舒柳

摘要：研究了垂直流、水平流、表面流和沟渠型4种不同类型人工湿地处理净化水质的季节变化。结果表明，4种人工湿地对总氮（TN）的平均去除率分别为61.8%、58.6%、57.1%和41.3%；对氨氮（NH+4-N）的平均去除率分别为62.8%、52.4%、56.0%和41.5%；对总磷（TP）的平均去除率分别为65.5%、59.5%、42.2%和38.8%；对生物耗氧量（BOD5）的平均去除率分别为41.0%、32.1%、35.9%和30.5%；对化学耗氧量（CODCr）的平均去除率分别为64.1%、58.9%、57.5%和49.8%；对高锰酸钾指数的去除率分别为51.1%、43.6%、47.6%和32.5%。综合比较可知，人工湿地植被能有效促进湿地对污水的去除效果，不同人工湿地去除效果存在一定的差异，4种不同类型人工湿地对TN、TP、NH+4-N、BOD5和高锰酸钾指数的去除效果较好，对CODCr的去除效果较差，以垂直流人工湿地去除效果最好，水平流和表面流人工湿地次之，沟渠型人工湿地去除效果最差。从出水水质稳定性来看，垂直流人工湿地出水各项指标最稳定，水平流和表面流次之，沟渠型人工湿地最差；4种人工湿地对污水去除率随季节均呈“V”形变化，基本表现为秋季>夏季≈冬季>春季。

关键词：人工湿地；净化水质；季节变化

中图分类号：S181.6文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）09-0384-04

人工湿地是由土壤、砾石、炉渣等按一定比例构成的选择性地植入植被的污水处理生态系统[1-2]，该系统基质、水生植物和微生物等通过一系列物理、化学和生物途径对污水进行高效去除，现已广泛运用于污水处理并且取得了良好的环境净化效果和经济效益[1-4]。人工湿地不仅具有同化吸收污染物的功能，还有拦截、过滤污染物的作用[1-2，5-7]，不同类型人工湿地具有较大差别，对污染物质的去除能力有较大的差异，按结构可将其分为表面流、水平流、垂直流和沟渠型人工湿地，其优缺点各不相同[3，6]。近几十年来，关于人工湿地的研究大多局限于单一湿地类型，较少进行不同类型人工湿地处理污水效果的比较，不同类型人工湿地对富营养化水体处理效果的比较研究也鲜见报道。鉴于此，针对4种类型人工湿地处理效果的比较研究，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，为恢复水生植物和自然湿地、构建人工湿地、净化生活污水、控制水体污染和富营养化提供理论依据和实践措施。

1材料与方法

1.1人工湿地设计与流程

人工废水配制方法：CODCr368 mg/L，BOD5 105 mg/L，TN 8.45 mg/L，TP 0.29 mg/L，NH+4-N 5.72 mg/L；高锰酸钾指数11.30 mg/L；pH值为7.12～7.78。

试验区位于四川郫县安德镇园田村的庭院人工湿地，人工湿地结构：底部为集水区，其上铺放尼龙网。垂直流和水平流单元均设置为50 m2（长×宽×深=25 m×2.0 m×0.8 m），分3层依次填充基质，底层大粒径砾石（粒径20～30 mm）作为排水层，厚度约为25 cm，中层选用当地中号炉渣（粒径15～25 mm），厚度约为25 cm，上层选用当地小号炉渣和泥沙（粒径10～15 mm），厚度约为25 cm，单元内种植鸢尾科鸢尾属的鸢尾（Iris pseudacorus）和香蒲（Typhalatifolia），种植密度为3～7棵/m2；自由表面流单元为40 m2（长×宽×深=20 m×2.0 m×0.4 m），基质为土壤，种植植物为鸢尾（Iris pseudacorus）和香蒲（Typhalatifolia）；沟渠单元设置为100 m2（长×宽×深=10 m×10 m×0.5 m）的正方形，并沿其对角线开设2条沟渠，沟宽0.2 m，沟长14.1 m，平均深度 0.5 m。每个处理单元间用1 m宽的土埂隔开，底部为集水区，其上铺放尼龙网，防止填料下漏，沿对角线埋入直径为 15 mm 的PVC管，使人工湿地中的循环水能流入PVC管，便于试验样品采集。

2013年5月20日先用微污染水对4种植物驯化1个月再进行净化能力试验，选择株型大小、生物量基本一致的4种湿地植物，栽于人工湿地沙子基质上，植物栽上后，加自来水至沙子基质饱和，地下水培养1个月，并保持其上2～3 cm薄水层，稳定15 d，其间换水3次。2013年7月20日将污水经配水池缓慢放入人工湿地（水深78～83 cm），控制水流通过水管均匀流入人工湿地，污水通过布设在人工湿地的布水管流入，缓慢向下渗滤，放水12 h后，停止注水，水力负荷控制在0.75 m3/（m2·d）。进水为上述配制的人工污水，经过人工湿地处理后的水从底部PVC管排出。

1.2样品的测定

结合人工湿地的运行情况和植被的生长状况，不同季节取出水口水质，实验室测定分析，各指标的去除率=（进水口值-出水口值）/进水口值×100%[1-2]。

测定项目包括TN、TP、NH+4-N、BOD5、CODCr和高锰酸钾指数；BOD5采用稀释接种法；CODCr采用重铬酸钾氧化法；NH+4-N采用纳氏试剂分光光度法；TN采用过硫酸钾-紫外分光光度法；TP采用钼锑抗分光光度法；参照文献[7]测定高锰酸盐指数。

1.3数据处理与分析

所有数据采用Excel 2003统计，以平均值±标准误差表示（x±s），采用SPSS 18.0分别对数据进行单因素方差分析（One-way ANOVA），多重比较采用LSD，用 Origin 7.5作图。

2结果与分析

2.1不同类型人工湿地TN、TP和NH+4-N季节变化及去除率

图1为垂直流、水平流、表面流和沟渠型4种人工湿地不同季节TN、TP和NH+4-N出水浓度及去除率。4种人工湿地出水TN、TP和NH+4-N浓度总体变化为春季最高，夏季和秋季降低，冬季则有回升的趋势，具体表现为春季>夏季>冬季>秋季；在出水浓度稳定性方面，由春季到冬季垂直流人工湿地变化最小，水平流和表面流次之，沟渠型变化最大；不同季节4种人工湿地对TN、TP和NH+4-N去除率呈现出明显的季节差异，均表现为秋季>冬季>夏季>春季，其中春季明显低于其他季节，相同季节以垂直流人工湿地处理效果最好，水平流和表面流次之，沟渠型最差，基本表现为垂直流人工湿地>水平流人工湿地>表面流人工湿地>沟渠型人工湿地。

2.2不同类型人工湿地BOD5、CODCr和高锰酸钾指数季节变化及去除率

图2为垂直流、水平流、表面流和沟渠型4种人工湿地不同季节BOD5、CODCr和高锰酸钾指数出水浓度及去除率。4种人工湿地出水BOD5、CODCr和高锰酸钾指数总体变化为春季最大，夏季和秋季急剧下降，冬季则有回升的趋势，具体表现为春季>夏季>冬季>秋季；在出水浓度稳定性方面，由春季到冬季垂直流人工湿地变化最小，水平流和表面流次之，沟渠型变化最大；不同季节4种人工湿地对BOD5、CODCr和高锰酸钾指数去除率呈现出明显的季节差异，基本表现为秋季>夏季≈冬季>春季，其中春季明显低于其他季节，相同季节以垂直流人工湿地处理效果最好，水平流和表面流次之，沟渠型最差，基本表现为垂直流人工湿地>水平流人工湿地>表面流人工湿地>沟渠型人工湿地。

2.3不同类型人工湿地对污水去除率比较

图3为4种人工湿地对污水去除效果的比较。4不同类型人工湿地对TN、TP、NH+4-N、BOD5、 CODCr和高锰酸钾指数的去除效果存在一定的差异，大致表现为垂直流人工湿

地>水平流人工湿地>表面流人工湿地>沟渠型人工湿地；4种人工湿地对TN的去除率分别为61.8%、58.6%、571%和41.3%，垂直流、水平流和表面流人工湿地对TN的去除效果差异不明显，但明显高于沟渠型人工湿地（P<0.05）；4种人工湿地对NH+4-N的去除率分别为628%、52.4%、56.0%和41.5%，垂直流、水平流和表面流人工湿地对TN的去除率均显著高于沟渠型人工湿地（P<0.05），其中水平流和表面流人工湿地对TN的去除率差异并不显著；4种人工湿地对TP的去除率分别为655%、595%、42.2%和38.8%，垂直流和水平流人工湿地对TP的去除率差异不显著，但显著高于表面流和沟渠型人工湿地（P<0.05）；4种人工湿地对BOD5的去除效果较差，分别为410%、32.1%、35.9%和30.5%，垂直流和表面流人工湿地对BOD5的去除率差异不显著，但显著高于水平流和沟渠型人工湿地（P<0.05）；4种人工湿地对CODCr的去除率分别为64.1%、58.9%、575%和49.8%，垂直流、水平流和表面流人工湿地对CODCr的去除效果差异不明显，但明显高于沟渠型人工湿地（P<0.05）；4种人工湿地对高锰酸钾指数的去除率分别为51.1%、43.6%、47.6%和32.5%，垂直流和表面流人工湿地对高锰酸钾指数的去除率差异并不显著，但与水平流和沟渠型人工湿地达到显著差异水平（P<005）。

3讨论与结论

人工湿地净化水质机制较为复杂，本研究人工湿地基质为炉渣和泥沙，炉渣和泥沙能够避免土壤系统表面的短流，其多孔性扩大了表面积，有利于微生物的代谢活动，进而增强了人工湿地的去除效果[7-11]。不同类型人工湿地净化污水效果存在一定差异，综合4种人工湿地净化污水效果（图1和图2），以垂直流人工湿地对污水中各项指标去除率最大，水平流和表面流人工湿地次之，沟渠型人工湿地去除效果最差，充分体现在对TN、TP、BOD5、NH+4-N和高锰酸钾指数的去除，说明不同类型人工湿地对污染物的去除效果和机制不同。基质的吸附是人工湿地净化水质的主要过程[1-2，6-7，12]，由于沟渠型人工湿地土壤基质孔隙度低，水在基质表面流动，复氧能力差，为微生物生长提供载体的基质仅为表层部分，污染物随水流从基质表面漫流而过，吸附作用仅仅停留在基质表层，而垂直流和水平流的基质均为孔隙度较高的砾石，不仅复氧能力优于土壤基质，而且为微生物提供了大量的挂膜空间[8-11]，因此垂直流和水平流对氨氮的处理效果明显优于表面流和沟渠型人工湿地。

人工湿地主要通过植被的截流、过滤以及微生物的新陈代谢等活动化水质[5-8]。其中对有机物的去除效果比较稳定；N循环较为复杂，主要通过氨的挥发、硝化、反硝化过程、

介质的吸附、微生物固氮和氮的迁移转化得以去除；对 NH+4-N 的去除主要是通过好氧微生物的降解；P的去除主要以吸附为主，随泥沙颗粒在介质中被截留，通过植物吸收、物理化学作用及微生物降解3方面的作用去除，通过微生物的作用和植被的输氧作用形成了氧化态的根区，为好氧、兼性和厌氧微生物提供了各自适宜的生境，有利于微生物在人工湿地纵深扩展，从而促进了深层基质中微生物的生长和繁殖[9-12]；4种人工湿地对高锰酸盐指数的去除效率不高，这是由于进水高锰酸盐指数的负荷低，可生化性不强所致。有研究表明，人工湿地中污水pH值<8.0时，氨的挥发净化途径基本可以忽略[8，10，13-14]，经测得不同类型人工湿地出水pH值均小于8.0，也即除了植物吸收和基质净化以外，基本上是硝化和反硝化途径起作用，因此，硝化和反硝化作用是人工湿地净化N的主要途径。

4种人工湿地对污水去除率随季节均呈“V”字形变化，均表现为秋季>夏季≈冬季>春季，即不同类型人工湿地对污水去除效果很大程度上依赖于植被及微生物的季节动态变化。湿地植被在春季处于萌芽阶段，生长较为缓慢，未与基质、土壤等形成完整的去污生态系统，此时人工湿地对污水的去除效果偏低，吸收作用还没有明显地表现出来，夏季植被迅速生长和繁殖，去除效果也更加明显，秋季各项生长指标均达到最大，有助于其根区微生物等的繁殖，这个时期对TN、TP、NH+4-N、BOD5、CODCr和高锰酸钾指数的去除效果最为明显，秋季以后，植被密度达到最大，缺乏有限的空间和资源，地面部分开始枯黄、根系也逐渐溃烂，净化水质效果缓慢下降等，导致秋季以后其去除效果呈现下降趋势。此外，在去除各类污染物的过程中微生物是主要承担者，冬、春季节较低的温度影响了微生物酶活性[1-2，8，12]，从而导致人工湿地对各指标的去除效果降低。

人工湿地整合协调了基质-微生物-植物的净化系统，但基质吸附净化能力有一定限度[9-12]，尽管大量学者提出了基质强化净化能力的方法，随着时间的推移，基质的吸附净化容量达到饱和，人工湿地具有净化污染物能力的植被可以重复利用[3-6，8-12]，通过定量收获、刈割等方式可以延续其净化能力，并选择生物量较大、富集污染元素较强的植被是提高不同类型人工湿地净化水质能力的关键措施。

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