摘 要：近年隨著流域點(diǎn)源污染控制工程的實(shí)施，面源氮、磷入湖量占流入滇池總量的比例已超過(guò)50%，因此控制面源污染已成為解決滇池富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵。根據(jù)對(duì)滇池某示范控制區(qū)的調(diào)查，其地表徑流、水土流失、固體廢物和村鎮(zhèn)生活污水是主要面污染源，而河道和溝渠是污染物的最終入湖途徑，為此研究、開(kāi)發(fā)了一種適合于該地區(qū)的新型人工濕地系統(tǒng)即人工復(fù)合生態(tài)床系統(tǒng)。

近年隨著流域點(diǎn)源污染控制工程的實(shí)施，面源氮、磷入湖量占流入滇池總量的比例已超過(guò)50%，因此控制面源污染已成為解決滇池富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵。根據(jù)對(duì)滇池某示范控制區(qū)的調(diào)查，其地表徑流、水土流失、固體廢物和村鎮(zhèn)生活污水是主要面污染源，而河道和溝渠是污染物的最終入湖途徑，為此研究、開(kāi)發(fā)了一種適合于該地區(qū)的新型人工濕地系統(tǒng)即人工復(fù)合生態(tài)床系統(tǒng)。

該系統(tǒng)是在人工濕地的基礎(chǔ)上選擇最佳的植物栽種方式，并在床體內(nèi)部填充多孔的、有較大比表面積的介質(zhì)以改善濕地的水力學(xué)性能，為微生物提供更大的附著面積，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)污染物(尤其是氮、磷)的去除能力。人工復(fù)合生態(tài)床作為濕地系統(tǒng)的一種，具有工藝簡(jiǎn)單、運(yùn)行管理方便、生態(tài)環(huán)境效益顯著、投資少等優(yōu)點(diǎn)，適合于村鎮(zhèn)生活污水的處理。根據(jù)調(diào)查，在滇池地區(qū)農(nóng)村生活污水與排灌水相混合的現(xiàn)象十分普遍，因此農(nóng)村生活污水匯集出口處因受農(nóng)田排灌水的影響，污水濃度低、流量大。

對(duì)于潛流式濕地，若按常規(guī)的水力負(fù)荷(一般為2～15cm/d)設(shè)計(jì)要占很大的面積，因此如何提高系統(tǒng)負(fù)荷、減少占地面積成為人工復(fù)合生態(tài)床研究的重點(diǎn)。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)在滇池流域某一示范控制區(qū)，共有4個(gè)單元床體，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

首先，污水自流進(jìn)入調(diào)節(jié)池，然后通過(guò)PVC管送入各個(gè)單元床體。人工復(fù)合生態(tài)床水流為潛流式，每個(gè)床體寬為1m、長(zhǎng)為6m、床深為0.7m、坡度為1%。床體底部鋪設(shè)10cm厚的碎石(直徑為2～4cm)層，中部為40cm厚的爐渣層，上部為10cm厚的土壤層，污水在床體內(nèi)部水平流動(dòng)。布水區(qū)和集水區(qū)的寬度均為40cm，內(nèi)部分別填充直徑為2～5cm的卵石，集水區(qū)底部安裝一根多孔集水管，且與外部一根出水高度可調(diào)的豎管相聯(lián)接。

經(jīng)測(cè)定床體平均孔隙率為50%，填充爐渣的水力傳導(dǎo)系數(shù)為3.47×10-3mm/s。為了比較不同水生植物的處理效果，在各單元床體種植了不同的植物(具體布置見(jiàn)表1)，其中1號(hào)床為空白對(duì)照。

1.2  植物栽培

試驗(yàn)選用滇池流域常見(jiàn)的水生植物：蘆葦、茭白和菖蒲。2001年2月底在滇池附近的沼澤地 選擇20cm×20cm×40cm(長(zhǎng)×寬×高)的帶土芽尖并將其移植到各單元床體(種植密度見(jiàn)表1)，栽完后立即充水并使根部浸泡在水中，半個(gè)月后開(kāi)始進(jìn)污水。

1.3 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)所用污水來(lái)自該示范控制區(qū)某溝渠的下游段(該溝渠的水流經(jīng)農(nóng)田和村鎮(zhèn)，最后進(jìn)入滇池)，以生活污水為主，混有一部分農(nóng)田排灌水及雨水，其特點(diǎn)是污染物濃度低于生活污水，但水量很大。系統(tǒng)運(yùn)行期間的進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表2，運(yùn)行條件見(jiàn)表3。試驗(yàn)過(guò)程中參照國(guó)家環(huán)保局的推薦方法分析COD、TN、氨氮和TP等水質(zhì)指標(biāo)(每周1～2次)。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)污染物的去除效果

濕地系統(tǒng)中具有沉降性的有機(jī)物通過(guò)沉積和過(guò)濾可很快被去除，可溶性有機(jī)物主要通過(guò)微生物的降解而去除，氮?jiǎng)t是通過(guò)硝化與反硝化反應(yīng)及水生植物的吸收而被去除，而磷的去除主要靠沉淀、吸附及水生植物的吸收。值得指出的是復(fù)合生態(tài)床中的植物長(zhǎng)勢(shì)非常良好，在4個(gè)月內(nèi)蘆葦、茭白和菖蒲分別由0.4m長(zhǎng)高到2.0、2.5和1.2m，而且枝葉繁密，生長(zhǎng)速度明顯高于天然環(huán)境中的植株。
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人工復(fù)合生態(tài)床對(duì)污染物的去除效果見(jiàn)表4。

從表4可以看出，2、3號(hào)床對(duì)污染物的去除效果較好，1號(hào)空白床的去除效率最低。這是因?yàn)樗参锒加型ㄟ^(guò)水面上的枝葉從大氣中吸收和輸送氧氣的能力，它們把氧氣送到根部的氣體導(dǎo)管，所以與根或莖直接接觸的土壤會(huì)呈好氧狀態(tài)，其他部位的土壤則呈厭氧狀態(tài)，這為土壤中各種不同微生物提供了適宜的環(huán)境，從而促進(jìn)污染物的降解；而空白濕地上無(wú)植物生長(zhǎng)且長(zhǎng)期被淹沒(méi)，土壤幾乎都呈厭氧狀態(tài)，不利于多種微生物的生長(zhǎng)。另外污水處理系統(tǒng)中的植物被認(rèn)為是一個(gè)營(yíng)養(yǎng)貯存庫(kù)，植物吸收營(yíng)養(yǎng)維持生長(zhǎng)和繁殖(這些營(yíng)養(yǎng)物基本來(lái)自污水中的有機(jī)物、氮和磷)，植物生長(zhǎng)得越快則污染物減少得越多。

2.2 植物栽種方式的比較

復(fù)合生態(tài)床中除2號(hào)床全部種植蘆葦以外，其他均采用混種方式。從表4可知，3號(hào)床除污效 果最好、2號(hào)床次之、4號(hào)床則低于上述兩床。

以上結(jié)果說(shuō)明，多種植物組合能發(fā)揮不同植物的優(yōu)勢(shì)，符合濕地植物的多樣性規(guī)律，有利于床體對(duì)污染物的去除。4號(hào)床的除污效果低于2、3號(hào)床是由于菖蒲與蘆葦、茭白相比個(gè)體矮小(平均高度為1.2m)且分孽很少，另外菖蒲的匍匐根雖然很粗大，但其只在土壤淺層蔓延、扎根不深，因此傳氧能力較低。蘆葦和茭白的根系發(fā)達(dá)并且深淺交錯(cuò)、輸氧能力強(qiáng)，特別是在蘆葦濕地系統(tǒng)中傳輸氧的能力更強(qiáng)，因?yàn)樘J葦?shù)母o是垂直向下地延伸生長(zhǎng)，具有非常強(qiáng)的穿透性。系統(tǒng)運(yùn)行120d后對(duì)植物根系的生長(zhǎng)狀況進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果顯示蘆葦?shù)母o深度為30～50cm,根系發(fā)達(dá)且四處穿插；茭白的根莖深度為40～50cm,根莖粗大，其上長(zhǎng)有許多根須；菖蒲的根莖深度為10～15cm,縱向多為根須。

2.3 氧化還原電位(ORP) 比較

在植物穩(wěn)定生長(zhǎng)期間測(cè)定了出水DO和床體的ORP，結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知，除空白床外的各床體出水DO濃度略高于進(jìn)水(0.5～1.0mg/L),表明植物對(duì)床體有一定的輸氧作用，其中2號(hào)床DO最高，3、4號(hào)床次之。床體內(nèi)部的ORP均為負(fù)值，可見(jiàn)床體總體上處于還原態(tài)，內(nèi)部供氧不足，這種條件有利于反硝化而不利于硝化及好氧反應(yīng)。比較各單元床體的ORP發(fā)現(xiàn)2號(hào)床最高，3、4號(hào)床次之，1號(hào)床最低，說(shuō)明植物床中蘆葦?shù)妮斞跄芰ψ顝?qiáng)，而空白床中因?yàn)闊o(wú)植物輸氧作用則處于嚴(yán)重的缺氧狀態(tài)。

從以上分析可知，2、3號(hào)床體是較為適宜的人工復(fù)合生態(tài)床形式，3號(hào)床對(duì)各污染物的去除綜合效果最好，而且種植的茭白具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2.4　植物對(duì)脫氮、 除磷的作用

濕地系統(tǒng)中氮的脫除主要包括作物吸收、生物脫氮以及氮的揮發(fā)。生活污水中的氮通常以有機(jī)氮和氨(也可以是銨離子)的形式存在。在土壤—植物系統(tǒng)中，有機(jī)氮首先被截留或沉淀，然后在微生物的作用下轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，由于土壤顆粒帶有負(fù)電荷，銨離子很容易被吸附，土壤微生物通過(guò)硝化作用將銨離子轉(zhuǎn)化為NO3-，土壤又可恢復(fù)對(duì)銨離子的吸附功能。土壤對(duì)帶負(fù)電荷的NO3-沒(méi)有吸附截留能力，NO3-可以被植物根系吸收而成為植物營(yíng)養(yǎng)成分或通過(guò)反硝化最終轉(zhuǎn)化為N2或者N2O而揮發(fā)掉。濕地系統(tǒng)中磷的去除主要包括形成不溶性的鈣、鐵、鋁等化合物的沉淀以及植物的吸收。采用潛流式系統(tǒng)時(shí)選用適宜的土壤和介質(zhì)可使除磷效果更好，含有一定量粘土或介質(zhì)中有鐵、鋁離子存在時(shí)可進(jìn)一步提高除磷效果。
在試驗(yàn)進(jìn)行的第120天對(duì)系統(tǒng)中植物的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表6、7。

由表6、7可計(jì)算出運(yùn)行期間通過(guò)植物吸收所去除的總氮量(Nplant)和總磷量 (Pplant)。由進(jìn)、出水總氮和總磷濃度和進(jìn)、出水流量可以得到在此期間的總氮投配總量(Nin)和排放總量(Nout)、總磷的投配總量(Pin)和排放總量(Pout)。試驗(yàn)系統(tǒng)采用的填充土壤的pH值為中性，所以可以忽略氮的揮發(fā)損失，由此可得到系統(tǒng)運(yùn)行期間通過(guò)生物脫氮而去除的氮量Nb=Nin-Nplant-Nout以及通過(guò)沉淀和介質(zhì)吸附去除的磷量Pa＝Pin-Pplant-Pout，計(jì)算結(jié)果如圖2、3所示。

從圖2可以看出，通過(guò)反硝化去除的總氮量占投配總氮量的40%左右，可見(jiàn)反硝化是脫氮的主要途徑；植物吸收的總氮量占投配總氮量的10%～19%，也是脫氮的重要途徑。從圖3可知，由沉淀和吸附去除的磷量占投配量的50%左右(是除磷的主要途徑)，植物吸收則占9%～16%左右。

通過(guò)比較可知，3號(hào)床中植物對(duì)氮、磷的吸收最大，4號(hào)床最小。因?yàn)?號(hào)床中的植物特別是茭白的生長(zhǎng)量最大，而4號(hào)床中的菖蒲由于植株矮小，生長(zhǎng)量最小，這也從另一個(gè)角度說(shuō)明了為什么3號(hào)床對(duì)污染物的去除效果較好。由此可見(jiàn)，茭白對(duì)氮、磷的吸收能力強(qiáng)，蘆葦則介于二者之間，但蘆葦?shù)母递斞踝饔脧?qiáng)。鑒于水生植物對(duì)污水中的氮、磷具有一定吸收能力，定期收割人工復(fù)合生態(tài)床中的植物也能促進(jìn)系統(tǒng)對(duì)氮、磷的去除。
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2.5　對(duì)污染物削減量的計(jì)算

以試驗(yàn)所用排污溝渠為例，對(duì)人工復(fù)合生態(tài)床的污染物削減量進(jìn)行了計(jì)算。污水流量為10m3/h即(240m3/d)，按3號(hào)床的處理效果計(jì)算，水力負(fù)荷為30cm/d時(shí)的處理系統(tǒng)所 需占地面積為800m2，對(duì)COD、N和TP的平均去除量分別為15.25、1.193和0.134g/(m2·d)，可削減COD、TN和TP量分別為4.45、0.35和0.039t/a，與一般濕地系統(tǒng)相比，該工藝水力負(fù)荷高、占地面積小。

3 結(jié)論

① 在高水力負(fù)荷(30cm/d)條件下各單元床體出水水質(zhì)較好，對(duì)COD、TN、氨氮和TP的去除率分別為59.6%～70.6%、50.4%～60.6%、70.8%～83.0%和55.0%～66.0%。人工復(fù)合生態(tài)床對(duì)COD、TN和TP去除量分別為15.25、1.193和0.134g/(m2·d)。

② 蘆葦具有較強(qiáng)的輸氧能力，茭白具有較強(qiáng)的吸收氮、磷的能力，因此蘆葦與茭白混種是一種較好的植物種植方式。
 

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