截至2016年，我國1940個地表水國考斷面中低于Ⅲ類地表水水質(zhì)的斷面占32.3%LYHLYHwefa，河流污染問題依然突出。對于城市納污河道而言，城市市政排水為其徑流的主要組成部分，盡管在經(jīng)過提標改造后污水廠出水水質(zhì)有所提高，但是其所含污染物依然嚴重威脅著河流的水質(zhì)及其生態(tài)安全。相對于其他河流水質(zhì)修復技術(shù)而言，人工濕地具有低成本、易運行、具有較高的藝術(shù)審美價值、能對河流進行原位修復等優(yōu)點，逐漸成為了改善河流水質(zhì)的優(yōu)先選擇。  

賈麗娜等通過構(gòu)建河灘與淋濾式疊加濕地處理合肥塘西河河水，濕地系統(tǒng)對總氮、氨氮、總磷、COD和葉綠素a的去除率分別達到了61.09%、90.58%、58.81%、33.23%和70.26%。而XIE等則發(fā)現(xiàn)濕地在夏季對氮的去除效果(TN50.8%，NO3?-N57.7%)明顯好于冬季(TN5.9%，NO3?-N-3.2%)。相對于表流人工濕地而言，潛流人工濕地的負荷率高、占地面積較小、處理效果更為穩(wěn)定，能夠更好地隔絕氣味和抑制蚊蠅。因此，針對潛流人工濕地的研究逐漸增多，在工程上也得到了日益廣泛的應(yīng)用。  

人工濕地對各類污染物的去除主要是通過濕地中基質(zhì)、植物和微生物間的物理、化學和生物作用完成的。針對人工濕地對各類污染物的凈化機理，國內(nèi)外學者做了大量的研究。劉紅美等通過研究不同基質(zhì)人工濕地對污染物的降解規(guī)律，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)種類是影響人工濕地降解污染物的重要因素;BARCO等研究發(fā)現(xiàn)植物(蘆葦和黃菖蒲)具有較好的氮磷富集能力;常軍軍等通過脂肪酸甲酯圖譜分析了人工濕地中的微生物群落結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)微生物對人工濕地的污染物凈化功能至關(guān)重要。  

但是現(xiàn)有的研究大多集中于揭示單一組成成分對人工濕地凈化特性的影響機制，缺少對人工濕地中基質(zhì)、植物和微生物作用的綜合分析。因此，為了系統(tǒng)地分析人工濕地對污染河水的凈化機理，實驗通過構(gòu)建實驗室規(guī)模和中試規(guī)模2種尺度的人工濕地，在不同尺度條件下，系統(tǒng)分析了潛流人工濕地中基質(zhì)、植物和微生物對污染河水的凈化作用，以期為提高人工濕地對污染河水的凈化效果提供技術(shù)支撐。  

1材料與方法  

1.1人工濕地系統(tǒng)的構(gòu)建與運行  

實驗室規(guī)模人工濕地位于西安建筑科技大學校內(nèi)，采用15mm厚的有機玻璃構(gòu)建，濕地長×寬×高為0.55m×0.55m×0.80m(圖1(a))，濕地填料為530mm的爐渣，鋪設(shè)高度60cm，濕地種植植物為蘆葦(13株·m?2)。中試規(guī)模人工濕地位于西安市皂河入渭河口(圖1(b))，濕地長×寬×高為17m×20m×0.80m，濕地填料為170mm的爐渣，鋪設(shè)高度60cm，濕地種植植物為蘆葦(9株·m?2)。2組人工濕地中所種蘆葦取自皂河河灘，爐渣基質(zhì)取自皂河附近電廠?2組人工濕地進水均為皂河河水，水力負荷均為0.1m·d?1，其中中試濕地現(xiàn)場抽取河水進入濕地，實驗室規(guī)模濕地在中試濕地取水處取水待用。2組人工濕地均為水平潛流人工濕地，水位維持在基質(zhì)表層以下10cm，河水水平流經(jīng)人工濕地，在濕地前端和后端分別采用大粒徑碎石作為布水區(qū)和集水區(qū)，優(yōu)化系統(tǒng)運行。  

1.2基質(zhì)的磷吸附特性分析  

準確稱取2g經(jīng)過研磨過篩(0.51.0mm)、清洗和干燥后的爐渣于150mL的錐形瓶，加入由0.02mol·L?1KCl配制的磷濃度為5mg·L?1的KH2PO4溶液50mL，置于溫度為(25±1)℃、轉(zhuǎn)速為150r·min?1的恒溫振蕩器中振蕩0.5、1、2、4、6、8、10、12、16、24、48h。振蕩后測其pH，上清液經(jīng)0.45μm膜過濾后測其磷濃度。基質(zhì)的表面和元素特性采用掃描電鏡(SEM)測定。  

1.3微生物特性分析  

對2組人工濕地中的基質(zhì)進行取樣，沿對角線設(shè)5個采樣點，分3層采樣，然后將各層采集的基質(zhì)混勻后做為基質(zhì)樣品。在采集基質(zhì)的同一位置采集根，同樣將其混勻做為植物根樣品。將采集好的樣品分別置于滅菌的燒杯中，加入滅菌的去離子水50mL，超聲清洗15min后收集到滅菌的離心管中，離心10min后棄上清液，取其沉淀保存在?80℃冰箱中。采用PowerSoilDNAIsolationKit(MOBIOLaboratoriesInc.)試劑盒從土壤樣品中提取DNA，并保存在-20℃冰箱中。  

聚合酶鏈式反應(yīng)(PCR)反應(yīng)條件：采用PCR通用引物對，即BAC338F(5'-ACTCCTACGGGAGGCAG-3')和BAC805R(5'-GACTACCAGGGTATCTAATCC-3')，用ABIVeriti梯度PCR儀對樣品進行擴增。PCR反應(yīng)條件和凝膠電泳(DGGE)方法參考熊家晴等[11]的實驗方法。采用AIpha-HP凝膠成像儀照相。將變性梯度凝膠中每個位置的代表條帶用無菌刀切下，裝入1.5mL離心管中，40μL無菌去離子水反復沖洗2次，在4℃浸泡過夜。將其上清液進行PCR擴增，所得PCR產(chǎn)物與PMD19-T載體連接，克隆按照制造商的方案進行。將克隆產(chǎn)物送SangonBiotech公司測序，采用BioEdit軟件編輯組合16SrDNA基因序列，并在NucleotideBlast與GenBank庫進行比對。通過軟件MEGA6分析所測得的序列，Bootstrap值設(shè)置為1000。  

1.4化學分析  

在為期8個月的實驗周期內(nèi)，每周對2組人工濕地的進出水進行取樣分析，其中總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝氮(NO3?-N)、亞硝氮(NO2?-N)、總磷(TP)、化學需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)和懸浮固體顆粒(SS)的分析測定均按照文獻中的方法[12]測定。2組濕地中的植物進行收割時均保留其基質(zhì)上10cm的莖稈，收割后植物樣品中的氮、磷含量采用H2SO4-H2O2消解法[13]測定。2組人工濕地的效果差異分析采用SPSS20.0進行t檢驗，當P<0.05時，認為差異顯著。  

2結(jié)果與分析  

2.12種尺度人工濕地對污染河水的凈化效果  

皂河在西安市城區(qū)內(nèi)，長約27km，流域面積約300km2，近年來，由于氣候干旱及上游截流，皂河水量明顯減少?，F(xiàn)在皂河主要作為西安市的納污河道，在缺少新鮮水水源補給的情況下，污水廠出水及沿岸排入污水成為其主要的補水水源。實驗期間，皂河河水的COD、BOD5、TN、NH4+-N、TP和SS平均濃度范圍分別為(363.48±97.52)mg·L?1、(142.64±56.92)mg·L?1、(37.89±5.45)mg·L?1、(30.10±9.29)mg·L?1、(3.78±1.08)mg·L?1和(308.47±67.74)mg·L?1，結(jié)果表明皂河河水污染嚴重，亟待對其水質(zhì)進行改善。因此，實驗構(gòu)建了不同尺度的2組人工濕地以解析人工濕地對污染河水的凈化機制，為污染水體的生態(tài)凈化提供技術(shù)支持。