黄菖蒲人工湿地系统对含盐再生水中氮磷污染物的去除研究

李朝颖，张蕊芯，常思露，高 茜，阎 波，2，3，王文华

（1.天津科技大学海洋与环境学院，天津 300457； 2.天津市海洋资源与化学重点实验室，天津 300457；3.天津市海洋环境保护与修复技术工程中心，天津 300381； 4.中水北方勘测设计研究有限责任公司水生态工程设计院，天津 076150）

将再生水作为景观水体是污水资源化的重要途径，近年来在国内滨海缺水城市得到了快速发展。但再生水水体流动性差、自净能力较弱，导致水华季节性爆发频率较高〔1〕，且滨海地区地表水体受到高含盐土壤和地下水的影响，咸化问题突出，抑制植物生长，严重威胁沿海水资源安全〔2〕，致使水环境质量与生态环境安全难以保证，因此亟需加强对含盐水中污染物的治理，改善水生态系统状况。人工湿地与周围相邻的环境有密切关系，可与其发生物质和能量交换〔3〕，因此可利用复合生态系统，通过基质、植物和微生物3 大要素协同对污水中氮磷污染物进行去除，实现对污水的高效净化〔4-7〕。

湿地植物从水中吸收氮磷等营养盐来满足生长和代谢等需求，这个过程既能有效降低水中氮磷含量又能增加溶解氧的浓度，从而达到改善水质、恢复水体功能的目的，同时湿地具有氮磷污染物去除能力强、耐污染冲击负荷、运转维护管理方便等优势。此外，水生植物还可以提供细菌定殖的表面，以及定殖微生物的碳源〔8〕。人们普遍认为，微生物是氮循环的关键调节器，但事实上湿地植物会通过影响微生物群落对污染修复起到重要作用，所以确定植物的吸收贡献率，评估湿地植物对污染物的去除潜力，特别是测定植物对含盐再生水中营养元素的吸收贡献率，对优化沿海湿地建设、控制污染物释放和促进碳循环具有重要意义。黄菖蒲（Iris pseudacorus）作为水生兼陆生的一种挺水植物，可以有效去除氮磷污染物，同时具有强耐盐碱性，且具很好的景观效果，适用于含盐湿地富营养化水体处理或生态修复〔9-11〕。基质作为湿地系统的组成部分，对水质净化也起到重要的作用。相对于常用的沸石、陶粒、石灰石等基质，本研究中采用的湿地基质净水材料内部具有连续叠加的圆形集成孔洞，可作为植物生长用蓄水疏水的体内管道和累积容器，且其既有强度又有可塑性，满足植物生存空间条件，也起到增加湿度、净化环境的作用〔12〕。

本研究根据水资源循环利用、生态修复与湿地保护规划，针对滨海地区含盐再生水特点，着重研究由挺水植物黄菖蒲和湿地基质净水材料构建的人工湿地系统对氮磷污染物的去除能力，通过计算湿地系统对模拟再生水中氮磷的去除量以及黄菖蒲对氮磷的吸收量，评价了湿地植物黄菖蒲对系统脱氮除磷的贡献，以期为流域生态环境的改善与人工湿地水质净化工程技术的广泛应用和实践提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验系统

1.1.1 实验装置

参照表面流湿地结构构建5 组系统，CW1 组为植物组，仅有黄菖蒲存在；CW2组为基质与植物组，在CW1的基础上添加基质净水材料；CW3 组为基质、植物与灭菌剂组，在CW2 的基础上添加10 mg/L 灭菌剂氨苄青霉素；CW4 为空白对照组，仅有再生水存在；CW5 为灭菌剂对照组，向再生水中添加10 mg/L 灭菌剂氨苄青霉素。CW4、CW5均未种植植物，每组系统设3组平行。

系统装置由高密度聚丙乙烯桶构建，该高密度聚丙乙烯桶直径为30 cm，容量为20 L，表面积为0.07 m2。对于所构建CW2、CW3 人工湿地系统，桶内填充湿地基质净水材料4 kg，购自天津市城市新海绵环保科技有限公司，主要成分为硫铝酸盐水泥、粉煤灰、CaCO3、聚乙烯醇等，粒径10～15 cm、比表面积9.68 m2/g、孔隙率60%、含泥量0.4%、表观密度1 203 kg/m3，具有分子筛结构，满足植物生长环境需求；其上层铺设砾石2.5 kg，购自河南省承洁净水材料有限公司，粒径2～5 cm，起到固定植物的作用。湿地基质深度为20 cm，水深保持在25 cm，每组系统容纳15 L 模拟再生水。

结合植物在人工湿地中的应用情况及其景观效果，实验选取黄菖蒲作为湿地植物。在自来水中清洗购置的黄菖蒲根部，以清除土壤和损失的植物组织，之后将其放入装有质量分数为0.3%的NaCl 和改良版Hoagland 营养液的烧杯中进行缓苗，待植物生长出新根后移植至实验装置。植物经驯化缓苗培养后，挑选生物量大小相近且健康的植株移植到含植物的各实验系统中进行实验，每组系统含14～15 株植物，实验共进行30 d，分别在第1、3、5、8、11、15、19、24、30 天检测水样，使用0.45 μm 的滤膜抽滤水样。采集好的水样在24 h 内测定。实验期间，估算每组系统的蒸发蒸腾损失，并用蒸馏水进行补充。详细实验框图和实验系统示意见图1。

图1 实验框图（a）和实验系统示意（b）Fig.1 Experimental block diagram（a） and experimental system diagram（b）

1.1.2 实验用水

实验使用模拟含盐再生水，根据《城市污水再生利用 景观环境用水水质》（GB/T 18921—2019），以C6H12O6、NH4Cl、KH2PO4、KNO3作为模拟再生水中有机物、氮和磷的来源，设置模拟含盐再生水初始TN 为15 mg/L，其中NH4+-N 为5 mg/L，NO3--N 为10 mg/L，设置TP 为0.5 mg/L，COD 为50 mg/L，NaCl 质量分数为0.3%。通过添加改良版Hoagland 营养液补充植物生长所需营养，Hoagland 营养液成分为K2SO4607 mg/L，MgSO4493 mg/L，铁盐溶液（FeSO4·7H2O 2.78 g、EDTA-2Na 3.73 g、蒸馏水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 实验方法

1.2.1 水质监测

采用重铬酸钾法（HJ 828—2017）测定水样COD；采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法（GB 11894—1989）测定TN；采用纳氏试剂分光光度法（HJ 535—2009）测定NH4+-N；采用酚二磺分光光度法（GB 7480—1987）测定NO3--N；采用紫外分光光度法（GB 7493—1987）测定NO2--N；采用钼酸铵分光光度法（GB 11893—1989）测定TP 和PO43--P。

1.2.2植物取样与分析

实验开始前随机采集黄菖蒲植物样本作为对照样本，每天观察植物生长情况并进行记录，实验结束后随机采集每组湿地系统植物样本。收获植物后用自来水冲洗，并用滤纸吸干水分。

采集新鲜植物样本测定光合色素（包括叶绿素、叶绿素a、叶绿素b）含量。取新鲜叶片0.2 g，切成约1 cm 长的小片，用10 mL 80%的丙酮水溶液提取光合色素，之后用离心机在25 ℃、3 500 r/min 下离心10 min 后测定上清液在可见光波长663、645 nm 处的吸光度，使用Arnon 方法〔13〕分别计算叶绿素a、叶绿素b 以及叶绿素的含量。

在80 ℃下将植物样本干燥至恒干重，在研钵中研磨后过200 目筛，参照《土壤农化分析》中H2SO4-H2O2消解法对植物体内全氮、全磷进行测定〔14〕。

1.3 数据分析

1）污染物去除率。

模拟再生水中污染物的去除率采用式（1）进行计算。

式中：R——去除率，%；

Ci、Ce——进水、出水中污染物的质量浓度，mg/L。

2）氮、磷去除贡献率。

采用质量平衡法对系统氮磷去除量进行分配。由人工湿地系统进水和出水中的氮磷差值得到湿地系统对氮磷总的去除效果，之后可进一步测定各去除机理对氮、磷去除的贡献：①通过检测实验前后植物体内氮磷吸收量的变化，得到植物吸收积累量，计算植物吸收对湿地氮磷污染物净化的贡献率；②基质通过吸附等作用，净化湿地系统中氮磷污染物的量；③其他原因（主要指湿地中微生物对氮磷污染物的去除作用及氨挥发作用）导致的氮、磷去除。

2 结果与讨论

2.1 污染物去除效果

2.1.1 氮素去除效果

人工湿地中的氮主要通过植物吸收、硝化-反硝化、基质储存和挥发等作用被去除〔15〕，实验研究了不同组成的实验系统中营养元素氮的质量浓度变化，结果见图2。

图2 各系统中氮元素的浓度变化Fig.2 Nitrogen element concentration change in each system

由图2（a）可知，随着时间的延长，CW1、CW2、CW3 模拟再生水中TN 整体呈下降趋势。黄菖蒲可以直接吸收利用污水中的无机氮污染物，经过生长代谢过程将其转化成体内的有机氮，最终达到脱除水中氮素的效果。不同系统对TN 的去除率也存在差异，实验第30 天CW1、CW2、CW3 对应的TN 去除率分别为49.88%、56.52%、29.62%，均高于对照组CW4、CW5，其中植物与基质联合的湿地系统CW2使TN 下降至6.54 mg/L。整体来看，植物与基质联合的湿地系统CW2 对TN 的去除效果最好。

人工湿地对NH4+-N 的主要去除途径为植物吸收、附着生物的同化作用及硝化反硝化作用等。水生植物为根际圈微生物进行硝化反硝化过程提供了有利条件，以此促进水中NH4+-N 转化为硝态氮和亚硝态氮，并最终转化为N2逸出水面，达到污水脱氮效果。由图2（b）可知，CW1、CW2对NH4+-N 的去除效果最明显，其次是CW3，均优于无植物的对照组CW4、CW5。随着时间的延长不同系统之间的差异越加明显，CW1、CW2 中NH4+-N 整体呈下降趋势，CW3中NH4+-N 先下降后在实验第11天时趋于平稳。种植了黄菖蒲的湿地系统CW2 表现出良好的净化性能，在实验第24 天时的净化效果最好，使NH4+-N 下降至1.23 mg/L，去除率最高达75.47%。在实验第30天时，CW1、CW2 对NH4+-N 的去除率分别达到70.21%、73.37%，高于CW3的去除率29.16%，这可能是因为灭菌剂抑制了微生物净化氮磷的作用，导致CW3 中NH4+-N 的去除率下降〔16〕。

由图2（c）可知，实验过程中，NO3--N 有一定的积累，但随着时间的延长，各组NO3--N 整体呈下降趋势，实验第30 天，CW1、CW2、CW3 对NO3--N 的去除率分别为56%、61.11%、40.98%，均高于对照组CW4、CW5。实验第24 天时CW2 对NO3--N 的去除效果最好，使NO3--N 下降至3.76 mg/L。植物对不同形态氮素的转化途径不同，NO3--N 转化为氨基酸物质的过程是一个需要能量的生化还原反应，比相同数量NH4+-N 转化为氨基酸的过程能量高出8%～17%〔17-18〕。植物在生长过程中可以改善水中氧气条件，分泌微生物所需的营养物质，促进硝化过程，从而提高NH4+-N 的转化率，这也就解释了为何种植植物的单元中有着一定的NO3--N 累积。

人工湿地中营养元素氮主要形式为NH4+-N 和NO3--N，而NO2--N 的含量很少。由图2（d）也可知，实验过程中NO2--N 整体较低，这有可能是因为NO2--N 既是硝化过程中的中间体，也是反硝化过程中的中间体，因此十分容易被硝化、反硝化微生物氧化或还原，所以一般情况下积累量较低。图2（d）中有基质的湿地系统CW2、CW3 中NO2--N 的变化更明显，实验开始时NO2--N 迅速升高后逐渐降低，在实验第15 天后趋于平稳，其质量浓度稳定在0.02～0.03 mg/L 之间。这可能是由于湿地系统中孔隙率较大的基质为湿地系统带入了氧气，硝化和反硝化作用通常会随着氧气浓度的升高而增强，最终使得湿地系统中NO2--N 略微上升〔19〕。

2.1.2 磷素去除效果

人工湿地主要通过基质吸附、沉淀和植物的同化吸收等作用共同实现对污水中营养元素磷的去除。水生植物能直接吸收污水中的磷作为养分以供自身生长，并且植物根系构建而成的致密的植物网络可以起到拦截污染物的作用，进而促进磷的吸附沉降。实验过程中各系统模拟再生水中TP 及PO43--P 的变化见图3。

图3 人工湿地系统中TP（a）和PO43--P（b）的变化Fig.3 TP（a） and PO43--P（b） changes in each system

由图3（a）可知，各组中再生水的TP 随着时间的延长逐渐降低后趋于平稳，实验第30 天CW1、CW2、CW3 对TP 的去除率分别为50.63%、64.53%和53.85%，均高于无植物的对照组CW4、CW5，其中植物与基质联合的湿地系统CW2 对TP 的去除效果最好，使TP 下降至0.18 mg/L。实验初期，由于湿地系统中“新鲜”的湿地基质起到吸附作用，湿地对TP 的吸收速率呈上升趋势，随着时间的延长，植物生长同化吸收较多的磷素，联合基质的吸附作用，系统TP去除率逐渐升高，之后可能是因为系统基质磷吸附逐渐趋于饱和，TP 逐渐趋于稳定。

由图3（b）可知，随着时间的延长，各系统废水的PO43--P 也呈现逐渐下降的趋势。对比不同组成系统可以发现，种植黄菖蒲植物组对PO43--P 的净化效果明显优于无植物对照组。实验第19 天时系统中PO43--P 的浓度逐渐趋于平稳，实验第30 天时CW1、CW2、CW3 对PO43--P 去除率分别为61.57%、71.77% 和65.31%。植物与基质联合的湿地系统CW2 净化效果最明显，PO43--P 下降至0.14 mg/L。这表明，湿地系统中营养元素磷的去除主要取决于前期基质的吸附能力和植物与基质的联合作用。S.Y. LU 等〔20〕研究发现，人工湿地系统对TP 去除效率的变化可能归因于多种因素，包括介质类型和孔隙大小、系统规模、HRT、污染物进水浓度和温度等。C. R. VYMAZAL 等〔21-24〕研究发现，基质的加入能够使TP 的去除效率得到大幅的提升。

2.1.3 COD 去除效果

图4 所示为不同组成的系统对模拟再生水中COD 去除效果。

图4 各系统中COD 的变化Fig.4 Change of COD in each system

由图4 可知，各系统模拟再生水中的COD 在实验的前3 天急速下降，然后下降速度变缓并逐渐稳定，污染物浓度随着处理时间的延长整体呈现先降低后稳定的趋势。各种植物系统CW1、CW2、CW3中COD 得到较大程度的去除，净化效果明显优于无植物对照组。其中CW2 的净化效果最好，实验15 d后COD 基本稳定在14 mg/L以下，达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅱ类标准（COD≤15 mg/L），在实验结束时CW1、CW2、CW3 对COD 的去除率分别是60.79%、74.21%、49.98%。大部分COD 的去除是依靠植物吸收作用和附着在植物根际的微生物降解作用来实现的，黄菖蒲根系发达，为微生物提供了充足的附着位置，利于黄菖蒲直接吸收水中的COD将其转化为自身生长所需的营养成分，从而达到净化水质的效果。

2.2 植物生长与氮磷吸收量变化

2.2.1 植物生长状况

植物生长状况间接反映了植物对污水的去除效果，植物良好的生长状态有利于提高对模拟再生水中氮磷污染物的去除效果。本研究中CW1、CW2、CW3 微观单元中的植物生长良好，没有明显的营养缺乏症状，其植株高度和生物量见表1。

由表2 可知，不同系统中植物生长状况不同，但总生物量及N、P 质量分数均有所增加。CW2 中黄菖蒲生长最明显，平均株高较实验前增加了22.25 cm，新鲜生物量增加至17.34 g，氮磷质量分数分别达到15.79 g/kg 和0.86 g/kg。对比CW2 与CW1 可以发现，基质的添加为植物提供了适宜的生长环境，植物根系不断进行有氧呼吸进而促进植物生长。黄菖蒲根系的表面为大量微生物提供了附着载体，植物在良好的生长状态下可以通过根茎为好氧微生物输送氧气，植物根系在基质中的扩展也可以增强和维持基质的水力传输能力，进而改善湿地生态系统中微生物的数量和种群结构，强化湿地净化能力〔25〕。而湿地植物养分储存状况的不同主要是由于生物体所处环境中养分浓度变化和自身的生理变化机制对于环境的响应所致。

表2 实验30 d 后黄菖蒲的生物量和养分含量变化Table 2 Changes in biomass and nutrient content of Iris pseudacorus after 30 days of experiment

2.2.2 叶绿素含量变化

叶绿素在植物光合作用中至关重要，是植物生理变化的重要指标，当植物叶片中叶绿素含量低时，光合作用活性降低，植物生长迟缓〔26〕。测定不同系统实验30 d 后植物叶绿素的含量，结果见图5。

图5 实验前后黄菖蒲叶绿素含量变化Fig.5 Changes in Chlorophyll content of Iris pseudacorus before and after the experiment

由图5 可知，实验结束时CW1、CW2、CW3 和实验前湿地系统中新鲜黄菖蒲的叶绿素质量分数分别为35.071、37.661、29.897、24.300 mg/g，说明在实验过程中，植物不断进行光合作用进而累积植物体内有机碳水化合物，维持植物体内的碳氮平衡〔27〕。其中CW2 湿地系统中植物叶绿素质量分数最高，表明基质与微生物的联合作用能够为植物生长提供更好的环境。此外，叶绿素a 与叶绿素b 质量比的变化体现了叶绿素a 和叶绿素b 之间的相互转化，这种转化被称为叶绿素循环，对植物绿化、光适应和衰老过程至关重要〔28-29〕。Bin LI 等〔28〕认为，叶绿素a 与叶绿素b质量比的降低是因为叶绿素a 向叶绿素b 转化，这种调节可能是植物对污染物的一种防御性生理响应。与实验前的对照样本相比，含植物系统中叶绿素a与叶绿素b 的质量比变低，其中CW2＞CW1＞CW3，进一步说明了黄菖蒲与基质和微生物联合的环境更适于植物应对外界环境，利于其生长。

2.3 氮磷去除贡献率

湿地系统可通过多种途径对废水中的氮磷进行去除。Yi CHEN 等〔30〕研究发现，种植植物的人工湿地相对于无植物湿地系统对氮的去除效率有所提高，植物吸收对氮脱除贡献率为7.5%～14.3%；Y.OUYANG 等〔31〕指出，在处理废水的垂直流人工湿地中约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 通过沉降、吸附和挥发等其他机制被去除。Qian WANG 等〔32〕研究发现，人工湿地中由于底物积累和微生物转化导致的TP 去除率分别达到48.5%～64.3%和9.2%～26.3%，通过植物吸收去除的TP 达到12.7%～18.9%，认为TP 去除的主要途径是基质的富集。Peiyu ZHANG 等〔33〕研究发现人工湿地中植物吸收的TP 约占去除TP 的16%，而基质储量贡献了近60%。本研究通过对种植黄菖蒲的湿地系统中的总氮和总磷进行质量平衡分析，不同组成的系统对氮磷污染物的去除效果存在差异，其中湿地系统CW2 对模拟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。在此基础上，探究了各系统以不同途径去除的氮磷污染物比例，结果见图6。

图6 CW1～CW3 系统不同途径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

由图6 可知，植物吸收和基质储存在湿地氮、磷去除中起到关键性作用。植物同化吸收对脱除氮磷的贡献与植物生长条件、植物种类、湿地类型及运行状况等因素有关。CW2 组湿地系统中植物吸收去除的氮占总输入的24.62%，去除的磷占总输入的22.62%，且CW2 湿地系统中，出水氮磷含量均较低，基质、植物与微生物的联合作用对营养元素氮的吸收、蓄积能力大于CW1 和CW3。基质储存是综合湿地系统中主要的磷去除途径〔34〕。基质通过拦截、吸附、沉淀等途径可以去除模拟再生水中的氮磷。CW2 系统中，基质去除的氮、磷平均占总输入氮、磷的13.33%、29%，即基质对磷的吸收、蓄积能力更好。由于CW3 湿地系统因灭菌剂氨苄青霉素的添加抑制了微生物群落生长，湿地系统中植物和基质的贡献率升高。微生物通过氮素矿化作用将有机氮转化为可被植物吸收的无机氮，促进植物的生长发育，还可以通过微生物的同化作用和反硝化作用，将硝态氮转化为植物生长所需的营养物质和氮气从而影响湿地生态系统中的营养循环。而湿地植物作为人工湿地的核心组成之一，通过直接吸收作用和间接生态效应，对湿地系统中氮磷污染物去除效果明显。

3 结论

本研究构建了不同组成的湿地系统，采用模拟再生水为处理对象，考察了湿地系统对污水中氮磷去除效果的差异及植物吸收、基质作用等对氮磷去除的贡献率，得到如下结论：

1）植物与基质联合的湿地系统CW2 对氮磷的去除效果最好，系统运行30 d 后水体中TN、NH4+-N、TP 的去除率分别达到56.52%、75.47%、64.53%。

2）黄菖蒲根系表面可为大量微生物提供附着载体，进而改善微生物的数量和种群结构。对比其他系统，CW2 湿地系统中黄菖蒲生长最明显，平均株高较实验前株高增加了22.25 cm，平均生物量（湿重）增加至17.34 g，新鲜植株中叶绿素质量分数最高达37.661 mg/g，说明基质与微生物的联合作用能够为植物生长提供更好的环境，进而通过改善微生物的数量和种群结构提高湿地对氮磷的去除效果。

3）黄菖蒲植物吸收对氮的去除效果更明显，而基质作用对磷的去除效果更优。植物与基质联合可改善水中氧气条件，基质的多孔结构一方面为磷素的吸附提供了接触位点，另一方面也为植物生长起到支撑作用，此外植物根系在基质中的扩展也可以增强和维持基质的水力传输能力，分泌微生物所需的营养物质促进硝化-反硝化过程，进而提高净水能力。