黃菖蒲人工濕地系統(tǒng)對含鹽再生水中氮磷污染物的去除研究

李朝穎，張蕊芯，常思露，高 茜，閻 波，2，3，王文華

（1.天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院，天津 300457； 2.天津市海洋資源與化學(xué)重點實驗室，天津 300457；3.天津市海洋環(huán)境保護(hù)與修復(fù)技術(shù)工程中心，天津 300381； 4.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司水生態(tài)工程設(shè)計院，天津 076150）

將再生水作為景觀水體是污水資源化的重要途徑，近年來在國內(nèi)濱海缺水城市得到了快速發(fā)展。但再生水水體流動性差、自凈能力較弱，導(dǎo)致水華季節(jié)性爆發(fā)頻率較高〔1〕，且濱海地區(qū)地表水體受到高含鹽土壤和地下水的影響，咸化問題突出，抑制植物生長，嚴(yán)重威脅沿海水資源安全〔2〕，致使水環(huán)境質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境安全難以保證，因此亟需加強(qiáng)對含鹽水中污染物的治理，改善水生態(tài)系統(tǒng)狀況。人工濕地與周圍相鄰的環(huán)境有密切關(guān)系，可與其發(fā)生物質(zhì)和能量交換〔3〕，因此可利用復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，通過基質(zhì)、植物和微生物3 大要素協(xié)同對污水中氮磷污染物進(jìn)行去除，實現(xiàn)對污水的高效凈化〔4-7〕。

濕地植物從水中吸收氮磷等營養(yǎng)鹽來滿足生長和代謝等需求，這個過程既能有效降低水中氮磷含量又能增加溶解氧的濃度，從而達(dá)到改善水質(zhì)、恢復(fù)水體功能的目的，同時濕地具有氮磷污染物去除能力強(qiáng)、耐污染沖擊負(fù)荷、運轉(zhuǎn)維護(hù)管理方便等優(yōu)勢。此外，水生植物還可以提供細(xì)菌定殖的表面，以及定殖微生物的碳源〔8〕。人們普遍認(rèn)為，微生物是氮循環(huán)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器，但事實上濕地植物會通過影響微生物群落對污染修復(fù)起到重要作用，所以確定植物的吸收貢獻(xiàn)率，評估濕地植物對污染物的去除潛力，特別是測定植物對含鹽再生水中營養(yǎng)元素的吸收貢獻(xiàn)率，對優(yōu)化沿海濕地建設(shè)、控制污染物釋放和促進(jìn)碳循環(huán)具有重要意義。黃菖蒲（Iris pseudacorus）作為水生兼陸生的一種挺水植物，可以有效去除氮磷污染物，同時具有強(qiáng)耐鹽堿性，且具很好的景觀效果，適用于含鹽濕地富營養(yǎng)化水體處理或生態(tài)修復(fù)〔9-11〕?；|(zhì)作為濕地系統(tǒng)的組成部分，對水質(zhì)凈化也起到重要的作用。相對于常用的沸石、陶粒、石灰石等基質(zhì)，本研究中采用的濕地基質(zhì)凈水材料內(nèi)部具有連續(xù)疊加的圓形集成孔洞，可作為植物生長用蓄水疏水的體內(nèi)管道和累積容器，且其既有強(qiáng)度又有可塑性，滿足植物生存空間條件，也起到增加濕度、凈化環(huán)境的作用〔12〕。

本研究根據(jù)水資源循環(huán)利用、生態(tài)修復(fù)與濕地保護(hù)規(guī)劃，針對濱海地區(qū)含鹽再生水特點，著重研究由挺水植物黃菖蒲和濕地基質(zhì)凈水材料構(gòu)建的人工濕地系統(tǒng)對氮磷污染物的去除能力，通過計算濕地系統(tǒng)對模擬再生水中氮磷的去除量以及黃菖蒲對氮磷的吸收量，評價了濕地植物黃菖蒲對系統(tǒng)脫氮除磷的貢獻(xiàn)，以期為流域生態(tài)環(huán)境的改善與人工濕地水質(zhì)凈化工程技術(shù)的廣泛應(yīng)用和實踐提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗系統(tǒng)

1.1.1 實驗裝置

參照表面流濕地結(jié)構(gòu)構(gòu)建5 組系統(tǒng)，CW1 組為植物組，僅有黃菖蒲存在；CW2組為基質(zhì)與植物組，在CW1的基礎(chǔ)上添加基質(zhì)凈水材料；CW3 組為基質(zhì)、植物與滅菌劑組，在CW2 的基礎(chǔ)上添加10 mg/L 滅菌劑氨芐青霉素；CW4 為空白對照組，僅有再生水存在；CW5 為滅菌劑對照組，向再生水中添加10 mg/L 滅菌劑氨芐青霉素。CW4、CW5均未種植植物，每組系統(tǒng)設(shè)3組平行。

系統(tǒng)裝置由高密度聚丙乙烯桶構(gòu)建，該高密度聚丙乙烯桶直徑為30 cm，容量為20 L，表面積為0.07 m2。對于所構(gòu)建CW2、CW3 人工濕地系統(tǒng)，桶內(nèi)填充濕地基質(zhì)凈水材料4 kg，購自天津市城市新海綿環(huán)?？萍加邢薰荆饕煞譃榱蜾X酸鹽水泥、粉煤灰、CaCO3、聚乙烯醇等，粒徑10～15 cm、比表面積9.68 m2/g、孔隙率60%、含泥量0.4%、表觀密度1 203 kg/m3，具有分子篩結(jié)構(gòu)，滿足植物生長環(huán)境需求；其上層鋪設(shè)礫石2.5 kg，購自河南省承潔凈水材料有限公司，粒徑2～5 cm，起到固定植物的作用。濕地基質(zhì)深度為20 cm，水深保持在25 cm，每組系統(tǒng)容納15 L 模擬再生水。

結(jié)合植物在人工濕地中的應(yīng)用情況及其景觀效果，實驗選取黃菖蒲作為濕地植物。在自來水中清洗購置的黃菖蒲根部，以清除土壤和損失的植物組織，之后將其放入裝有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的NaCl 和改良版Hoagland 營養(yǎng)液的燒杯中進(jìn)行緩苗，待植物生長出新根后移植至實驗裝置。植物經(jīng)馴化緩苗培養(yǎng)后，挑選生物量大小相近且健康的植株移植到含植物的各實驗系統(tǒng)中進(jìn)行實驗，每組系統(tǒng)含14～15 株植物，實驗共進(jìn)行30 d，分別在第1、3、5、8、11、15、19、24、30 天檢測水樣，使用0.45 μm 的濾膜抽濾水樣。采集好的水樣在24 h 內(nèi)測定。實驗期間，估算每組系統(tǒng)的蒸發(fā)蒸騰損失，并用蒸餾水進(jìn)行補(bǔ)充。詳細(xì)實驗框圖和實驗系統(tǒng)示意見圖1。

圖1 實驗框圖（a）和實驗系統(tǒng)示意（b）Fig.1 Experimental block diagram（a） and experimental system diagram（b）

1.1.2 實驗用水

實驗使用模擬含鹽再生水，根據(jù)《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質(zhì)》（GB/T 18921—2019），以C6H12O6、NH4Cl、KH2PO4、KNO3作為模擬再生水中有機(jī)物、氮和磷的來源，設(shè)置模擬含鹽再生水初始TN 為15 mg/L，其中NH4+-N 為5 mg/L，NO3--N 為10 mg/L，設(shè)置TP 為0.5 mg/L，COD 為50 mg/L，NaCl 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%。通過添加改良版Hoagland 營養(yǎng)液補(bǔ)充植物生長所需營養(yǎng)，Hoagland 營養(yǎng)液成分為K2SO4607 mg/L，MgSO4493 mg/L，鐵鹽溶液（FeSO4·7H2O 2.78 g、EDTA-2Na 3.73 g、蒸餾水500 mL）2.5 mL/L，微量元素溶液（KI 0.83 mg/L、H3BO36.2 mg/L、MnSO422.3 mg/L、ZnSO48.6 mg/L、Na2MoO40.25 mg/L、CuSO40.025 mg/L、CoCl20.025 mg/L）5 mL/L。

1.2 實驗方法

1.2.1 水質(zhì)監(jiān)測

采用重鉻酸鉀法（HJ 828—2017）測定水樣COD；采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法（GB 11894—1989）測定TN；采用納氏試劑分光光度法（HJ 535—2009）測定NH4+-N；采用酚二磺分光光度法（GB 7480—1987）測定NO3--N；采用紫外分光光度法（GB 7493—1987）測定NO2--N；采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893—1989）測定TP 和PO43--P。

1.2.2植物取樣與分析

實驗開始前隨機(jī)采集黃菖蒲植物樣本作為對照樣本，每天觀察植物生長情況并進(jìn)行記錄，實驗結(jié)束后隨機(jī)采集每組濕地系統(tǒng)植物樣本。收獲植物后用自來水沖洗，并用濾紙吸干水分。

采集新鮮植物樣本測定光合色素（包括葉綠素、葉綠素a、葉綠素b）含量。取新鮮葉片0.2 g，切成約1 cm 長的小片，用10 mL 80%的丙酮水溶液提取光合色素，之后用離心機(jī)在25 ℃、3 500 r/min 下離心10 min 后測定上清液在可見光波長663、645 nm 處的吸光度，使用Arnon 方法〔13〕分別計算葉綠素a、葉綠素b 以及葉綠素的含量。

在80 ℃下將植物樣本干燥至恒干重，在研缽中研磨后過200 目篩，參照《土壤農(nóng)化分析》中H2SO4-H2O2消解法對植物體內(nèi)全氮、全磷進(jìn)行測定〔14〕。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1）污染物去除率。

模擬再生水中污染物的去除率采用式（1）進(jìn)行計算。

式中：R——去除率，%；

Ci、Ce——進(jìn)水、出水中污染物的質(zhì)量濃度，mg/L。

2）氮、磷去除貢獻(xiàn)率。

采用質(zhì)量平衡法對系統(tǒng)氮磷去除量進(jìn)行分配。由人工濕地系統(tǒng)進(jìn)水和出水中的氮磷差值得到濕地系統(tǒng)對氮磷總的去除效果，之后可進(jìn)一步測定各去除機(jī)理對氮、磷去除的貢獻(xiàn)：①通過檢測實驗前后植物體內(nèi)氮磷吸收量的變化，得到植物吸收積累量，計算植物吸收對濕地氮磷污染物凈化的貢獻(xiàn)率；②基質(zhì)通過吸附等作用，凈化濕地系統(tǒng)中氮磷污染物的量；③其他原因（主要指濕地中微生物對氮磷污染物的去除作用及氨揮發(fā)作用）導(dǎo)致的氮、磷去除。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物去除效果

2.1.1 氮素去除效果

人工濕地中的氮主要通過植物吸收、硝化-反硝化、基質(zhì)儲存和揮發(fā)等作用被去除〔15〕，實驗研究了不同組成的實驗系統(tǒng)中營養(yǎng)元素氮的質(zhì)量濃度變化，結(jié)果見圖2。

圖2 各系統(tǒng)中氮元素的濃度變化Fig.2 Nitrogen element concentration change in each system

由圖2（a）可知，隨著時間的延長，CW1、CW2、CW3 模擬再生水中TN 整體呈下降趨勢。黃菖蒲可以直接吸收利用污水中的無機(jī)氮污染物，經(jīng)過生長代謝過程將其轉(zhuǎn)化成體內(nèi)的有機(jī)氮，最終達(dá)到脫除水中氮素的效果。不同系統(tǒng)對TN 的去除率也存在差異，實驗第30 天CW1、CW2、CW3 對應(yīng)的TN 去除率分別為49.88%、56.52%、29.62%，均高于對照組CW4、CW5，其中植物與基質(zhì)聯(lián)合的濕地系統(tǒng)CW2使TN 下降至6.54 mg/L。整體來看，植物與基質(zhì)聯(lián)合的濕地系統(tǒng)CW2 對TN 的去除效果最好。

人工濕地對NH4+-N 的主要去除途徑為植物吸收、附著生物的同化作用及硝化反硝化作用等。水生植物為根際圈微生物進(jìn)行硝化反硝化過程提供了有利條件，以此促進(jìn)水中NH4+-N 轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，并最終轉(zhuǎn)化為N2逸出水面，達(dá)到污水脫氮效果。由圖2（b）可知，CW1、CW2對NH4+-N 的去除效果最明顯，其次是CW3，均優(yōu)于無植物的對照組CW4、CW5。隨著時間的延長不同系統(tǒng)之間的差異越加明顯，CW1、CW2 中NH4+-N 整體呈下降趨勢，CW3中NH4+-N 先下降后在實驗第11天時趨于平穩(wěn)。種植了黃菖蒲的濕地系統(tǒng)CW2 表現(xiàn)出良好的凈化性能，在實驗第24 天時的凈化效果最好，使NH4+-N 下降至1.23 mg/L，去除率最高達(dá)75.47%。在實驗第30天時，CW1、CW2 對NH4+-N 的去除率分別達(dá)到70.21%、73.37%，高于CW3的去除率29.16%，這可能是因為滅菌劑抑制了微生物凈化氮磷的作用，導(dǎo)致CW3 中NH4+-N 的去除率下降〔16〕。

由圖2（c）可知，實驗過程中，NO3--N 有一定的積累，但隨著時間的延長，各組NO3--N 整體呈下降趨勢，實驗第30 天，CW1、CW2、CW3 對NO3--N 的去除率分別為56%、61.11%、40.98%，均高于對照組CW4、CW5。實驗第24 天時CW2 對NO3--N 的去除效果最好，使NO3--N 下降至3.76 mg/L。植物對不同形態(tài)氮素的轉(zhuǎn)化途徑不同，NO3--N 轉(zhuǎn)化為氨基酸物質(zhì)的過程是一個需要能量的生化還原反應(yīng)，比相同數(shù)量NH4+-N 轉(zhuǎn)化為氨基酸的過程能量高出8%～17%〔17-18〕。植物在生長過程中可以改善水中氧氣條件，分泌微生物所需的營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)硝化過程，從而提高NH4+-N 的轉(zhuǎn)化率，這也就解釋了為何種植植物的單元中有著一定的NO3--N 累積。

人工濕地中營養(yǎng)元素氮主要形式為NH4+-N 和NO3--N，而NO2--N 的含量很少。由圖2（d）也可知，實驗過程中NO2--N 整體較低，這有可能是因為NO2--N 既是硝化過程中的中間體，也是反硝化過程中的中間體，因此十分容易被硝化、反硝化微生物氧化或還原，所以一般情況下積累量較低。圖2（d）中有基質(zhì)的濕地系統(tǒng)CW2、CW3 中NO2--N 的變化更明顯，實驗開始時NO2--N 迅速升高后逐漸降低，在實驗第15 天后趨于平穩(wěn)，其質(zhì)量濃度穩(wěn)定在0.02～0.03 mg/L 之間。這可能是由于濕地系統(tǒng)中孔隙率較大的基質(zhì)為濕地系統(tǒng)帶入了氧氣，硝化和反硝化作用通常會隨著氧氣濃度的升高而增強(qiáng)，最終使得濕地系統(tǒng)中NO2--N 略微上升〔19〕。

2.1.2 磷素去除效果

人工濕地主要通過基質(zhì)吸附、沉淀和植物的同化吸收等作用共同實現(xiàn)對污水中營養(yǎng)元素磷的去除。水生植物能直接吸收污水中的磷作為養(yǎng)分以供自身生長，并且植物根系構(gòu)建而成的致密的植物網(wǎng)絡(luò)可以起到攔截污染物的作用，進(jìn)而促進(jìn)磷的吸附沉降。實驗過程中各系統(tǒng)模擬再生水中TP 及PO43--P 的變化見圖3。

圖3 人工濕地系統(tǒng)中TP（a）和PO43--P（b）的變化Fig.3 TP（a） and PO43--P（b） changes in each system

由圖3（a）可知，各組中再生水的TP 隨著時間的延長逐漸降低后趨于平穩(wěn)，實驗第30 天CW1、CW2、CW3 對TP 的去除率分別為50.63%、64.53%和53.85%，均高于無植物的對照組CW4、CW5，其中植物與基質(zhì)聯(lián)合的濕地系統(tǒng)CW2 對TP 的去除效果最好，使TP 下降至0.18 mg/L。實驗初期，由于濕地系統(tǒng)中“新鮮”的濕地基質(zhì)起到吸附作用，濕地對TP 的吸收速率呈上升趨勢，隨著時間的延長，植物生長同化吸收較多的磷素，聯(lián)合基質(zhì)的吸附作用，系統(tǒng)TP去除率逐漸升高，之后可能是因為系統(tǒng)基質(zhì)磷吸附逐漸趨于飽和，TP 逐漸趨于穩(wěn)定。

由圖3（b）可知，隨著時間的延長，各系統(tǒng)廢水的PO43--P 也呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。對比不同組成系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)，種植黃菖蒲植物組對PO43--P 的凈化效果明顯優(yōu)于無植物對照組。實驗第19 天時系統(tǒng)中PO43--P 的濃度逐漸趨于平穩(wěn)，實驗第30 天時CW1、CW2、CW3 對PO43--P 去除率分別為61.57%、71.77% 和65.31%。植物與基質(zhì)聯(lián)合的濕地系統(tǒng)CW2 凈化效果最明顯，PO43--P 下降至0.14 mg/L。這表明，濕地系統(tǒng)中營養(yǎng)元素磷的去除主要取決于前期基質(zhì)的吸附能力和植物與基質(zhì)的聯(lián)合作用。S.Y. LU 等〔20〕研究發(fā)現(xiàn)，人工濕地系統(tǒng)對TP 去除效率的變化可能歸因于多種因素，包括介質(zhì)類型和孔隙大小、系統(tǒng)規(guī)模、HRT、污染物進(jìn)水濃度和溫度等。C. R. VYMAZAL 等〔21-24〕研究發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)的加入能夠使TP 的去除效率得到大幅的提升。

2.1.3 COD 去除效果

圖4 所示為不同組成的系統(tǒng)對模擬再生水中COD 去除效果。

圖4 各系統(tǒng)中COD 的變化Fig.4 Change of COD in each system

由圖4 可知，各系統(tǒng)模擬再生水中的COD 在實驗的前3 天急速下降，然后下降速度變緩并逐漸穩(wěn)定，污染物濃度隨著處理時間的延長整體呈現(xiàn)先降低后穩(wěn)定的趨勢。各種植物系統(tǒng)CW1、CW2、CW3中COD 得到較大程度的去除，凈化效果明顯優(yōu)于無植物對照組。其中CW2 的凈化效果最好，實驗15 d后COD 基本穩(wěn)定在14 mg/L以下，達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)（COD≤15 mg/L），在實驗結(jié)束時CW1、CW2、CW3 對COD 的去除率分別是60.79%、74.21%、49.98%。大部分COD 的去除是依靠植物吸收作用和附著在植物根際的微生物降解作用來實現(xiàn)的，黃菖蒲根系發(fā)達(dá)，為微生物提供了充足的附著位置，利于黃菖蒲直接吸收水中的COD將其轉(zhuǎn)化為自身生長所需的營養(yǎng)成分，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的效果。

2.2 植物生長與氮磷吸收量變化

2.2.1 植物生長狀況

植物生長狀況間接反映了植物對污水的去除效果，植物良好的生長狀態(tài)有利于提高對模擬再生水中氮磷污染物的去除效果。本研究中CW1、CW2、CW3 微觀單元中的植物生長良好，沒有明顯的營養(yǎng)缺乏癥狀，其植株高度和生物量見表1。

由表2 可知，不同系統(tǒng)中植物生長狀況不同，但總生物量及N、P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有所增加。CW2 中黃菖蒲生長最明顯，平均株高較實驗前增加了22.25 cm，新鮮生物量增加至17.34 g，氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到15.79 g/kg 和0.86 g/kg。對比CW2 與CW1 可以發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)的添加為植物提供了適宜的生長環(huán)境，植物根系不斷進(jìn)行有氧呼吸進(jìn)而促進(jìn)植物生長。黃菖蒲根系的表面為大量微生物提供了附著載體，植物在良好的生長狀態(tài)下可以通過根莖為好氧微生物輸送氧氣，植物根系在基質(zhì)中的擴(kuò)展也可以增強(qiáng)和維持基質(zhì)的水力傳輸能力，進(jìn)而改善濕地生態(tài)系統(tǒng)中微生物的數(shù)量和種群結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化濕地凈化能力〔25〕。而濕地植物養(yǎng)分儲存狀況的不同主要是由于生物體所處環(huán)境中養(yǎng)分濃度變化和自身的生理變化機(jī)制對于環(huán)境的響應(yīng)所致。

表2 實驗30 d 后黃菖蒲的生物量和養(yǎng)分含量變化Table 2 Changes in biomass and nutrient content of Iris pseudacorus after 30 days of experiment

2.2.2 葉綠素含量變化

葉綠素在植物光合作用中至關(guān)重要，是植物生理變化的重要指標(biāo)，當(dāng)植物葉片中葉綠素含量低時，光合作用活性降低，植物生長遲緩〔26〕。測定不同系統(tǒng)實驗30 d 后植物葉綠素的含量，結(jié)果見圖5。

圖5 實驗前后黃菖蒲葉綠素含量變化Fig.5 Changes in Chlorophyll content of Iris pseudacorus before and after the experiment

由圖5 可知，實驗結(jié)束時CW1、CW2、CW3 和實驗前濕地系統(tǒng)中新鮮黃菖蒲的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為35.071、37.661、29.897、24.300 mg/g，說明在實驗過程中，植物不斷進(jìn)行光合作用進(jìn)而累積植物體內(nèi)有機(jī)碳水化合物，維持植物體內(nèi)的碳氮平衡〔27〕。其中CW2 濕地系統(tǒng)中植物葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，表明基質(zhì)與微生物的聯(lián)合作用能夠為植物生長提供更好的環(huán)境。此外，葉綠素a 與葉綠素b 質(zhì)量比的變化體現(xiàn)了葉綠素a 和葉綠素b 之間的相互轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化被稱為葉綠素循環(huán)，對植物綠化、光適應(yīng)和衰老過程至關(guān)重要〔28-29〕。Bin LI 等〔28〕認(rèn)為，葉綠素a 與葉綠素b質(zhì)量比的降低是因為葉綠素a 向葉綠素b 轉(zhuǎn)化，這種調(diào)節(jié)可能是植物對污染物的一種防御性生理響應(yīng)。與實驗前的對照樣本相比，含植物系統(tǒng)中葉綠素a與葉綠素b 的質(zhì)量比變低，其中CW2＞CW1＞CW3，進(jìn)一步說明了黃菖蒲與基質(zhì)和微生物聯(lián)合的環(huán)境更適于植物應(yīng)對外界環(huán)境，利于其生長。

2.3 氮磷去除貢獻(xiàn)率

濕地系統(tǒng)可通過多種途徑對廢水中的氮磷進(jìn)行去除。Yi CHEN 等〔30〕研究發(fā)現(xiàn)，種植植物的人工濕地相對于無植物濕地系統(tǒng)對氮的去除效率有所提高，植物吸收對氮脫除貢獻(xiàn)率為7.5%～14.3%；Y.OUYANG 等〔31〕指出，在處理廢水的垂直流人工濕地中約54%的TN 流出，18%的TN 被反硝化，6%的TN由根系吸收，其余22%的TN 通過沉降、吸附和揮發(fā)等其他機(jī)制被去除。Qian WANG 等〔32〕研究發(fā)現(xiàn)，人工濕地中由于底物積累和微生物轉(zhuǎn)化導(dǎo)致的TP 去除率分別達(dá)到48.5%～64.3%和9.2%～26.3%，通過植物吸收去除的TP 達(dá)到12.7%～18.9%，認(rèn)為TP 去除的主要途徑是基質(zhì)的富集。Peiyu ZHANG 等〔33〕研究發(fā)現(xiàn)人工濕地中植物吸收的TP 約占去除TP 的16%，而基質(zhì)儲量貢獻(xiàn)了近60%。本研究通過對種植黃菖蒲的濕地系統(tǒng)中的總氮和總磷進(jìn)行質(zhì)量平衡分析，不同組成的系統(tǒng)對氮磷污染物的去除效果存在差異，其中濕地系統(tǒng)CW2 對模擬再生水氮磷污染物去除效果最好，TN 下降至6.54 mg/L，TP 下降至0.18 mg/L。在此基礎(chǔ)上，探究了各系統(tǒng)以不同途徑去除的氮磷污染物比例，結(jié)果見圖6。

圖6 CW1～CW3 系統(tǒng)不同途徑去除氮磷污染物比例Fig.6 Removal ratios of nitrogen and phosphorus pollutants by different ways in wetland systems CW1-CW3

由圖6 可知，植物吸收和基質(zhì)儲存在濕地氮、磷去除中起到關(guān)鍵性作用。植物同化吸收對脫除氮磷的貢獻(xiàn)與植物生長條件、植物種類、濕地類型及運行狀況等因素有關(guān)。CW2 組濕地系統(tǒng)中植物吸收去除的氮占總輸入的24.62%，去除的磷占總輸入的22.62%，且CW2 濕地系統(tǒng)中，出水氮磷含量均較低，基質(zhì)、植物與微生物的聯(lián)合作用對營養(yǎng)元素氮的吸收、蓄積能力大于CW1 和CW3?；|(zhì)儲存是綜合濕地系統(tǒng)中主要的磷去除途徑〔34〕?；|(zhì)通過攔截、吸附、沉淀等途徑可以去除模擬再生水中的氮磷。CW2 系統(tǒng)中，基質(zhì)去除的氮、磷平均占總輸入氮、磷的13.33%、29%，即基質(zhì)對磷的吸收、蓄積能力更好。由于CW3 濕地系統(tǒng)因滅菌劑氨芐青霉素的添加抑制了微生物群落生長，濕地系統(tǒng)中植物和基質(zhì)的貢獻(xiàn)率升高。微生物通過氮素礦化作用將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為可被植物吸收的無機(jī)氮，促進(jìn)植物的生長發(fā)育，還可以通過微生物的同化作用和反硝化作用，將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為植物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)和氮氣從而影響濕地生態(tài)系統(tǒng)中的營養(yǎng)循環(huán)。而濕地植物作為人工濕地的核心組成之一，通過直接吸收作用和間接生態(tài)效應(yīng)，對濕地系統(tǒng)中氮磷污染物去除效果明顯。

3 結(jié)論

本研究構(gòu)建了不同組成的濕地系統(tǒng)，采用模擬再生水為處理對象，考察了濕地系統(tǒng)對污水中氮磷去除效果的差異及植物吸收、基質(zhì)作用等對氮磷去除的貢獻(xiàn)率，得到如下結(jié)論：

1）植物與基質(zhì)聯(lián)合的濕地系統(tǒng)CW2 對氮磷的去除效果最好，系統(tǒng)運行30 d 后水體中TN、NH4+-N、TP 的去除率分別達(dá)到56.52%、75.47%、64.53%。

2）黃菖蒲根系表面可為大量微生物提供附著載體，進(jìn)而改善微生物的數(shù)量和種群結(jié)構(gòu)。對比其他系統(tǒng)，CW2 濕地系統(tǒng)中黃菖蒲生長最明顯，平均株高較實驗前株高增加了22.25 cm，平均生物量（濕重）增加至17.34 g，新鮮植株中葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)37.661 mg/g，說明基質(zhì)與微生物的聯(lián)合作用能夠為植物生長提供更好的環(huán)境，進(jìn)而通過改善微生物的數(shù)量和種群結(jié)構(gòu)提高濕地對氮磷的去除效果。

3）黃菖蒲植物吸收對氮的去除效果更明顯，而基質(zhì)作用對磷的去除效果更優(yōu)。植物與基質(zhì)聯(lián)合可改善水中氧氣條件，基質(zhì)的多孔結(jié)構(gòu)一方面為磷素的吸附提供了接觸位點，另一方面也為植物生長起到支撐作用，此外植物根系在基質(zhì)中的擴(kuò)展也可以增強(qiáng)和維持基質(zhì)的水力傳輸能力，分泌微生物所需的營養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)硝化-反硝化過程，進(jìn)而提高凈水能力。