模擬鹽度變化對人工濕地脫氮除磷效果的影響①

趙林麗，姜小三，邵學新，吳 明，陸琳瑩，陶吉興

模擬鹽度變化對人工濕地脫氮除磷效果的影響①

趙林麗1,2，姜小三1,4*，邵學新2，吳 明2，陸琳瑩2，陶吉興3*

(1 南京農業大學資源與環境科學學院，南京 210095；2 中國林業科學院亞熱帶林業研究所，浙江富陽 311400；3 浙江省森林資源監測中心，杭州 3100200；南京農業大學泰州研究院，江蘇泰州 225311)

為探究人工濕地處理含鹽生活廢水的可行性，本研究構建了小尺度的人工濕地模擬系統，比較了不同鹽度(0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%)下人工濕地蘆葦的生長情況以及幾種典型污染物的去除效果。結果表明：①鹽度對人工濕地中蘆葦生長的影響表現出“低鹽促進”、“高鹽抑制”的特點，在0.5% 進水鹽度下，蘆葦有最高株高1.22 m和最大基徑0.48 cm；②人工濕地對COD的去除率總體表現為隨鹽度的升高先升高后降低，在鹽度為0.5%時，COD去除率達到最高84.86%；③當進水鹽度為0.5% 時，人工濕地對氮磷的去除幾乎沒有受到鹽度的抑制；當進水鹽度高于1.0%，隨著鹽度的升高，TN(總氮)、NH4+-N、NO– 3-N、TP(總磷)的去除率均顯著降低(<0.05)，在2.0% 鹽度下分別下降到了44.40%、58.89%、49.23%、49.49%，相較0.0% 鹽度時分別降低了38.5%、23.4%、23.8%、19.2%。④不同污染物受鹽分抑制程度不同，氮比磷更容易受到鹽分的抑制，NH4+-N比NO– 3-N更容易受到鹽分的抑制。

人工濕地；鹽度；COD；氮；磷

隨著我國沿海城市水資源短缺形勢的加劇，海水代用大生活用水技術逐漸受到人們的重視，隨之而來的含鹽廢水的處理成為了當前急迫的研究課題。目前常用的處理方法包括離子交換法、SBR、A2/O法等[1-3]對含鹽廢水均有一定的處理效果，但因投資運行費用較高或處理能力不穩定而難以在實際生產過程中推廣應用。

人工濕地作為一種生態、高效的凈化技術，為含鹽廢水的處理提供了新的選擇。近十幾年，國內外學者已開始嘗試采用人工濕地對含鹽廢水進行處理[4-6]，但含鹽廢水來源廣泛，目前對含鹽污水的研究主要集中在海水養殖用水、制革廠廢水、紡織廠廢水等方面，針對海水代用大生活用水所產生的含鹽生活污水的處理研究還鮮有報道。由于不同來源的含鹽廢水在組成和濃度上均存在差異，導致人工濕地對其處理能力也會不同。因此，本研究構建了小尺度的人工濕地模擬系統，通過比較不同鹽度(0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%)進水下人工濕地蘆葦的生長指標及有機物、氮、磷的去除效果來探討利用人工濕地處理海水代用大生活用水所產生的含鹽廢水的可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與基質

試驗場地設在中國林科院亞熱帶林業研究所內虎山生態學試驗基地，如圖1所示，試驗裝置為高60 cm，內徑25 cm 的PVC 特制盆缽，底部為出水口。盆缽由下往上分別填充5 cm 厚的礫石層(粒徑8 ~ 16 mm)、10 cm 厚的無煙煤層(粒徑4 ~ 8 mm)，25 cm 厚的沸石層(粒徑2 ~ 4 mm)以及10 cm 厚的土壤層。

1.2 試驗設計與進水

試驗供試植物為耐鹽性較好的蘆葦，在2017年4月于杭州灣圍墾區蘆葦濕地挖取長勢相近的植株進行移栽，每盆移栽8株，種植密度為163株/m2。蘆葦移入盆缽后先用虎山試驗基地的池塘水(水質情況見表1)調試培育一段時間，在植株高度為60 cm 左右時開始試驗。

試驗所用含鹽生活污水參考了馮華軍等[7]對浙江大學華家池校區家屬區化糞池出水的調查結果，由虎山試驗基質的池塘水加入葡萄糖、硫酸銨、磷酸二氫鉀、硝酸鈣和不同比例的海鹽配制而成(表1)。進水鹽度分別控制為原污水鹽度0.0%、0.5%、1.0%、1.5% 和2.0%。采用間歇進水方式運行，每隔3 d 進一次水，一次進水12 L，依靠重力作用漫流入人工濕地，使污水正好能沒過沸石層而不超過土壤層，水力停留時間為3 d，水力負荷為0.08 m3/(m2·d)。

試驗以階段提高鹽度的方法逐漸提高污水中的鹽度：在1 ~ 6 d，15個盆缽中均注入未添加海鹽的生活污水；在7 ~ 12 d，除0.0% 組，其他4個試驗組均注入鹽度為0.5% 的生活污水；以此類推，直到第25 天，5個試驗組中分別注入0.0%、0.5%、1.0%、1.5% 和2.0% 的生活污水，運行2周進入穩定狀態，之后的1個月每隔3 d 采集水樣，測定COD、TN、NO– 3-N、NH4+-N、TP。試驗結束，收割蘆葦，測定株高和基徑(量取離根部約15 cm 處的徑粗作為蘆葦的基徑)。

表1 試驗用水及進水水質(mg/L)

1.3 指標測定與統計分析

試驗過程中的主要水質監測項目為COD、TN、NO– 3- N、NH4+-N、TP，分別采用重鉻酸鉀法(GB 11914—1989)、過硫酸鉀氧化分光光度法(GB/T 11894)、紫外分光光度法(GB 7480—1987)、納氏試劑分光光度法(GB/T 7479)和鉬銻抗分光光度法(GB/T 11893)進行測定[8]。

使用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0對數據進行統計分析和繪圖，對不同進水鹽度下的蘆葦生長指標數據和水質數據分別進行 LSD 法顯著性檢驗(< 0.05)和 Duncan多重比較(= 0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同鹽度下蘆葦的株高和基徑變化

從表2可知，蘆葦在0.0%、0.5%、1.0% 鹽度進水下均有小苗長出，且長勢較好，株高總體在1.00 m以上，基徑總體在0.4 cm以上；當鹽度超過1.5%，蘆葦葉片變小、發黃，且植株較為矮小和纖細。

多重比較結果表明，不同鹽度下蘆葦的株高和基徑均存在顯著性差異(<0.05)。隨著鹽度的升高，蘆葦的株高和基徑均表現出先升高再降低的趨勢。當進水鹽度為0.5% 時，蘆葦平均株高達到最高1.22 m，相較0.0% 鹽度下升高了14.0%；當進水鹽度分別為1.0%、1.5%、2.0% 時蘆葦生長受到抑制，株高相較于0.0% 鹽度下分別降低了7.7%、26.6%、37.5%。蘆葦的平均基徑在進水鹽度為0.5% 時也最大，達到了0.48 cm，相較0.0% 鹽度下升高了6.4%；在1.0%、1.5%、2.0% 鹽度下的蘆葦基徑相較0.0% 鹽度水平下分別降低了12.8%、27.4%、38.5%。

2.2 不同鹽度下人工濕地有機物及氮、磷去除率的變化

表3結果顯示，在低鹽度下，人工濕地對污水中幾種典型污染物均有較高的去除率。當進水鹽度為0.0%，人工濕地對COD、TN、NH4+-N、NO– 3-N、TP的去除率分別為72.13%、72.19%、76.90%、64.60%、61.24%。隨著鹽度的升高，人工濕地對不同污染物的去除能力受到的抑制程度有所不同。

多重比較結果顯示，不同鹽度下人工濕地對COD的去除率之間均存在顯著性差異(<0.05)，總體表現為隨鹽度的升高先升高后降低；當進水鹽度為0.5% 時，人工濕地對COD去除率達到最高84.86%，相較0.0% 鹽度時升高了17.6%；當進水鹽度為1.0%、1.5%、2.0% 時，COD去除率分別為63.11%、51.18%、47.46%，相較0.0% 鹽度時分別降低了12.5%、29.0%、34.2%。

當進水鹽度升高為0.5% 時，人工濕地對氮的去除幾乎沒有受到鹽分的影響，去除率之間不存在顯著差異(>0.05)，其中TN、NO– 3-N的去除率相較0.0% 鹽度下有所升高，說明輕微的鹽度刺激可以提高人工濕地對TN、NO– 3-N的去除率，但升高幅度不明顯；當鹽度升高到1.0% 時，TN、NH4+-N、NO– 3-N去除率均明顯降低，分別為62.83%、71.31%、61.05%，相較0.0% 進水鹽度下分別降低了13.0%、7.3%、1.6%，說明在1.0% 的進水鹽度下人工濕地中TN、NH4+-N、NO– 3-N的去除均表現出了較為明顯的抑制作用，其中NO– 3-N的去除率下降幅度很小，可以判斷出，其受到的鹽脅迫相較NH4+-N小一點；當進水鹽度為2.0% 時，氮素的去除作用受到了明顯的抑制，TN、NH4+-N、NO– 3-N的去除率分別下降到了44.40%、58.89% 和49.23%，相較0.0% 進水鹽度下分別降低了38.5%、23.4%、23.8%。

表2 不同鹽度下蘆葦的株高和基徑

注：表中數據為平均值±標準差；同列數據小寫字母不同表示Duncan多重比較結果存在顯著性差異(<0.05)，下同。

表3 不同鹽度下人工濕地對污染物的去除率及水環境情況(%)

鹽度對TP去除率的抑制作用表現為先增大后減弱再增大的趨勢。當進水鹽度升高為0.5%時，人工濕地對磷的去除幾乎沒有受到影響，甚至有輕微的升高；當鹽度升高到1.0% 時，TP去除率降低為56.22%，相較0.0% 進水鹽度下降低了8.2%，說明此時鹽度對人工濕地中磷的去除表現出了明顯的抑制作用；在1.5% 進水鹽度下，TP去除率相較1.0% 鹽度時不存在顯著性的差異(>0.05)，說明此時鹽度對TP去除的抑制作用反而有所減弱；當進水鹽度為2.0% 時，人工濕地對TP的去除率下降到了49.49%，相較1.5% 鹽度時降低了8.9%，相較0.0% 鹽度時降低了19.2%。

3 討論

3.1 鹽度變化對蘆葦生長的影響

本研究發現，鹽度對蘆葦生長的影響表現出“低鹽促進”和“高鹽抑制”的特點，這與目前大多數的研究結果一致。陳友媛等[9]發現，輕微的鹽度刺激下(鹽度為0.5%)蘆葦的株高凈增長和含水量均會升高，但隨著鹽度繼續升高，蘆葦植物受到鹽脅迫的影響，其株高和含水量均隨鹽分的升高逐漸降低。程憲偉等[10]分別比較了0.0、2.7、4.7、6.7 和 9.5 g/L鹽度下蘆葦的株高增長率，發現蘆葦的株高增長率隨著鹽度升高先增大后減小，在鹽度為2.7 g/L時株高增長率最高。戚志偉[11]的研究也發現，蘆葦株高隨著土壤電導率的增加呈現出先升高后降低的趨勢。

鹽度是影響濕地植物生長、分布和繁殖的重要環境因子。有研究表明[12]，環境中過量的Na+、Cl–會對濕地植物吸收K+、Ca2+等有益元素起到干擾作用。本研究選用的蘆葦植株均采自杭州灣濱海蘆葦濕地，由于濱海濕地所處地理位置特殊，長期受到海水的影響，其土壤以鹽土類的濱海鹽土亞類和潮土化鹽土為主[13]，使得蘆葦植株本身具有一定的耐鹽性，能夠在鹽度較高的環境中正常生長和代謝，因此，在試驗進水鹽度較低時，蘆葦植株對鹽分和鹽分提高帶來的高滲透壓具有一定的抵抗能力。輕微鹽度刺激下蘆葦株高和生物量反而增加可能是因為蘆葦受鹽脅迫時可以通過調整生物量分配模式來適應高鹽環境。Mauchamp和Mésleard[14]研究了蘆葦對鹽分的耐受響應，發現蘆葦在受鹽脅迫時生物量分配模式會發生改變，其地上部分尤其是莖的生物量分配比例會增加，而地下部分的比例將會減少。Naidoo和Kift[15]研究也發現，在受鹽脅迫死亡的植物的莖中Na+濃度要明顯高于其他的器官。當鹽度≥1.5%，蘆葦長勢變差，說明此時鹽分升高帶來的滲透脅迫、離子毒害等可能抑制了蘆葦植物的生理過程如呼吸作用、光合作用、脂類代謝、蛋白質合成等[16]，進而對蘆葦植株的生長起到了明顯的抑制作用。

3.2 鹽度變化對人工濕地COD去除的影響

人工濕地中有機物的去除方式主要為濕地微生物的好氧降解與厭氧降解作用，除此之外，植物的吸收作用也能去除一部分外界環境中的有機物質。本研究中，不同進水鹽度下蘆葦人工濕地系統對COD的去除率之間均存在顯著性差異(<0.05)，總體表現為隨鹽度的升高呈現出先升高后降低的規律。這與高鋒等[17]的研究結果不一致。高鋒等[17]探究了鹽分對人工濕地凈化污水效果的影響，發現隨著鹽度的升高，COD去除率呈現出逐漸下降的趨勢。

當進水鹽度為0.5% 時，鹽分促進了蘆葦植株的生長，進而促進了蘆葦對污水中有機物的吸收作用。筆者猜測，輕微的鹽度可能刺激了植物和微生物的抗鹽反應，使其通過增強呼吸作用以分解有機物獲得更多的能量來抵抗鹽脅迫產生的高滲透壓，從而導致系統COD去除率有所升高。當進水鹽度超過0.5%，COD去除率是逐漸降低的，這是由于鹽分對蘆葦產生了脅迫作用，抑制了蘆葦的生長代謝作用從而減少了植物對污水中有機物的吸收；同時，鹽分的升高導致的環境滲透壓升高、離子毒害作用等對濕地微生物也產生了影響，從而破壞了濕地系統中有機污染物的降解過程。

3.3 鹽度對人工濕地氮素去除的影響

本研究中，當進水鹽度低于0.5% 時，人工濕地對氮素的去除幾乎沒有受到鹽度的抑制，相反，TN和NO– 3-N的去除率有所升高，這與蘆葦的生長指標所表現的“低鹽促進”、“高鹽抑制”的規律一致。濕地植物在生長代謝過程中能夠吸收污水中的氮素[18-19]，同時根系能夠釋放分泌物，提供氧氣[20]和表面附著位點來間接促進硝化和反硝化微生物類群的活性[21]。微生物的硝化和反硝化作用是人工濕地氮去除的主要機制，占總去除氮量的比例為60% ~ 90%[22-23]。因此，低鹽度對蘆葦生長的促進作用也間接提高了人工濕地系統中氮素的去除率。

當進水鹽度大于1.0% 時，隨著鹽度的升高，TN、NH4+-N、NO– 3-N的去除率均顯著降低，但降低的幅度不一致，分別為13.0%、7.3%、1.6%，TN和NH4+-N的去除相較NO– 3-N受到鹽度的抑制作用更明顯。這與以往的研究結果一致。Dincer 和 Kargi[24]的研究發現，鹽分濃度為NaCl 10 g/L時開始對硝化反應產生抑制，且亞硝酸鹽氧化率比好氧氨氧化率降低程度更大。蔡艦等[25]比較了0.5%和1.0% 鹽度下蘆葦濕地的脫氮效率，發現TN和NH4+-N的去除率均受到了顯著的抑制，但NO– 3-N的出水濃度沒有明顯變化。這是由不同功能的微生物群落在鹽度的脅迫下有不同的響應機制和耐受范圍導致的。微生物的硝化和反硝化作用是人工濕地脫氮的主要途徑，硝化反應是硝化菌在好氧條件下將銨氮氧化為亞硝酸鹽氮，再將亞硝酸鹽進一步氧化為硝酸鹽的過程；反硝化反應是反硝化菌利用碳源作為電子供體將亞硝氮和硝氮還原為氮氣的過程，涉及的微生物包括反硝化菌(氨氧化細菌、亞硝酸鹽氧化菌)和反硝化菌。Liu等[26]在用序批式反應器處理含鹽廢水時發現，當鹽濃度 > NaCl 20 g/L時，亞硝酸鹽氧化菌(NOB)存活率 < 1%，好氧氨氧化細菌(AOB)的存活率僅下降了50%，說明硝化過程中NOB比AOB對鹽分更敏感，從而導致了好氧氨氧化和亞硝酸鹽氧化過程的分化。此外，Panswad和Anan[27]比較了不同種類微生物的抗鹽沖擊能力，發現反硝化菌的抗鹽沖擊能力優于硝化菌。因此，在低鹽度進水下，亞硝酸鹽氧化菌首先受到鹽度的抑制，使亞硝酸鹽的氧化受阻，人工濕地中亞硝酸鹽的積累導致TN去除率下降；隨著鹽度的升高，好氧氨氧化細菌也逐漸受到了鹽分的抑制，導致出水中NH4+-N濃度逐漸升高，NH4+-N去除率顯著降低；反硝化菌的抗鹽性最好，但在高鹽度下其活性也會受到鹽度的影響，導致NO– 3-N去除率的降低。

3.4 鹽度對人工濕地磷素去除的影響

本研究中，不同鹽度下人工濕地對TP的去除率在49.49% ~ 61.24%，相較氮素，磷的去除受進水鹽度的影響較小，這與前人的研究結果一致。高鋒等[28]研究發現，不同鹽度下蘆葦人工濕地的TP去除率在38.2% ~ 46.5% 之間，受鹽度的抑制作用較小。王巧芳[29]比較了潛流人工濕地對含鹽污水的凈化效果，發現0.5%、1.0% 鹽度下TP去除率分別為57.80% 和52.07%。但孫萍[30]的研究結果顯示，水培試驗系統中蘆葦的TP去除率隨鹽度升高顯著降低，說明基質對人工濕地磷素的去除起著關鍵的作用。人工濕地中磷的去除是在基質吸附[31]、過濾，化學沉淀作用，植物體的吸收[32]以及微生物的同化[33]等多種途徑的協同作用下除去的。Reddy等[34]的研究發現，基質吸附沉淀作用除去的磷約為總去除磷量的7% ~ 87%，是人工濕地中磷去除的主要途徑?；|中的Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe3+等金屬離子、金屬氧化物和氫氧化物以及黏土礦物可與可溶性無機磷酸鹽發生吸附沉淀反應或配位體交換作用[35]，幾乎不受鹽濃度的抑制作用影響。因此，在不同鹽度進水下人工濕地對磷素的去除效果相對較為穩定，鹽度人工濕地除磷造成的部分影響主要是通過影響植物吸收和微生物的同化作用來實現的。

在進水鹽度為0.5% 時，人工濕地的TP去除率為61.56%，相較0.0% 鹽度時升高了0.5%，這可能是由于低鹽度刺激了蘆葦生長，促進了其對污水中磷素的吸收，從而提高了人工濕地的除磷效果。但植物吸收作用除去的磷占總去除磷量的比例很小[36]，出水中TP去除率的提高并不明顯。

當進水鹽度為1.0% 時，蘆葦長勢良好，相較0.0% 鹽度下株高和基徑的變化幅度不大，但人工濕地的TP去除率明顯降低至56.22%，相較0.0% 鹽度時降低了8.2%，可以判斷出，此時TP去除率的降低是由于除磷微生物受到了鹽度的抑制。微生物對磷的去除機制主要是聚磷菌對磷的過量積累[37-38]。聚磷菌在好氧條件下不斷地分解自身以及外界的有機物以獲得能量，這個過程中，其能將大部分來自于外界環境的磷酸鹽合成ATP，從而去除水中的磷。Panswad和Anan[27]的研究發現，聚磷菌對鹽分具有強烈的敏感性，相較硝化細菌更容易受到鹽分的抑制，因此1.0% 的鹽度對聚磷菌已經產生了脅迫作用。當進水鹽度為1.5% 時，濕地出水中TP去除率為54.33%，相較1.0% 鹽度時的去除率無顯著差異(>0.05)，但在進水鹽度為2.0% 時，試驗出水中磷酸鹽濃度又有明顯的升高，導致TP去除率降低至49.49%。產生這種現象的原因可能是由于大部分聚磷菌在1.0% 鹽度下已失去活性，因而隨著鹽度的升高，TP去除率的下降幅度反而降低，在2.0% 進水鹽度下，聚磷菌體內的ATP水解，將磷酸鹽重新釋放到了水中。

4 結論

1)鹽度對人工濕地中蘆葦生長的影響表現出“低鹽促進”、“高鹽抑制”的特點，在進水鹽度為0.5% 時，蘆葦有最高株高1.22 m和最大基徑0.48 cm。

2)不同進水鹽濃度下蘆葦人工濕地對COD的去除率均存在顯著性差異(<0.05)，總體表現為隨鹽度的升高先升高后降低，在進水鹽度為0.5% 時，人工濕地系統COD去除率達到最大。

3)人工濕地對TN、NH4+-N、NO– 3-N、TP的去除率在0.5% 的進水鹽度下分別為72.58%、76.60%、66.12%、61.56%，與0.0% 鹽度時相比不存在顯著差異(>0.05)；當進水鹽度超過1.0%，鹽分對氮磷的去除效果均有明顯的抑制作用；在2.0% 鹽度下，TN、NH4+-N、NO– 3-N、TP去除率分別下降到了44.40%、58.89%、49.23%、49.49%，相較0.0% 鹽度時分別降低了38.5%、23.4%、23.8%、19.2%。

4)在相同進水鹽度下，不同污染物受鹽分的抑制程度不同，氮比磷更容易受到鹽分的抑制，NH4+-N比NO– 3-N更容易受到鹽分的抑制。

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Effects of Simulated Salinity Change on Nitrogen and Phosphorus Removal in Constructed Wetland

ZHAO Linli1,2, JIANG Xiaosan1,4*, SHAO Xuexin2, WU Ming2, LU Linying2, TAO Jixing3*

(1 College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2 Research Institute of Subtropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Fuyang, Zhejiang 311400, China; 3 Center for Forest Resource Monitoring of Zhejiang Province, Hangzhou 310020, China; 4 Taizhou Academy, Nanjing AgriculturalUniversity, Taizhou, Jiangsu 210095, China)

In order to explore the feasibility of treating saline wastewater in constructed wetlands, a lab-scale constructed wetland was built to compare the removal effects of several typical pollutants under different salinities (0, 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%). The results showed that: 1) The effects of salinity on the growth ofin constructed wetlands showed the characteristics of “low salt promoting” and “high salt inhibiting”. Under 0.5% influent salinity, the reed had the highest plant height (1.22 m) and the maximum basal diameter (0.48 cm); 2) The removal rate of COD in constructed wetlands was generally increased first and then decreased with the increase of salinity. When the salinity was 0.5%, COD removal rate reached a maximum (84.86%). 3) Under 0.5% influent salinity, the removal of nitrogen and phosphorus from the constructed wetland were almost not inhibited by salt; when the influent salinity was higher than 1.0%, the removal of TN, NH4+-N, NO– 3-N, and TP all decreased significantly (<0.05) with the increase of salinity. Under 2.0% salinity, the removal of TN, NH4+-N, NO– 3-N, and TP dropped to 44.40%, 58.89%, 49.23% and 49.49% respectively, compared with 0.0% salinity, decreased by 38.5%, 23.4%, 23.8% and 19.2%, respectively. 4) Under the same influent salinity, different pollutants were inhibited by different salt levels. Nitrogen is more easily inhibited by salt than phosphorus. NH4+-N is more easily inhibited by salt than NO– 3-N.

Constructed wetland; Salinity; COD; Nitrogen; Phosphorus

浙江省科技計劃項目(2015C32011)、浙江省–中國林科院合作林業科技項目(2015SY01)和國家林業公益性行業科研專項(201404305)資助。

xsjiang@163.com；taojixing@126.com)

趙林麗(1993—)，女，浙江嵊州人，碩士研究生，研究方向為土壤學和濕地生態學。E-mail: 545948585@qq.com

X52

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.06.011