农村生活污水具有广泛性、分散性、来源多、增长快等污染特点，农田灌溉污水具有随机性、蔓延性、难监测性、时空变化性、污染滞后性和潜在威胁性等污染特点，我国农村往往这两种污水同时存在
因此，对两种混合污水进行处理十分必要
人工湿地与其他污水处理技术相比，具出水水质稳定、抗冲击力强、操作简单、建设及运行费用低、污染物去除效果好且兼具美学价值等优点，适合我国国情，尤其是满足农村污水处理要求
　　株洲攸县某公园人工湿地的进水来源主要为上游居民区生活污水及农田灌溉污水，水量为1000～1200 m3/d
在比较各类型人工湿地优缺点后，选择“表流-潜流”串联组合人工湿地模式来处理农村生活与农田灌溉污水的混合污水
　　1 材料与方法　　1.1 工艺流程与参数　　本系统采用“表流-潜流”串联组合人工湿地模式，设计水量为1200 m3/d，人工湿地总面积为1500m2，共有10个单元模式工艺，可分为生活污水和农田灌溉污水两套处理系统，工艺流程见图1，参数见表1，设计出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级 A 标准
　　1.2 植物配置　　人工湿地各单元植物配置方案见表2
　　1.3 材料与方法　　1.3.1 取样方法　　根据水体沿程流向，分别在 A1、A2 进水口及各单元的出水口处布设12个 采样点
取 水时间为图１ 人工湿地系统工艺流程示意图　　1—12月，每隔10天取样，取6次，以平均值计取
　　1.3.2 实验方法　　水样采集后，立即送达实验室，样品保存在4 ℃的冰箱中备用
选择具有代表性的指标：COD、TN、TP、氨氮
各指标测试方法均按照文献[1]进行
用直尺测量植物株高和最大根长;称重法测量1 m2 植物的鲜质量，计算整个单元植物鲜质量;植物样用自来水洗净后滤去多余水分，称取1kg植物装在洁净的信封内，在105 ℃的烘箱内杀青30 min后，将烘箱温度调到75 ℃，烘至恒量，称得干质量后，将烘干的植物样用粉碎机粉碎，过60目细筛后，装入密封袋备用
　　1.3.3 数据处理　　数据处理与图表绘制使用 MicrosoftExcel和rigin软件
　　2 结果与讨论　　2.1 进水水质　　根据进水质量浓度(见表3)，按单因子评价方法水质均属于《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中劣Ⅴ类
系统两个进水口各污染物浓度指标差异明显，生活污水 COD 较高，而农田灌溉污水中 TN、TP 浓度较大
　　2.2 污染物的去除效果分析　　2.2.1 COD 的净化效果　　由图2和图3 可知，生活污水和农田灌溉污水处理 系 统 中 B3/B6 单 元 COD 去 除 率 分 别 为74.03%、35.45%，COD 分别为47.62、40.60 mg/L;系统出水 COD 为 39.10 mg/L，达到 GB18918—2002一级 A 标准(50 mg/L)
潜流单元，两套系统COD 均呈现沿程降低的趋势;表流单元，两套系统COD 变化差异显著，生活污水处理系统 COD 呈降低趋势，农田灌溉水处理系统 COD 大体呈沿程增加趋势
原因为：A1/A2 单元出水在 A3 单元混合后沉淀，防止 COD 过高导致系统负荷过大
生活污水处理系统进水 COD(183.44 mg/L)为农田灌溉污水处理系统(62.90 mg/L)的2.92倍，浓度差异极大，故在 A3 单元混合后，农田灌溉污水处理系统COD 不降反增，并导致在 A3 单元去除率呈负值
同理，生活污水处理系统的 COD 去除率高于农田灌溉水系统也是由于其初始浓度较高造成的差异
　　B1/B4、B2/B5、B3/B6平行单元之间两两比较，　　COD 的去除效果呈现 B4>B1、B5>B2、B3>B6 的规律
植物根长也呈现出类似规律，植物 COD 的去除率与最大根长呈现显著正相关(p<0.05)，这与刘霄等[2]的研究结果一致
由图3 可知，潜流单元的 COD 单段去除率沿程呈现先升后降的趋势，原因可能为：前端污染物浓度较高，可供植物吸收利用的有机养分较多，故去除率先升高
刘锐研究表明，COD 主要集中在湿地的前1/4 段被去除，系统后半部分对其去除率贡献不大
沿程目标污染物基数逐渐减小，去除率又逐渐降低
　　2.2.2 TN 的净化效果　　由图4和图5 可知，生活污水和农田灌溉污水处理系统中B3/B6单元 TN 去除率分别为62.48%、80.23%;TN 分别为1.91、1.70 mg/L;系统出水 TN为1.52 mg/L，达到 GB18918—2002 一级 A 标准(15 mg/L)
潜流单元，两个系统 TN 的变化趋势基本一致，呈现沿程降低的趋势;表流单元，生活污水处理系统 A3单元去除率呈现负值
原因是由于氮磷肥的施用，农田灌溉污水进水中的 TN 远高于生活污水，故在 A3单元混合后，生活污水处理系统TN 不降反增
由于生活污水处理系统进水 TN(5.09 mg/L)和 农 田 灌溉污水处理系统 (8.60mg/L)的差异导致农田灌溉污水处理系统的 TN 去除率高于生活污水处理系统
　　对 B1/B4、B2/B5、B3/B6 潜流平行单元之间单段去除率进行两两比较，TN 去除效果呈现 B1>B4、B2>B5、B6>B3的规律
系统 TN 去除率大体呈现沿程递增的趋势
单段 TN 去除率最高出现在 B1 单元，为48.31%，是平行单元 B4 的1.08 倍
B1 单元种植黄菖蒲和再力花，B4单元种植鸢尾和旱伞草，两个系统的植物生长条件一致，说明黄菖蒲和再力花的配置组合在去除 TN 方面要优于鸢尾和旱伞草的组合
石雷等对4种湿地植物水质净化效果的研究结果表明，再力花对污染物的去除能力强，尤其在脱氮方面，TN 和氨氮去除率明显高于其他植物
B3、B6单元也种植了再力花，但由于沿程目标污染物基数逐渐减小，去除率也逐渐降低
　　2.2.3 TP 的净化效果　　如图6和图7 所示，生活污水和农田灌溉污水处理系统中B3/B6单元 TP 去除率分别为66.67%、76.42%;TP 分别为0.32、0.29 mg/L;系统出水 TP为0.25 mg/L，达到 GB18918—2002 一级 A 标准(1 mg/L)
潜流单元，两个系统 TP 变化趋势基本一致，呈现沿程降低的趋势;表流单元，生活污水处理系统 A3单元的 TP 有小幅上升，原因与 TN 上升一致
由 于 生 活 污水处理系统 进 水 TP (0.91mg/L)和农田灌溉污水处理系统(1.23 mg/L)的差异导致农田灌溉污水处理系统 TP 去除率高于生活污水处理系统
图６ ＴＰ 沿程变化　　B1/B4、B2/B5、B3/B6平行单元之间两两比较，与 COD 的去除效果一致，TP 去除率呈现 B4>B1、B5>B2、B3>B6的规律
研究表明，根系发达的植物对 TP 的去除效果更强
与 TN 不同，潜流单元去除率未呈现沿程降低的趋势，反而 B3 单元的TP去除率最高，说明该单元种植的香蒲、再力花和美人蕉的组合对于 TP 有极好的去除效果，其他种植了再力花的B1、B6单元在 TP 去除上也有较好的表现，也为这一结论提供了佐证
图７ ＴＰ 去除率变化　　2.2.4 氨氮的净化效果　　如图8和图9 所示，生活污水和农田灌溉污水处理系统中B3/B6单元氨氮去除率分别为75.77%、76.41%，氨氮分别为0.86、0.71 mg/L;系统出水氨氮为0.61 mg/L，达到 GB18918—2002 一级 A 标准(5 mg/L)
除 A3 单元外，潜流和表流单元中两个系统氨氮变化趋势基本一致，呈现沿程降低的趋势
由于生活污水处理系统进水氨氮(3.55 mg/L)和农田灌溉污水处理系统(3.01mg/L)差异导致生活污水处理系统整体去除率高于农田灌溉污水处理系统
　　图8 氨氮沿程变化　　B1/B4、B2/B5、B3/B6平行单元之间两两比较，氨氮的去除效果呈现 B1 和 B4 差异不明显、B2>B5、B6>B3的规律
表流单元的氨氮去除率较低，可能为 COD、TN 大幅度去除消耗了较多的 DO，硝化细菌生长受到抑制，限制了硝化作用，使氨氮去除速率减缓
图９ 氨氮去除率变化　　2.3 植物生长特性分析　　试验前植物的生物量为0.07～0.82kg/株(以鲜质量计)
完成试验后，对系统中植物的总生物量进行了测定，结果见图10(a)
表流单元植物为浮水植物狐尾藻及香菇草，其繁殖迅速且具有侵占性，故表流单元植物单位面积生物量明显大于潜流单元，且两种浮水植物相比，狐尾藻的单位面积生物量更大
潜流单元中单位面积生物量最大为 B2 芦竹，其次为B6美人蕉、B1 再力花、B3 美人蕉、B6 水葱、B1 黄菖蒲、B2 菖蒲、B6 再力花，B5 黄菖蒲、B3香蒲、B4 鸢尾、B5 夹竹桃、B3 再力花，B4 旱伞草的单位面积生物量较低
廖新俤等的研究均显示，植物的吸收、吸附和富集作用与植株的地上部净生长量、生物量的生产速度和根系的生物量及发达程度密切相关
王庆海等[11]研究了9 种常见湿地植物发现，菖蒲、香蒲等植物具有较大的生物量，其氮、磷含量和累积量较高，因此对水中氮、磷污染物具有较强的去除能力
MANTOVI等的研究表明，尽管植物吸收不是人工湿地去除污染物的主要途径，但植物的存在是湿地中各种化学、物理和生物作用发生的基础
　　从图10(b)可见，B1、B3 再力花的株高优势明显，达到250cm 以上;其次为 A1 狐尾藻、B2 芦竹和B3香蒲，株高约200cm;A2 狐尾藻、B3 美人蕉、B4旱伞草、B6水葱、B6再力花和 B6 美人蕉的株高为100～174cm;其他株高均小于100cm
两种浮水植物相比较，狐尾藻株高明显大于香菇草，这与这两种植物的生长特性有关，香菇草叶互生，具长柄;狐尾藻叶轮生，无柄，在同样的营养条件下，无叶柄的狐尾藻可集中向顶端发展，故其株高优势较香菇草更明显
　　从图10(c)可见，表流单元浮水植物的最大根长明显小于潜流单元挺水植物
相比表流单元的完全厌氧环境，潜流单元对植物根系的生长更有利
潜流单元中B4旱伞草、B5 夹竹桃的最大根长优势明显，约30cm;B2菖蒲、B2 芦竹、B3 香蒲、B3 再力花及B5黄菖蒲最大根长约25cm;其他植物的最大根长均小于25cm
　　3 结 论　　(1)“表 流-潜 流”组 合人工湿地模式，出 水中COD、TN、TP、氨氮分别为 39.10、1.52、0.25、0.61mg/L，均达到 GB18918—2002 一级 A 标准，实现了设计目标
　　(2)表流单元的狐尾藻和香菇草生物量远高于潜流单元的挺水植物，但其最大根长却远小于潜流单元的植物，挺水植物再力 花株高明显高于其他植物
来源 | 中南林业科技大学环境科学与工程学院编辑 | 水污染治理与推广

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