潛流人工濕地生態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及水質(zhì)凈化研究

范海青，王凌文，殷 操，王 丹

(浙江省冶金研究院有限公司，杭州 310007)

潛流人工濕地(SFCWs)是以親水植物為表面綠化物，以砂石/土壤為填料，讓水自然滲透過(guò)濾的人造景觀，具有無(wú)表面水、占地面積小，使用率高、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。這種濕地模式水流位于填料表層以下，通過(guò)植物根系、表面生物膜及填料截留等多重作用，具有較好污染物去除效果。其利用基質(zhì)-微生物-植物復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)調(diào)作用[3]，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)村生活污水的高效凈化。

然而，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，處理生活污水時(shí)的脫氮效率僅停留在40%～50%之間；除磷效果一般為40%～60%；COD的去除效果較好，但是最高也只能達(dá)到70%～80%，處理過(guò)的廢水很難同時(shí)達(dá)到污水綜合排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB8978-1996)[4～6]。植物、微生物、基質(zhì)等對(duì)COD、氨氮和總磷去除的影響很大[7]，尤其是植物和微生物，植物根系的吸收以及附著在根系上的微生物的作用是人工濕地廢水凈化的主要“執(zhí)行者”，有機(jī)物的降解和氮磷轉(zhuǎn)化主要由生物代謝來(lái)完成[8-9]。因此，構(gòu)建適宜的SFCWs生態(tài)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化SFCWs系統(tǒng)的植物種植和微生物結(jié)構(gòu)，對(duì)于構(gòu)建高效的SFCWs具有重要的指導(dǎo)意義。由此，筆者通過(guò)外加微生物，組合濕地植物等方式，研究生態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的SFCWs對(duì)水質(zhì)凈化的影響，以期實(shí)現(xiàn)處理后廢水COD、氨氮和總磷同時(shí)達(dá)到污水綜合排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB8978-1996)，為SFCWs的高效運(yùn)行提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 人工濕地系統(tǒng)生態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及運(yùn)行示意圖Fig.2 Schematic diagram of subsurface flow constructed wetlands ecological structure optimization

該實(shí)驗(yàn)采用自制的有機(jī)玻璃箱，規(guī)格為120 cm (長(zhǎng))×60 cm(寬)×60 cm(高)，每個(gè)箱子的同一側(cè)(120 cm (長(zhǎng))×60 cm(高)一側(cè))均勻開(kāi)孔，安裝可開(kāi)關(guān)控制的水龍頭。長(zhǎng)度兩側(cè)設(shè)有進(jìn)水口槽和出水口槽，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。潛流人工濕地采用土壤和礫石作為填料進(jìn)行填充，其土壤層高度為10 cm；土壤下層填充直徑為3.2～4.8 cm的礫石，礫石區(qū)高度為40m。采用蠕動(dòng)泵抽取實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地區(qū)域內(nèi)生活污水池的污水，水力負(fù)荷為100 mm/d，水力停留時(shí)間維持在2 天(d)。出水口采用蠕動(dòng)泵抽水收集至集水池中，每隔12 h關(guān)閉進(jìn)水口蠕動(dòng)泵并將集水池中的水抽回至人工濕地中，水力停留時(shí)間維持在12h。每2～3 d于集水池出水口取水樣測(cè)定COD、氨氮及總磷等指標(biāo)。

1.2 微生物的培養(yǎng)

筆者根據(jù)之前的研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行一年以上的人工濕地中美人蕉根系以產(chǎn)堿桿菌屬、黃桿菌屬、溶桿菌屬和假單胞菌屬為優(yōu)勢(shì)細(xì)菌，并且具有豐富的雙加氧酶、脫氫酶、磷酸鹽脫氫酶、脲酶、硝酸還原酶和過(guò)氧化氫酶基因[10]，這些細(xì)菌加入有利于COD、氨氮和總磷的快速去除。為此，本實(shí)驗(yàn)采用水培的方式富集培養(yǎng)美人蕉根系微生物，具體過(guò)程如下：取生活污水按照1∶2的體積比與清水混合，作為培養(yǎng)液培養(yǎng)未發(fā)芽的美人蕉種子，直至培養(yǎng)液的OD600nm=0.6，再將其按照1L/m3分別均勻地?fù)饺胪寥篮偷[石中，土壤上種植美人蕉種子后用蠕動(dòng)泵采用連續(xù)進(jìn)水的方式抽取實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地區(qū)域內(nèi)生活污水池的污水，水力負(fù)荷為100 mm/d，水力停留時(shí)間維持在2d，連續(xù)運(yùn)行一個(gè)月，每2d采集集水池出水口水樣進(jìn)行檢測(cè)；而不摻雜含有微生物水的實(shí)驗(yàn)裝置作為對(duì)照組，比較外加微生物對(duì)人工濕地水質(zhì)凈化的影響。

1.3 濕地植物的選擇

植物選用國(guó)內(nèi)外對(duì)濕地凈化研究的文獻(xiàn)中所選擇最多的挺水植物，包括蘆葦(Phragmitesaustralis)、香蒲(TyphaorientalisPresl.)、水蔥(Scirpusvalidus)、再力花(Thaliadealbata)、黃花鳶尾(Irispseudacorus)、菖蒲(Acoruscalamus)、梭魚(yú)草(Pontederiacordata)、美人蕉(Cannaglauca)、燈心草(Jancuseffuses)、滴水觀音(Alocasiamacrorhiza)、風(fēng)車(chē)草(Cyperusalternifolius)和千屈菜(Lythrumsalicaria)。植物種子于2016年5月份從種子批發(fā)公司購(gòu)得，當(dāng)月發(fā)芽，植物發(fā)芽后按照1.2所述于裝置內(nèi)加入微生物水，然后按照6株/m2的種植密度栽種于實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)后按照1.1所述的運(yùn)行方式連續(xù)運(yùn)行一個(gè)月，每3d于集水池出水口取水樣測(cè)定COD、氨氮及總磷等指標(biāo)。分別比較了上述植物單獨(dú)種植及兩類(lèi)植物間隔種植對(duì)生活污水凈化的影響。

1.4 實(shí)驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用水為某園區(qū)內(nèi)污水池中生活污水，水質(zhì)偏黃，平均水溫12℃，試驗(yàn)期間進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表1。

采用玻璃電極法[11]測(cè)定pH(Star A221便攜式pH計(jì)，美國(guó)Thermo)；采用DO700(美國(guó)Thermo)測(cè)定溶解氧含量(DO)；采用快速消解分光光度法測(cè)定COD[12]，COD消解和比色分別采用美國(guó)Hach DRB200消解器和DR900比色計(jì)；采用納氏試劑分光光度法測(cè)定氨氮[13]，采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定總磷[14]，均采用UV-6100型紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)比色。

表1 人工濕地進(jìn)水水質(zhì)Tab.1 Influent water quality of SFCWs

2 結(jié)果與討論

2.1 外加微生物水對(duì)人工濕地水質(zhì)凈化的影響

人工濕地中外加微生物水和無(wú)外加對(duì)照組對(duì)COD、氨氮和總磷的去除率隨運(yùn)行時(shí)間變化分別見(jiàn)圖2、圖3和圖4。

圖2 外加微生物試驗(yàn)中COD去除率隨時(shí)間的變化Fig.2 Change of COD removal rate with time in the test of adding microbes

圖3 外加微生物試驗(yàn)中氨氮去除率隨時(shí)間的變化Fig.3 Change of ammonia nitrogen removal rate with time in the test of adding microbes

圖4 外加微生物試驗(yàn)中總磷去除率隨時(shí)間的變化Fig.4 Change of TP removal rate with time in the test of adding microbes

COD是表征生活污水受有機(jī)物污染程度的重要指標(biāo)，而人工濕地對(duì)COD去除主要依靠基質(zhì)吸附[15]、植物根系吸收[16]和根系微生物[17]的降解作用。如圖2所示，最初運(yùn)行的人工濕地在未加微生物的情況下COD去除率低下，最高僅達(dá)70.5%，連續(xù)運(yùn)行一個(gè)月期間，COD去除率隨時(shí)間的波動(dòng)較大，說(shuō)明該體系運(yùn)行并不穩(wěn)定，平均COD去除率僅為62.9%，出水COD > 60 mg/L。而添加了微生物水的人工濕地COD去除率最高可達(dá)81%，相較于對(duì)照組，平均去除率提高了近13%。

氨氮是人工濕地水質(zhì)凈化能力的重要指標(biāo)，一般而言，氨氮的去除途徑主要有揮發(fā)、氨化、硝化、反硝化、植物攝取和基質(zhì)吸附[16,18]，而對(duì)于人工濕地這個(gè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，植物和微生物的作用尤為關(guān)鍵。人工濕地在未加微生物的情況下氨氮去除率較低(圖3)，平均去除率僅為43.1%，并隨時(shí)間出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，一個(gè)月后出水氨氮含量為33 mg/L，遠(yuǎn)高于GB8978-1996的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。此可能由于基質(zhì)對(duì)氨氮的吸附能力有限，而微生物的作用在對(duì)照組中并不明顯。另一方面，添加了微生物水的人工濕地氨氮去除率高達(dá)76.9%，相較于對(duì)照組，平均去除率提高了近20%。

總磷的去除主要是化學(xué)吸附和沉積去除兩者的結(jié)合，并在過(guò)程中伴隨植物和微生物分泌的磷酸酶的抑制作用[19]。對(duì)比圖2和圖3，該裝置對(duì)總磷的去除率明顯高于氨氮。在未加微生物的情況下，總磷的平均去除率為65%，添加了微生物水的人工濕地氨氮去除率高達(dá)91%，相較于對(duì)照組，平均去除率提高了近10%。出水總磷的濃度低于0.4 mg/L。

由此說(shuō)明外加微生物水能較好適應(yīng)人工濕地的環(huán)境，發(fā)揮微生物在有機(jī)物降解中的關(guān)鍵作用。之前的研究亦發(fā)現(xiàn)，人工濕地中美人蕉根系以產(chǎn)堿桿菌屬、黃桿菌屬、溶桿菌屬和假單胞菌屬為優(yōu)勢(shì)細(xì)菌，這些優(yōu)勢(shì)菌屬均為快速生長(zhǎng)的微生物，其體內(nèi)大多含有降解質(zhì)粒，是分解有機(jī)污染物的主體微生物種群[10,19]。人工濕地系統(tǒng)中的微生物主要去除污水中的有機(jī)質(zhì)和N，某些難降解的有機(jī)物質(zhì)和有毒物質(zhì)需要運(yùn)用微生物的誘發(fā)變異特性。此外，之前的研究中檢測(cè)到豐富的雙加氧酶、脫氫酶、磷酸鹽脫氫酶、脲酶、硝酸還原酶和過(guò)氧化氫酶基因[10]，這些細(xì)菌加入有利于COD、氨氮和總磷的快速去除。

2.2 不同濕地植物對(duì)水質(zhì)凈化的影響

水生植物是人工濕地系統(tǒng)中的重要組成部分。根據(jù)已有研究成果表面，其在人工濕地水質(zhì)凈化過(guò)程中起到的作用有：(1)直接吸收污水中可利用的有機(jī)物和N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)維持生長(zhǎng)[16]；(2)為根區(qū)好氧微生物輸送氧氣[17]；(3)增強(qiáng)和維持介質(zhì)的水力傳輸[20]。然而，不同的濕地植物對(duì)有機(jī)物和N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用程度不一(圖5)。如圖5a所示，本試驗(yàn)考察的12種常見(jiàn)挺水植物中，除了風(fēng)車(chē)草，蘆葦、小香蒲、水蔥、再力花、黃花鳶尾、菖蒲、梭魚(yú)草、美人蕉、燈心草、滴水觀音、和千屈菜在連續(xù)運(yùn)行30 d期間COD平均去除率均高于70%，即出水COD均滿足小于60 mg/L的要求；包括風(fēng)車(chē)草在內(nèi)的十二種植物對(duì)COD的去除率最高可達(dá)90%以上，說(shuō)明這時(shí)候且植物與微生物均處于快速生長(zhǎng)或繁殖階段，基質(zhì)和根系的吸附作用、微生物的分解作用及植物的吸收作用三者共同存在。但是單種濕地植物種植體系內(nèi)的人工濕地系統(tǒng)凈水作用并不穩(wěn)定，其COD去除率最低亦僅達(dá)50%左右，不利于有機(jī)物長(zhǎng)期有效的去除。另一方面，此12種植物對(duì)總磷的吸收存在差異，如圖5b，燈心草、滴水觀音、黃花鳶尾、菖蒲、水蔥和風(fēng)車(chē)草在連續(xù)運(yùn)行30 d期間總磷平均去除率高于其余六種試驗(yàn)植物，說(shuō)明這六種植物具有較好的總磷吸收能力，究其原因，可能與植物本身釋放的磷酸酶有關(guān)[19]。繼續(xù)考察這些植物的脫氮能力可以發(fā)現(xiàn)，蘆葦、小香蒲、千屈菜、美人蕉、梭魚(yú)草和再力花對(duì)氨氮的平均去除率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于燈心草、滴水觀音、黃花鳶尾、菖蒲、水蔥和風(fēng)車(chē)草，由此可以推測(cè)為何一個(gè)濕地系統(tǒng)中種植了單種濕地植物N和P總是不能同時(shí)滿足凈化效果：如本實(shí)驗(yàn)中，除磷效果較好的水蔥在脫氮方面效果較差，可能原因是其莖具有蠟質(zhì)，能吸附較多的磷，而吸附作用導(dǎo)致其根系活力偏低，轉(zhuǎn)化N的能力偏弱。為此，亟需找到一個(gè)兩全的辦法滿足人工濕地既有高效的除磷能力，并有有效的脫氮過(guò)程。

圖5 不同濕地植物連續(xù)運(yùn)行30 d對(duì)(a)COD、(b)總磷和(c)氨氮去除效率的箱體圖Fig.5 (a) COD,(b) TP and (c) ammonia nitrogen removal rates of different plants during a consecutive operation for 30 days.

2.3 優(yōu)化的人工濕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)凈化能力的考察

本試驗(yàn)研究了不同植物間隔種植對(duì)濕地系統(tǒng)水質(zhì)凈化的影響，根據(jù)上述研究結(jié)果，分別將脫氮能力較好的植物與除磷能力較好的植物均勻地套種在一個(gè)濕地池中(1∶1間隔種植，密度為6株/m2)，如燈心草和再力花、蘆葦和風(fēng)車(chē)草、菖蒲和千屈菜、美人蕉和水蔥、梭魚(yú)草和黃花鳶尾以及小香蒲和滴水觀音，按照?qǐng)D1運(yùn)行方式連續(xù)運(yùn)行一個(gè)月，每3 d于出水集水池出口收集水樣檢測(cè)COD、氨氮及總磷含量。COD的處理難度相對(duì)較低，月平均處理效率均達(dá)標(biāo)，即出水COD < 60 mg/L，而總磷和氨氮的處理效率見(jiàn)圖6。每個(gè)濕地系統(tǒng)經(jīng)過(guò)兩種植物組合，總磷的去除能力得以提升，連續(xù)運(yùn)行一個(gè)月期間總磷平均去除率高于80%，總磷出水能低于GB8978-1996的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)(圖6a)。效果最好的組合是燈心草和再力花，但菖蒲和千屈菜最穩(wěn)定，一個(gè)月期間總磷去除率的波動(dòng)最小。另一方面，經(jīng)過(guò)植物套種外加微生物水優(yōu)化的人工濕地系統(tǒng)，對(duì)氨氮的處理能力也得到了優(yōu)化，其月平均去除能力均超過(guò)達(dá)標(biāo)線(即出水NH4-N濃度 < 15 mg/L的去除率限值)；其中，燈心草和再力花對(duì)的組合對(duì)氨氮的去除能力最好，而美人蕉和水蔥則是對(duì)氨氮去除較為穩(wěn)定的組合。由此說(shuō)明，組合的濕地植物有利于COD、總磷和氨氮的協(xié)同去除，有益于人工濕地的高效運(yùn)行。

究其原因，兩種及以上植物的套種可能會(huì)增加人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，尤其體現(xiàn)在根系微生物的結(jié)構(gòu)中。前研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在同一個(gè)濕地環(huán)境中，兩種植物的根系微生物結(jié)構(gòu)和組成完全不同，例如：美人蕉根系中以產(chǎn)堿桿菌屬(27%)、黃桿菌屬(29%)、溶桿菌屬(30%)和假單胞菌屬(13%)為優(yōu)勢(shì)細(xì)菌，滴水觀音根系以乳球菌屬(28%)、黃桿菌屬(20%)和假單胞菌屬(34%)為優(yōu)勢(shì)細(xì)菌。植物的根系分泌物和生長(zhǎng)微環(huán)境會(huì)為根系微生物提供不同的生境，此也符合2.2部分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即不同植物對(duì)氨氮和總磷的去除能力不同。而脫氮和除磷的兩種植物間隔種植，一方面增加了植物的多樣性；同時(shí)大大加大了根系微生物的多樣性，為濕地功能提供了更多的可能；再次植物根系分泌物的相互滲合也可以為更多微生物的演化和發(fā)展提供條件。

圖6 優(yōu)化的人工濕地中(a)總磷和(b)氨氮的去除效果Fig.6 Removal rate of (a) TP and (b) ammonia nitrogen in the optimized SFCWs.

3 結(jié) 論

3.1 人工濕地外加含有產(chǎn)堿桿菌屬、黃桿菌屬、溶桿菌屬和假單胞菌屬等優(yōu)勢(shì)細(xì)菌的微生物水能較快適應(yīng)新建的人工濕地環(huán)境，有利于體系內(nèi)COD、氨氮和總磷去除率的提升，較無(wú)外加微生物對(duì)照組分別提高了約13%、20%和10%。

3.2 不同植物對(duì)總磷和氨氮的去除能力不同：燈心草、滴水觀音、黃花鳶尾、菖蒲、水蔥和風(fēng)車(chē)草對(duì)總磷平均去除率大于80%，是較好的除磷植物；蘆葦、小香蒲、千屈菜、美人蕉、梭魚(yú)草和再力花對(duì)氨氮的平均去除率大于70%，是較好的脫氮植物。

3.3 將除磷和脫氮植物套種在一個(gè)濕地系統(tǒng)中，外加微生物水，組成一個(gè)生態(tài)優(yōu)化的人工濕地系統(tǒng)，出水COD、總磷和氨氮可以達(dá)到GB8978-1996的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，并且燈心草和再力花的組合在試驗(yàn)組中效果最好。由此說(shuō)明該研究具有廣闊的應(yīng)用前景。

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