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)，越來越得到大面積的應(yīng)用.近年來，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型構(gòu)造本身、填料、植物類型、進(jìn)水C/N比與啟動季節(jié)等因素的影響，而關(guān)于進(jìn)水C/N比對不同植物類型處理生活污水效果的影響研究相對較少.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，容易測量，是確定廢水碳氮平衡特征的一個重要參數(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時(shí)期對N、P的需求量也不同.植物對N、P吸收量及比例的變化，也會間接影響其在不同季節(jié)對污水去除效率的貢獻(xiàn).

　　本研究針對垂直流型人工濕地系統(tǒng)，研究水蔥(Scirpus tabernaemontani)，香蒲(Typha orientalis，)菖蒲(Acorus calamus)和千屈菜(Lythrum salicaria)4種植物濕地在不同進(jìn)水C/N比條件下的污水凈化能力，探討其可能的影響機(jī)制.

　　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1.0 m×0.6 m×0.9 m(長×寬×高)，在長邊15 cm處分別用隔板隔開，靠近進(jìn)水端15 cm的隔板底部以尺寸為0.80 m×0.15 m的矩形開口相通.布水區(qū)填料上層為粒徑約12 mm的爐渣，厚度為45 cm，爐渣在使用前經(jīng)過5次沖洗，以避免其會產(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;下層為粒徑約15 mm的礫石，厚度為20 cm，進(jìn)出水隔板之間10 cm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(15 mm的孔，間距為100 mm)PVC管均勻布水，試驗(yàn)于2014年1—3月*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0.67 m3 · m-2 · d-1，HRT為1.5 d，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個平行處理，共計(jì)48個濕地單元.

 圖1 垂直流型人工濕地 

　　2.2 模擬生活污水的配制及進(jìn)水水質(zhì)特征

　　對4種植物類型濕地進(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、400 mg · L-1(污染負(fù)荷分別為322.64、645.35、1280.06 mg · m-3 · d-1)，N素添加濃度為40 mg · L-1(污染負(fù)荷為107.75 mg · m-3 · d-1)，P素添加濃度為5 mg · L-1(污染負(fù)荷為16.58 mg · m-3 · d-1).模擬污水的配方為 100、200、400 g · m-3 葡萄糖，80 g · m-3 尿素，15 g · m-3 NaH2PO4，1.5 g · m-3 KH2PO4，4 g · m-3 CaCl2，2 g · m-3 MgSO4.3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個平行組.模擬生活污水的進(jìn)水水質(zhì)特征見表 1和表 2.

表1 不同進(jìn)水C/N比條件下主要理化指標(biāo)的進(jìn)出水特征





表2 不同進(jìn)水C/N比條件下主要污染物的進(jìn)水濃度與去除率及濕地植物收獲后生物量 

　　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日每個濕地單元分別種植水蔥(Scirpus tabernaemontani)、香蒲(Typha orientalis)菖蒲(Acorus calamus)和千屈菜(Lythrum salicaria)，上述4種濕地植物種植時(shí)單個濕地平均鮮重分別為0.28、0.34、0.21和0.41 kg，種植密度為 5~8 株 · m-2.前期濕地用模擬生活污水灌水2個月，該階段為濕地的馴化期.實(shí)驗(yàn)運(yùn)行周期為10個月，時(shí)間為2014年的4月1日至2015年的1月31日，模擬污水以0.21 m3 · m-2 · d-1的水力負(fù)荷進(jìn)入人工濕地單元，配水裝置是一個直徑5 cm的塑料管，其上分布著直徑1.5 mm的小圓孔.每周通過一個200 L的大水箱向人工濕地供水5 d，另外2 d為停歇時(shí)間.

　　2.4 水樣、植物樣采集與測定

　　每周采集進(jìn)出水樣一次，每月測定的4個周的平均值作為該月處理水樣的月平均值.COD采用重鉻酸鉀法測定，TP采用AQ2全自動間斷化學(xué)分析儀(Automated Chemistry Analyzer，Engl and )測定，TN采用德國產(chǎn)Liquor TOC分析儀測定.物理化學(xué)指標(biāo)的測試包括氧化還原電位(Eh)、pH值、溶解氧(DO)，均是在現(xiàn)場實(shí)地測量，其中，DO采用Orion Dissolved Oxygen Probe(Model 862Aplus，USA)測量，Eh采用Orion 250Aplus ORP Field Kit測量，pH值采用Orion Portable pH Meter(Model 250Aplus，USA)測量.分別采集和測定各濕地植物實(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.