垂直流人工濕地因具有較高的水力負(fù)荷、污染物去除效率高、占地小等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越得到大面積的應(yīng)用.近年來(lái)，垂直流濕地多用于不同污染負(fù)荷生活污水的處理，其凈化效果主要受濕地類(lèi)型構(gòu)造本身、填料、植物類(lèi)型、進(jìn)水C/N比與啟動(dòng)季節(jié)等因素的影響，而關(guān)于進(jìn)水C/N比對(duì)不同植物類(lèi)型處理生活污水效果的影響研究相對(duì)較少.  

污水C/N比是反映濕地系統(tǒng)內(nèi)部碳氮循環(huán)的主要指標(biāo)，綜合了濕地生態(tài)系統(tǒng)功能的變異性，容易測(cè)量，是確定廢水碳氮平衡特征的一個(gè)重要參數(shù).濕地系統(tǒng)的進(jìn)水C/N比特征直接影響著微生物的群落結(jié)構(gòu)，從而影響污水處理效果.另外，不同濕地植物、不同環(huán)境條件下及不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)N、P的需求量也不同.植物對(duì)N、P吸收量及比例的變化，也會(huì)間接影響其在不同季節(jié)對(duì)污水去除效率的貢獻(xiàn).  

2材料和方法  

2.1人工濕地的構(gòu)建  

人工濕地污水處理系統(tǒng)于2014年1月建于復(fù)旦大學(xué)生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)基地溫室大棚內(nèi)，為垂直潛流型人工濕地(圖1)，各濕地尺寸均為1.0m×0.6m×0.9m(長(zhǎng)×寬×高)，在長(zhǎng)邊15cm處分別用隔板隔開(kāi)，靠近進(jìn)水端15cm的隔板底部以尺寸為0.80m×0.15m的矩形開(kāi)口相通.布水區(qū)填料上層為粒徑約12mm的爐渣，厚度為45cm，爐渣在使用前經(jīng)過(guò)5次沖洗，以避免其會(huì)產(chǎn)生高堿度的環(huán)境，從而危害植物和根系間微生物的生長(zhǎng);下層為粒徑約15mm的礫石，厚度為20cm，進(jìn)出水隔板之間10cm的高度差使得水流可以從布水區(qū)自行流入出水端.進(jìn)水區(qū)采用穿孔(15mm的孔，間距為100mm)PVC管均勻布水，試驗(yàn)于2014年1—3月先進(jìn)行濕地馴化，2014年4月到2015年1月為污水處理正式運(yùn)行階段，采用連續(xù)進(jìn)水方式，水力負(fù)荷為0.67m3·m-2·d-1，HRT為1.5d，填料層的孔隙率約為43%.3種不同的C/N比進(jìn)水條件，每種植物濕地均為4個(gè)平行處理，共計(jì)48個(gè)濕地單元.  

2.2模擬生活污水的配制及進(jìn)水水質(zhì)特征  

對(duì)4種植物類(lèi)型濕地進(jìn)行碳源不同污染梯度水平的添加處理，碳源添加濃度分別為100、200、400mg·L-1(污染負(fù)荷分別為322.64、645.35、1280.06mg·m-3·d-1)，N素添加濃度為40mg·L-1(污染負(fù)荷為107.75mg·m-3·d-1)，P素添加濃度為5mg·L-1(污染負(fù)荷為16.58mg·m-3·d-1).模擬污水的配方為100、200、400g·m-3葡萄糖，80g·m-3尿素，15g·m-3NaH2PO4，1.5g·m-3KH2PO4，4g·m-3CaCl2，2g·m-3MgSO4.3種不同C/N比進(jìn)水條件分別為C1N(2.5∶1)、C2N(5∶1)和C3N(10∶1).每種濕地植物在相同進(jìn)水條件下的處理均為4個(gè)平行組.模擬生活污水的進(jìn)水水質(zhì)特征見(jiàn)表1和表2.  

2.3實(shí)驗(yàn)步驟  

本研究選取本實(shí)驗(yàn)室前期篩選出的具有較好污染物降解效果的水蔥、香蒲、菖蒲和千屈菜，均為挺水植物.2014年的2月1日每個(gè)濕地單元分別種植水蔥(Scirpustabernaemontani)、香蒲(Typhaorientalis)菖蒲(Acoruscalamus)和千屈菜(Lythrumsalicaria)，上述4種濕地植物種植時(shí)單個(gè)濕地平均鮮重分別為0.28、0.34、0.21和0.41kg，種植密度為58株·m-2.前期濕地用模擬生活污水灌水2個(gè)月，該階段為濕地的馴化期.實(shí)驗(yàn)運(yùn)行周期為10個(gè)月，時(shí)間為2014年的4月1日至2015年的1月31日，模擬污水以0.21m3·m-2·d-1的水力負(fù)荷進(jìn)入人工濕地單元，配水裝置是一個(gè)直徑5cm的塑料管，其上分布著直徑1.5mm的小圓孔.每周通過(guò)一個(gè)200L的大水箱向人工濕地供水5d，另外2d為停歇時(shí)間.  

2.4水樣、植物樣采集與測(cè)定  

每周采集進(jìn)出水樣一次，每月測(cè)定的4個(gè)周的平均值作為該月處理水樣的月平均值.COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定，TP采用AQ2全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀(AutomatedChemistryAnalyzer，England)測(cè)定，TN采用德國(guó)產(chǎn)LiquorTOC分析儀測(cè)定.物理化學(xué)指標(biāo)的測(cè)試包括氧化還原電位(Eh)、pH值、溶解氧(DO)，均是在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量，其中，DO采用OrionDissolvedOxygenProbe(Model862Aplus，USA)測(cè)量，Eh采用Orion250AplusORPFieldKit測(cè)量，pH值采用OrionPortablepHMeter(Model250Aplus，USA)測(cè)量.分別采集和測(cè)定各濕地植物實(shí)驗(yàn)前后的生物量，本研究采用種植前與實(shí)驗(yàn)結(jié)束收獲后濕地植物鮮重表示生物量.  

2.6統(tǒng)計(jì)分析  

所有的都采用SPSS軟件進(jìn)行分析.一階方差分析用來(lái)分析4種不同植物垂直潛流式人工濕地各種參數(shù)條件下的出水狀況.二階方差分析用來(lái)分析測(cè)試不同的碳元素添加、人工濕地植物類(lèi)型、季節(jié)變化，以及其兩兩或者3個(gè)一起的綜合影響作用.Duncan多倍范圍檢驗(yàn)用來(lái)進(jìn)一步評(píng)價(jià)方差分析中的差異顯著性.  

3結(jié)果  

3.1主要物理化學(xué)指標(biāo)的變化  

pH值、氧化還原電位(Eh)和溶解氧(DO)值見(jiàn)表1.對(duì)于pH值，3種C/N比進(jìn)水條件下，4種植物濕地均表現(xiàn)為出水值(6.386.81)低于進(jìn)水值(7.237.56)，但不同處理?xiàng)l件下，不同植物間差異不顯著(p>0.05).對(duì)于DO值，C1N和C2N處理要顯著高于C3N處理(p<0.05)，但相同處理不同植物類(lèi)型間差異不顯著(p>0.05).對(duì)于4種植物濕地類(lèi)型，Eh值在C1N、C2N和C3N處理中差異也不顯著(p>0.05).  

3.2主要污染物去除率隨時(shí)間的變化  

主要污染物去除率在處理過(guò)程中各個(gè)月份中的變化明顯，3種進(jìn)水負(fù)荷下，COD去除率在香蒲和菖蒲濕地均優(yōu)于水蔥和千屈菜濕地(圖2，表2).如圖2a所示，C1N處理中，4種植物濕地中COD去除率在秋末和冬初波動(dòng)相對(duì)較大.在C2N和C3N處理中，4種植物濕地均表現(xiàn)出在7月和10月COD去除率較高(圖2b和2c).到實(shí)驗(yàn)結(jié)束(1月)，3種處理?xiàng)l件下，不同植物濕地對(duì)COD去除率均下降到低值，受季節(jié)影響顯著.由表3的方差分析發(fā)現(xiàn)，季節(jié)、植物類(lèi)型與季節(jié)的交互作用對(duì)COD的去除率影響顯著(p<0.05).  

垂直潛流人工濕地對(duì)于氮的去除主要是依靠硝化和反硝化過(guò)程實(shí)現(xiàn)的.當(dāng)C/N=5∶1時(shí)，TN去除率比C1N和C3N處理高，而香蒲濕地也略高于其他3種植物濕地.這說(shuō)明在適合的C/N比條件下，可使得硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)達(dá)到狀態(tài)，適量的碳源保證了濕地反硝化過(guò)程的順利進(jìn)行.而植物的合理選擇也在一定程度上提高了TN的去除效果.在不同的進(jìn)水負(fù)荷條件下，平均TN去除率在香蒲濕地中達(dá)到了38%49%，與Seo等(2008)在水平流濕地中48%的去除率接近.比較了水蔥、香蒲和千屈菜等濕地植物對(duì)生活污水的TN去除率，發(fā)現(xiàn)香蒲的去除效果高于千屈菜，這與本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果基本一致.另外，該研究結(jié)果表明，季節(jié)變化對(duì)于TN的去除則是有非常顯著的影響，特別是在6—7月間，TN去除率達(dá)到高值.TN在夏季有較高的去除率，其原因可能是植物在較高溫度下良好生長(zhǎng)，根系充分發(fā)育，為植物根系間微生物提供了良好的新陳代謝環(huán)境所致.