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近年来，国内外开始广泛关注由工业、农业、市政等污废水排放所造成的城市地表水富营养化问题
〔1〕虽然多种污水处理技术可以用来修复污染河流，但作为一种环境友好、资源节约的生态技术，人工湿地以其低投入、易管理及易对河流进行原位修复等优点成为改善河流污染问题的优先选择
〔2〕人工湿地处理污水 主要依赖于湿地中植物、基质和微生物的相互作用
〔3〕其中植物不仅本身能吸收污水中的营养物，还能提高湿地系统中微生物的数量
〔4〕基质在为植物和微生物提供生长介质的同时，也能够通过过滤和吸附等作用直接去除污染物
〔5〕而湿地微生物更多的是通过植物根际、基质对污水性质的适应和湿地内部溶解氧等环境的构建来实现其活性和数量的比较大化
〔6〕所以在构建人工湿地时，植物和基质是比较为重要的考虑因素。
目前对湿地植物和基质的研究多集中于植物和基质种类的选择，关于湿地中植物、基质级配的共同作用对水平流人工湿地处理污染河水营养物的影响研究相对空白，而且大量研究结果表明构建人工湿地时采用当地物材是较好的选择。由于单一湿地无法同时提供好氧-厌氧的利于脱氮的环境，因此越来越多的研究采用复合湿地来实现对污水的有效处理，而且人工湿地对有机物的去除差异性较小。因此，笔者构建了种植有芦苇(Phragmites australis)和空白无植物的水平潜流人工湿地，研究作为表流-水平流复合湿地中二级潜流的水平潜流人工湿地植物和大孔隙率、多级配基质对处理河流营养物的影响作用，并分析了植物在人工湿地中的直接和间接作用。
1 材料与方法
1.1 实验装置
于西安建筑科技大学校内构建2组结构相同的由有机玻璃构成的水平潜流人工湿地(尺寸均为0.75 m×0.4 m×0.8 m)。为了获得较好的水力性能和处理效果，实验采用了不同粒径的填料组成，其砾石粒径配比从下到上为15 cm大粒径(d：15～30 mm)、25 cm小粒径(d：5～15 mm)、15 cm大粒径(d：15～30 mm)，基质孔隙率为50%。1号湿地为种植芦苇的水平潜流湿地，种植密度为13株/m2，2号湿地为未种植植物的空白水平潜流湿地。砾石、芦苇均取自西安皂河附近。
1.2 实验水质
西安市皂河污染严重，水中有机物、悬浮物等浓度较大〔7〕。为提高处理效果采用表流湿地作为复合湿地的级湿地，实验用水为经过表流湿地处理后的皂河河水，实验期间其水质为：TN(24.4±1.5) mg/L、NH3-N(17.5±1.2) mg/L、TP(2.0±0.1) mg/L、PO43--P (1.5±0.1) mg/L、BOD5(11.4±0.9) mg/L、COD(69.9±4.8) mg/L、DO(2.9±0.3) mg/L、SS(25.3±5.1) mg/L。表流湿地处理能有效去除河水中的悬浮物、有机物并提高出水溶解氧，与水平潜流湿地共同营造出利于脱氮除磷的好氧-厌氧环境，有利于有效净化高污染河水。实验采用连续进水方式，水力负荷为0.1m3/(m2·d)，水力停留时间为2.5 d，运行水位位于基质表面下5 cm。反应器构造见图 1。
图 1 实验装置示意
1.3 实验方法
实验从2012年5月18日至2013年5月18日为期1 a。为了研究植物和基质级配对营养物去除效果的影响，在距离湿地进水口水平方向的1/4、2/4和3/4处分别采集深度为7.5、25、45 cm(各种级配基质的中间层)的水样。湿地进出水水样每周取一次，DO采用HQ30d便携式溶解氧测定仪(美国哈希公司)测定，TN、NH3-N、NO3--N、NO2--N、TP、PO43--P、COD、BOD5和SS按照《水和废水监测分析方法》〔8〕测定。湿地植物于2012年5月26日基本长出，于2012年10月5日收割，生长期为132 d。收割时保留植物根部及基质以上10 cm的茎秆。植物样品的氮磷含量采用H2SO4-H2O2消解法测定〔9〕。
数据统计采用Excel2010和SPSS20.0软件，当p<0.05时认为差异性显著。
2 结果与分析
2.1 水平潜流人工湿地对河流营养物的去除效果
2组复合湿地的进出水水质情况如图 2所示。
图 2 2组水平潜流人工湿地的进出水水质变化
湿地进出水中TN、TP的主要组分分别为NH3-N、PO43--P，且由于表流湿地有效去除了进水中的悬浮物，所以水中营养物以溶解性为主。在为期1 a的实验中，1、2号湿地对TN、NH3-N、TP、PO43--P的平均去除率分别为43.8%、53.9%、69.6%、71.8%和34.9%、50.4%、46.2%、41.1%。与其他水平潜流湿地不同的是，2组湿地对NH3-N的去除效果都大于TN，造成这种差异的原因一方面是由于进水中较高的溶解氧有利于硝化的进行，另一方面是由于进水中可生化利用碳源的低浓度水平(BOD5 11.4±0.9 mg/L，COD69.9±4.8 mg/L)，造成2组湿地中反硝化所需碳源的缺乏，进而一定程度上限制了湿地的反硝化作用。而且从图 2可以看出，1号和2号水平潜流湿地出水中TN、NH3-N平均质量浓度分别为(13.7±1.6)、(8.1±1.2) mg/L和(15.9±1.4)、(8.7±1.1) mg/L〔p(TN)=0.103，p(NH3-N)=0.579〕。实验过程中植物能够促进水平潜流湿地的脱氮作用，特别是反硝化作用。这是因为植物根区释放的溶解氧和碳源对硝化、反硝化有促进作用〔10〕。此外可以看出2组湿地出水中的TN、NH3-N大部分时间处于较低水平，但在冬季去除率均明显下降，这与植物、微生物在冬季的低温条件下失活有关〔11〕。
1号和2号湿地出水中的TP、PO43--P分别为(0.6±0.04)、(0.4±0.03) mg/L和(1.1±0.06)、(0.9±0.06) mg/L〔p(TP)=0.004，p(PO43--P)=0.000〕，说明与脱氮相比，植物对湿地除磷的影响更为明显且差异性更为显著，种植植物的水平潜流湿地对磷的去除效果更好且更加稳定。这表明植物在水平潜流湿地中不仅对磷进行直接吸收，还优化了湿地对磷吸附去除的条件〔11〕。与脱氮不同的是水平潜流湿地对磷去除率的下降发生在春季，可能是这段时间湿地中藻类生长造成的。
2.2 基质级配和植物对水平流人工湿地空间内部去除营养物的影响作用
为提高水平潜流人工湿地的处理效果和预防堵塞，实验在湿地上、下基质层采用大粒径砾石，以利于湿地通过上部空间进行富氧及植物根系向湿地下部深处进行繁殖;中间层采用小粒径砾石，便于增加砾石表面积，从而加大湿地基质与污水的接触面积和微生物的附着面积。湿地对营养物去除率的空间变化情况如图 3所示。
注：上、中、下分别指湿地内部的上、中、下3个空间部分，为湿地3个沿程取样点在相同高程的水样混合后所得到结果。
图 3 湿地对营养物去除率的空间变化
从图 3可以看出，实验采用的基质级配对湿地脱氮除磷效果的空间分布有较大的影响，1号湿地对TN和NH3-N的空间去除率具有相似的趋势，即随着湿地深度的增加其处理效果逐渐降低，说明1号湿地能够很好地实现同步硝化反硝化，湿地底部缺氧是其去除率低的限制因素;2号湿地上部脱氮效果略低于中部，而下部TN去除率则快速下降，表明了2号湿地下部因缺少碳源而抑制了其反硝化能力。2组湿地的空间脱氮差异反映出植物可促进湿地的脱氮效果，这种促进作用在湿地上层空间表现得比较为明显(TN去除率分别为60.6%、43.3%);在湿地中层由于小粒径砾石表面积较大而部分弥补了植物造成的差距，使得2组湿地的脱氮效果较为相近(TN去除率分别为55.7%、46.6%);而湿地下部由于植物根系可在湿地下部扩展，1号湿地通过植物根部释放的碳源显著提高了反硝化能力〔12〕(TN去除率为44.3%，NH3-N去除率为47.3%)。从2号湿地的空间变化可以看出粒径级配避免了湿地内部脱氮效果的空间差异，但由于无法弥补湿地下部碳源不足的缺点，从而不能改善湿地下部对总氮的去除效果。
从图 3可以看出，2组湿地对TP和PO43--P的空间去除具有相似的趋势：中部比较高，上、下部相似。但1号湿地各个空间对TP和PO43--P的去除效果要明显高于2号湿地，说明植物能在水平潜流湿地的整个内部空间范围内促进除磷效果。与湿地除氮不同的是，无论有无植物，水平潜流湿地都在小粒径基质处具有比较好的除磷效果。这说明对于磷的去除，基质的作用更为明显，小粒径基质更有利于磷的拦截与吸附〔13〕。1号水平潜流湿地的除磷效果在上、中、下空间的差异小于2号湿地(1、2号湿地上、中、下层之间除磷率的波动差异分别为2.8%~7.9%和3.7%~18.9%)，说明植物的存在能够有效弥补大粒径基质对磷吸附能力不足带来的缺陷。因此在水平潜流人工湿地脱氮除磷中，植物和多级基质相互补充、弥补对方对湿地造成的空间差异，可使整个湿地空间范围内具有较为均衡的性能。
2.3 植物对水平潜流人工湿地去除营养物的吸收和促进作用
秋季对1号湿地中的植物进行收割，通过测量植物干重和植物内的氮磷含量，得到实验期间通过植物吸收所去除的营养物总量，并与2号湿地进行对比，结果如表 1所示。
由表 1可知，在进水负荷一致的条件下，植物能够有效减少出水中的营养物负荷，1号湿地出水中TN、TP分别比2号湿地减少79.1、16.8 g/m2，表明植物的存在能够有效提高湿地的去除率特别是除磷效果。
1号湿地中植物直接吸收了43.9、8.7 g/m2的TN、TP，这一数值处于研究报道中较高的水平〔14〕，造成这种差异的原因是复合湿地的组成形式，导致水平潜流湿地中营养物大部分为利于植物吸收的溶解态。通过计算1号湿地中植物和其他组成对营养物的去除负荷得知，植物对营养物的直接吸收作用略大于植物对湿地其他组成的间接促进作用(间接促进可去除35.2 g/m2 TN和8.1 g/m2 TP，植物对氮的间接促进作用大于对于磷的间接促进作用)，植物直接吸收在1号湿地脱氮除磷所占比例分别为11.3%、17.4%。综合考虑植物的直接吸收和间接促进作用，植物对整个湿地脱氮除磷的贡献在20%~35%。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
3 结论
(1)植物能够提高水平潜流湿地对污染河流营养物的脱氮除磷效果，与未种植植物湿地相比，种有植物的湿地对TN、TP的去除率可分别提高8.9%、23.4%。
(2)2组湿地的空间脱氮差异表明，植物能够有效改善湿地内部整个空间的脱氮和除磷效果。
(3)小粒径基质能有效提高湿地的除磷效果，而通过不同基质配比与植物的有效组合可以更好地保持湿地内部空间脱氮除磷效果的均匀性。
(4)植物对营养物的直接吸收作用略大于其对湿地其他组成的间接促进作用，植物吸收在湿地脱氮除磷所占比例分别为11.3%、17.4%。
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