垂直流人工湿地氮磷降解规律的研究

顾修强　栗婷婷　付伟章　葛晓红　郑书联　耿淑英

摘要：在实验室中利用盆栽模拟垂直流人工湿地结构，种植绿萝和紫边碧玉椒草两种植物，测定进水、出水、填料、植物中的总氮总磷含量，研究了垂直流人工湿地去除水体中总氮、总磷时，植物与填料的去除作用所占的比例，探究紫边碧玉椒草对氮磷的去除效果。结果表明：污水中总磷的去除主要为填料吸附作用，去除效率占80.01%～82.02%，还有植物吸收作用，去除效率占13.62%～14.20% ；对于总氮的去除，填料吸附作用占68.26%～71.57%，除填料吸附作用外，微生物等其他因素的作用占很大比例，约24%，植物吸收所占比例较小。紫边碧玉椒草在湿地中的应用达到了与绿萝相当的效果，可尝试应用于人工湿地中。实验结果可为人工湿地的植物筛选以及氮磷降解规律方面提供可行的建议与理论依据。

关键词：垂直流人工湿地；氮磷降解规律；植物筛选

中图分类号：X703

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）18005105

1引言

人工湿地技术由于其低成本、运行简单等特点，已广泛地应用于处理城镇污水、富营养化水体；河道生态整治；工农业废水治理等方面＼[1＼]。人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化學、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术＼[2＼]。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用＼[3＼]。

在人工湿地污水处理系统中，植物起着非常重要的作用，主要表现在吸收污染物质，植物根系向基质释放氧气，植物根系固定植物床，改变水力传导能力，创造生物共生条件，影响微生物和酶的分布以及植物的景观美学作用等方面＼[4，5＼]。植物吸收在脱氮除磷中的贡献为0.7%～76%，研究者们的报道很不统一＼[6＼]，Michela等＼[7＼]认为在人工湿地处理污水的整个过程中，植物的吸收具有重要作用；Geary等＼[8＼]也认为，在高负荷下，湿地主要的除磷机理还是基质的吸附存储，而不是植物吸收。Maurizio等＼[9＼]的研究也表明在不同的季节，不同植物地上部分对氮的吸收率可以达到 53%～75%。

刘志伟等人＼[10＼]对垂直流人工湿地植物与填料优化组合做了夏季和冬季的对比研究，结果表明夏季人工湿地植物对污染物质的去除效率较高。春夏季正是植物生长的季节，植物可以在人工湿地中发挥较好的去除作用。所以本实验在夏季进行，可以研究在植物生长条件与生长情况较好，并对水体中污染物去除效率较高的情况下，植物在垂直流人工湿地中对氮磷的去除效率所占比例。以往的人工湿地试验中较多的是分析对比人工湿地总体的去除污染物的效果＼[11，12＼]，本实验排除微生物降解和N2挥发等情况造成的干扰，只对比植物与填料的去除效率占模拟人工湿地总去除效率的比例，选用绿萝和紫边碧玉椒草两种植物，这两种植物都是水生植物，耐涝，有一定的固氮作用，且有一定的观赏价值，符合本实验条件的要求。绿萝作为水生植物被应用于许多人工湿地的研究中，被证实对污水有很好的处理效果＼[13＼]；紫边碧玉椒草等许多植物并未被应用于人工湿地，本实验同时探讨该植物在人工湿地中的应用效果。

2目的

沸石和蛭石都是人工湿地中常用且去除效率较高的填料，因此本实验选取蛭石与沸石组成的复合填料作为垂直流人工湿地的基质。测定实验进水、出水、填料与不同植物中的总氮总磷的含量，分析垂直流人工湿地中氮磷的降解规律，植物与填料共同作用下对湿地的氮磷去除效率中，植物与填料分别占多少比例，以及不同植物对氮磷去除效果的影响。一些实验研究了不同影响因子对潜流人工湿地的氮磷降解规律的影响＼[14＼]，本实验研究垂直流人工湿地中的氮磷降解规律，及紫玉在人工湿地中应用的可行性，希望在人工湿地的实际应用中可以提供有用可行的建议与理论依据。

3材料与方法

3.1实验用水

本实验采用自己配制的实验所用污水，以保证进水的理化性质稳定，减小对实验结果的影响。根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》的二级标准配制污水水样，取102.5 mg磷酸二氢钾、200.0 mg蔗糖、500 mg硫酸铵于烧杯中，分别溶解，加入5 L水，搅拌均匀，配置成人工湿地实验中的进水。进水需每天当天配制，以保证进水水质的稳定。水质pH值6.7～7.3，COD 100～110 mg/L，总氮22～25 mg/L，总磷2.3～2.8 mg/L。

3.2实验设计

本实验在夏季8月份进行。实验室温度约为28～30℃选择高15 cm，上直径13 cm，下直径10 cm的圆形塑料花盆进行试验。由下至上分别为4 cm高粒径1 cm砾石，3 cm高粒径2 mm的蛭石，3 cm高粒径2 mm的沸石，4cm高土壤，栽入大小均等的8颗绿萝植株或4棵紫边碧玉椒草（以下简称紫玉），见图1。共设置15组实验，3组绿萝与填料搭配的盆栽（1号～3号），3组为紫玉与填料搭配的盆栽（4号～6号），6组为分别种植绿萝和紫玉并不加蛭石和沸石填料的盆栽（7号～12号），1组为只加填料不种植物的盆栽对照组（13～15号）。

花盆下方放置一个1000 mL的烧杯承接模拟垂直流人工湿地的出水，花盆上方悬挂输液瓶，加入配制好的污水，通过阀门控制流速（250 mL/24 h）基本稳定，水力停留时间为72 h，每3 d取一次水样，测定出水中的总氮、总磷含量与每日进水的总磷、总氮含量。最后测定实验前后土壤与植物中总氮与总磷含量。将未经实验，用蒸馏水浇灌的植物与实验组植物分别洗净根部土壤及填料，擦干水分，然后放入烘箱90 ℃烘干至恒重，粉碎后进行测定，空白填料与实验组填料去除杂物，自然风干后粉碎，过0.25 mm筛进行测定。测定时设置3组平行，减小实验误差。

3.3指标分析方法＼[15＼]

本实验中各测定指标及测定方法见表1。

3.4实验仪器与药品

3.4.1实验仪器

紫外分光光光度计、凯氏定氮仪、红外分光光度计、消煮炉、高压蒸灭菌器、烘箱、比色管、滴定管、消煮管等实验室常用玻璃仪器。

3.4.2实验药品

磷酸二氢钾、蔗糖、硫酸铵、硫酸、硝酸、高氯酸、盐酸、过氧化氢、氢氧化钠、过硫酸钾、抗坏血酸、钼酸铵、酒石酸锑钾、酚酞、硝酸钾等。

4结果分析

4.1模拟湿地对水体中总氮总磷的去除效率

污水中總磷去除率随进水流量变化趋势如图2所示，填料与植物组合的盆栽，随着时间增加，出水中磷的去除效率先升高后降低，第九天时去除率达到最大。种植紫玉的盆栽对总磷的去除效率略高于种植绿萝的盆栽。

只种植绿萝或紫玉，未添加填料的盆栽对污水中总磷的去除效率为30%～60%，其余花盆的去除效率均较高，都在70%以上。植物对水体中污染物有着显著的去除效果，但去除效率较低。

填料单独作用时，对人工湿地中氮磷的去除效率较植物高许多，与填料和植物共同作用时去除效率相当，但是一段时间后去除效率逐渐降低，12d后未种植植物的盆栽对污水中总磷的去除效率低于1～6号盆（植物与填料组合）。

综合来看，种植紫边碧玉椒草对总磷的去除效果比种植绿萝对总磷的去除效果好。湿地对总磷的去除机理主要是填料的吸附作用，其次是植物的吸收作用。在本实验模拟人工湿地系统中，植物与填料共同作用时对污水中总磷的去除效果高于二者单独作用，但小于二者单独作用之和。

图3为污水中总氮去除率随时间变化趋势，随着时间增加，所有实验组的去除效率都呈下降趋势，第9 d后下降趋势缓慢，趋于稳定。种植绿萝的盆栽对总氮的去除效率略高于种植紫玉的盆栽。绿萝比紫玉根系更为发达，根长更长，除氮效率较高。

只种植绿萝或紫玉，未添加填料的盆栽对污水中总氮的去除效率略低于填料和植物组合的盆栽，但相差不大，去除效率均在3%～38%之间。

未栽种植物的盆栽在第3 d取样时，去除效率较高，达到65%，之后逐渐下降，在第12 d后低于其他实验组盆栽。

本实验中模拟湿地的盆栽对水体中总氮的去除效率普遍偏低，可能是由于实验进水的总氮浓度较低，影响了植物与填料的去除效率，也可能是实验规模较小，限制了植物、填料、微生物等因素发挥的作用。

4.2填料对水体中总氮总磷的去除效果

图4为试验结束后测得盆栽中填料的总磷总氮含量与空白值的对比，由图2和3可知，未种植植物的盆栽对污水中污染物的去除效率也比较高，图4中，7号盆中填料的氮磷含量均较高。

紫玉与填料组合的盆栽中，填料总磷含量比未种植植物的盆栽中填料总磷的含量低，而总氮含量较高。在图2中，紫玉与填料组合的盆栽对总磷的总体去除效果要高于未种植植物的盆栽，与植物组合的盆栽中填料的利用率较低，但紫玉对总磷的去除效果比较好。紫玉对填料去除作用的影响较大

绿萝与填料组合的盆栽中，填料总磷含量比未种植植物的盆栽中填料总磷的含量高，而总氮含量略低于未种植植物的盆栽，绿萝对填料去除作用的影响较小

植物种类会影响填料对污水中不同污染物的去除效率，由图2可知紫边碧玉椒草对总磷的去除效果较好，而此实验组的填料对水体中总氮去除效果也较好。使用紫玉作为湿地植物，可以保证对紫玉对总磷和总氮的综合去除效果。

2017年9月绿色科技第18期

4.3植物与填料在总磷的去除中的贡献

绿萝吸收的总磷占实验中总磷总去除率的14.22%，填料吸附的总磷占实验中总磷总去除率的82.02%，其他的上层土壤和最底层砾石吸附过滤作用等作用占3.76%。（一般微生物的活动与总磷的去除率之间无显著相关＼[17＼]）紫边碧玉椒草吸收的总磷占实验中总磷总去除率的13.62%，填料吸附的总磷占实验中总磷总去除率的80.01%，其他的上层土壤和最底层砾石吸附过滤作用等作用占6.37%，见图5。填料对污水中总磷的去除作用所占比例最大，均在80%以上，其次为植物的吸附

作用，所占比例较大。

绿萝与紫玉对总磷的去除效率相差较大，但植物作用所占比例相近，填料的吸附作用所占比例相差不大，植物与填料去除效率所占比的比值约为0.17。可见虽然选用植物不同，但植物与填料对水体中总磷的去除规律是一致的。

4.4植物与填料在总氮的去除中的贡献

由图6可知，绿萝吸收的总氮占实验中总氮总去除率的7.07%，填料吸附的总氮占实验中总氮总去除率的68.24%，其他上层土壤和最底层砾石吸附作用、微生物的反硝化作用＼[18＼]等24.69%，紫边碧玉椒草吸收的总氮占实验中总氮总去除率的4.07%，填料吸附的总氮占实验中总氮总去除率的71.57%，其他上层土壤和最底层砾石吸附作用、微生物的反硝化作用等占24.36%。填料对污水中总氮的去除作用所占比例最大，植物的吸收作用只占很小的比例。

植物与填料对水体中总氮的去除规律不十分显著，绿萝对氮的去除作用所占比例高于紫玉所占比例，所以植物种类影响湿地中植物与填料对水体中总氮的去除规律。

5结论

（1）污水中总磷的去除主要为植物吸收（80.01%～82.02%）和填料吸附（13.62%～14.22%）的作用，对于总氮的去除，主要是填料的吸附作用，约占68.24%～71.57%，微生物作用也占较大比例约24%。人工湿地的实际应用中，可以适当对于含氮量较高的污水多培养一些微生物，增强对总氮的去除能力；对含磷量较高的污水适当增加植物生物量。

（2）人工湿地中植物、填料、微生物等组成部分对污水中污染物的去除效果不是叠加的，而是相互配合，共同作用的。单独的填料或者植物对水体中的污染物的去除效果均较为明显，在人工湿地中种植植物后，湿地对总氮总磷的总体去除效率会提高，但低于两者单独作用之和。可能是微生物与植物和填料共同作用而相互影响的结果。

本实验中，湿地对总磷的去除规律较为明显，植物作用所占去除效率与填料作用所占去除效率的比值约为0.17。对总氮的去除规律并不明确，还需进一步研究。

顾修强，等：垂直流人工湿地氮磷降解规律的研究

环境与安全

（3） 植物种类会影响人工湿地填料对不同污染物的去除效率与去除规律，有的植物会使填料对水体中某种污染物质的去除效果降低，有的会使填料对水体中某种污染物质的去除效果增强。实验表明，种植绿萝的实验组的填料对污水中总磷的去除量较高，种植紫边碧玉椒草的实验组的填料对污水中总氮的去除量较高。

（4） 紫边碧玉椒草对水体中总磷与总氮的去除效果也较好，几乎可以达到与湿地常用植物绿萝相近的去除效率。并具有一定的观赏性，可以尝试应用于人工湿地中。垂直流人工湿地选取植物时应根据污水中污染物质的种类选择适合的湿地植物。

本实验在实验室进行，许多因素如pH值，温度等因素较好控制，在实际应用中很多因素可能会对实验结果有影响，人工湿地的结构、进水的污染物质浓度与植物的选用等都会对结果产生影响，还需深入讨论。

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Study on the Conservation of Nitrogen and Phosphorus in Vertical Flow Constructed Wetland

Gu Xiuqiang1，Li Tingting2，Fu Weizhang2，Ge Xiaohong2，Zheng Shulian2，Geng Shuying2

（1. Environmental Protection Bureau of Feicheng， Taian 271600， China；

2. College of Resources and Environment， Shandong Agricultural University， Taian 271000，China）

Abstract： The total phosphorus content of total nitrogen in water， effluent， filler and plant was determined by using pots to simulate vertical flow constructed wetland structure， planting green radish and purple edge jibelia herb. The

removal rate of total nitrogen and total phosphorus in the vertical flow constructed wetland was studied. The removal efficiency of nitrogen and phosphorus was studied by the ratio of plant and filler removal. The results showed that the removal of total phosphorus absorbed by filler in the wastewater was mainly 80.01% to 82.02%， and the absorption of the plants was 13.62%～14.20%. For the removal of total nitrogen， the adsorption effect of filler was 68.26%～71.57%. In addition to the adsorption of fillers， microbial and other factors accounted for a large proportion， accounting for about 24%， and the proportion of plant uptake was small. The application of Peperomia tetraphylla in wetland achieves the similar effect with Scindapsus， which can be used to try in artificial wetland. The experimental results provide feasible suggestions and theoretical basis for plant screening and nitrogen and phosphorus degradation in constructed wetlands.

Key words： vertical flow constructed wetland； nitrogen and phosphorus degradation law； plant screening