我國(guó)農(nóng)村人口數(shù)量多，且分布較分散，隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)水平的提高，農(nóng)村居民生活用水量不斷增加，污染程度也在逐漸加深。

　　人工濕地技術(shù)是一種無(wú)動(dòng)力，低投入、高效率、易維護(hù)的污水處理技術(shù)，作為農(nóng)村散戶生活污水深度處理單元得到廣泛應(yīng)用。研究表明，水生植物、基質(zhì)及微生物協(xié)同作用促使污水中C、N 和P 的同步去除，且微生物的硝化/ 反硝化作用與濕地水生植物的生理生長(zhǎng)特性密切相關(guān)，目前應(yīng)用于農(nóng)村散戶生活污水處理的人工濕地并不理想，存在效率低( 特別是冬季) 、易堵塞、經(jīng)濟(jì)價(jià)值低等問題。為此，本課題對(duì)四種基質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究并針對(duì)春夏秋三季和冬季分別構(gòu)建了四種復(fù)合型( 景觀型水生植物 + 蔬菜型植物) 人工濕地系統(tǒng)，以篩選出最優(yōu)的基質(zhì)類型、基質(zhì)級(jí)配及適應(yīng)于不同季節(jié)的復(fù)合型水生植物，這對(duì)于指導(dǎo)人工濕地的設(shè)計(jì)和提高系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行效能及經(jīng)濟(jì)價(jià)值具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

　　1 材料與方法

　　1. 1 試驗(yàn)材料

　　選取頁(yè)巖陶粒、卵石、火山巖、綠沸石、石英砂為人工濕地基質(zhì); 基質(zhì)均采購(gòu)于長(zhǎng)沙某公司。

　　選取旱傘草、美人蕉、黃菖蒲、香蒲、空心菜、水芹菜為水生植物，旱傘草、美人蕉、黃菖蒲采購(gòu)于長(zhǎng)沙某花卉市場(chǎng)，空心菜、水芹菜為實(shí)驗(yàn)室播種培育而成的幼苗。

　　1. 2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)水質(zhì)

　　1. 2. 1 試驗(yàn)裝置

　　人工濕地池由玻璃制成，并置于實(shí)驗(yàn)室外露天空地上以模擬自然條件使?jié)竦刂参锬軌蚪邮艹渥愕娜照�，試�?yàn)裝置尺寸為長(zhǎng) 800 mm、寬 500 mm、高 500mm，試驗(yàn)裝置如圖 1 所示。具體基質(zhì)類型、基質(zhì)尺寸及鋪設(shè)厚度將根據(jù)吸附試驗(yàn)結(jié)果確定。每個(gè)玻璃箱種植 1 種景觀型植物和 1 種蔬菜型植物，景觀型植物: 4 株/ 盆，蔬菜型植物: 6 株/ 盆，試驗(yàn)重復(fù) 3 次，共 24 盆。

圖 1 水平潛流復(fù)合型人工濕地示意圖

　　1. 2. 2 試驗(yàn)水質(zhì)

　　吸附試驗(yàn)及人工濕地池進(jìn)水均采用某農(nóng)戶三格化糞池出水，其水質(zhì)見表 1。

　　表 1 試驗(yàn)水質(zhì)

　　1. 3 試驗(yàn)方法

　　1. 3. 1 基質(zhì)吸附試驗(yàn)

　　取一定量的頁(yè)巖陶粒、卵石、火山巖、綠沸石 ( Φ3 ～ 6 mm) 于 105 ℃ 下干燥 2 h 后稱取 5 g，放置于不同的 250 mL 錐形瓶中并加入濃度為表 1 的供試溶液 150 mL，在恒溫 150 r / min 條件下，連續(xù)震蕩 4 h，8 h，12 h，24 h，48 h，振動(dòng)結(jié)束后離心取樣( 9 000 r / min，8 min) 試驗(yàn)重復(fù) 3 次，結(jié)果取平均值。

　　1. 3. 2 人工濕地研究試驗(yàn)

　　根據(jù)吸附試驗(yàn)結(jié)果，確定復(fù)合型人工濕地基質(zhì)組成并按表 2 分別套種不同的復(fù)合型水生植物。

　　表 2 景觀型與蔬菜型水生植物組合類型

　　1. 不同復(fù)合型水生植物對(duì)污染物去除效果試驗(yàn): 在秋季和冬季，分別對(duì)不同復(fù)合濕地系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，每天連續(xù)進(jìn)水 12 h 并連續(xù) 7 d 定時(shí)取樣，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

　　2. 不同水力停留時(shí)間對(duì)污染物去除效果試驗(yàn):以最優(yōu)復(fù)合型人工濕地系統(tǒng)為研究對(duì)象，控制 HRT為 1 d、2 d、3 d、4 d，每天連續(xù)進(jìn)水 12 h 并連續(xù) 7 d定時(shí)取樣，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

　　3. 分別以秋季和冬季最優(yōu)人工濕地系統(tǒng)為研究對(duì)象，開展為期 30 d 的連續(xù)穩(wěn)定性試驗(yàn)。

　　1. 4 測(cè)試方法

　　水樣檢測(cè)指標(biāo)包括 CODcr、NH3 - N、TP，測(cè)定方法均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[4]，COD 采用重鉻酸鉀法，NH3 - N 采用納氏試劑比色法，TP 采用過(guò)硫酸鉀消解 - 鉬酸銨分光光度法。

　　1 結(jié)果與討論

　　2. 1 不同基質(zhì)對(duì) NH3 - N、TP 的吸附效率

　　本試驗(yàn)以頁(yè)巖陶粒、卵石、火山巖、綠沸石為研究對(duì)象，當(dāng) NH3 - N = 26. 31 mg / L，TP = 6. 13 mg / L時(shí)，生活污水中 NH3 - N 和 TP 濃度隨時(shí)間的變化如圖 2 所示。

　　從圖 2( a) 可知，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，生活污水中的氨氮濃度逐漸降低，從而表明，頁(yè)巖陶粒、卵石、火山巖、綠沸石對(duì)氨氮都有一定的吸附去除能力，但不同基質(zhì)對(duì)氨氮的吸附存在明顯的差異性，如經(jīng)過(guò) 48h 的吸附試驗(yàn)，沸石可將生活污水中氨氮濃度降低至1. 89 mg / L，去除率達(dá) 99% 以上，而卵石對(duì)污水中氨氮濃度的去除效果有限，吸附試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，污水中氨氮濃度仍然有 17. 12 mg / L。各基質(zhì)對(duì)氨氮去除率由高到低的順序?yàn)榫G沸石 > 火山巖 > 頁(yè)巖陶粒 > 卵石，據(jù)分析，基質(zhì)的凈化能力主要取決于基質(zhì)本身的物理化學(xué)性質(zhì)[5]，而綠沸石是一種具有空曠的骨架結(jié)構(gòu)的堿或堿土金屬的硅鋁酸鹽礦物，內(nèi)表面積大、孔穴多，且能與銨離子進(jìn)行離子交換，因而對(duì)銨離子具有較高的吸附效果。

　　從圖 2( b) 可知，各基質(zhì)對(duì)總磷的吸附表現(xiàn)出與氨氮相同的變化趨勢(shì)。但從整體去除效果來(lái)看，各基質(zhì)對(duì)總磷的吸附去除效果要低于對(duì)氨氮的吸附去除，經(jīng)過(guò) 48 h 的吸附試驗(yàn)后，吸附效果最好的頁(yè)巖陶粒，其去除率僅為 82. 38% ，剩余總磷濃度仍然有1. 08mg / L，各基質(zhì)對(duì)總磷去除率由高到低的順序?yàn)?/P>

圖 2 NH3 － N 和 TP 總磷濃度隨時(shí)間的變化曲線

　　頁(yè)巖陶粒 > 綠沸石 > 火山巖 > 卵石，據(jù)分析，基質(zhì)對(duì)污水中 TP 的去除原理有: ( 1) 基質(zhì)表面孔道對(duì)磷酸鹽的物理吸附作用，在溶液中磷主要以磷酸鹽的形式存在，其分子半徑要遠(yuǎn)大于銨離子，導(dǎo)致物理吸附作用有限; ( 2) 基質(zhì)中含有的鈣、鋁、錳等金屬離子與磷酸鹽形成沉淀。頁(yè)巖陶粒中含有一定量的自生礦物即鐵、鋁、錳的氧化物與氫氧化物等，為此基質(zhì)中游離氧化鐵、鋁和膠體氧化鐵、鋁可將污水中磷酸鹽固定，形成磷酸鐵鹽和磷酸鋁鹽等沉淀物而將污水中 TP 去除。具體聯(lián)系污水寶或參見http://wlmqsb.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　基質(zhì)的選擇取決于其水力滲透性和去污能力。低水力滲透性會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)堵塞，極大地降低系統(tǒng)的效率; 弱吸收能力會(huì)影響人工濕地長(zhǎng)期的凈化性能。根據(jù)吸附試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，并考慮基質(zhì)的水力滲透性及設(shè)備制作成本，確定人工濕地基質(zhì)鋪設(shè)方式為: 從下到上面依次鋪設(shè) Φ32 ～ 50 mm 卵石， Φ16 ～ 25 mm 火山巖，Φ8 ～ 16 mm 頁(yè)巖陶粒，Φ3 ～ 6mm 綠沸石、石英砂，每種基質(zhì)鋪設(shè) 100 mm。

　　1. 2 不同水生植物組成的復(fù)合型人工濕地對(duì) COD、 NH3 - N 和 TP 去除效果

　　考慮到試驗(yàn)的連貫性，景觀型水生植物 + 空心菜構(gòu)建的復(fù)合型人工濕地試驗(yàn)在秋季進(jìn)行，秋季 -四種復(fù)合型人工濕地對(duì) COD、NH3 - N、TP 的去除效果如圖 3 所示。

圖 3 秋季 － 四種復(fù)合型人工濕地對(duì) COD、NH3 － N、TP 的去除效果

　　由圖 3( a) 可知，在秋季，四種復(fù)合型水生植物構(gòu)建的人工濕地系統(tǒng)對(duì)農(nóng)村散戶生活污水中的 COD 都有較好的去除效果，去除效果最好的為旱傘草 + 空心菜復(fù)合型人工濕地，去除率在 75% ～ 80% 之間，經(jīng)處理后污水中剩余的 COD < 50 mg / L，達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》( GB 18918 - 2002) 中的一級(jí) A標(biāo)準(zhǔn); 其次為美人蕉 + 空心菜、黃菖蒲 + 空心菜、香蒲+ 空心菜，其中去除效率最低的香蒲 + 空心菜復(fù)合型人工濕地系統(tǒng)對(duì) COD 的去除率也大于 60% ，出水中 COD < 100 mg / L，達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》( GB 18918 - 2002) 中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

　　由圖 3( b) 可以看出，四種復(fù)合型水生植物構(gòu)建的人工濕地系統(tǒng)對(duì) NH3 - N 也表現(xiàn)出較高的去除率，去除率最高的仍然為旱傘草 + 空心菜，其氨氮去除率達(dá)到 80% 以上，污水中剩余的 NH3 - N 在 5 ～ 7mg / L 之間，四種復(fù)合型人工濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除率由高到低為旱傘草 + 空心菜、美人蕉 + 空心菜、黃菖蒲 + 空心菜、香蒲 + 空心菜。人工濕地系統(tǒng)去除氨氮的主要途徑有: 微生物的硝化/ 反硝化作用、植物生長(zhǎng)時(shí)的吸收同化作用以及基質(zhì)填料的吸附作用。在本試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，在保證濕地系統(tǒng)較高滲透系數(shù)的情況下，使用了對(duì)氨氮具有選擇性吸附的綠沸石及其它多孔基質(zhì)，以提高基質(zhì)對(duì)氨氮的吸附去除率及為微生物生長(zhǎng)附著提供場(chǎng)地; 選取生物量大，根系發(fā)達(dá)的水生植物作為試驗(yàn)植物，以提高植物生長(zhǎng)對(duì)污水中氨氮的吸收同化作用及為微生物硝化去除氨氮提供足夠的氧氣，同時(shí)將景觀型水生植物和蔬菜型水生植物進(jìn)行套種，以充分利用太陽(yáng)光照以進(jìn)一步提高生物量。旱傘草因植株分蘗快、生物量大、根系擴(kuò)展能力強(qiáng)、根系密度大且成海綿狀分布等優(yōu)點(diǎn)對(duì)氨氮具有較高的去除率，同時(shí)空心菜也具有生物量大的優(yōu)點(diǎn)，為此旱傘草 + 空心菜復(fù)合型人工濕地可在保證對(duì)污水中氨氮高效去除的同時(shí)為農(nóng)戶提供優(yōu)質(zhì)的蔬菜，提高人工濕地系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

　　由圖 3( c) 可知，四種復(fù)合型水生植物構(gòu)建的人工濕地系統(tǒng)對(duì) TP 的去除以美人蕉 + 空心菜效果最佳，其 TP 去除率在 66% ～ 72% 之間。其它三種濕地系統(tǒng)對(duì) TP 的去除率由高到低其次為旱傘草 + 空心菜、黃菖蒲 + 空心菜、香蒲 + 空心菜，其去除率分別為 59% ～ 63% 、53% ～ 56% 、45% ～ 48% ，水體中總磷主要包括正磷酸鹽、酸式水解磷酸鹽、可溶性有機(jī)磷酸鹽和單質(zhì)磷等，在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，各種形式磷的去除是通過(guò)植物的同化作用而去除，而單質(zhì)磷主要是通過(guò)根的吸附和過(guò)濾被去除的。本試驗(yàn)過(guò)程中，旱傘草、美人蕉、黃菖蒲、香蒲、空心菜都有較大的生物量，但美人蕉生物量最大，對(duì)磷肥需求最多，使得美人蕉 + 空心菜濕地系統(tǒng)對(duì) TP 的去除率最大。

　　冬季氣溫低，水生植物會(huì)進(jìn)入休眠或生長(zhǎng)衰退期，生物量大大降低，同時(shí)微生物活動(dòng)也隨著溫度的降低而減弱，為此人工濕地系統(tǒng)去除污染物的效率在冬季大幅下降。水芹菜的生長(zhǎng)周期為 9 月 ～ 次年1 月，一種耐寒的多年生匍匐植物，即使在 - 10 ℃ 的低溫下仍可大量生長(zhǎng)，是冬季重要的蔬菜之一，因此在冬季以水芹菜代替空心菜，構(gòu)建水芹菜與其它四種景觀型水生植物的復(fù)合型人工濕地以研究冬季復(fù)合人工濕地對(duì)污水中污染物的去除效率。冬季 - 四種復(fù)合型人工濕地對(duì) COD、NH3 - N、TP 的去除效果如圖 4 所示。

圖 4 冬季 － 四種復(fù)合型人工濕地對(duì) COD、NH3 － N、TP 的去除效果

　　由圖 4 可知，在冬季，四種復(fù)合型人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水中 COD、NH3 - N、TP 都有去除效果，雖然整體去除效率要低于秋季由空心菜構(gòu)建的人工濕地系統(tǒng)，但人工濕地系統(tǒng)對(duì) COD、NH3 - N、TP 的最高去除效率仍然可達(dá)到 68% ～ 72% ，74% ～ 77% 和 53%～ 57% ，處理后的出水中 COD < 100 mg / L，NH3 - N< 15 mg / L，TP < 3 mg / L。四種復(fù)合型人工濕地系統(tǒng)對(duì) COD、NH3 - N、TP 的去除率由高到低都為旱傘草 + 水芹菜、黃菖蒲 + 水芹菜、香蒲 + 水芹菜、美人蕉 + 水芹菜，這主要是因?yàn)樵诙�季旱傘草、黃菖蒲、香蒲都有一定的生物量，而美人蕉基本處于休眠狀態(tài)，生物量低，微生物活性也大大降低，因而對(duì)污水中污染物去除有限。

　　本次試驗(yàn)在秋季和冬季構(gòu)建了不同類型的復(fù)合型人工濕地系統(tǒng)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可看出旱傘草 + 空心菜/ 水芹菜復(fù)合人工濕地由于其生物量大，根系分蘗快、擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)對(duì)污水中污染物都有較高的去除率，為此選擇旱傘草 + 空心菜/ 水芹菜復(fù)合人工濕地系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)研究。

　　2. 3 不同水力停留時(shí)間對(duì) COD、NH3 - N 和 TP 的去除效果

　　不同水力停留時(shí)間對(duì) COD、NH3 - N 和 TP 的去除效果如圖 5 所示。

　　從圖 5 可知，隨著水力停留時(shí)間的增加，人工濕地系統(tǒng)對(duì)農(nóng)村散戶生活污水中的 COD、NH3 - N、TP去除率隨之增加，這是因?yàn)楫?dāng) HRT = 1 d 時(shí)，生活污水中的大部分污染物還沒來(lái)得及被植物吸收利用或被微生物的降解就排出人工濕地系統(tǒng)，從而使人工濕地系統(tǒng)去除污染物的能力相對(duì)較低。當(dāng) HRT 延長(zhǎng)時(shí)，污染物與植物、微生物及基質(zhì)的接觸時(shí)間增長(zhǎng)，污 染 物 能 被 植 物、微生物及基質(zhì)吸收降 解，為此人工濕地系統(tǒng)去除污染物的能力大大提高;

圖 5 不同水力停留時(shí)間下對(duì) COD、NH3 － N 和 TP 的去除效果

　　但從圖 5 中也可看出，當(dāng) HRT 由 3 d 增加至 4 d，人工濕地對(duì)污染物的去除率有所提高，但提高的幅度不大，這是因?yàn)槿斯�濕地系統(tǒng)中植物、微生物及基質(zhì)只能吸收或降解一定量的污染物。通過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果及考慮到設(shè)備制作的經(jīng)濟(jì)性，長(zhǎng)期穩(wěn)定性試驗(yàn)的HRT 設(shè)計(jì)為 3 d。

　　2. 4 長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)

　　以旱傘草 + 空心菜/ 水芹菜人工濕地系統(tǒng)為研究對(duì)象，分別在秋季和冬季采用三格化糞池出水為系統(tǒng)進(jìn)水，HRT = 3 d 時(shí)，進(jìn)行了為期 30 d 的穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖 6 所示。

圖 6 秋季 －  旱傘草 + 空心菜、冬季 － 旱傘草 + 水芹菜復(fù)合型人工濕地系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究

　　從圖 6 可知，在旱傘草 + 空心菜/ 水芹菜復(fù)合型人工濕地，在秋季和冬季對(duì)污水中 COD、NH3 - N、TP的去除率都比較穩(wěn)定。旱傘草 + 空心菜對(duì)污水中COD、NH3 - N、TP 的去除率分別保持在 85% 、80% 、65% 左右，旱傘草 + 水芹菜對(duì)污水中 COD、NH3 - N、TP 的去除率分別保持在 80% 、70% 、55% 左右。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在秋季和冬季旱傘草 + 空心菜和旱傘草 + 水芹菜都表現(xiàn)出較好的污染物去除效果且系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，為此復(fù)合型人工濕地在保證一年四季對(duì)污水中污染物去除效率的同時(shí)還能提供優(yōu)質(zhì)蔬菜、美化農(nóng)村環(huán)境，具有較好的觀賞和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

　　3 小 結(jié)

　　1. 四種基質(zhì)( 綠沸石、火山巖、頁(yè)巖陶粒、卵石)對(duì) NH3 - N 和 TP 的吸附去除存在明顯差異，對(duì) NH3- N 吸附去除效果最好的為綠沸石，對(duì) TP 吸附去除效果最好的為頁(yè)巖陶粒。

　　2. 人工濕地系統(tǒng)基質(zhì)類型及鋪設(shè)方式: 從下到上面依次鋪設(shè) Φ32 ～ 50 mm 卵石，Φ16 ～ 25 mm 火山巖，Φ8 ～ 16 mm 黏土陶粒，Φ3 ～ 6 mm 綠沸石和石英砂，每種基質(zhì)鋪設(shè) 100 mm。

　　3. 秋季四種復(fù)合型水生植物人工濕地系統(tǒng)對(duì)COD、NH3 - N 的去除率由高到低為旱傘草 + 空心菜、美人蕉 + 空心菜、黃菖蒲 + 空心菜、香蒲 + 空心菜; 對(duì) TP 的去除率由高到低為美人蕉 + 空心菜、旱傘草 + 空心菜、黃菖蒲 + 空心菜、香蒲 +空心菜。冬季四種復(fù)合型水生植物人工濕地系統(tǒng)對(duì) COD、NH3- N、TP 的去除率由高到低都為旱傘草 + 水芹菜、黃菖蒲 + 水芹菜、香蒲 + 空心菜、美人蕉 + 空心菜。

　　4. 通過(guò)長(zhǎng)期穩(wěn)定性試驗(yàn)研究，表明旱傘草 + 空心菜/ 水芹菜所構(gòu)建的人工濕地系統(tǒng)具有較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，出水水質(zhì)穩(wěn)定，為此旱傘草 + 空心菜/ 水芹菜構(gòu)建的人工濕地系統(tǒng)在保證一年四季對(duì)污水中污染物去除效率的同時(shí)還能提供優(yōu)質(zhì)蔬菜、美化農(nóng)村環(huán)境，具有較好的觀賞和經(jīng)濟(jì)價(jià)值及應(yīng)用前景。(來(lái)源：長(zhǎng)沙市璽成工程技術(shù)咨詢有限責(zé)任公司)