我国农村人口多，生活污水排放量大，但处理率很低，未经处理的生活污水随意排放是造成目前水体富营养化现象越来越严重的原因之一，因此污水中的氮磷必须采取去除措施或者循环利用来避免其对受纳水体的污染。人工湿地作为一种高效率、低能耗且管理方便的污水处理技术，已广泛应用于农村生活污水尾水中氮磷营养盐的深度处理。潜流湿地保温效果好，处理效果受气候、季节的影响较小，硝化能力强，适于处理氨氮含量高的污水，但其容易堵塞。
水生植物滤床无填充基质，植物根系会截留大量有机物，收割时植物残体均被带出水体外使得床体不易堵塞。故本研究在潜流湿地前串联一级水生植物滤床。一级滤床中种植根系发达的空心菜，二级垂直潜流人工湿地内种植水稻“苏香梗2号”，通过研究组合生态系统中氮磷的去除效果以及不同植物对氮磷去除的贡献，旨在为农村生活污水的生态处理选择适宜的湿地类型与植物组合，期望研究结果为高氮磷含量的农村生活污水生态处理提供理论依据。
1. 实验部分
1.1 组合生态处理系统构建
组合生态系统建于江苏省无锡市某大学，实验装置如图1所示。
一级水生植物滤床（以下简称“滤床”）床体表面积为0.75m，长、宽、高分别为2.5、0.3、0.3m，运行水深0.15m。二级垂直潜流人工湿地（以下简称“潜流湿地”）表面积为0.6m，长、宽、高分别为2.0、0.3、0.6m，床体内部填充厚度为0.5m的基质，其中底部填充厚度10cm、粒径为25～55mm的粗砾石作为湿地垫层，之上填充厚度30cm、粒径为10～20mm的陶粒作为主要的吸附介质和微生物生长的附着载体，最上层填充厚度10cm、粒径为10～20mm的细砾石，防止陶粒漂浮于水面。滤床内种植植物为大叶特白空心菜，种植密度株行距10cm左右；潜流湿地内种植水稻“苏香梗2号”，种植密度株距8～10cm。
考虑到组合生态系统整个床体的长度，沿程设置7个取样点，组合生态系统进水即为滤床进水，取样口4为滤床出水（即潜流湿地进水），取样口7为组合生态系统出水，取样口2～4为滤床沿程取样点，取样口5～7为潜流湿地沿程取样点。滤床内取样点均为距池底5cm处，潜流湿地内取样点均为距池底35cm处。
滤床和潜流湿地内所种植物移植后，先进行半个月左右的缓苗，待移植后的植物成活且长出新叶后开展水质净化效果及植物生理学指标的实验研究。
1.2 进水水质
实验进水为生活污水经“厌氧池-缺氧池-曝气池”等生物处理后的尾水，其COD为42.4～65.6mg/L，NH4+-N、NO3--N、TN、TP的质量浓度分别为7.8～12.4、11.0～20.1、19.3～3.7、1.0～2.5mg/L，测定时间为2015年7月上旬－2015年10月下旬。系统采用连续进水的方式，布水水力负荷为0.24m/(m˙d)，每5d取样测定1次。
1.3 分析方法
实验中，水中COD测定采用重铬酸钾法，NH4+-N含量测定采用水杨酸盐分光光度法，NO3--N含量测定采用氨基磺酸紫外分光光度法，TN含量测定采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法，TP含量采用测定过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法；植物中全N含量测定采用H2SO4-H2O2-蒸馏法，全P含量采用测定H2SO4-H2O2-钼锑抗比色法。
2. 结果与讨论
2.1 系统氮磷去除特性
黄德峰等研究表明，微生物的硝化反硝化作用以及基质对磷的吸附沉淀作用是复合垂直流人工湿地去除氮磷的主要途径。滤床串联潜流湿地组合生态系统对NH4+-N、TN和TP的去除效果分别见图2和图3。
由图2和图3可以看出，组合生态系统对NH4+-N、TN和TP的去除率平均分别达到了82.5%、56.0%和63.2%，除个别时间点，出水NH4+-N和TN含量均达到GB18918－2002一级A标准，出水TP含量均达到一级B标准。
系统对NH4+-N的去除率明显高于TN，且二者随着时间的推移去除效果均呈现先逐渐上升后又缓慢下降的趋势，原因是实验初期，植物处于幼苗阶段，底部根系稀少，不适于大量微生物附着生长，植物-微生物-基质还未形成十分稳定的生态系统。
半月左右后，空心菜根系发展充分，发达的根系组织为微生物的生长繁殖提供良好的生存空间，植物根系周围的环境连续呈现好氧、缺氧及厌氧状态，相当于许多串联或并联的A2/O单元，从而实现硝化、反硝化作用，达到脱氮的效果，系统对NH4+-N、TN的最高去除率分别达到了94.4%、71.9%。10月下旬开始，天气逐渐转凉，室温、水温、光照时间与强度随之下降，植物生长速率、微生物活动亦趋于缓慢，故而NH4+-N和TN的去除率均呈渐降趋势。
组合生态系统对TP的去除率随着时间的变化呈上下波动的趋势，最高去除率为75.4%，最低去除率为54.6%，实验后期系统TP去除率有所下降，这可能是人工湿地对TP的去除多依靠填料的吸附作用，装置运行后期，潜流人工湿地内基质对TP的吸附逐渐趋于饱和所致。
2.2 NH4+-N、TN和TP含量沿程变化规律
组合生态系统NH4+-N、TN和TP含量沿程的变化见图4。
从图4可以看出，NH4+-N、TN和TP含量沿程均呈现下降的趋势。NH4+-N含量的下降幅度较TN和TP更为平缓，且进入潜流湿地之后，TN和TP含量有一陡然下降的趋势，且随后下降幅度均高于滤床中。这可能是NH4+-N和TN的去除主要依靠微生物的氨化、硝化和反硝化作用，TP的去除多依靠填料的吸附作用，滤床内空心菜生长迅速，根系发达，故而TN和TP含量均有所下降。但与此同时，滤床中水体不深，大气复氧和植物根系泌氧等使得滤床中水体含氧量较高，氨化作用去除NH4+-N效果明显，而反硝化作用受滞，故而TN去除效果不高。
滤床出水进入潜流湿地后，潜流湿地基质孔隙度大，湿地填料表面及孔隙中易形成生物膜，上面附着的微生物，如硝化细菌、反硝化细菌等以污水中的营养物质进行生长繁殖，去除氮磷的同时增加生物膜厚度。此外，湿地内植物将空气中的氧气转运到根部表面组织扩散，使植物根系周围依次呈现好氧、缺氧和厌氧的微环境，相当于许多串联或并联的A2/O微处理单元，更有利于生物脱氮除磷过程的进行。
与此同时，在水流流经湿地基质时，污水中的磷与基质表面的Al、Mg、Ca等元素进行物理化学作用，生成不溶性磷酸盐，再与金属离子发生配位体交换反应而附着于湿地填料上，从而实现潜流人工湿地除磷的过程。
2.3 不同植物全氮、全磷含量
植物氮磷积累量反应该植物对氮磷的直接去除能力。组合生态系统中不同植物全氮、全磷含量如表1所示。
从表1可以看出，2种植物体内全氮含量均高于全磷含量。空心菜中全氮含量分布的特征是叶＞茎＞根，全磷含量分布是茎＞叶＞根；水稻中全氮含量分布的特征是叶＞穗＞根＞茎，全磷含量分布是叶＞茎＞穗＞根。空心菜的全氮、全磷含量均高于水稻，可能原因是空心菜生长迅速，叶片面积大，根系较水稻发达，着水即生根，其收获的生物量大于水稻。这也同李健娜等研究中生物量是影响氮、磷积累量的主要因素一致。
2.4 植物吸收对组合生态系统的贡献
一级水生植物滤床串联二级潜流人工湿地组合生态系统中污水中污染物去除总量及所种植物的生长状况以如表2和表3所示。
根据组合生态系统的水力负荷、运行时间、一级植物滤床的表面积、进水TN与TP平均含量以及TN和TP平均去除率可计算得组合生态系统的TN总去除量为305.44g、TP总去除量为23.56g，与此同时，根据表1和表4的总生物量可以计算出空心菜和水稻在组合生态系统中脱氮的贡献分别为6.1%、0.8%，除磷的贡献分别为18.4%、3.1%，即植物吸收对组合生态系统脱氮除磷的贡献分别为6.9%、21.5%。
研究发现，人工湿地中40%～92%的氮素去除是通过硝化作用和反硝化作用的生物脱氮进行的。本实验中，植物吸收对组合生态系统脱氮的贡献为6.9%，由于一级空心菜水生植物滤床内DO含量较高，植物根系分布广泛，为氨化细菌、硝化细菌等好氧微生物的生长繁殖提供良好的空间，从而更有利于氨化反应和硝化反应的进行；并且在二级水稻潜流人工湿地内，植物根系与基质和微生物形成一个更为稳定的系统，反硝化作用显著，脱氮效果明显。
KIMSY等研究发现，通常湿地植物吸收的磷小于污水负荷的5%。本实验中，植物吸收对组合生态系统除磷的贡献为21.5%，究其原因，主要有如下2个方面，1）组合生态系统中一级水生植物滤床内未填充基质，整个系统中植物所占比例较大；空心菜连续收割3茬，更有利于污水中磷的去除；2）潜流湿地内填充基质深度为0.5m，且主体吸附基质陶粒层高度只有0.3m，对污水中磷的吸附容量有限，与此同时，组合生态系统的进水为经生物处理的农村生活污水尾水，TP含量较低，生态系统去除的总有机负荷不高，以致植物的磷积累量对TP的去除贡献率增大。
3. 结论
夏秋季组合生态系统对农村生活污水尾水中氮磷去除效果较好，NH4+-N、TN和TP的去除率平均分别为82.5%、56.0%和63.2%，除个别时间点，出水NH4+-N和TN的含量均达到GB18918－2002一级A标准，出水TP含量均达到GB18918－2002一级B标准。
潜流湿地中沿程TN和TP含量下降幅度较滤床中更大，说明潜流人工湿地脱氮除磷效果较滤床更优。
大叶特白空心菜体内氮、磷的质量分数分别为2.63%、0.61%，“苏香梗2号”水稻体内氮、磷质量分数分别为1.60%、0.19%，空心菜的全氮、全磷含量均高于水稻；空心菜中全氮含量分布的特征是叶＞茎＞根，全磷分布是茎＞叶＞根，水稻中全氮含量分布的特征是叶＞穗＞根＞茎，全磷含量分布是叶＞穗＞茎＞根。
植物吸收对组合生态系统脱氮除磷的贡献分别为6.9%、21.5%，且经过实验分析可知，人工湿地应优选生物量大、根系发达、叶片面积大且收割茬数多的植物。
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