1 引言
垂直流人工濕地因具有較高的水力負荷、污染物去除效率高、占地小等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越得到大面積的應用.近年來(lái)，垂直流濕地多用于不同污染負荷生活污水的處理，其凈化效果主要受濕地類(lèi)型構造本身、填料、植物類(lèi)型、進(jìn)水C/N比與啟動(dòng)季節等因素的影響，而關(guān)于進(jìn)水C/N比對不同植物類(lèi)型處理生活污水效果的影響研究相對較少.污水C/N比是反映濕地系統內部碳氮循環(huán)的主要指標，綜合了濕地生態(tài)系統功能的變異性，容易測量，是確定廢水碳氮平衡特征的一個(gè)重要參數.濕地系統的進(jìn)水C/N比特征直接影響著(zhù)微生物的群落結構，從而影響污水處理效果.另外，不同濕地植物、不同環(huán)境條件下及不同生長(cháng)時(shí)期對N、P的需求量也不同.植物對N、P吸收量及比例的變化，也會(huì )間接影響其在不同季節對污水去除效率的貢獻.
本研究針對垂直流型人工濕地系統，研究水蔥(Scirpus tabernaemontani)，香蒲(Typha orientalis，)菖蒲(Acorus calamus)和千屈菜(Lythrum salicaria)4種植物濕地在不同進(jìn)水C/N比條件下的污水凈化能力，探討其可能的影響機制.
2 材料和方法
2.1 人工濕地的構建
人工濕地污水處理系統于2014年1月建于復旦大學(xué)生態(tài)學(xué)實(shí)驗基地溫室大棚內，為垂直潛流型人工濕地(圖 1)，各濕地尺寸均為1.0 m×0.6 m×0.9 m(長(cháng)×寬×高)，在長(cháng)邊15 cm處分別用隔板隔開(kāi)，靠近進(jìn)水端15 cm的隔板底部以尺寸為0.80 m×0.15 m的矩形開(kāi)口相通.布水區填料上層為粒徑約12 mm的爐渣，厚度為45 cm，爐渣在使用前經(jīng)過(guò)5次沖洗，以避免其會(huì )產(chǎn)生高堿度的環(huán)境，從而危害植物和根系間微生物的生長(cháng);下層為粒徑約15 mm的礫石，厚度為20 cm，進(jìn)出水隔板之間10 cm的高度差使得水流可以從布水區自行流入出水端.進(jìn)水區采用穿孔(15 mm的孔，間距為100 mm)PVC管均勻布水，試驗于2014年1—3月先進(jìn)行濕地馴化，2014年4月到2015年1月為污水處理正式運行階段，采用連續進(jìn)水方式，水力負荷為0.67 m3 · m-2 · d-1，HRT為1.5 d，填料層的孔隙率約為43%.3種不同的C/N比進(jìn)水條件，每種植物濕地均為4個(gè)平行處理，共計48個(gè)濕地單元.
圖1 垂直流型人工濕地
2.2 模擬生活污水的配制及進(jìn)水水質(zhì)特征
對4種植物類(lèi)型濕地進(jìn)行碳源不同污染梯度水平的添加處理，碳源添加濃度分別為100、200、400 mg · L-1(污染負荷分別為322.64、645.35、1280.06 mg · m-3 · d-1)，N素添加濃度為40 mg · L-1(污染負荷為107.75 mg · m-3 · d-1)，P素添加濃度為5 mg · L-1(污染負荷為16.58 mg · m-3 · d-1).模擬污水的配方為 100、200、400 g · m-3 葡萄糖，80 g · m-3 尿素，15 g · m-3 NaH2PO4，1.5 g · m-3 KH2PO4，4 g · m-3 CaCl2，2 g · m-3 MgSO4.3種不同C/N比進(jìn)水條件分別為C1N(2.5 ∶ 1)、C2N(5 ∶ 1)和C3N(10 ∶ 1).每種濕地植物在相同進(jìn)水條件下的處理均為4個(gè)平行組.模擬生活污水的進(jìn)水水質(zhì)特征見(jiàn)表 1和表 2.
表1 不同進(jìn)水C/N比條件下主要理化指標的進(jìn)出水特征
表2 不同進(jìn)水C/N比條件下主要污染物的進(jìn)水濃度與去除率及濕地植物收獲后生物量
2.3 實(shí)驗步驟
本研究選取本實(shí)驗室前期篩選出的具有較好污染物降解效果的水蔥、香蒲、菖蒲和千屈菜，均為挺水植物.2014年的2月1日每個(gè)濕地單元分別種植水蔥(Scirpus tabernaemontani)、香蒲(Typha orientalis)菖蒲(Acorus calamus)和千屈菜(Lythrum salicaria)，上述4種濕地植物種植時(shí)單個(gè)濕地平均鮮重分別為0.28、0.34、0.21和0.41 kg，種植密度為 5~8 株 · m-2.前期濕地用模擬生活污水灌水2個(gè)月，該階段為濕地的馴化期.實(shí)驗運行周期為10個(gè)月，時(shí)間為2014年的4月1日至2015年的1月31日，模擬污水以0.21 m3 · m-2 · d-1的水力負荷進(jìn)入人工濕地單元，配水裝置是一個(gè)直徑5 cm的塑料管，其上分布著(zhù)直徑1.5 mm的小圓孔.每周通過(guò)一個(gè)200 L的大水箱向人工濕地供水5 d，另外2 d為停歇時(shí)間.
2.4 水樣、植物樣采集與測定
每周采集進(jìn)出水樣一次，每月測定的4個(gè)周的平均值作為該月處理水樣的月平均值.COD采用重鉻酸鉀法測定，TP采用AQ2全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀(Automated Chemistry Analyzer，Engl and )測定，TN采用德國產(chǎn)Liquor TOC分析儀測定.物理化學(xué)指標的測試包括氧化還原電位(Eh)、pH值、溶解氧(DO)，均是在現場(chǎng)實(shí)地測量，其中，DO采用Orion Dissolved Oxygen Probe(Model 862Aplus，USA)測量，Eh采用Orion 250Aplus ORP Field Kit測量，pH值采用Orion Portable pH Meter(Model 250Aplus，USA)測量.分別采集和測定各濕地植物實(shí)驗前后的生物量，本研究采用種植前與實(shí)驗結束收獲后濕地植物鮮重表示生物量.
2.5 數據分析
污染物去除率R的計算公式如下：
式中，Ci和Ce分別表示進(jìn)水和出水的濃度(mg · L-1).1個(gè)月中每周測量值的平均值用來(lái)表示1個(gè)月中污染物的去除效果.
2.6 統計分析
所有的數據都采用SPSS軟件進(jìn)行分析.一階方差分析用來(lái)分析4種不同植物垂直潛流式人工濕地各種參數條件下的出水狀況.二階方差分析用來(lái)分析測試不同的碳元素添加、人工濕地植物類(lèi)型、季節變化，以及其兩兩或者3個(gè)一起的綜合影響作用.Duncan多倍范圍檢驗用來(lái)進(jìn)一步評價(jià)方差分析中的差異顯著(zhù)性.
3 結果
3.1 主要物理化學(xué)指標的變化
pH值、氧化還原電位(Eh)和溶解氧(DO)值見(jiàn)表 1.對于pH值，3種C/N比進(jìn)水條件下，4種植物濕地均表現為出水值(6.38~6.81)低于進(jìn)水值(7.23~7.56)，但不同處理條件下，不同植物間差異不顯著(zhù)(p>0.05).對于DO值，C1N和C2N處理要顯著(zhù)高于C3N處理(p<0.05)，但相同處理不同植物類(lèi)型間差異不顯著(zhù)(p>0.05).對于4種植物濕地類(lèi)型，Eh值在C1N、 C2N和C3N處理中差異也不顯著(zhù)(p>0.05).
3.2 主要污染物去除率隨時(shí)間的變化
主要污染物去除率在處理過(guò)程中各個(gè)月份中的變化明顯，3種進(jìn)水負荷下，COD去除率在香蒲和菖蒲濕地均優(yōu)于水蔥和千屈菜濕地(圖 2，表 2).如圖 2a所示，C1N處理中，4種植物濕地中COD去除率在秋末和冬初波動(dòng)相對較大.在C2N和C3N處理中，4種植物濕地均表現出在7月和10月COD去除率較高(圖 2b和2c).到實(shí)驗結束(1月)，3種處理條件下，不同植物濕地對COD去除率均下降到最低值，受季節影響顯著(zhù).由表 3的方差分析發(fā)現，季節、植物類(lèi)型與季節的交互作用對COD的去除率影響顯著(zhù)(p<0.05).
圖2 實(shí)驗期間COD去除率變化(a.C/N=2.5 ∶ 1; b.C/N=5 ∶ 1; c.C/N=10 ∶ 1) 
表3 濕地植物類(lèi)型、碳添加、季節變化參數的方差分析
如圖 3所示，4種植物濕地中TN去除率在所有進(jìn)水條件下均出現了較為明顯的波動(dòng).在C1N和C2N處理中，水蔥濕地的TN去除率低于其他3種植物濕地(圖 3a，3b)，而香蒲濕地在整個(gè)實(shí)驗階段TN去除率均較高.在C2N和C3N處理中，4種植物濕地類(lèi)型在10月TN去除率明顯較高，冬初(11—12月)也表現出了相對較高的去除能力(圖 3b和3c)，然而到翌年1月均呈明顯下降趨勢，TN去除率較低.在整個(gè)實(shí)驗啟動(dòng)期間，TN去除率受季節變化影響明顯，波動(dòng)時(shí)間相對較長(cháng).研究發(fā)現，季節對TN的凈化效果具有顯著(zhù)影響(p<0.05)(表 3).
圖3 實(shí)驗期間TN去除率變化(a.C/N=2.5 ∶ 1; b.C/N=5 ∶ 1; c.C/N=10 ∶ 1)
對于TP去除率，其在所有進(jìn)水負荷條件下都表現出在香蒲和水蔥濕地稍高于菖蒲和千屈菜濕地(圖 4).表 3分析發(fā)現，季節對TP去除率的影響明顯(p<0.05).較高的TP去除率出現在4—5月，但最低值大都出現在冬季(12月，C/N=10 ∶ 1情況下最低值出現在6月)(圖 4).TP去除率在菖蒲濕地總是相對較低，且受季節變化影響顯著(zhù).
圖4 實(shí)驗期間TP去除率變化(a.C/N=2.5 ∶ 1; b.C/N=5 ∶ 1; c.C/N=10 ∶ 1)
4 討論
不同進(jìn)水C/N比處理條件下，濕地去除能力有明顯差別.很多研究結果表明，進(jìn)水的污染物負荷的C/N比對污水的凈化效果有較大的影響.趙永軍等研究發(fā)現，微生物在不同生長(cháng)階段會(huì )根據自身需要調節所需要的C/N和P/C比，較高的生長(cháng)速率不僅僅會(huì )出現在較高的C/N和P/C比下，也會(huì )出現在較低的N/P比的情況下，如細菌.合理控制C源和N源，以及進(jìn)水污染物的C/N比，對于提高COD的去除率具有積極意義.本研究COD去除率達63%~78%，與在水平潛流型濕地的處理效果接近(60%)，而略低于Poach等)的研究結果.COD的去除率在香蒲濕地中相對高于其他3種濕地，其機理可能是香蒲植物向根區輸氧能力更強，在植物根區的還原態(tài)介質(zhì)中形成氧化態(tài)微環(huán)境，使有氧區域和無(wú)氧區域共同存在，有利于充分發(fā)揮微生物降解有機污染物的作用.利用菖蒲濕地處理生活污水時(shí)COD的去除率約為76%，與本研究進(jìn)水C/N=5 ∶ 1時(shí)結果基本相同.另外，4種植物濕地均受到了進(jìn)水負荷和季節變化的較大影響.COD在污染物進(jìn)水負荷為C/N=5 ∶ 1時(shí)的去除率達到最大.C/N=10 ∶ 1時(shí)的結果顯示，在較高的C/N負荷中，有機污染物的降解率相對較低.此結果與趙永軍等的研究結果基本一致.
垂直潛流人工濕地對于氮的去除主要是依靠硝化和反硝化過(guò)程實(shí)現的.當C/N=5 ∶ 1時(shí)，TN去除率比C1N和C3N處理高，而香蒲濕地也略高于其他3種植物濕地.這說(shuō)明在適合的C/N比條件下，可使得硝化反應和反硝化反應達到最佳狀態(tài)，適量的碳源保證了濕地反硝化過(guò)程的順利進(jìn)行.而植物的合理選擇也在一定程度上提高了TN的去除效果.在不同的進(jìn)水負荷條件下，平均TN去除率在香蒲濕地中達到了38%~49%，與Seo等(2008)在水平流濕地中48%的去除率接近.比較了水蔥、香蒲和千屈菜等濕地植物對生活污水的TN去除率，發(fā)現香蒲的去除效果高于千屈菜，這與本實(shí)驗的研究結果基本一致.另外，該研究結果表明，季節變化對于TN的去除則是有非常顯著(zhù)的影響，特別是在6—7月間，TN去除率達到最高值.TN在夏季有較高的去除率，其原因可能是植物在較高溫度下良好生長(cháng)，根系充分發(fā)育，為植物根系間微生物提供了良好的新陳代謝環(huán)境所致.
人工濕地中TP的去除主要是通過(guò)濕地基質(zhì)填料的吸附作用和沉降作用來(lái)實(shí)現的.為了可以達到較好的除磷效果，本研究以爐渣作為濕地填料的上層填充物，在不同進(jìn)水條件下4種植物濕地均表現出了較高的TP去除率.Tanner等研的究結果表明，P在人工濕地中的吸附沉淀降解是一種有限的過(guò)程，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后濕地填料必須要更新或者沖洗以后才能再用，否則TP去除效果會(huì )下降.因此，人工濕地填料的選擇對于TP的去除是一個(gè)非常重要的影響因素研究發(fā)現，水蔥對總氮的凈化效率可達到85%，好于其他挺水植物濕地.但本試驗中水蔥濕地雖去除率高于其他3種濕地，但僅為70%左右.這可能與研究的人工濕地類(lèi)型與進(jìn)水濃度不同有關(guān).本研究發(fā)現，不同植物類(lèi)型濕地間TP的去除率差異不大，可能的原因是植物對于磷元素的吸收對于整個(gè)TP去除的貢獻率較小，濕地基質(zhì)的吸附降解作用是其主要途徑.不同C/N比處理下，TP的去除效果也差異明顯，當C/N=5 ∶ 1時(shí)，具有最大值(63%~73%).這說(shuō)明進(jìn)水的C/N比也是影響人工濕地TP去除效果的重要因素.合理設計人工濕地進(jìn)水C/N比例，有利于取得理想的TP凈化效果.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
5 結論
通過(guò)室外垂直潛流人工濕地中試實(shí)驗中4種濕地植物處理不同進(jìn)水負荷和C/N比生活污水在一個(gè)生長(cháng)季的污染物凈化效果和季節動(dòng)態(tài)的研究，最終確定了最佳的植物選擇和進(jìn)水負荷及C/N比.在COD為200 mg · L-1，進(jìn)水C/N=2.5~5.0時(shí)，香蒲和水蔥具有較好的凈化效果，可作為優(yōu)先選擇的植物類(lèi)型.本研究對于提高垂直潛流人工濕地中污染物的去除效果，優(yōu)化垂直潛流人工濕地工程設計中的理論參數具有重要的理論價(jià)值.
