表面流人工湿地对辽河水质长期净化效果

杨 波

(吉林农业科技学院 农学院, 吉林 吉林 132101)

立足于整个全球生态环境，大气、陆地、海洋成为其尤为关键的生态系统构成，此外还包括土壤、森林及山地高原等多种生态子系统[1-3]，整体而言，具有明显的生态特点，其影响要素不仅具有多样性[4-5]，还体现着明显的复杂性。介于陆地和水域之间还分布着特殊的局地生态构成，那就是紧密连接陆地和水域的湿地。作为重要的水域生态构成部分，湿地不仅能够有效地调节局地气候，在涵养水源方面发挥着关键效应，同时能够促进生物多样性分布，具有尤为关键的生态意义[6-7]。为了有效借鉴利用湿地的生态功能，在污水处理过程中常常借助于人工湿地这一生态方式，这是20世纪70年代发展起来并逐渐广泛推广的污水处理新途径，该污水处理系统不仅包括水体及湿地植被，还包括基质及微生物，这四部分构成了其基本生态功能，经过一系列的生化处理方式来有效去除水体污染物，对于降低水体营养化及污染物质效果突出，不仅呈现突出的环保效益[8-9]，而且去污效果较为突出，能够针对不同的污染水体开展不同的湿地搭建，从而针对性地开展湿地去污处理，进而取得良好效果。湿地在去污方面不仅借助于湿地的植被的过滤及吸附作用，其中基质对于污染物的沉淀吸附效应也较为突出，此外，微生物的分解效应也较为突出，不同类型的湿地构建对于特定的污染物去除具有一定的针对性，其优势各异，结合其结构的差异，不仅能够分为水平流、垂直流，还包括沟渠型等[10-11]。由于湿地具有突出的生态效益和经济效益，因此国内外开展了大量的相关研究，且运用日益广泛；作为常用的基质填充物，煤渣及砾石运用较为广泛，在研究技术不断进步的情况下，矿石副产品甚至于工业副产品逐步运用在基质填充方面，常见的有沸石、白云石等，混合基质能够产生更高效的去污效能；此外，关于湿地植被的选择等方面研究也越来越成熟，经过大量实证研究得知，无论是香蒲，还是美人蕉等，均能够在水体去污过程中发挥尤为突出的效果，且其生长适应性也得到了很好的体现，不仅呈现出较强的美感，同时体现更为重要的经济效益。

在城镇化发展的过程中，越来越多的人口进入城市，在城市承载能力有限的情况下，越来越多的生活垃圾及工业废水随之产生[12-13]，加之污染物处理水平有限，大量的污染物进入大自然，近些年来农村地区的污染现象也较为突出，尤其是部分地区水污染问题相当严重，不仅河流污染现象严重，且地下水的污染问题也较为突出，为污染治理带来了巨大难度。据权威统计数据显示，从废水排放量的角度来看，400多亿t的排放量为污水治理造成了巨大压力[8]，且生活污水呈现明显的上升态势，大量污水以及未处理废水进入河流湖泊，无论是河流还是地下水，均受到了严重的影响，这也正是水资源治理的迫切需求。为了有效利用湿地去污，大量的表面流湿地投入到污水治理过程中，这种类型的湿地具有较低建设及运行成本，但是其需要占用较大的空间[14-15]，加之容易受季节变化制约，其净化效果并不稳定，因此主要运用在农业排水处理方面。为了提升污水处理效率及综合效益，在此基础上的多级串联逐渐投入到湿地构建过程中，不仅能够有效降低水体富营养化，而且除污效果较佳[16-17]。对于人工湿地而言，其去污效能的发挥不仅取决于基质及微生物方面，还取决于湿地植被的选择，其整体构造最终影响着其水体净化效果，因此在湿地构建过程中不仅注重基本构造，还要充分考虑整体的去污效果。基于此，本研究基于不同湿地植被错配的角度开展人工湿地去污研究，并将茭白等作为湿地植被研究对象，通过对比分析探究如何优化湿地去污，为污水治理提供有益参考和借鉴。

1 材料与方法

1.1 人工湿地设计与流程

本研究开始于2014年5月，具体试验地点为吉林省农科院湿地研究区(125.31°E，43.86°N)，本研究过程中采用的湿地类型是表面流，将尼龙网覆盖其底部并作为集水区；试验中共构建湿地单元4个，要求其长、宽、高分别为20 m，5 m，1 m，为了尽可能地避免湿地单元间的交互影响，本研究借助于土埂进行分割处理，要求其宽度达到0.5 m；在基质填充物选择方面，本研究采取的是混合基质，对于底部排水层而言，使用大粒径砾石进行填充，厚度及粒径分别为25 cm，30 mm；中层基质为中号炉渣，厚度及粒径分别为25 cm，25 mm；上层基质小号炉渣，其厚度及粒径分别达到25 cm，15 mm，最后将泥沙铺放其上，从而完成了基质的构建处理。之后进行实地植被的选择及种植，在试验过程中不仅选择了茭白、鸢尾，还将美人蕉、芦苇作为湿地植被研究对象，分别种植于湿地各单元，要求每平米种植密度为3～7棵，在其底部集水区用尼龙网覆盖，这样能够最大限度避免基质明显下渗，从而对于集水区运行提供保障；为了使各单元水循环有效地运行，在对角线方向埋入PVC管，这样也能够起到便于水样采集的目的。

首先对茭白等湿地植被开展为期一个月的驯化处理，采取的是微污染水的驯化，待完成该驯化处理后方可进行污水去除效应分析。首先选取长势基本一致的湿地植被，分别种植于沙质基质，并加入自来水直至其达到饱和，在培养期借助于地下水进行长达15 d的培养处理，且使其上保持薄水层，要求厚度约2 cm，在这期间进行换水处理的次数不低于三次。接下来对湿地进行污水注入处理，要求注入速度缓慢，水深达到80 cm，具体时间为2014年7月，在水管的作用下污水均匀流入，并逐渐下渗，要求注水时间达到12 h，水力负荷在0.75 m3/(m2·d)的范围内，经过处理的水最终经PVC管排出，通过不同时期取样开展水质分析，具体如下[13]：

各指标的去除率=(进水口值—出水口值)/出水口值×100%。

1.2 测定方法

氮、磷积累量(PA)=植被氮、磷含量(PC)×植被生物量(PB)。

地上、地下生物量比(A/U)=地上部生物量/地下部生物量。

采用Excel 2010和SPSS 21.0进行差异性检验和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 表面流人工湿地对水质净化能力

由表1可知，2015—2018年人工湿地不同植被对BOD5去除率变化范围在38.11%～52.82%，随着年份的增加而增加；不同年份BOD5去除率均表现芦苇和茭白显著高于美人蕉和鸢尾(p<0.05)，其中芦苇和茭白差异不显著(p>0.05)，美人蕉和鸢尾差异不显著(p>0.05)。人工湿地不同植被对CODCr去除率变化范围在42.02%～58.69%，随着年份的增加而增加；不同年份CODCr去除率均表现芦苇和茭白显著高于美人蕉和鸢尾(p<0.05)，其中芦苇和茭白差异不显著(p>0.05)，美人蕉和鸢尾差异不显著(p>0.05)。TN去除率变化范围在43.11%～57.91%，随着年份的增加而增加；不同年份TN去除率均表现芦苇和茭白显著高于美人蕉和鸢尾(p<0.05)，其中芦苇和茭白差异不显著(p>0.05)，美人蕉和鸢尾差异不显著(p>0.05)。TP去除率变化范围在32.13%～46.98%，随着年份的增加而增加；不同年份TP去除率均表现芦苇和茭白显著高于美人蕉和鸢尾(p<0.05)，其中芦苇和茭白差异不显著(p>0.05)，美人蕉和鸢尾差异不显著(p>0.05)。

表1 表面流人工湿地对水质净化能力

2.2 表面流人工湿地氮、磷积累量

由表2可知，2015—2018年人工湿地地上生物量变化范围在54.13～103.09 g/m2，随着年份的增加而增加；不同年份地上生物量均表现芦苇和茭白显著高于美人蕉和鸢尾(p<0.05)，其中芦苇和茭白差异不显著(p>0.05)，美人蕉和鸢尾差异不显著(p>0.05)。地下生物量变化范围在119.13～171.15 g/m2，随着年份的增加而增加；不同年份地下生物量均表现芦苇和茭白显著高于美人蕉和鸢尾(p<0.05)，其中芦苇和茭白差异不显著(p>0.05)，美人蕉和鸢尾差异不显著(p>0.05)。

表2 表面流人工湿地氮、磷积累量 g/m2

N累积量变化范围在37.12～72.09 g/m2，随着年份的增加而增加；不同年份N累积量均表现芦苇和茭白显著高于美人蕉和鸢尾(p<0.05)，其中芦苇和茭白差异不显著(p>0.05)，美人蕉和鸢尾差异不显著(p>0.05)。P累积量变化范围在139.09～169.12 g/m2，随着年份的增加而增加；不同年份P累积量均表现芦苇和茭白显著高于美人蕉和鸢尾(p<0.05)，其中芦苇和茭白差异不显著(p>0.05)，美人蕉和鸢尾差异不显著(p>0.05)。

2.3 表面流人工湿地土壤养分特征

由表3可知，2015—2018年人工湿地土壤有机碳、全氮、全钾、速效磷、碱解氮含量呈一致的变化规律，随着年份的增加而增加；不同年份土壤有机碳、全氮、全磷、全钾、速效磷、碱解氮含量均表现芦苇和茭白显著高于美人蕉和鸢尾(p<0.05)，其中芦苇和茭白差异不显著(p>0.05)，美人蕉和鸢尾差异不显著(p>0.05)；不同年份土壤全磷含量差异不显著(p>0.05)。

表3 表面流人工湿地土壤有机碳和养分特征

2.4 表面流人工湿地土壤微生物生物量

由表4可知，2015—2018年人工湿地土壤微生物量碳、氮、磷呈一致的变化规律，随着年份的增加而增加；不同年份土壤微生物量碳、氮、磷含量均表现芦苇和茭白显著高于美人蕉和鸢尾(p<0.05)，其中芦苇和茭白差异不显著(p>0.05)，美人蕉和鸢尾差异不显著(p>0.05)；不同年份土壤微生物量磷含量差异不显著(p>0.05)。SMBN/SMBP随着年份的增加而增加不同年份SMBN/SMBP均表现芦苇和茭白显著高于美人蕉和鸢尾(p<0.05)，其中芦苇和茭白差异不显著(p>0.05)，美人蕉和鸢尾差异不显著(p>0.05)，SMBC/SMBN呈相反的变化趋势。

表4 表面流人工湿地土壤微生物生物量

2.5 表面流人工湿地去除率与土壤养分相关性

人工湿地去除率与土壤养分存在一定的关系，由表5可知，人工湿地地下生物量、N累积量、P累积量、土壤全氮、全磷与TN和TP去除率呈显著正相关(p<0.05)；土壤速效磷、碱解氮、微生物量碳、微生物量氮与BOD5和CODCr去除率呈显著正相关(p<0.05)。

表5 表面流人工湿地去除率与土壤养分相关性

2.6 表面流人工湿地去除率排序分析

本研究通过RDA排序分析来对群落多样性及环境因子之间的关系开展相应分析，这种分析方法可以同时对多个环境影响因子开展研。从表6可知，第一个排序轴的特征值根为0.623，与环境因子在0.01的检验水平下达到显著，相关系数达到0.951；第二排序轴的特征值根达到0.116，物种与环境因子显著正相关，前两个排序轴的累积解释度达到了90.34%。由此可知，土壤养分能够很好解释人工湿地去除率，其中地下生物量、N累积量、P累积量、土壤全氮、全磷与TN和TP去除率呈显著正相关(p<0.05)；土壤速效磷、碱解氮、微生物量碳、微生物量氮与BOD5和CODCr去除率呈显著正相关(p<0.05)，这与相关性结果相一致。

表6 典范对应排序轴特征值及解释比例 %

3 讨论与结论

通过连续4 a的连续观测分析可知，无论是BOD5，CODCr，还是TN和TP，其去除率均受到了时间的制约，且具有较为接近的发展态势[18-19]，均在时间不断增加的情况下，表现出明显的上升态势，且去除效果较好的是芦苇和茭白，其污染物去除率明显高于其他两种植被，且其差异达到了显著水平；对于芦苇和茭白，去污效果虽然存在一定的差异，但是差异不显著(p>0.05)，对于美人蕉和鸢尾来说亦是如此[20-21]。对于人工湿地而言，对P的去除效应一方面利用湿地植被的吸附效应，另一方面借助于基质的截留及沉淀吸附效果，加之微生物新陈代谢对于该物质的吸收利用，最终形成了较为明显的去除效果。对于本研究湿地而言，其pH为中性，以免制约植被及微生物生长，主要的基质为石灰石和高炉渣，其较高含量的Ca，Fe在促进微生物活动方面起着重要作用，促进微生物对于水体养分物质的吸收利用；此外，对于湿地基质而言，其具有较强的吸附性，对于污染物去除具有较好效果。通过对人工湿地的分析得知，其N元素具有较为复杂的循环，对于N的去除，一方面在硝化、反硝化的作用机理下得以实现[20-21]，此外好氧微生物在此过程中也能够通过降解作用发挥较好的去除效应，从而形成对TN形成良好的去除效果[22-23]。

人工湿地的净化能力不仅取决于基质及微生物方面，还取决于植被的选择，其整体构造最终影响着其水体净化效果；对于人工湿地污水处理系统而言，其不仅包括水体及湿地植被，还包括基质及微生物[22-23]，这四部分构成了其基本生态功能，经过一系列的生化处理方式来有效去除水体污染物，对于降低水体营养化及污染物质效果突出，不仅呈现突出的环保效益[8]，而且去污效果较为突出，能够针对不同的污染水体开展不同的湿地搭建，从而针对性地开展湿地去污处理，进而取得良好效果[24-25]。整体而言，在湿地基质及植被等综合作用下，加之微生物的参与，其最终形成了较良好的去污效果，但是随着时间的推移，对于基质而言，其对污染物的吸附过滤效应会逐渐减弱，最终当其达到饱和状态后则无法继续发挥作用，其重复利用难度较大；但是对于湿地植被而言，其截留过滤效应较为突出，这是其直接的去污效应，加之微生物的作用，能够形成较好的去污效果，主要原因在于植被一方面为微生物提供一定的养分物质，促进其活性，另一方面增加了湿地渗透能力，最终促进湿地的去污使用效果及使用时间，因此，湿地植被选择尤为关键，尤其是其对不同的污染物具有不同的去除效果，在湿地构建过程中需要加以错配，并选择有针对性的基质填充物。对于湿地植被而言，其地上、地下的N，P含量具有较大的差异，其前者明显较高，主要原因在于其该物质在植株不同器官的分配[17-18]。无论是地上、地下生物量，还是N和P累积量，其含量变化均受到了时间的制约，且具有较为接近的发展态势，均在时间不断增加的情况下，表现出明显的上升态势；对于地上生物量而言，较高的是芦苇和茭白，且明显高于其他两种植被，于芦苇和茭白来讲，地上生物量虽然存在着一定差异，但是差异并不显著[23-24]，对于美人蕉和鸢尾来说亦是如此。对于N，P积累量的去除可以借助于收割的方式进行，且具有良好的净化效果，尤其是芦苇和茭白，其发达的根系对于促进微生物活动起着尤为突出的效应，进而促进湿地对污染物的去除效果，在湿地搭建过程中需要注意不同植被的错配，从而发挥优势互补的作用，以提升净化水质的效果。此外，植被及基质的合理错配也是湿地构建过程中需要进一步探索的方向。