人工濕地及聯合修復技術對景觀水體修復的研究

＊孫志強 蔣夢婷 羅宇峰 王丹瓊 黎恒燃 程慎玉

（衢州學院 浙江 324000）

景觀水體多為人工建造或改造，處于封閉或半封閉狀態，具有水體容量小、水域面積小、流動性較差、水體的自凈能力較弱等特點[1-2]。其內源性污染主要來自沉積物、排泄物、殘枝葉等[3]。同時，景觀水體多為公共活動區域，容易受到外界因素的干擾，人類的日常活動會影響到景觀水體的潔凈程度。通過大氣的干濕沉降、雨水的地表徑流及其他滲流等方式也是外界污染物流入景觀水體的重要途徑[4]。

濕地被稱為地球之腎[5]，在自然界中占據著重要地位。近年來研究表明，人工濕地具有價格低廉、生態效益顯著等優點，是一種新型的生態水處理技術[6]。該技術被廣泛應用于小城鎮污水處理、農村生活污水處理、農業面源污染控制、城市公園設計等方面[7]，是一種兼顧高效處理污水和平衡濕地系統的生態修復手段。在人工濕地的基礎上，通過對景觀水體曝氣的方式增加水體中的溶解氧（DO），強化水體的自凈能力，達到改善水質的目的。

目前景觀水體處理技術主要有物理方法、化學方法和生物方法[8]。但是單一的方法對于長期治理景觀水體富營養化狀態的效果不顯著，甚至還有可能帶來二次污染。聯合修復技術具有凈化景觀水體的水質、強化景觀水體的生態結構功能以及保持水環境因子穩定平衡的多重優勢。

因此，本研究通過構建人工濕地生態系統，首先從3種水生植物組合（金魚藻+浮萍、水蔥+浮萍、小米草+浮萍）中，篩選凈化效果好、抗污染能力強的優勢組合植物；將優勢植物和微生物進行組合，對比加微生物前后人工濕地生態系統的凈水效果；最后探究不同曝氣量下植物和微生物的聯合修復技術對景觀水體的修復效果。

1.材料與方法

(1)實驗儀器

消解管；加熱器；移液管；專用光度計；高壓蒸汽滅菌器；具塞磨口玻璃比色管；天平；電熱恒溫鼓風干燥箱；曝氣機（型號CHJ-602；功率8W；產率600L/h）。

(2)實驗試劑

硫酸銀（分析純）；硫酸汞（分析純）；硫酸（分析純）；重鉻酸鉀（分析純）；氫氧化鈉（分析純）；過硫酸鉀（分析純）；硝酸鉀（基準試劑或優級純）；鹽酸（分析純）；鉬酸銨（分析純）。

(3)實驗方法

①人工濕地系統的構建

塑料水箱：55cm×45cm×35cm；數量為6。

鵝卵石、陶礫：1-1.5cm；孔隙率75%；吸附率80%。

構建以塑料水箱為容器，鵝卵石和陶礫作為基質起固定且具有保水作用的人工濕地生態系統。本實驗構建的人工濕地類型為水平潛流式（HFCW），可有效去除景觀水體中的有機物、懸浮固體和重金屬等物質[9-10]。

②模擬景觀污水的配制

實驗配制模擬景觀污水：COD為50mg/L、TN為10mg/L、TP為0.8mg/L。

③優勢組合植物的篩選及培養

本實驗選擇常見的金魚藻+浮萍、水蔥+浮萍和小米草+浮萍為研究對象，將金魚藻、水蔥、小米草和浮萍這四種植物分別放置于清水中培養5d。經培養后，篩選出生長態勢良好的植株個體。

配制等濃度的景觀污水分別加入6個塑料水箱中，將金魚藻+浮萍、水蔥+浮萍和小米草+浮萍每組分為等量的兩份（其中，15株金魚藻、15株水蔥、15株小米草、30葉浮萍）分別放入6個水箱中培養，用鵝卵石和陶礫加以固定。將各組合植物分別記為A1、A2、B1、B2、C1、C2，共6組。每隔2d對模擬景觀水體中的COD、TN和TP指標進行測量，分別計算出相應指標的去除率，篩選凈化水質效果好的最優組合植物，進行下一步培植。

④光合細菌的固定

配置4%的海藻酸鈉溶液，將海藻酸鈉試劑進行水浴加熱并溶解。經冷卻后，海藻酸鈉溶液和濕菌體按質量比為20:1混合，用注射器滴入不斷攪拌的2%的CaCl2溶液中，海藻酸鈉能與Ca交聯成球，在4℃的冰箱中固化交聯24h，得到固定化的光合細菌。本實驗制得的固定化光合細菌的小球直徑為3.5mm，初始菌密度為0.12mg干菌泥/L。

⑤加光合細菌前后的凈水效果對比

配制等濃度的模擬景觀污水和培植等量的優勢植物組合（15株金魚藻和30葉浮萍）分別加入2個水箱中，向其中一個水箱加入固定化光合細菌（20個小球），并讓兩組保持等量的曝氣量（曝氣輸出量為600L/h）。將這兩個水箱分別記為P1和P2，共2組。每隔2d進行采樣測量，計算出相應指標的去除率，對比凈水效果。

⑥最佳曝氣量的篩選

曝氣機參數：功率8W；Output（產率）流量單位600L/h；曝氣時間10h。通過增加曝氣機個數調控曝氣量。配制等濃度的模擬景觀污水和培植等量的優勢植物組合（15株金魚藻和30葉浮萍）分別加入4個水箱中，各水箱編號分別為為A、B、C和D。向A水箱中加入1個曝氣機、B水箱中加入2個曝氣機、C水箱中加入3個曝氣機、D水箱中加入4個曝氣機。分別記為Q1、Q2、Q3和Q4，共4組。每隔2d進行采樣測量，計算去除率，從而篩選最佳曝氣量。

(4)測定方法

①化學需氧量（COD）的測定：HJ/T 399-2007快速消解分光光度法。②總氮（TN）的測定：HJ 636-2012堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法。③總磷（TP）的測定：GB11893-89鉬酸銨分光光度法。

2.結果與討論

(1)不同組合植物對景觀污水的處理效果

考察金魚藻+浮萍、水蔥+浮萍和小米草+浮萍三種植物組合分別對景觀水體中TN、TP和COD的去除率。

①金魚藻+浮萍處理污水去除率隨時間的變化

由圖可知，金魚藻+浮萍對于TN去除效果較好，對TP也具有一定的處理效果，其去除率穩定增長且趨勢基本一致，去除效果較強。

圖1 金魚藻＋浮萍A1組去除率

圖2 金魚藻＋浮萍A2組去除率

金魚藻+浮萍植物組合對于COD的處理效果有所差異。A1組曲線波動較大。當采樣時間較短時，其對COD去除率不高。A2組對COD的去除率隨時間變化則逐步升高。

金魚藻+浮萍對景觀污水的處理過程中，COD去除率可達70%左右，TN的去除率可達75%左右，TP的去除率可達50%左右。綜合來看，該組的凈化效果最好，說明沉水植物和浮水植物組合具有較好的加成作用。

②水蔥+浮萍處理污水去除率隨時間的變化

圖3 水蔥＋浮萍B1組去除率

圖4 水蔥＋浮萍B2組去除率

由圖可知，水蔥+浮萍植物組合B1和B2組總體對于處理COD、TN和TP效果呈上升趨勢。兩組對于COD的去除趨勢基本一致，比較平緩。

水蔥+浮萍植物組合對于TN和TP的處理變化幅度也有些不同。B1組表明TN和TP去除率均較高，呈穩定上升趨勢。B2組TN的趨勢線呈上升狀態，中期快速增長后基本保持平穩。在處理TP時，趨勢線處于快速上升狀態，中期略微下降，隨后又快速上升。

水蔥+浮萍植物組合總體去除效果不佳。COD的去除率在30%～45%之間，TN的去除率可達到60%左右，TP的去除率在40%～65%之間。兩者組合沒有起到加成作用，可能是浮萍的存在，影響了水蔥的生長空間，導致去除效果變差。

③小米草+浮萍處理污水去除率隨時間的變化

圖5 小米草+浮萍C1組去除率

圖6 小米草+浮萍C2組去除率

由圖可知，小米草+浮萍C1和C2組對于COD處理效果基本一致。小米草+浮萍植物組合對于TN和TP的去除趨勢有所不同。C1組對TN去除率的趨勢線處于先平緩后上升再平緩狀態。在處理TP時，此組合處理效果較好，變化較大。C2組處理TP時，起始去除率較低，隨后去除效率增高，處理效果較好。

相較其他組，小米草+浮萍組合植物的去除率偏低。COD的去除率可達45%，TN的去除率在65%左右，TP的去除率在55%～60%之間，不大穩定。

(2)微生物對景觀污水的處理效果

圖7顯示，隨著時間的變化，加菌后的植物組合P1組對水質凈化效果良好。其中，對TN的處理效果較好，最終去除率接近90%。對TP的處理效果一般，去除率上升趨勢較為平緩，最終去除率為57%，對COD的去除率可達到75%左右。如圖8所示，未加菌植物組合P2組中TP的去除率上升效果最明顯，趨勢變化最大，接近于50%，但總體去除率低于TN和COD，分別為73%和65%。

圖7 加菌后植物組合P1組去除率

圖8 未加菌植物組合P2組去除率

兩組相較，加固定化光合細菌水樣對TN、COD的去除率明顯高于不加固定化光合細菌水樣，由于光合細菌本身具有降解污染物、增加溶解氧的功能，說明人工濕地中采用植物—微生物聯合修復技術效果較好。

(3)不同曝氣量對景觀污水的處理效果

圖9 金魚藻+浮萍Q1組去除率

圖10 金魚藻+浮萍Q2組去除率

圖11 金魚藻+浮萍Q3組去除率

圖12 金魚藻+浮萍Q4組去除率

如圖所示，各組對于COD、TP、TN去除率隨時間逐步提高。其中Q1組對于TN的去除率最高為91%，可能是因為反硝化菌更喜歡缺氧環境。Q2組去除TP效果較好為78%，說明除磷菌在此溶解氧環境下生長較好。Q3組對COD去除效果較好為86%，微生物對有機物降解的氧氣需求在此環境下能夠得到滿足。Q4組比較均衡，各指標去除率均有不錯表現。隨著曝氣量的變化，人工濕地微生物受溶解氧影響，對COD、TP、TN的去除效果也隨之變化，現實操作中可以以此作為理論依據。

3.結論

（1）通過構建人工濕地生態系統，綜合考慮金魚藻+浮萍、水蔥+浮萍和小米草+浮萍這三種不同組合植物的長勢情況和抗污染能力。綜合分析篩選出優勢植物組合為金魚藻+浮萍。

（2）通過固定光合細菌，將其加入到金魚藻+浮萍的生態系統中，與單一金魚藻+浮萍這一植物組合的去除效果進行對比。結合兩組對照對景觀污水中COD、TN和TP的去除率，加入固定化光合細菌的聯合修復技術效果更優。

（3）在探究不同曝氣量處理景觀污水的效果中，本研究發現曝氣輸出量為600L/h時，TN的去除率最高；曝氣輸出量為1200L/h時，TP的去除率最高；曝氣輸出量為1800L/h時，COD的去除率最高；曝氣輸出量為2400L/h時，COD、TN和TP的去除幅度最大，綜合處理效果最優。