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《環境科技》2014年第三期

1材料與方法

1.1主要材料基質是人工濕地總要的組成部分之一，選擇基質以較高的孔隙率、較好的理化特性、易得性、經濟成本以及基質間的互補效應等為原則，選取高爐礦渣與粉煤灰等體積比混合作為本研究的實驗基質。根據濕地植物選取的一般原則，即生態安全性、耐污能力強、凈化能力強以及具有一定的利用價值等原則，選擇菖蒲作為本研究的人工濕地植物。實驗所用生活污水來源為湖南農業大學生活污水，為保證取水水樣穩定，采取定點定時定量的方法取樣，經檢測原水水樣主要指標見表1。

1.2主要裝置主要試驗裝置是10mm厚度玻璃缸（400mm×300mm×350mm），在玻璃鋼兩側分別開孔構成潛流式人工濕地。在玻璃缸內從下至上分別填充Φ20～Φ40mm的鵝卵石（厚度約為100mm），中層為Φ10～Φ20mm的鵝卵石（厚度約為100mm），上層是厚度約100mm基質層，并覆蓋約為50mm的泥土層。

1.3實驗方法于湖南省長沙市紅星花卉市場挑選長勢一致、無病蟲害的菖蒲若干株。首先在對菖蒲進行馴化后統一移栽至人工濕地中。選取的植株需健康且長勢一致，分2列，植株間距相同，密度為6株/池。在檢測出水水質時，3種人工濕地進水采用同一污水源，進水TN，TP，COD的含量均相同，經人工濕地處理后在出水口取樣，采用定時定量的方法取樣，并計算其各組的平均值，由此進行對比分析。設計基質與菖蒲構成的人工濕地為優化組，第2組為不種植菖蒲的對照組，第3是種植菖蒲的傳統人工濕地，即以沙土為基質，是為傳統組。各類型人工濕地做平行試驗3組。在各類型人工濕地處理水樣的1，3，5，7d時檢測出水水樣的TN，TP，COD，各項指標的測定方法均參照《水和廢水監測分析方法》第4版。TN采用鉬酸銨分光光度法；TP過硫酸鉀氧化紫外分光光度法；COD采用重鉻酸鉀法。

2結果與分析

2.1不同類型人工濕地對污水中TN的凈化效果比較根據生活污水的取樣水和人工濕地運行處理污水的1，3，5，7d分別檢測出水水質的TN濃度，經計算出平均值繪制出在相同進水條件下3種不同類型的人工濕地對污水中TN質量濃度的變化曲線，見圖1。通過圖1中的變化趨勢可知，3種類型的人工濕地對生活污水中的TN均有一定程度的凈化作用，但各自的去除效果并不相同，隨著人工濕地運行時間的延長，優化組和傳統組對TN的凈化效果總體趨勢大致相同，而對照組卻處于較低的且平穩的去除率。如圖1所示，污水中TN質量濃度在5.52~6.53mg/L之間，平均質量濃度6.28mg/L。人工濕地運行1d時對TN的最高去除率僅為8.92%，3d時為14.49%，5d時為26.59%，7d時達68.79%。根據對去除率的變化可知，人工濕地系統在運行至時去除率變化較為緩慢，在7d時對TN的去除有了較大提高，因此隨著人工濕地系統運行時間的延長，更有利于去除污水中TN的含量。這是因為隨著人工濕地系統的運行有利于微生物的繁殖，在濕地基質層中形成的生物膜不斷增加，更利于對N的硝化、反硝化等作用，同時也有利于濕地植物根系直接從污水或根基微生物中吸收利用無機氮。人工濕地系統主要是通過基質的吸附作用、植物的吸收利用、微生物的生化反應來達到凈化生活污水中氮素的目的。在人工濕地系統中基質的成分決定了地下微環境，植物負責地上與地下氧、水等物質的溝通，兩者的共同作用又影響到了微生物群落的功能大小、種類多樣性等。污水中的有機氮的去除主要依靠微生物的作用，而無機氮的去除則是被植物直接吸收利用，經過復雜的分解、轉化最終合成蛋白子和有機氮，成為植物生長發育的養分。計算對TN的平均去除率，見圖2。由圖2的變化趨勢可以看出，3種類型的人工濕地隨運行時間的延長水體TN的去除率總體來說是在提高，但對照組總體去除率提高緩慢且較為平緩。在相同外部環境和進水水質的條件下，人工濕地運作至第7天時，優化組對TN的去除率為68.79%，對照組為13.06%，傳統組為46.82%。可知優化組對總氮的去除率最高，而對照組則最差，傳統組居中。在實驗中發現，由于菖蒲是通過馴化后移栽至人工濕地，在人工濕地運行初期其根系尚未完全伸展，隨運行時間的延長根系得到了伸展并適應了新的環境，另外其根系較為發達、須根數量多、根系較長，因此根系附近的不同層面中的溶解氧含量增加，使得根際微生物能夠較短時間內大量繁殖，促進了對有機氮的分解，同時菖蒲發達的根系對無機氮的吸收能力也逐漸加強。另外由于基質具有較大的比表面積，使得微生物附著于基質的生物膜能夠最大化，不僅僅是與污水的接觸面積增加，還有基質本身的物理吸附、離子交換等作用于氮素，因此生活污水經優化組凈化處理后的出水水質最好。

2.2不同類型人工濕地對污水中TP的凈化效果比較同樣，計算出人工濕地運行不同時間的出水平均TP含量，繪制出污水TP含量的變化趨勢，見圖3。通過圖3的變化趨勢可知，優化組與對照組的TP去除效果相差不多，傳統組的去除效果較低。通過與TN的去除變化趨勢相比，優化組和對照組在人工濕地運行之初便對TP有較高的去除效果外，與傳統組一樣，隨運行時間的延長，TP的去除率仍有緩慢提高。P是植物、微生物生長發育所必須的營養物質之一。隨人工濕地的運行，菖蒲適應新環境并生長發育，其根系得到伸展，基質層中微生物的繁殖，都需要吸收污水中的磷素，經吸收、分解、轉化等相關反應后成為植物及微生物的生物膜、ATP、DNA以及RNA等有機成分，而高爐礦渣和粉煤灰本身便可作為強化除磷基質，且對P的解析率較低，僅為0.68%，因此對P有較強的出去效果。各人工濕地對TP去除率計算平均值見圖4。通過圖4的比較可知，3種人工濕地系統在對污水中TN的凈化效果最好的是優化組，在7d時達到了88.99%，其次是對照組，最差的則是傳統組，去除率分別為74.98%，28.68%。TP的去除原理與TN的去除原理相似，同樣由于菖蒲的逐漸適應，根系的伸展，微生物的繁殖，微生物膜面積的增大，隨人工濕地運行時間的延長，對P的去除率逐漸提高。但與TN去除不同的是，濕地基質對TP的去除起了起到了較大作用。例如高爐礦渣在水淬急冷時形成疏松多孔結構，比表面積較大，另因鈣的含量較高，P更易吸附與基質表面，形成磷酸鈣，達到去除磷素的效果。

2.3不同類型人工濕地對污水中總COD的凈化效果比較依據3種類型人工時運行時間對出水水質COD含量的變化趨勢，繪制出出水COD含量變化趨勢，見圖5。通過圖5可知，3種人工濕地所進水水樣COD平均質量濃度為89mg/L，而原始水樣COD質量濃度則在87.62~90.70mg/L之間變動。優化組與對照組在運行1d，COD的去除率分別為44.19%，34.08%。傳統組隨運行時間的延長去除率不斷上升，而對照組則在運行1d后相對處于平緩，優化組則與傳統組類似，隨運行時間去除率不斷提高。3種人工濕地對COD的去除率比較見圖6。圖63種人工濕地對COD的去除率比較通過圖6比較可知，優化組在運行至7d時對COD去除效果最好，達到了76.03%，傳統組與對照組COD的去除率較為接近，平均去除率分為38.22%，33.34%。COD的的去除主要依靠顆粒物質的過濾作用以及微生物的生化反應，因此優化組與對照組能夠在運行1d對COD的平均去除率就分別達到了44.19%，34.08%。由于植物對COD的吸附作用和植物生長并不需要COD等因素，另根系分泌的物質和根系都有助于微生物群落的繁殖，使得微生物群落的種類、數量、功能等得到了增強。因此植物的生長發育，微生物的繁殖，隨人工濕地運行時間的延長，優化組和傳統組COD的去除率逐步提高。對照組中并未種植菖蒲，基質中微生物受DO含量、有機質等物質的限制，故去除率達到34.08%后，隨運行時間的延長去除率較為平緩。由圖6可知，優化組和傳統組對COD去除率的變化趨勢在濕地處理污水1d后的變化趨勢幾乎相同，7d時，優化組、對照組、傳統組對COD的去除率分分別是76.03%，33.34%，38.22%。優化組對污水中COD去除效果最佳。3種類型人工濕地在動態條件下對生活污水處理效果的對比研究：①有將前人研究成果運用于實際，有利于拓展研究；②為增強人工濕地處理能力提供了新的研究思路；另由于所選基質為工業固體廢棄物，而且在提高人工濕地處理能力的同時保持了原有特點，更有利于應用將來的工程建設中。比以往的單單研究人工濕地的基質或植物篩選更能有效的提高污水處理能力。本研究的優化組與對照組所用基質均為工業固體廢棄物，所用植物菖蒲不僅僅是處理生活污水的高效植物，還具有觀賞價值和醫用價值。在以往的人工濕地中很少和沒有研究過同時采用此類基質和植物，所以在將來的人工濕地系統的研究和發展中提供了新的研究思路和依據。

3結論

（1）對優化組、對照組和傳統組3種類型的人工濕地進行了處理生活污水效果的動態研究。在此動態條件下，3種人工濕地系統處理生活污水的效果總體上隨運行時間延長而提高的，3種人工濕地運行至7d時，實驗組與對照組TN的去除率相差較大，相差達55.73%，主要是由于缺乏濕地植物根系及根系分泌物；TP的去除以優化組最好，傳統組最差，主要是由于傳統組所采用的沙土基質不能較好的吸附磷素，但隨運行時間的延長3種人工濕地的去除率增長趨勢總體相同；COD的去除并不十分依賴濕地植物，相反主要依靠植物、微生物以及基質3者間的協同作用，故傳統組與對照組在7d時對COD的去除率相近。（2）通過對TN，TP，COD去除率比較研究，可知優化組人工濕地系統對污水的凈化效果最好，7d時對TN，TP，COD的去除率分別是67.79%，88.99%，76.03%。并分析可知，單一使用處理生活污水的高效基質或濕地植物均不能達到最高處理效果。（3）實驗結果顯示出優化配置后的人工濕地優于傳統類型，可在分析對照組時發現若濕地植物的伴生菌并不適于在此基質中生存繁殖，那么濕地植物與基質將會表現出拮抗作用，因此選擇合適搭配顯得尤為重要,而伴生菌可在一定程度上作為指標數據。另外對優化組與傳統組的污水處理效果對比分析后可知，在不表現出拮抗作用的前提下，不同高效濕地材料的搭配下各組成部分協同作用的強弱不同仍然會有不同的污水處理效果，也必然存在比優化組更適合處理生活污水的配置。因此從高效材料中選擇合適的材料組合搭配得到出眾的污水處理效果將是研究提高污水處理能力的方向和研究工作的重點。

作者：任森華袁博葛大兵田熊蘇暢徐麗單位：湖南農業大學生物科學技術學院