人工濕地作為一種廢水生態(tài)處理工藝，按水流方式的不同，可以將其分為表流人工濕地、水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地。
人工濕地主要由填料、水生植物和微生物三部分組成。在人工濕地凈化系統(tǒng)中，濕地植物的選擇是濕地設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。
近年來，將垂直潛流人工濕地應(yīng)用于生活污水以去除COD和氮、磷的研究較多，但對應(yīng)用于含石油類化合物污水處理的研究較少。因此，筆者根據(jù)前期含油廢水濕地植物適應(yīng)能力篩選研究，從9種常見耐寒濕地植物中篩選出蘆葦、香蒲和海壽花來構(gòu)建垂直潛流人工濕地，開展了垂直潛流人工濕地在不同植物條件下對含油廢水中的石油類污染物、有機物和氮磷的去除效果研究，分析濕地植物的生長趨勢和水體DO對濕地系統(tǒng)中污染物去除的相關(guān)性，以期為垂直潛流人工濕地凈化含油廢水提供參考。
1 材料和方法
1.1 實驗裝置
在中國礦業(yè)大學(xué)南湖污水 處理站北邊建立垂直潛流式人工濕地處理系統(tǒng)，如圖 1所示。各濕地床體內(nèi)面尺寸為1.0 m×1.0 m×1.0 m，底部與四周以水泥墻封閉，并進行防滲處理。另外，池底設(shè)有放空管，距離池底高度為700 mm處設(shè)置出水管以控制水位，距離池底高度400 mm處設(shè)置取樣口。各出水口鋪置兩層尼龍網(wǎng)以防止基質(zhì)堵塞。每個處理系統(tǒng)分為進水區(qū)、填料區(qū)和出水區(qū)。填料區(qū)從下往上依次為礫石、生物陶粒、沸石和蛭石〔7〕，每種填料填鋪厚度為170~210 mm，基質(zhì)總高度約為750 mm。
2012年4月于中國礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)鏡湖內(nèi)采集蘆葦、香蒲和海壽花等濕地植物，按1 m2種植15~18株濕地植物的密度將植物植入濕地處理系統(tǒng)中。
1.2 實驗水質(zhì)
垂直潛流人工濕地系統(tǒng)的進水為人工合成污水，系選用生活污水處理后的回用水與原油攪拌混合而成。其中回用水取自中國礦業(yè)大學(xué)南湖污水處理站，原油由中國石化管道二公司研究院提供。進水水質(zhì)如表 1所示。
| 項目 | 油 | COD | TN | TP | DO | pH |
| 范圍 | 69.72~146.52 | 778.5~848 | 4.41~22.3 | 2.05~8.02 | 0.75~1.14 | 6.02 |
| 均值 | 73.42±3.66 | 789.5±23.69 | 12.47±0.62 | 4.49±0.22 | 1.57±0.08 | 6.64±0.06 |
1.3 實驗方法
垂直潛流式人工濕地處理系統(tǒng)自2012-04-15試運行，采用連續(xù)方式進水，由進水閥控制流量。2012-05-15首次采樣監(jiān)測，2012-11-17進入冰凍期，停止運行，系統(tǒng)運行期間植物生長情況正常。水力停留時間為5 d。
待系統(tǒng)運行趨于穩(wěn)定，對人工濕地植物的株高及分蘗數(shù)進行測量，測量頻率為每月5次。
人工濕地水質(zhì)指標測定：采樣頻率為每月3次，現(xiàn)場測定pH、DO，水樣采集后立即測定各污染物指標。石油類的測定用可見光分光光度法，COD采用重鉻酸鹽法、TN采用堿性過硫酸鉀-紫外分光光度法、TP采用鉬酸銨分光光度法測定。
1.4 數(shù)據(jù)處理和分析
采用SPSS19.0統(tǒng)計軟件對植物生長趨勢和各污染物去除率進行相關(guān)性分析。采用Origin8.0軟件整理數(shù)據(jù)、作圖。
2 結(jié)果與討論
2.1 垂直潛流人工濕地植物生長趨勢及水體DO變化
2.1.1 垂直潛流人工濕地植物生長趨勢
垂直潛流人工濕地植物生長趨勢見圖 2。
由圖 2可知，從5月至9月，3種濕地植物的株高和分蘗數(shù)均呈現(xiàn)增長趨勢。3種濕地植物的株高增量和分蘗數(shù)增量均在9月達到最大值，說明該時間段氣候適宜，是濕地植物生長的旺盛期。進入10月份后，氣溫開始下降，濕地植物生長受到影響，株高不再增加，植株不再進行分蘗。11月份，濕地植物開始出現(xiàn)葉片枯萎和掉落現(xiàn)象，植株容易折斷，株高和分蘗數(shù)迅速降低。3種濕地植物，蘆葦、香蒲和海壽花的株高增量和分蘗數(shù)隨時間變化差異顯著（P>0.1），均隨時間呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢。
通過比較3種濕地植物的株高變化趨勢，可以得出，濕地植物的月平均株高增量：香蒲>蘆葦>海壽花；濕地植物的月平均株高增長率：蘆葦>香蒲>海壽花。通過比較3種濕地植物的分蘗數(shù)變化趨勢，可以得出，濕地植物分蘗數(shù)月平均增量：蘆葦>香蒲>海壽花；濕地植物分蘗數(shù)月平均增長率：蘆葦>香蒲>海壽花。在植物枯萎階段，濕地植物的枯萎速率：香蒲>蘆葦>海壽花。
2.1.2 垂直潛流人工濕地水體DO變化
垂直潛流人工濕地系統(tǒng)進出水DO濃度分布如圖 3所示。
濕地系統(tǒng)進水DO為0.75~1.14 mg/L，出水DO濃度較進水變化較大。種植有海壽花、香蒲和蘆葦?shù)娜斯竦乇葘φ战M出水DO濃度高。海壽花、香蒲和蘆葦由于根系的泌氧作用，使得水體DO濃度得以升高；另外，植物根系生長發(fā)育過程中對濕地填料的疏松作用，也很好地促進了濕地表面的復(fù)氧。種植有植物的人工濕地出水DO濃度隨時間變化差異顯著（P>0.1）。
2.2 垂直潛流人工濕地對含油廢水的凈化效果
人工濕地系統(tǒng)進水石油類濃度變化范圍為69.72~146.52 mg/L。觀察垂直潛流人工濕地對含油廢水的凈化效果可知，海壽花、香蒲和蘆葦濕地系統(tǒng)對油的平均去除率分別為95.04%、96.13%、95.48%；對照濕地系統(tǒng)對含油量的平均去除率為93.43%，略低于栽有植物的濕地系統(tǒng)。4組人工濕地系統(tǒng)對石油類污染物都有很高的去除率的原因是，建設(shè)濕地系統(tǒng)選用的蛭石、沸石和生物陶粒等填料對石油均具有極強的吸附能力，且針對石油類污染物，組合使用填料，可增大對石油類污染物的吸附量。通過多重比較檢驗表明，種植海壽花、香蒲和蘆葦?shù)臐竦叵到y(tǒng)對石油類的去除效果沒有顯著差異。對照組與種有海壽花和蘆葦?shù)臐竦叵到y(tǒng)對石油類的去除效果也沒有顯著差異（P>0.05），說明濕地植物對石油類污染物的去除沒有起到顯著的促進作用。
另外，在4組垂直潛流人工濕地系統(tǒng)中，對TN的去除率隨時間變化規(guī)律隨時間的變化趨勢均表現(xiàn)為：從6月到7月TN去除率平穩(wěn)緩慢增加，8月到9月TN去除率顯著提高，達到最高值，10月份之后TN去除率開始緩慢降低。對照組、海壽花組、香蒲組、蘆葦組濕地系統(tǒng)對TN的平均去除率分別為：55.93%、63.35%、77.79%、66.70%。通過多重比較檢驗結(jié)果表明，香蒲組濕地系統(tǒng)與對照組濕地系統(tǒng)對TN的去除效果有顯著差異（P＜0.01），香蒲組濕地系統(tǒng)與海壽花組對TN的去除效果有顯著差異（P＜ 0.05）。
人工濕地系統(tǒng)進水TP質(zhì)量濃度的變化范圍是2.05~8.02 mg/L。根據(jù)《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996），8月種有濕地植物的系統(tǒng)出水和11月香蒲組濕地系統(tǒng)出水能達到二級排放標準以外，其余測定結(jié)果均不能達標。對照組、海壽花組、香蒲組和蘆葦組對TP的平均去除率為30.69%、46.63%、50.92%、58.88%，即4組垂直潛流人工濕地系統(tǒng)對TP的凈化效果由強到弱依次為：蘆葦組>香蒲組>海壽花組>對照組。通過多重比較檢驗，結(jié)果表明，濕地植物對TP的去除存在顯著影響，蘆葦凈化TP的能力最強。
人工濕地系統(tǒng)對COD的去除效果十分明顯，對照組、海壽花組、香蒲組和蘆葦組對COD的平均去除率分別可達到83.98%、89.50%、90.42%、86.89%，即COD的去除效果為：香蒲組>海壽花組>蘆葦組>對照組。且每組濕地系統(tǒng)對COD的去除率隨時間的變化較小。通過多重比較檢驗結(jié)果表明，種植海壽花、香蒲和蘆葦?shù)拇怪睗摿魅斯竦叵到y(tǒng)兩兩之間對COD的去除效果無顯著性差異，對照組與種有海壽花、香蒲和蘆葦?shù)臐竦叵到y(tǒng)也沒有顯著性差異。
2.3 垂直潛流人工濕地污染物去除與濕地植物生長趨勢和DO相關(guān)性分析
為研究不同植物類型人工濕地對污染物凈化效果的影響，以香蒲人工濕地為例，對植物生長趨勢和DO濃度與各污染物的去除進行相關(guān)性分析，結(jié)果見表 2。
表 2 香蒲人工濕地污染物去除率與植物生長趨勢和 DO 的相關(guān)性（ N=7 ）
|
項目 |
油 |
COD |
TN |
TP |
|
株高 |
0.380 |
0.416 |
0.875* |
0.769* |
|
分蘗數(shù) |
0.427 |
0.487 |
0.934** |
0.908* |
|
DO |
0.986* |
0.867 |
0.910 |
0.892 |
|
注 :* 表示在 α=0.05 顯著性水平上相關(guān)， ** 表示在 α=0.01 顯著性水平上相關(guān)。 | ||||
由表 2可知，香蒲濕地系統(tǒng)中，石油類污染物去除率與DO相關(guān)性較強（r=0.986，P＜0.05），石油類污染物去除率與植物生長趨勢的相關(guān)性不顯著，其主要原因是，水體中的石油類污染物的主要去除途徑是填料的吸附作用和微生物的降解作用，濕地植物對石油烴類的吸收作用很小。而DO變化與微生物作用密切相關(guān)，間接影響微生物對石油類污染物的降解。濕地植物也通過根系泌氧作用改善濕地系統(tǒng)內(nèi)的DO，促進根際微生物的活動，提高石油類污染物的降解率。
香蒲人工濕地系統(tǒng)中，香蒲株高、分蘗數(shù)與TN、TP去除率均呈顯著正相關(guān)，這與徐德福等對水生植物對富營養(yǎng)化水體的凈化作用研究結(jié)果一致。人工濕地系統(tǒng)中，TN、TP的去除主要依賴于植物的吸收和微生物作用。香蒲生長速度快、生物量大，細密的蘆葦根系保障了對TN、TP的吸收，也為硝化/反硝化細菌等提供了穩(wěn)定的依附表面，促使香蒲人工濕地的脫氮除磷能力較強。
COD去除主要是填料的過濾作用和微生物的分解作用，在有植被的情況下，植物根系微生物能促進有機污染物質(zhì)分解，提高人工濕地系統(tǒng)對COD的凈化能力。本研究中，COD去除率與香蒲的株高、分蘗數(shù)相關(guān)性較弱，與DO相關(guān)性較強，說明栽種香蒲對COD的凈化作用影響較弱。且多重比較檢驗結(jié)果表明，種植海壽花、香蒲和蘆葦?shù)拇怪睗摿魅斯竦叵到y(tǒng)兩兩之間對COD的去除效果無顯著性差異，對照組與種有海壽花、香蒲和蘆葦?shù)臐竦叵到y(tǒng)也沒有顯著性差異。
3 結(jié)論
（1）蘆葦、香蒲和海壽花，3種濕地植物的株高增量和分蘗數(shù)隨時間變化差異顯著（P>0.1）。濕地植物的月平均株高增量：香蒲>蘆葦>海壽花；濕地植物的月平均株高增長率：蘆葦>香蒲>海壽花。濕地植物分蘗數(shù)月平均增量：蘆葦>香蒲>海壽花；濕地植物分蘗數(shù)月平均增長率：蘆葦>香蒲>海壽花。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
（2）濕地系統(tǒng)進出水DO濃度變化較大。種植有海壽花、香蒲和蘆葦?shù)娜斯竦乇葘φ战M出水DO濃度高。種植有植物的人工濕地出水DO濃度隨時間變化差異顯著（P>0.1）。
（3）4組人工濕地系統(tǒng)對石油類污染物的凈化效果很好，且4組濕地系統(tǒng)對石油類的去除效果沒有顯著差異（P>0.05）。通過相關(guān)性分析，石油類污染物去除率與DO相關(guān)性較強，與植物生長趨勢相關(guān)性不顯著。
4）栽種植物的濕地系統(tǒng)脫氮除磷的能力均高于對照組。濕地植物的株高、分蘗數(shù)與TN、TP的去除率顯著正相關(guān)。
（5）人工濕地系統(tǒng)對COD的去除效果十分明顯。本研究中，COD去除率與植物的株高、分蘗數(shù)相關(guān)性較弱，與DO相關(guān)性較強，說明栽種植物對COD的凈化作用影響較弱。
