高于水平流和溝渠型人工濕地（P<0.05）；4種人工濕地對(duì)CODCr的去除率分別為64.1%、58.9%、575%和49.8%，垂直流、水平流和表面流人工濕地對(duì)CODCr的去除效果差異不明顯，但明顯高于溝渠型人工濕地（P<0.05）；4種人工濕地對(duì)高錳酸鉀指數(shù)的去除率分別為51.1%、43.6%、47.6%和32.5%，垂直流和表面流人工濕地對(duì)高錳酸鉀指數(shù)的去除率差異并不顯著，但與水平流和溝渠型人工濕地達(dá)到顯著差異水平（P<005）。

3討論與結(jié)論

人工濕地凈化水質(zhì)機(jī)制較為復(fù)雜，本研究人工濕地基質(zhì)為爐渣和泥沙，爐渣和泥沙能夠避免土壤系統(tǒng)表面的短流，其多孔性擴(kuò)大了表面積，有利于微生物的代謝活動(dòng)，進(jìn)而增強(qiáng)了人工濕地的去除效果[7-11]。不同類型人工濕地凈化污水效果存在一定差異，綜合4種人工濕地凈化污水效果（圖1和圖2），以垂直流人工濕地對(duì)污水中各項(xiàng)指標(biāo)去除率最大，水平流和表面流人工濕地次之，溝渠型人工濕地去除效果最差，充分體現(xiàn)在對(duì)TN、TP、BOD5、NH+4-N和高錳酸鉀指數(shù)的去除，說明不同類型人工濕地對(duì)污染物的去除效果和機(jī)制不同?；|(zhì)的吸附是人工濕地凈化水質(zhì)的主要過程[1-2，6-7，12]，由于溝渠型人工濕地土壤基質(zhì)孔隙度低，水在基質(zhì)表面流動(dòng)，復(fù)氧能力差，為微生物生長提供載體的基質(zhì)僅為表層部分，污染物隨水流從基質(zhì)表面漫流而過，吸附作用僅僅停留在基質(zhì)表層，而垂直流和水平流的基質(zhì)均為孔隙度較高的礫石，不僅復(fù)氧能力優(yōu)于土壤基質(zhì)，而且為微生物提供了大量的掛膜空間[8-11]，因此垂直流和水平流對(duì)氨氮的處理效果明顯優(yōu)于表面流和溝渠型人工濕地。

人工濕地主要通過植被的截流、過濾以及微生物的新陳代謝等活動(dòng)化水質(zhì)[5-8]。其中對(duì)有機(jī)物的去除效果比較穩(wěn)定；N循環(huán)較為復(fù)雜，主要通過氨的揮發(fā)、硝化、反硝化過程、

介質(zhì)的吸附、微生物固氮和氮的遷移轉(zhuǎn)化得以去除；對(duì) NH+4-N 的去除主要是通過好氧微生物的降解；P的去除主要以吸附為主，隨泥沙顆粒在介質(zhì)中被截留，通過植物吸收、物理化學(xué)作用及微生物降解3方面的作用去除，通過微生物的作用和植被的輸氧作用形成了氧化態(tài)的根區(qū)，為好氧、兼性和厭氧微生物提供了各自適宜的生境，有利于微生物在人工濕地縱深擴(kuò)展，從而促進(jìn)了深層基質(zhì)中微生物的生長和繁殖[9-12]；4種人工濕地對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的去除效率不高，這是由于進(jìn)水高錳酸鹽指數(shù)的負(fù)荷低，可生化性不強(qiáng)所致。有研究表明，人工濕地中污水pH值<8.0時(shí)，氨的揮發(fā)凈化途徑基本可以忽略[8，10，13-14]，經(jīng)測(cè)得不同類型人工濕地出水pH值均小于8.0，也即除了植物吸收和基質(zhì)凈化以外，基本上是硝化和反硝化途徑起作用，因此，硝化和反硝化作用是人工濕地凈化N的主要途徑。

4種人工濕地對(duì)污水去除率隨季節(jié)均呈“V”字形變化，均表現(xiàn)為秋季>夏季≈冬季>春季，即不同類型人工濕地對(duì)污水去除效果很大程度上依賴于植被及微生物的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化。濕地植被在春季處于萌芽階段，生長較為緩慢，未與基質(zhì)、土壤等形成完整的去污生態(tài)系統(tǒng)，此時(shí)人工濕地對(duì)污水的去除效果偏低，吸收作用還沒有明顯地表現(xiàn)出來，夏季植被迅速生長和繁殖，去除效果也更加明顯，秋季各項(xiàng)生長指標(biāo)均達(dá)到最大，有助于其根區(qū)微生物等的繁殖，這個(gè)時(shí)期對(duì)TN、TP、NH+4-N、BOD5、CODCr和高錳酸鉀指數(shù)的去除效果最為明顯，秋季以后，植被密度達(dá)到最大，缺乏有限的空間和資源，地面部分開始枯黃、根系也逐漸潰爛，凈化水質(zhì)效果緩慢下降等，導(dǎo)致秋季以后其去除效果呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。此外，在去除各類污染物的過程中微生物是主要承擔(dān)者，冬、春季節(jié)較低的溫度影響了微生物酶活性[1-2，8，12]，從而導(dǎo)致人工濕地對(duì)各指標(biāo)的去除效果降低。

人工濕地整合協(xié)調(diào)了基質(zhì)-微生物-植物的凈化系統(tǒng)，但基質(zhì)吸附凈化能力有一定限度[9-12]，盡管大量學(xué)者提出了基質(zhì)強(qiáng)化凈化能力的方法，隨著時(shí)間的推移，基質(zhì)的吸附凈化容量達(dá)到飽和，人工濕地具有凈化污染物能力的植被可以重復(fù)利用[3-6，8-12]，通過定量收獲、刈割等方式可以延續(xù)其凈化能力，并選擇生物量較大、富集污染元素較強(qiáng)的植被是提高不同類型人工濕地凈化水質(zhì)能力的關(guān)鍵措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]Adrados B，Sánchez O，Arias C A，et al. Microbial communities from different types of natural wastewater treatment systems：vertical and horizontal flow constructed wetlands and biofilters[J]. Water Research，2014，55：304-312.

[2]Vymazal J. Long-term performance of constructed wetlands with horizontal sub-surface flow：Ten case studies from the Czech Republic[J]. Ecological Engineering，2011，37（1）：54-63.

[3]Chon K，Chang J S，Lee E，et al. Abundance of denitrifying genes coding for nitrate（narG），nitrite（nirS），and nitrous oxide （nosZ） reductases in estuarine versus wastewater effluent-fed constructed wetlands[J]. Ecological Engineering，2011，37（1）：64-69.

[4]Tanner C C，Sukias J P，Headley T R，et al. Constructed wetlands and denitrifying bioreactors for on-site and decentralised wastewater treatment：comparison of five alternative configurations[J]. Ecological Engineering，2012，42：112-123.

[5]Fuchs V J，Mihelcic J R，Gierke J S. Life cycle assessment of vertical and horizontal flow constructed wetlands for wastewater treatment considering nitrogen and carbon greenhouse gas emissions[J]. Water Research，2011，45（5）：2073-2081.

[6]vila C，Reyes C，Bayona J M，et al. Emerging organic contaminant removal depending on primary treatment and operational strategy in horizontal subsurface flow constructed wetlands：Influence of redox[J]. Water Research，2013，47（1）：315-325.

[7]Huang L，Gao X，Liu M，et al. Correlation among soil microorganisms，soil enzyme activities，and removal rates of pollutants in three constructed wetlands purifying micro-polluted river water[J]. Ecological Engineering，2012，46：98-106.

[8]劉慎坦，王國芳，謝祥峰，等. 不同基質(zhì)對(duì)人工濕地脫氮效果和硝化及反硝化細(xì)菌分布的影響[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，41（2）：400-405.

[9]李園芳. 人工濕地對(duì)景觀水處理效果研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2012.

[10]彭婉婷，鄒琳，段維波，等. 多種濕地植物組合對(duì)污水中氮和磷的去除效果[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（3）：612-617.

[11]孫井梅，李陽，李志杰，等. 垂直潛流人工濕地凈化北方微污染水體試驗(yàn)研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2012，21（10）：1711-1716.

[12]郭建，栗志芬，朱瓊璐，等. 生態(tài)塘-人工濕地-生態(tài)塘復(fù)合系統(tǒng)對(duì)城市河水中氮的去除效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（增刊2）：191-195.

[13]王振，劉超翔，李鵬宇，等. 廢磚塊作為人工濕地填料的除磷能力研究[J]. 環(huán)境科學(xué)，2012，33（12）：4373-4379.

[14]劉波，陳玉成，王莉瑋，等. 4種人工濕地填料對(duì)磷的吸附特性分析[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2010，4（1）：44-48.