人工湿地中不同植物对生活污水的净化研究

姜新佩，张 欢，李 莹，刘龙龙

（1.河北工程大学 水电学院，河北 邯郸 056038;2.魏县河务局，河北 邯郸 056038）

在现代城市建设中，人与生态环境的和谐发展与进步是建设的主要目标。随着人民物质生活水平的提高和现代工业的快速发展，生态环境的破坏也日渐严重，近来已经席卷全国的雾霾，就是生态环境严重破坏的结果。而湿地生态系统具有水文功能、生物地球化学功能和生态功能。它是地球表层最独特的生态系统和过渡性景观，能够蓄水、调节径流和均化洪水，截留沉积物，补给地下水;促进养分的输入、迁移与输出，相当于一个养分库;亦能够维持生物链，是鸟类栖息地和鱼类丰富多样的索饵场，是重要的物种基因库，也是区域生态环境变化的缓冲场。本文阐述了不同植物在处理生活污水的研究中对不同污染物的净化效果，并针对水体的污染情况将其应用到岳城水库水源地水生态环境综合治理中。

1 试验方法

1.1 人工湿地设计

该试验在河北工程大学水利馆进行初步实践，试验设计了并列的2组复合型人工湿地，均是矩形砖混结构［1］，规格均为12 m ×3 m ×1.5 m，湿地设计均为5个单元，基质是粒径在0.2～5 cm之间的砾石和沙土。在稳定运行期间该复合型人工湿地 HLR 为 0.17 ～1.39 m3/m2.d，HRT 为 0.92～8.91d。现就一组来详细介绍，工艺流程为:集水井—生物塘—水平潜流—生物塘—水平潜流—垂流湿地。图1为人工湿地的一个剖面图。

1.2 试验方法

该复合型人工湿地模型于2012年8月建设完毕，试验用水来自滏阳河，其河水主要是城市污水，试验移栽了香蒲、菖蒲、美人蕉、水葫芦、芦苇等植物，试验前期间歇进水，系统培育半个月，植物生长状况良好，于9月开始连续进水进行实验。

该试验检测了 pH、浊度、TN、TP、NO3－－N、－ N、CODmn、NH4+－N等水质指标，在试验期间会定期捞取枯枝死叶以减少其对湿地水质的影响，每周采样2～3次，根据系统运行情况适当增加检测水质次数。试验中的各水质指标则根据《水和废水监测分析方法（第四版）》进行水质检测［2－3］。

2 试验结果与分析

2.1 人工湿地污水净化效果

表1为人工湿地水质情况。从表1可以看出:人工湿地TP的进水指标为Ⅲ类水，经过5个单元的净化，出水水质在Ⅱ类水及以上;而人工湿地TN的进水指标远远要高于Ⅴ类水，经过人工湿地五个单元的净化后，出水水质也相对提高，但效果也不太理想;进水CODmn指标为Ⅳ类水，经过净化后，平均达到了Ⅱ类水标准;可见，该人工湿地处理对生活污水的处理是相对成功的。

其中，第 1、2、3、4、5 单元中的植物依次为水葫芦、菖蒲、水葫芦、美人蕉、芦苇。

表1 人工湿地水质情况Tab.1 The water quality of the wetland

2.2 湿地对TP的净化效果

人工湿地系统对磷的去除过程是由植物吸收、微生物去除和填料的物理化学作用共同完成的，其中被广泛认同的主要去除途径是填料对P的物化吸附和化学沉降作用［4］。

图2是湿地TP在湿地单元中的沿程变化图，图3是不同湿地植物单元对TP的净化效果图。

从图2可以看出，TP含量在湿地单元中不断沿程降低，不同植物床除磷效果不同，在第2个单元中去除率最高，是因为第2单元是一个水平潜流池，而第1单元为生物塘，潜流湿地中基质富含磷细菌，将不可直接利用的、有机态的磷降解为简单的可供植物和微生物吸收的磷化物，并且在厌氧条件下提供短链脂肪酸，因此潜流池中基质对P的物化吸附和化学沉降作用使得TP含量迅速降低。第4单元的净化效果优于第3单元，依然是这个原因。

图3中大量试验也证实了上面结论，大量试验表明，该湿地系统对TP的净化效果良好，平均去除率均在90%以上，且无论进水TP含量如何变化，其出水总能维持一个稳定的、较好的质量，TP出水质量浓度在 0～0.02 mg/L之间，达到GB18918－2002的一级排放标准。

2.3 湿地对TN的净化效果

湿地中氮的净化途径有6种，分别为:①氨化合物的物理转移;②氨化作用;③硝化作用;④反硝化作用;⑤固氮作用;⑥氮的同化作用。许多研究表明，微生物的硝化与反硝化作用是脱氮的主要途径。TN的去除主要依靠植物根系大表面积附着的大量微生物，增强和维持介质的水力传输，植物为根区好氧微生物输送氧气，促进硝化细菌的生长，从而达到脱氮的目的［5］。

图4是湿地TN在湿地单元中的沿程变化图，图5是不同湿地植物单元对TN的净化效果图。

由图4可见，湿地系统中TN浓度沿程降低，第2和第5单元净化效果相对较好，第2单元菖蒲对TN的去除率平均为21.4%，第4单元芦苇对TN的去除率平均为14.5%。可能与N在湿地中的存在形式有关，在湿地中无机氮最重要的存在形式是NH4+，还有 NO2－、NO3－、N2O以及溶解的N2，氮的有机形式包括尿素、氨基酸、胺类、嘌呤和嘧啶。在湿地系统这个大的反应场所中，各种反应可能相互促进，也有可能相互抑制，使得反应不能有效地进行。

从图5可以看出，湿地中TN的净化效果相对TP较差，总去除率平均在40%左右。在该人工湿地系统中，菖蒲和芦苇是净化污水中TN的主要植物。

2.4 湿地对NO3－－N 的净化效果

湿地水中硝酸盐是在有氧环境下，亚硝氮、氨氮等各种形态的含氮化合物中最稳定的氮化合物，也是含氮有机物经无机化作用最终的分解产物［6］。亚硝酸盐可以经氧化而生成硝酸盐，硝酸盐在缺氧的环境中，也可受微生物的作用而还原成亚硝酸盐。

图6是湿地NO3－－N在湿地单元中的沿程变化图，图7是不同湿地植物单元对NO3－－N 的净化效果图。

从图6可以看出，湿地中NO3－－N 的质量浓度沿程降低，尤其在第2单元和第4单元去除效果最好，说明菖蒲和美人蕉对NO3－－N有良好的去除效果。经测定，湿地系统中亚硝酸盐含量很低，而NO3－－N的含量相对较高，可能是亚硝酸盐在有氧的环境下转变而来，从而影响了NO3－－N 的去除。

从图7可以看出，无论湿地进水NO3－－N 的质量浓度如何变化，其出水质量浓度总能保持一个比较稳定的范围，说明湿地系统的纳污能力较高。湿地单元内NO3－－N的总去除率平均为40.48%。

2.5 湿地对CODmn的净化效果

高锰酸盐指数是指在酸性或碱性介质中，以高锰酸钾为氧化剂，处理水样时消耗的量［7］。因此，高锰酸盐指数也常被作为地表水受还原性无机物质和有机污染物污染程度的综合指标。

图8是湿地CODmn在湿地单元中的沿程变化图，图9是不同湿地植物单元对CODmn的净化效果图。

有研究表明，人工湿地对CODmn的去除，主要是通过湿地系统内部微生物的吸附降解、植物吸收以及填料的物理化学作用。从图8可以看出，湿地系统CODmn的质量浓度沿程降低，尤其在水葫芦单元和菖蒲单元净化效果明显，去除率分别达到15%、24%。有研究分析比较了不同程度富营养化水中植物的净化能力，发现植物的净化能力在重度富营养化水中优于在轻度富营养化水中.其原因可能是低浓度污水不能够满足植物的生长需要，从而影响到植物的净化能力，使得系统第1、2单元的处理效果明显。

由图9可以看出，湿地进水CODmn的质量浓度变化较大，但是出水CODmn的浓度变化很小，保持在 2.3～3 mg/L之间，从而保证了出水CODmn的质量，从图中也可以看出，湿地CODmn的出水质量达到Ⅱ类水标准。

2.6 人工湿地对浊度的净化效果

浊度是由于水体中含有泥沙、粘土、有机物、无机物、浮游生物和微生物等悬浮物质所造成的，可使光散射或吸收，可经过混凝、沉淀和过滤等处理，使水变得清澈［8－9］。

图10是湿地浊度在湿地单元中的沿程变化图，图11是不同湿地植物单元对浊度的净化效果图。

从图10可以看出，湿地水体的浊度在第1第2单元降低最快，分别达到30%和70%，主要是由于潜流湿地中的基质对于泥沙、粘土、有机物、无机物等起到了拦截的作用;水中浊度到了第三单元就有小幅度增加，可能是由于携带了湿地生物塘系统中植物腐烂的根系以及枯死的枝叶，使得水体浊度增大。但是最后也保持了一个稳定的范围。

由图11可以看出，湿地进水的浊度变化较大，在第一第二单元中浊度也变化较大，但是经过五个单元的逐层降解，湿地水体出水的浊度保持稳定。使得平均去除率在90%以上，保证了出水水质。

3 结论

1）潜流人工湿地对滏阳河水的净化效果较好，对 TP、TN、NO3－－N、CODmn、以及浊度的去除率分别达到了90%、40%、41%、53%和93%，出水质量浓度分别为 0.01 mg/L、3.1 mg/L、3.5 mg/L、2.7 mg/L和0.085度。按照《地表水环境质量标准》（GB3838－2002），出水水质除TN低于Ⅴ类水标准外，其余指标均达到Ⅱ类水甚至Ⅰ类水标准。

2）第2个单元潜流湿地对TP及浊度的去除效果较好，去除率达到了60%和70%，由于进水水质影响，第2单元对各指标都有较高的去除率;第5单元芦苇对TN的去除效果较好，去除率达到15%;第4第5单元美人蕉和芦苇是NO3－－N 净化的主要场所，去除率达分别到12.2%和11.9%;而5个单元对于CODmn的净化效率相当。

［1］刘汉湖，白向玉，夏宁.城市废水人工湿地处理技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2006.

［2］国家环境保护总局，《水和废水检测分析方法》编委会.水和废水检测分析方法（第四版）［M］.北京:中国环境科学出版社，2002.

［3］徐秀梅，景介辉.两室电化学沉淀法制备超细氧化锌粉体［J］.黑龙江科技学院学报，2012，22（6）:567－570.

［4］黄新，向光明.复合人工湿地系统净化城市富营养水体的应用研究［J］.环境科学与技术，2013，36（9）:127－128.

［5］曹优明.美人蕉人工湿地对城市生活污水的净化研究［J］.环境科学与技术，2009，32（7）:122－123.

［6］王庆海，段留生，武菊英，等.北京地区人工湿地植物活力及污染物去除能力［J］.应用生态学报，2008，19（5）:1132－1133.

［7］王全金，李丽，李忠卫.四种植物潜流人工湿地脱氮除磷的研究［J］.环境污染与防治，2008，30（2）:33－34.

［8］白峰青，李 冲，朱文敏，等.秋冬季节复合人工湿地系统对污水净化效果研究［J］.河北工程大学学报:自然科学版，2009，26（2）:46－47.

［9］沈飞，陆晓峰，万印华，等.PVB起滤膜污染特性及期在MBR中的应用［J］.黑龙江科技学院学报，2011，21（1）:1－5.