人工濕地植被凈化水質效果及其氮磷累積研究

李偉斯, 李長虹, 徐 斌, 李修嶺

(1.山東省臨沂市環境監測站, 山東 臨沂 276000; 2.青島理工大學環境與市政工程學院, 山東 青島 266033; 3. 臨沂大學 生命科學學院, 山東 臨沂 276000)

人工濕地作為一種人工生態系統，是對自然濕地的人工模擬，在利用有關基質、植物和微生物三者協同作用的基礎上來達到有效凈化污廢水的效果，因其生態化的處理方式而應用廣泛，且效果良好，不僅在工業廢水和生活污水凈化處理方面應用廣泛，也應用于農業排水的凈化，其凈化效果主要依賴于物理、化學及生物的綜合作用。但凈化效果需依賴于相關的基質填料與能夠產生顯著凈化效果的植物，目前人工濕地方面的基質與植物等相關研究已在國內外廣泛進行[1-2]。常規的基質填料主要包括沙和礫石等，隨著研究的不斷深入，諸如礦石及工業副產品等性能較高的基質填料等研究日益成熟，同時一些混合基質研究也不斷開始，比如沸石、白云石等，還有諸[3-4]。當然，對濕地植物的相關研究也逐漸轉向多功能化的方向，通過研究發現諸如香蒲、美人蕉、燈心草等都是相當理想的濕地植物，對于污水具有較強的凈化效果，同時這些植物具有很好的生長適應性，在頗具美感的同時具有良好的實用效果[5-6]。可以說，人工濕地日益成為一種環保有效的污水處理技術，一種生態化的處理手段。在國外，人工濕地在廢水及污水處理方面的研究相當廣泛，但在國內這方面的研究相對較少，在城市水污染嚴重的今天，研究濕地污水廢水凈化具有重要的現實意義，能夠對我們的生活帶來有益的影響[7]。

1　材料與方法

1.1　試驗材料

1.2　人工濕地結構

人工濕地試驗區位于青島理工大學，該人工濕地系統采取的是串聯構成方式，利用的是3級過濾池，并結合8級表面流人工濕地，并對濕地進行S型的幾何布局，主要對日常水質凈化效果進行試驗。考慮到城市水質日均排放具有很大的不穩定性，因此將一調節池布局在了濕地系統前部，從而對進出流量進行有效調節，這樣就能保障進入濕地系統的流量穩定。其中的快速滲濾系統由3級滲濾槽組成，其水力負荷達到了1.5 m3/(m2·d)，其中濕地生物塘所產生的平均水力負荷達到0.08 m3/(m2·d)。表1具體表述了各級表面流濕地中種植的水生植物，這些植物的選擇亦是考慮了當地的生長特點，其中水生植物均在人工濕地運行一年后種植，行距為0.3 m，株距為0.4 m，管理模式保持一致。每一級為長方體濕地床，其組成部分有機玻璃厚達10 mm，其中長×寬×高=1.8 m×1.6 m×0.8 m，坡度<5%，集水區位于底部區域，并在上面鋪放尼龍網，分3層依次進行基質的填充，這樣能夠較好的防止填料的下漏，從而保障試驗效果的準確性，另外，還要在每個單元進行對角線的PVC管埋入處理，管的直徑要達到12 mm，這樣濕地中的水能夠通過PVC管進行不斷的循環，從而方便進行試驗樣品水質的采集工作，為了保障水流的曲折蜿蜒，增強濕地與污水的接觸，同時提升濕地的利用效率，特通過導流墻對濕地床體進行有效分割，本試驗中將床體以串聯的形式分成了8個單元床，其中的大小為0.4 m×1.5 m×1.0 m，并在導流墻上進行過水孔布局，對相鄰導流墻過水孔進行上下對角線處理，這樣水流彎曲之下能夠增大與污水的接觸面積，利于在各單元床出水口進行水樣的采集，同時對水樣進行監測分析，進而研究其去除機制和效果。

表1　濕地系統各級參數設置

1.3　測定方法

人工濕地運行一年后，2016年1月至12月期間共對濕地系統11個取樣點進行了12次的不定期取樣分析，這些取樣分布在不同的月份，取樣處主要分布在濕地系統的各過濾池和濕地床的進出口，同時也對整個濕地系統的出口進行了采樣，之后對取樣水質進行化驗分析[15]，各指標的去除率取決于進水口值與出水口值，具體計算公式為：

去除率=(進水口值—出水口值)/出水口值×100%

然后對每個單元人工濕地1 m2樣方范圍內植株生長情況進行統計，主要統計其數目、株高等相關的生長性狀，之后將其收割，并按照地上和地下部分進行分類烘干，然后分別測定其生物量分布狀況；之后分別將地上和地下植被樣品進行粉碎操作，并使用H2SO4-H2O2消煮后制備成溶液，同時采用過硫酸鉀氧化吸光光度法對植被TN進行詳細的測定，TP則采取釩鉬藍法進行測定[16]。其中植被N，P的積累量取決于其濃度和植被的生物量，也即是：

植被N，P積累量=植被體內N，P濃度×植被生物量

1.4　數據分析

根據各指標的數據測定，本研究采取Origin 9.0軟件對其采取曲線擬合處理，曲線擬合類型不僅包括常規的指數擬合、線性擬合，還包括較為復雜的二次多項式擬合。具體的各擬合曲線計算公式如下：

指數擬合曲線計算公式：y=a·ebx

線性擬合曲線計算公式：y=ax+b

二次擬合曲線計算公式：y=ax2+bx+c

對進口水質濃度值Ci進行相應擬合計算后得到相應的擬合曲線系數，然后在此基礎上對其進行一元回歸分析，分析軟件為SPSS 19.0，通過相應的回歸分析能夠得到各擬合曲線系數與進口濃度值之間的關系。

通過相應的回歸分析，能夠得出不同的擬合曲線方程，之后對其進行相關分析和均方根誤差RMSE分析，為了提高分析的精確性，還需進行相對均方根誤差RRMSE等評價指標檢驗，這樣能夠得到不同檢測指標之下更為精確的擬合曲線類型。

通過判定系數(R2)、F檢驗值和回歸檢驗顯著水平(p<0.01)來篩選生物量統計模型。另外，由于樣本的預測值與實測值之間會存在一定的誤差，為了更好的分析二者的差異情況，一般通過總相對誤差(RS)和平均相對誤差絕對值(RMA)兩種方法進行雙重檢驗。計算公式如下：

均方根誤差RMSE

相對均方根誤差RRMSE

式中：C1為檢測指標的模擬值；C2為檢測指標的實測值；C3為檢測指標的平均值；n為檢測指標的樣品個數。

之后利用SPSS 21.0統計分析軟件進行相應的回歸分析：首先對所采取的數據進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，并利用LSD進行多重比較分析，然后建立植被N，P積累量與植被生物量，N，P濃度的線性回歸方程，這樣通過對原始數據進行擬合線性回歸分析就能夠獲取相應的擬合度參數r2，同時對相關系數的顯著性進行檢驗(p<0.05)。

2　結果與分析

2.1　人工濕地中的水質各指標沿程變化

表2　水質各指標在人工濕地中的沿程變化

注：同行相同字母表示差異不顯著(p<0.05)。

2.2　水質各指標沿程的衰減模型

圖1　人工濕地植被對生活污水的凈化率

2.3　水質各指標擬合曲線相關性分析

然后進行相關性檢驗和指標評價分析，該分析建立在利用試驗得出的指數模型、線性模型和二次多項式模型，通過相應的擬合相關分析和評價來判定模型是否合理性，進而從中找出更佳的擬合公式。通過表3的水質各指標擬合相關分析結果可以看出，各擬合曲線模型的模擬值與實測值之間顯著相關性水平達到了p<0.01，這表明這3種模型在該濕地系統中模擬效果較好，從而為試驗結果準確性奠定基礎。

表3　城市水質各指標的衰減模型

表3　水質各指標擬合曲線相關性分析

2.4　人工濕地植被N，P含量及積累量分析

植被氮磷積累量是植被通過吸附、截流等作用之下的氮磷凈化，是直接反映植被凈化潛力的重要指標之一，其大小由生長量和植被內氮磷平均含量決定。由圖2，3中發現，人工濕地植被葉片N含量變化范圍在15.23～29.56 mg/g，且基本呈現逐級遞增的趨勢，也就是說隨著沿程的變化，植被葉片N含量也在隨之增加，但增加速度在放慢，這也能從側面反映出第1格植被對N的處理能力較強；人工濕地植被葉片N積累量變化范圍在16.23～29.15 g/m2，也呈現出逐級遞增的趨勢，說明隨著沿程的進展，植被對N的吸附及吸收效果越來越明顯；人工濕地植被葉片P含量變化范圍在1.68～4.58 mg/g，且基本呈現逐級遞增的趨勢，但增加速度較為緩慢，說明隨著沿程變化，植被P含量在緩慢上升，說明大量的P在被植被吸收、過濾等效果不是特別明顯；人工濕地植被葉片P積累量變化范圍在0.83～3.56 g/m2，基本表現出緩慢的逐級遞增趨勢，說明濕地植被對P的吸收消化速度較慢。通過對人工濕地植被N，P含量及積累量的對比發現，濕地植被對N的吸收過濾速度較快，且具有更好的處理效果。同時這也反映出不同的植被對不同的水質指標成分具有不同的凈化作用，這樣可以通過植被的錯配來全面進行污水廢水營養成分的凈化，從而提升整體的濕地植被凈化作用。

2.5　人工濕地植被N，P含量與生物量間的關系研究

利用人工濕地試驗原始數據進行擬合線性分析，濕地植被選擇的是茭白、蘆葦、鳳眼蓮及美人蕉，從而得出了相應的回歸關系，然后利用統計學檢驗得到了擬合度參數r2，并分別在p<0.05和p<0.01的顯著水平下對相關系數的顯著性進行檢驗，以此來確定不同類型人工濕地植被N，P積累量與生物量、N，P濃度之間是否具有顯著的相關關系。利用F檢驗發現，線性回歸關系均達到0.01的顯著性水平，說明構建的回歸關系是合理的。從表4不難看出，人工濕地植被N，P積累量分別與生物量、N，P含量在p<0.05的顯著性水平達到了線性關系，這說明濕地植被對N，P去除的作用明顯的受到生物量和植被N，P濃度的影響，也即是說能夠通過生物量和植被N，P濃度來評價濕地植被對N，P的去除效應。

圖2　人工濕地植被N，P含量

圖3　人工濕地植被N，P積累量

濕地植被xy擬合線性方程r2FpN積累量(g/m2)生物量(g/m2)y=28.163x-9.2650.895152.89**茭白P積累量(g/m2)生物量(g/m2)y=15.023x+2.1540.902175.14**N積累量(g/m2)N含量(mg/g)y=2.587x+12.0390.63598.74*P積累量(g/m2)P含量(mg/g)y=1.897x+35.0260.32156.23-N積累量(g/m2)生物量(g/m2)y=12.788x-15.0320.912146.78**蘆葦P積累量(g/m2)生物量(g/m2)y=21.485x-1.2630.925165.32**N積累量(g/m2)N含量(mg/g)y=9.157x-1.5640.662128.47-P積累量(g/m2)P含量(mg/g)y=6.259x+38.0250.42361.24-N積累量(g/m2)生物量(g/m2)y=6.598x+1.2570.895134.77**鳳眼蓮P積累量(g/m2)生物量(g/m2)y=35.697x-2.1520.902169.87**N積累量(g/m2)N含量(mg/g)y=3.987x+2.3980.755123.45*P積累量(g/m2)P含量(mg/g)y=0.698x-2.1470.828143.02**N積累量(g/m2)生物量(g/m2)y=4.159x-0.9870.898154.98**美人蕉P積累量(g/m2)生物量(g/m2)y=0.989x+34.0210.923168.97**N積累量(g/m2)N含量(mg/g)y=3.698x+9.5630.56392.56-P積累量(g/m2)P含量(mg/g)y=1.574x-13.5890.42687.03-

注：“**”表示在0.01水平上顯著相關，“*”表示在0.05水平上顯著相關。

2.6　N，P積累量與各指標去除率之間的相關性

錯誤分析理論是二語習得的一個重要理論，對語言教學有著重要的指導作用。本文主要基于Corder的錯誤分析理論以及陳菁（2002）的口譯能力識別分類對高校口譯課堂上學生所犯的錯誤進行理解分析，旨在啟示高校口譯課堂教學模式和內容。

表5　各污染物去除效果之間的相關性

注：**相關性在0.01水平上顯著(雙尾)；*相關性在0.05水平上顯著(雙尾)。

3　結論與討論

人工濕地中的植被能夠對污水廢水雜質進行截流、過濾，同時還能通過微生物的新陳代謝來進行水質的凈化，這也正是人工濕地能夠帶來較好凈化水質效果的重要原因之一。一般情況下，為了提升微生物的掛膜空間以增強其凈化水質的效果，常利用孔隙度較大的礫石作為人工濕地的基質填料[17-18]。本研究中將爐渣與泥沙作為人工濕地基質，因為二者能夠對抑制土壤系統表面的短流情況，從而利用多孔來擴大濕地表面積，并促進微生物的新陳代謝活動，通過這些有利條件對人工濕地的去除效果進一步增強。與傳統的人工濕地營養鹽削減模型相比而言，本研究試驗構建的模型主要是對營養鹽濃度在多級串聯表面流人工濕地中沿程衰減變化的規律進行研究分析，與各個子濕地中營養鹽的停留時間長短關系不大，從而構建其與總濕地系統進口初始濃度之間的關系模型[19]。通過對該模型的結果分析和研究方法，為今后進行多級串聯人工濕地氮磷濃度的沿程變化變化提供有益參考，也就是說要首先獲取任意時段內濕地系統進口濃度數據，然后通過相關性研究及回歸分析來預測濕地系統中某些濕地子系統中的濃度。

人工濕地綜合利用了基質—微生物—植被的凈化機理，但是考慮到基質的吸附凈化能力會隨著時間的推移而降低直至達到飽和狀態，一旦其吸附容量達到飽和水平將因清理難度大而難以再次重復利用；相反，濕地植被則能夠利用其截流過濾作用有效凈化水質，并在微生物的綜合作用下產生顯著的凈化作用。濕地植被一方面通過直接吸收及過濾污廢水的營養物質及有機物來對水質進行凈化，另一方面通過提高濕地滲透能力、增強微生物活性等作用來間接進行水質凈化，并對于基質的使用時間起到延長作用，因此濕地植被的選擇相當重要，這直接關乎濕地的水質凈化效果。在實際的濕地構建中，濕地植被的選擇不是單一的，要做好濕地植被的錯配，因為不同的植被對水質中不同的成分具有不同的凈化效果和能力，要依靠多元化的濕地植被來提升濕地系統的凈化能力，同時選擇合適的基質填料，綜合利用濕地的去除凈化作用。

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