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常弘： 冬季满堂河小流域人工湿地对污染物消减研究

2 材料和方法

2.1 进水水质

津河流域水体富营养化由抽水井入库，然后将湿地中不进水排出。在整个监测期间，氮（4.59 g/m2day; 78.2％的进水）多数存在于氨氮中，和磷（0.32 g/m2day；77.1％）数据见表1。其中悬浮固体（<10毫克/升）和BOD（<15毫克/升）在河水微不足道的浓度。因此，这两个参数不是常规测量。化学需氧量的测定是评价有机物去除效果的最直观方法。

表1人工湿地进水水质的主要变量（克每平方米天）试验期在2006年6月至11月 Table 1 Major influent water quality variables (g/m2 day) of constructed wetlands during the

experimental period between June and November 2006

采取水样在每周一次的频率。

a

化学需氧量

氨氮 硝酸盐氮 总氮

b c d ef

可溶性活性磷

总磷 溶解氧

g

2.2 实验步骤

在设计和建设大规模的人工湿地处理实验室之前，应先设计和运行实验系统，测试津河河水净化富营养化水的能力。 用平行法测试7个试点地下垂直流构建湿地的脱氮除磷能力，并实验于中国天津水利科学研究所。每个湿地系统包括一个向下流动的湿地和湿地的上流式单位，其中两个为0.5米，直径1.3米，高0.196的以聚乙烯为材料构建。三种不同材料进行了测试：用粗砾石（直径15.74 ± 2.97毫米，孔隙度48％），页岩（直径10.78 ± 1.47毫米，孔隙度46％）和PHPB（直径约25毫米，孔隙度81％）作为湿地基质。见表2：

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表2不同操作的人工湿地实验

Table 2 Experimental constructed wetlands with different operations

PHPB为多面体空心球聚丙烯

对于兴建A，B，F和G，三层基板连续层湿地在各单位填写在不同深度的湿地，基板材料为砾石、页岩。每个垂直流湿地下行单元中填充着砾石0.3m深度的底层，主要的过滤层中用0.6米深度的页岩，其次顶部是0.1米厚的砾石层，用来减少风险堵塞。上行流湿地单元用于二级处理，下行流湿地单元进行进水的初级处理。之间的下行流和上行流流经的单元基板唯一的区别是页岩层，其中上行流单元中页岩层深度为0.5米；上行流所流的单元水位为0.1米，比下行流单元低。这种设计使废水依照重力的作用自然流动。与没有PHPB的湿地相比，在不论是流动方向的条件下，一个0.2米深度以上的底部砾石层位于后一层页岩上，取代人工湿地由PHPB、C、D和E，来说明PHPB对养分去除效果。取样孔的水平了内部直径6毫米。

在人工湿地A，B，C和D中实行了人工曝气的方法用来评估氧、脱氮、除磷（表2）的有效性的影响。将直径为0.3米的有空隙圆形管安装在从湿地页岩表面A到D间横向距离0.3m，竖向距离为0.05米的底部，选择了B和C湿地， F和G湿地是无曝气的空气扩散系统。

在此项实验中评估了，人工湿地中植物对去除营养物的作用：人工湿地A，B，C，D，E和F组中，2006年5月1日在湿地中种植香蒲，密度为每单位8根茎插条，左侧两块为人工控制湿地（见表2）。经过1个月的增长，平均在每个湿地种植香蒲的数目，每单位的高度达到约0.4m，平均株高分别为2.38和2.50m。

2.3 实验操作

在中国，河流或湖泊的富营养化取决于水生植物水力负荷率。在构建湿地中设计水力负荷率为0.8m/d，以及相应的进水流量为0.16L/min。在曝气人工湿地A，B，C和D中，压缩空气连续投入了8小时，并投入与空气的相应比例为5:1的水。随后，停止曝气直到

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下一个周期开始再曝气16小时。

2.4 水的取样和分析

经过近一个月的运作，湿地植物（香蒲）已实现稳态处理效果（出水水质稳定，正常操作情况下10天），取样于2006年6月之间进行2006年11月。以每周一次的进水和每个人工湿地的污水作为水样进行实验。并从横向采样孔也分别取水样进行定期检测，测量溶解氧。最后对所有样本进行分析，同一日的参数有：COD、NH4–N、NO3–N、SRP、 TP、DO 和 pH。水质参数包括化学需氧量，氨氮，硝酸盐氮，总磷和SRP的测定，根据美国（色号1998）的标准方法，分别采用美国YSI52溶解氧测定仪和汉娜便携式pH计测定DO和pH值的分析。

2.5 植物收割与分析

在2006年11月，所有地上水生植物的生物量应进行收割，以防止地上部分的氮和磷转运到地下部分，同时间歇曝气和PHPB人工养分积累的影响也在收割时期结束。经过划分生物量，无花时，茎是在11月。然后茎和叶在80℃的条件下烘干约48小时。根据休特1997年所提供的方法，对样本中茎、叶的灰分进行测定分析，得到总氮，总磷的含量。由于生物产量高，按照西里亚等在2005年的建议，利用宽叶缬草作为生物燃料。不过，在这项研究中，依照天津水利科学研究所要求，收获所得的地上茎和叶作为基层，种植花卉供应养分。

2.6 统计分析

随着统计软件对于社会科学的帮助，可以利用软件计算出COD, NH4–N, NO3–N, TN, SRP and TP，甚至是氮和磷在香蒲地上生物量的积累，本实验选用了一种方式进行方差分析和Duncan多重范围测试。目的是利用估计方差之间的分歧的手段，评估间歇曝气和人工去除PHPB养分对周围植物的影响。其中除非另有说明，重大分歧可视为p≤0.05。

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3 结果与讨论

3.1 水质和化学需氧量的减少

经过测定，进水的COD平均浓度、氨氮、硝态氮、总氮、总磷和SRP分别味106.0、5.74、1.19、7.34、0.398和0.516mg/L。相应的出水平均浓度分别为68.9、1.65、0.59、2.58、0.13和0.20 mg/L。在整个实验中，针对不同的测试湿地，污水的COD平均浓度范围分别介于61.59和80.26 mg/L之间，氨氮则介于0.69和3.18mg/L之间，硝态氮介于0.33和0.81mg/L，总氮介于1.71和4.34 mg/L之间，SRP介于0.08和0.22 mg/L之间，总磷则在0.14和0.32 mg/L之间。

如图1所示。不同湿地中COD的平均去除率在21.83和36.76g/m2.d之间。这个范围大大超过了李等在2008年报道的2g/m2.d，而2g/m2.d为在类似的水力负荷率为0.6m/d时对富营养化湖泊的水质处理的去除率。与本研究结果比较：进水COD去除率84.82 ± 10.962g/m2.d（见表1），远高于在类似的水力负荷率下2008年的进水COD去除率4.41 ± 0.72 g/m2.d。低浓度COD负荷导致低去除率。相关的统计分析表明，在湿地中种植F和G植物对两块湿地的COD去除率（图1）并不存在显着性差异。另外，与此相比宽叶缬草的存在只会得到同样的结果， P <0.05时处理1吨污水，，平均COD去除率增加2.94％。

相比于非加气湿地，加气湿地的COD的去除率高。比如非加气湿地F，间歇曝气造成了人为的重大化学需氧量的增加，对于加气湿地A，B，C和D，分别增加了4.36，5.58，10.38和8.94 g/m2.d（图1）。 Vymazal（1999）报告说，好氧降解过程对COD去除的起

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着主要作用。溶解氧可用性是限制相应进程变量的关键。

本研究的结果表明，在氧气供应条件下，人为作用的添加，使曝气人工湿地中COD的去除率有所提高，确认了韦莱-普拉蒙登等以往的研究。相比于湿地F，湿地E中PHPB的存在，导致了更多的化学需氧量为6.62 g/m2.d。此外，（图1）发现在湿地C中由于湿地对大肠杆菌的去除，导致COD的最高去除率为36.76 g/m2.d。结果显示，底部曝气法与PHPB存在的组合方式可有效提高COD去除率。

3.2 脱氮

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