我國農(nóng)村人口多，生活污水排放量大，但處理率很低，未經(jīng)處理的生活污水隨意排放是造成目前水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象越來越嚴(yán)重的原因之一，因此污水中的氮磷必須采取去除措施或者循環(huán)利用來避免其對(duì)受納水體的污染。人工濕地作為一種高效率、低能耗且管理方便的污水處理技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)村生活污水尾水中氮磷營養(yǎng)鹽的深度處理。潛流濕地保溫效果好，處理效果受氣候、季節(jié)的影響較小，硝化能力強(qiáng)，適于處理氨氮含量高的污水，但其容易堵塞。

水生植物濾床無填充基質(zhì)，植物根系會(huì)截留大量有機(jī)物，收割時(shí)植物殘?bào)w均被帶出水體外使得床體不易堵塞。故本研究在潛流濕地前串聯(lián)一級(jí)水生植物濾床。一級(jí)濾床中種植根系發(fā)達(dá)的空心菜，二級(jí)垂直潛流人工濕地內(nèi)種植水稻“蘇香梗2號(hào)”，通過研究組合生態(tài)系統(tǒng)中氮磷的去除效果以及不同植物對(duì)氮磷去除的貢獻(xiàn)，旨在為農(nóng)村生活污水的生態(tài)處理選擇適宜的濕地類型與植物組合，期望研究結(jié)果為高氮磷含量的農(nóng)村生活污水生態(tài)處理提供理論依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1組合生態(tài)處理系統(tǒng)構(gòu)建

組合生態(tài)系統(tǒng)建于江蘇省無錫市某大學(xué)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。


一級(jí)水生植物濾床（以下簡稱“濾床”）床體表面積為0.75m2，長、寬、高分別為2.5、0.3、0.3m，運(yùn)行水深0.15m。二級(jí)垂直潛流人工濕地（以下簡稱“潛流濕地”）表面積為0.6m2，長、寬、高分別為2.0、0.3、0.6m，床體內(nèi)部填充厚度為0.5m的基質(zhì)，其中底部填充厚度10cm、粒徑為25～55mm的粗礫石作為濕地墊層，之上填充厚度30cm、粒徑為10～20mm的陶粒作為主要的吸附介質(zhì)和微生物生長的附著載體，最上層填充厚度10cm、粒徑為10～20mm的細(xì)礫石，防止陶粒漂浮于水面。濾床內(nèi)種植植物為大葉特白空心菜，種植密度株行距10cm左右；潛流濕地內(nèi)種植水稻“蘇香梗2號(hào)”，種植密度株距8～10cm。

考慮到組合生態(tài)系統(tǒng)整個(gè)床體的長度，沿程設(shè)置7個(gè)取樣點(diǎn)，組合生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)水即為濾床進(jìn)水，取樣口4為濾床出水（即潛流濕地進(jìn)水），取樣口7為組合生態(tài)系統(tǒng)出水，取樣口2～4為濾床沿程取樣點(diǎn)，取樣口5～7為潛流濕地沿程取樣點(diǎn)。濾床內(nèi)取樣點(diǎn)均為距池底5cm處，潛流濕地內(nèi)取樣點(diǎn)均為距池底35cm處。

濾床和潛流濕地內(nèi)所種植物移植后，先進(jìn)行半個(gè)月左右的緩苗，待移植后的植物成活且長出新葉后開展水質(zhì)凈化效果及植物生理學(xué)指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)研究。

1.2進(jìn)水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)進(jìn)水為生活污水經(jīng)“厭氧池-缺氧池-曝氣池”等生物處理后的尾水，其COD為42.4～65.6mg/L，NH4+-N、NO3--N、TN、TP的質(zhì)量濃度分別為7.8～12.4、11.0～20.1、19.3～3.7、1.0～2.5mg/L，測定時(shí)間為2015年7月上旬－2015年10月下旬。系統(tǒng)采用連續(xù)進(jìn)水的方式，布水水力負(fù)荷為0.24m3/(m2˙d)，每5d取樣測定1次。

1.3分析方法

實(shí)驗(yàn)中，水中COD測定采用重鉻酸鉀法，NH4+-N含量測定采用水楊酸鹽分光光度法，NO3--N含量測定采用氨基磺酸紫外分光光度法，TN含量測定采用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法，TP含量采用測定過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法；植物中全N含量測定采用H2SO4-H2O2-蒸餾法，全P含量采用測定H2SO4-H2O2-鉬銻抗比色法。

2結(jié)果與討論

2.1系統(tǒng)氮磷去除特性

黃德峰等研究表明，微生物的硝化反硝化作用以及基質(zhì)對(duì)磷的吸附沉淀作用是復(fù)合垂直流人工濕地去除氮磷的主要途徑。濾床串聯(lián)潛流濕地組合生態(tài)系統(tǒng)對(duì)NH4+-N、TN和TP的去除效果分別見圖2和圖3。



由圖2和圖3可以看出，組合生態(tài)系統(tǒng)對(duì)NH4+-N、TN和TP的去除率平均分別達(dá)到了82.5%、56.0%和63.2%，除個(gè)別時(shí)間點(diǎn)，出水NH4+-N和TN含量均達(dá)到GB18918－2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，出水TP含量均達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除率明顯高于TN，且二者隨著時(shí)間的推移去除效果均呈現(xiàn)先逐漸上升后又緩慢下降的趨勢(shì)，原因是實(shí)驗(yàn)初期，植物處于幼苗階段，底部根系稀少，不適于大量微生物附著生長，植物-微生物-基質(zhì)還未形成十分穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。

半月左右后，空心菜根系發(fā)展充分，發(fā)達(dá)的根系組織為微生物的生長繁殖提供良好的生存空間，植物根系周圍的環(huán)境連續(xù)呈現(xiàn)好氧、缺氧及厭氧狀態(tài)，相當(dāng)于許多串聯(lián)或并聯(lián)的A2/O單元，從而實(shí)現(xiàn)硝化、反硝化作用，達(dá)到脫氮的效果，系統(tǒng)對(duì)NH4+-N、TN的最高去除率分別達(dá)到了94.4%、71.9%。10月下旬開始，天氣逐漸轉(zhuǎn)涼，室溫、水溫、光照時(shí)間與強(qiáng)度隨之下降，植物生長速率、微生物活動(dòng)亦趨于緩慢，故而NH4+-N和TN的去除率均呈漸降趨勢(shì)。

組合生態(tài)系統(tǒng)對(duì)TP的去除率隨著時(shí)間的變化呈上下波動(dòng)的趨勢(shì)，最高去除率為75.4%，最低去除率為54.6%，實(shí)驗(yàn)后期系統(tǒng)TP去除率有所下降，這可能是人工濕地對(duì)TP的去除多依靠填料的吸附作用，裝置運(yùn)行后期，潛流人工濕地內(nèi)基質(zhì)對(duì)TP的吸附逐漸趨于飽和所致。

2.2、NH4+-N、TN和TP含量沿程變化規(guī)律

組合生態(tài)系統(tǒng)NH4+-N、TN和TP含量沿程的變化見圖4。


從圖4可以看出，NH4+-N、TN和TP含量沿程均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。NH4+-N含量的下降幅度較TN和TP更為平緩，且進(jìn)入潛流濕地之后，TN和TP含量有一陡然下降的趨勢(shì)，且隨后下降幅度均高于濾床中。這可能是NH4+-N和TN的去除主要依靠微生物的氨化、硝化和反硝化作用，TP的去除多依靠填料的吸附作用，濾床內(nèi)空心菜生長迅速，根系發(fā)達(dá)，故而TN和TP含量均有所下降。但與此同時(shí)，濾床中水體不深，大氣復(fù)氧和植物根系泌氧等使得濾床中水體含氧量較高，氨化作用去除NH4+-N效果明顯，而反硝化作用受滯，故而TN去除效果不高。

濾床出水進(jìn)入潛流濕地后，潛流濕地基質(zhì)孔隙度大，濕地填料表面及孔隙中易形成生物膜，上面附著的微生物，如硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌等以污水中的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行生長繁殖，去除氮磷的同時(shí)增加生物膜厚度。此外，濕地內(nèi)植物將空氣中的氧氣轉(zhuǎn)運(yùn)到根部表面組織擴(kuò)散，使植物根系周圍依次呈現(xiàn)好氧、缺氧和厭氧的微環(huán)境，相當(dāng)于許多串聯(lián)或并聯(lián)的A2/O微處理單元，更有利于生物脫氮除磷過程的進(jìn)行。

與此同時(shí)，在水流流經(jīng)濕地基質(zhì)時(shí)，污水中的磷與基質(zhì)表面的Al、Mg、Ca等元素進(jìn)行物理化學(xué)作用，生成不溶性磷酸鹽，再與金屬離子發(fā)生配位體交換反應(yīng)而附著于濕地填料上，從而實(shí)現(xiàn)潛流人工濕地除磷的過程。

2.3、不同植物全氮、全磷含量

植物氮磷積累量反應(yīng)該植物對(duì)氮磷的直接去除能力。組合生態(tài)系統(tǒng)中不同植物全氮、全磷含量如表1所示。


從表1可以看出，2種植物體內(nèi)全氮含量均高于全磷含量?？招牟酥腥糠植嫉奶卣魇侨~＞莖＞根，全磷含量分布是莖＞葉＞根；水稻中全氮含量分布的特征是葉＞穗＞根＞莖，全磷含量分布是葉＞莖＞穗＞根。空心菜的全氮、全磷含量均高于水稻，可能原因是空心菜生長迅速，葉片面積大，根系較水稻發(fā)達(dá)，著水即生根，其收獲的生物量大于水稻。這也同李健娜等研究中生物量是影響氮、磷積累量的主要因素一致。

2.4植物吸收對(duì)組合生態(tài)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)

一級(jí)水生植物濾床串聯(lián)二級(jí)潛流人工濕地組合生態(tài)系統(tǒng)中污水中污染物去除總量及所種植物的生長狀況以如表2和表3所示。

根據(jù)組合生態(tài)系統(tǒng)的水力負(fù)荷、運(yùn)行時(shí)間、一級(jí)植物濾床的表面積、進(jìn)水TN與TP平均含量以及TN和TP平均去除率可計(jì)算得組合生態(tài)系統(tǒng)的TN總?cè)コ繛?05.44g、TP總?cè)コ繛?3.56g，與此同時(shí)，根據(jù)表1和表4的總生物量可以計(jì)算出空心菜和水稻在組合生態(tài)系統(tǒng)中脫氮的貢獻(xiàn)分別為6.1%、0.8%，除磷的貢獻(xiàn)分別為18.4%、3.1%，即植物吸收對(duì)組合生態(tài)系統(tǒng)脫氮除磷的貢獻(xiàn)分別為6.9%、21.5%。

研究發(fā)現(xiàn)，人工濕地中40%～92%的氮素去除是通過硝化作用和反硝化作用的生物脫氮進(jìn)行的。本實(shí)驗(yàn)中，植物吸收對(duì)組合生態(tài)系統(tǒng)脫氮的貢獻(xiàn)為6.9%，由于一級(jí)空心菜水生植物濾床內(nèi)DO含量較高，植物根系分布廣泛，為氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌等好氧微生物的生長繁殖提供良好的空間，從而更有利于氨化反應(yīng)和硝化反應(yīng)的進(jìn)行；并且在二級(jí)水稻潛流人工濕地內(nèi)，植物根系與基質(zhì)和微生物形成一個(gè)更為穩(wěn)定的系統(tǒng)，反硝化作用顯著，脫氮效果明顯。

KIMSY等研究發(fā)現(xiàn)，通常濕地植物吸收的磷小于污水負(fù)荷的5%。本實(shí)驗(yàn)中，植物吸收對(duì)組合生態(tài)系統(tǒng)除磷的貢獻(xiàn)為21.5%，究其原因，主要有如下2個(gè)方面，1）組合生態(tài)系統(tǒng)中一級(jí)水生植物濾床內(nèi)未填充基質(zhì)，整個(gè)系統(tǒng)中植物所占比例較大；空心菜連續(xù)收割3茬，更有利于污水中磷的去除；2）潛流濕地內(nèi)填充基質(zhì)深度為0.5m，且主體吸附基質(zhì)陶粒層高度只有0.3m，對(duì)污水中磷的吸附容量有限，與此同時(shí)，組合生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)水為經(jīng)生物處理的農(nóng)村生活污水尾水，TP含量較低，生態(tài)系統(tǒng)去除的總有機(jī)負(fù)荷不高，以致植物的磷積累量對(duì)TP的去除貢獻(xiàn)率增大。

3結(jié)論

夏秋季組合生態(tài)系統(tǒng)對(duì)農(nóng)村生活污水尾水中氮磷去除效果較好，NH4+-N、TN和TP的去除率平均分別為82.5%、56.0%和63.2%，除個(gè)別時(shí)間點(diǎn)，出水NH4+-N和TN的含量均達(dá)到GB18918－2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，出水TP含量均達(dá)到GB18918－2002一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

潛流濕地中沿程TN和TP含量下降幅度較濾床中更大，說明潛流人工濕地脫氮除磷效果較濾床更優(yōu)。

大葉特白空心菜體內(nèi)氮、磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.63%、0.61%，“蘇香梗2號(hào)”水稻體內(nèi)氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.60%、0.19%，空心菜的全氮、全磷含量均高于水稻；空心菜中全氮含量分布的特征是葉＞莖＞根，全磷分布是莖＞葉＞根，水稻中全氮含量分布的特征是葉＞穗＞根＞莖，全磷含量分布是葉＞穗＞莖＞根。

植物吸收對(duì)組合生態(tài)系統(tǒng)脫氮除磷的貢獻(xiàn)分別為6.9%、21.5%，且經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析可知，人工濕地應(yīng)優(yōu)選生物量大、根系發(fā)達(dá)、葉片面積大且收割茬數(shù)多的植物。