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     作者：鄭曉蒙

    園林人工濕地是人工濕地的一個(gè)獨(dú)特類型，是一種具有景觀、文化、休憩等綜合功能的自然一人文復(fù)合濕地系統(tǒng)。結(jié)合人工濕地與園林人工濕地的結(jié)構(gòu)與功能，文科軍等提出了潛流園林人工濕地的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是利用現(xiàn)有綠地、園林喬／灌木、濕地填料構(gòu)建的以污水資源化為目的的園林人工濕地。

    與人工濕地類似，潛流園林人工濕地對(duì)生活污水中氮、磷的去除受多種因素影響，如：植物、填料、溫度、水力停留時(shí)間(hydraulic residence time，HRT)、水力負(fù)荷等，本研究擬通過(guò)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，深入分析園林人工濕地結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制因素對(duì)其除氮、除磷效果的影響，確定因素影響程度及優(yōu)選條件，以期優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)，為其應(yīng)用推廣奠定理論基礎(chǔ)。

    1試驗(yàn)材料與方法

    1.1試驗(yàn)材料

    供試植物選取柳樹（Salix babylonica Linn），具有耐水濕、生長(zhǎng)速度快、喜肥及蒸騰速率高等特點(diǎn)，我國(guó)有柳樹約257種，可開發(fā)利用的約56種，資源豐富且不失景觀性，樹種主要為旱柳(Salix matsudana Koidz)垂柳（Salix bab、_lonica Linn）和饅頭柳（Salix matsudana）為供試植物。

填料在人工濕地污水處理系統(tǒng)中具有重要作用，是人工濕地生物和非生物的儲(chǔ)存庫(kù)，為植物和微生物提供良好生境，過(guò)濾和促進(jìn)懸浮固體的沉淀，通過(guò)物理、化學(xué)吸附作用去除污染物。常用填料有石灰石、礦渣、蛭石、沸石、砂礫、頁(yè)巖等。有研究認(rèn)為，混合填料的人工濕地除氮和磷能力可能大于單獨(dú)時(shí)的作用，故本試驗(yàn)選取砂礫、頁(yè)巖和爐渣陶粒為供試填料，采用兩兩組合的鋪裝方式構(gòu)建潛流園林人工濕地，見(jiàn)圖1，分別為均勻混堆、水平分層、豎直分層裝3種方式鋪裝。

    供試污水取自校園宿舍區(qū)產(chǎn)生的生活污水，COD74.7—324 mg/L,TP 0.3—2.7 mg/L,TN 68.3—278 mg/L,pH 7.64—8.37，可見(jiàn)，污水水質(zhì)不穩(wěn)定，變化較大。

    1.2試驗(yàn)裝置

    圖2為潛流園林人工濕地結(jié)構(gòu)示意圖．圖3為模擬裝置運(yùn)行圖。模擬裝置池體采用57 cmx48 cmx45cm（長(zhǎng)×寬×高）的PVC材質(zhì)箱體，由底部布水層(10 cm)、中部填料層(25 cm)和上部植物層構(gòu)成，層間鋪設(shè)透水型無(wú)紡布隔離，其中，布水層中鋪設(shè)卵石作墊層，植物層鋪設(shè)有10 cm厚土壤層。每箱種植6棵預(yù)先培養(yǎng)的柳樹苗（胸徑1cm），間距10—15 cm。

    1.3試驗(yàn)方法

    1.3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)與運(yùn)行

    對(duì)于多因素試驗(yàn)而言，正交設(shè)計(jì)是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。為重點(diǎn)考察潛流園林人工濕地結(jié)構(gòu)因素的影響，選取填料、填裝方式、植物以及HRT作為正交設(shè)計(jì)因素，安排L9(34)正交試驗(yàn)，見(jiàn)表l。裝置運(yùn)行時(shí)間由2011年3-9月，歷時(shí)6個(gè)月。

    1.3.2指標(biāo)測(cè)定

    為保證進(jìn)水條件的一致性，出水取樣和水質(zhì)測(cè)定時(shí)間為每9d-次，每次取樣時(shí)間為上午9:00，每次樣品每個(gè)指標(biāo)重復(fù)測(cè)定3次。測(cè)定的水質(zhì)指標(biāo)為主要有總氮(TN)、總磷(TP)，總氮采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定，總磷采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定。

    1.3.3數(shù)據(jù)處理

    數(shù)據(jù)的整理采用序時(shí)平均數(shù)法，得到各指標(biāo)的3組平均值，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行極差、方差分析，研究各因素對(duì)總氮和總磷去除效率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

    2結(jié)果與分析

    2.1  因素對(duì)TN去除的影響

    極差分析計(jì)算簡(jiǎn)單、直觀形象，反映因素水平的影響程度，是正交試驗(yàn)結(jié)果分析最常用的方法。因素極差值計(jì)算式如下：

    式中，kjm表示第j因素在第m水平下的指標(biāo)值。

依據(jù)該分析方法，填料、填裝方式、植物、HRT4個(gè)因素在3個(gè)水平下的脫氮率平均值見(jiàn)圖4所示，各因素的極差值RA、RB、RC、RD分別為0.234、0.062、0.016、0.100，則因素影響的主次順序?yàn)樘盍�、HRT、填充方式、植物。

    依據(jù)圖4可直觀地得到脫氮效果最優(yōu)的組合A3BIC2D3，即將陶粒、頁(yè)巖2種填料均勻混合填裝，種植旱柳，水力停留時(shí)間為9d。

    為深入了解因素、水平對(duì)潛流園林人工濕地脫氮效果的影響顯著性及程度．繼續(xù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。結(jié)果顯示，填料、填充方式、植物、HRT4個(gè)因素與TN去除率間存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系，回歸方程相關(guān)系數(shù)R2=0.996，F(xiàn)值=618.559》8.452(Fo.oo1(7，19)=3.765)，即線性關(guān)系可靠性大于99.9%。對(duì)回歸方程變量的偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行了t檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

    表3中，A1、A2、B1、B2、C1、C2分別對(duì)應(yīng)因素A、B、C的2個(gè)虛擬變量，賦值為0或1，用來(lái)表示因素的3個(gè)水平。以因素A(填料)為例：

    依據(jù)表3中t值可知，各因素對(duì)TN去除率的影響程度為：填料(A)>HRT(D)>填充方式(B》植物(C)，與極差分析結(jié)果一致，其中填料、HRT因素的影響程度遠(yuǎn)大于其他2個(gè)，填料填裝方式對(duì)脫氮的影響為負(fù)相關(guān)，植物對(duì)TN去除率的影響程度最小。

    2.2  因素對(duì)TP去除的影響

    同TN去除率影響分析方法，填料、填裝方式、植物、HRT4個(gè)因素在3個(gè)水平下的總磷去除率平均值見(jiàn)圖5所示，各因素的極差值RA、RB、Rc、RD分別為0.134、0.085、0.015、0.047，容易得到因素影響的主次順序?yàn)椋禾盍�、填充方式、HRT、植物。

    依據(jù)圖4易于獲得利于除磷的最佳操作條件為A3B3C3D2，即將陶粒、頁(yè)巖分別以垂直分層方式填裝，種植饅頭柳，運(yùn)行時(shí)水力停留時(shí)間控制為6d，該條件下，TP去除率預(yù)測(cè)值為78.2%。

    方差分析表明，填料、填充方式、植物、HRT4個(gè)因素與TP去除率間存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系，回歸方程相關(guān)系數(shù)R2=0.967．F值=79.97》8.452( Fo.oo1(7，19)=3.765)，線性關(guān)系可靠性大于99.9%0影響因素的偏相關(guān)系數(shù)t檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

    由表4中t值容易判斷出，4因素對(duì)潛流園林人工濕地除磷效果的影響程度大小排序?yàn)椋禾盍稀�鋪裝方式、HRT、植物，與極差分析結(jié)果一致。各因素對(duì)除磷的影響均為正效應(yīng)，填料及其填裝影響程度大，植物的影響則不太明顯。

    3討論

    3.1填料對(duì)潛流園林人工濕地氮磷去除效果的影響

    廢水中的氮素基本以有機(jī)氮和氨氮2種形態(tài)存在，人工濕地中氨氮的去除主要通過(guò)填料吸附沉降、水生植物吸收、微生物的硝化和反硝化以及氨揮發(fā)等多種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中填料的作用主要表現(xiàn)為對(duì)氨氮的吸附，其沉淀和吸附作用是濕地除磷的主要機(jī)理和途徑。潛流園林人工濕地脫氮除磷試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，填料因素對(duì)TN、TP去除效果的影響居于首位，該因素的3個(gè)水平中以頁(yè)巖與陶粒組合填料的效果最佳，與湯顯強(qiáng)等研究結(jié)果相似，即頁(yè)巖及其組合填料對(duì)氮、磷的去除率可以達(dá)到80%左右，而礫石及其組合填料時(shí)去除率較低。表明基質(zhì)的理化性狀對(duì)潛流園林人工濕地去除氮、磷有極大影響，如在潛流礫石床濕地脫氮系統(tǒng)中，填料吸附去除的氮量十分有限，但除磷的效果較好，頁(yè)巖含Al、Fe等元素，對(duì)TP去

除性能優(yōu)于礫石。

    總之，填料理化性質(zhì)和鋪裝方式影響植物、微生物的適生環(huán)境及水流流態(tài)等條件，填料對(duì)潛流園林人工濕地脫氮除磷效果影響最大，且對(duì)TP去除的影響大于對(duì)TN的影響；填料鋪裝方式對(duì)TP去除的影響同樣大于對(duì)去除TN的影響，與王榮等研究結(jié)果相似。

    3.2植物對(duì)潛流園林人工濕地氮磷去除效果的影響

    植物自身的吸收作用是人工濕地脫氮除磷的機(jī)制之一，氮素的去除主要通過(guò)植被直接吸收和植被根系微生物的硝化和反硝化作用，但植物的吸收作用并非去除氮、磷污染物的主要過(guò)程，在于其重要的間接作用：植物根系的輸氧作用，形成局部氧化、兼性和還原區(qū)域，進(jìn)而通過(guò)根系微生物的強(qiáng)化作用去除；另外，木本植物強(qiáng)大的根系網(wǎng)，能增強(qiáng)基質(zhì)的疏松度，

    使系統(tǒng)的水力傳輸?shù)玫郊訌?qiáng)和維持。故植物的根區(qū)效應(yīng)是影響脫氮除磷的主要因素之一。潛流園林人工濕地脫氮除磷試驗(yàn)結(jié)果顯示，植物的影響作用并不明顯，不同植物對(duì)潛流園林人工濕地脫氮除磷的影響差異也較小，除上述原因外，還在于以下2點(diǎn)：(1)垂柳、饅頭柳、旱柳均屬楊柳科，生態(tài)習(xí)性相似；(2)木本植物的生理周期長(zhǎng)，生長(zhǎng)較慢，在較短的試驗(yàn)期對(duì)氮、磷的吸收作用有限。因此，植物對(duì)生活污水中氮、磷的去除作用還需進(jìn)行長(zhǎng)期性的觀測(cè)、研究。

    3.3  HRT對(duì)潛流園林人工濕地氮磷去除效果的影響

    水力停留時(shí)間(HRT)是影響濕地運(yùn)行的要素之一，Huang等指出濕地中NH4+-N的去除率是HRT的二次函數(shù)。潛流園林人工濕地脫氮除磷的試驗(yàn)結(jié)果表明，HRT對(duì)去除TN的影響顯著性高于對(duì)TP的去除，對(duì)前者的影響排序?yàn)榈?位，對(duì)后者的影響排序?yàn)榈?位。HRT為9d時(shí)可獲得較好的脫氮效果，滿足微生物除氮所需最小水力停留時(shí)間為5d的要求，HRT為6d時(shí)對(duì)TP的去除效果好。

    污水在濕地系統(tǒng)中的水力停留時(shí)間與處理裝置結(jié)構(gòu)、處理水的流量及介質(zhì)的孑L隙率有關(guān)，故研究者有不同的結(jié)論，Brooks等的上升垂直流柱試驗(yàn)表明，提高溶解磷的去除率，HRT應(yīng)大于40 h。Lantzke等則認(rèn)為，小于24 h的水力停留時(shí)間不利于人工濕地中凈化磷素。王全金等通過(guò)潛流人工礫石(3—5 mm)濕地試驗(yàn)，認(rèn)為較經(jīng)濟(jì)的水力負(fù)荷為300 mm/d（約2d）。王世和等f(wàn)32]提出實(shí)際運(yùn)行中水力停留時(shí)間存在一個(gè)最佳值。因此，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)要素確定最佳水力停留時(shí)間，營(yíng)造、維持局部好氧微環(huán)境，保持較好的TN、TP的去除效果。

    4結(jié)論

    潛流園林人工濕地對(duì)氮、磷的去除是系統(tǒng)中填料、植物、微生物相互影響、作用的結(jié)果，正交試驗(yàn)研究表明，填料及其鋪裝方式、植物、水力停留時(shí)間對(duì)去除TN、TP的影響均極顯著，對(duì)TN去除率的影響程度由大到小順序?yàn)椋禾盍�、水力停留時(shí)間、填料鋪裝方式>植物；對(duì)TP去除率的影響程度為：填料>填料鋪裝方式>水力停留時(shí)間>植物，植物的影響程度最小。

    試驗(yàn)確定了潛流式柳樹濾池去除氮素的最優(yōu)組合A3B1C2D3：即將陶粒、頁(yè)巖2種填料均勻混合填裝，種植垂柳，運(yùn)行時(shí)水力停留時(shí)間控制為9d，該條件下，TN去除率預(yù)測(cè)值為81%；去除磷素的最佳操作條件為AB3C3D2，即將陶粒、頁(yè)巖2種填料以垂直方式分層鋪裝，種植饅頭柳，運(yùn)行時(shí)水力停留時(shí)間控制為6d，該條件下，TP去除率預(yù)測(cè)值為78.2%�？勺鳛槌醪皆O(shè)計(jì)潛流式柳樹濾池脫氮除磷的工藝參數(shù)，但還需要進(jìn)行長(zhǎng)期性的觀測(cè)、研究，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)。

    5摘要：

    以柳樹、濕地填料構(gòu)建潛流型園林人工濕地，考察其脫氮除磷效果，為優(yōu)化濾池結(jié)構(gòu)，及其應(yīng)用推廣確定最佳運(yùn)行條件。通過(guò)設(shè)計(jì)L9(34)正交試驗(yàn)，研究了填料、填料鋪裝方式、植物和水力停留時(shí)間(HRT)4個(gè)因素對(duì)考察指標(biāo)的影響顯著性及優(yōu)選條件。運(yùn)用SPSS19.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的極差、回歸分析表明，填料、填料鋪裝方式、植物、水力停留時(shí)間與潛流式園林人工濕地氮、磷去除率間呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2分別為0996、O.967；各因素對(duì)總氮去除率的影響程度排序?yàn)椋禾盍�、水力停留時(shí)間、填料鋪裝方式、植物；對(duì)總磷去除率的影響程度排序?yàn)椋禾盍�、填料鋪裝方式、水力停留時(shí)間、植物；潛流型園林人工濕地總氮去除率最高的操作條件為：陶粒和頁(yè)巖的組合均勻混合鋪裝，種植饅頭柳，HRT為9d，TN去除率預(yù)測(cè)值為81%;有利于總磷去除率的最佳操作條件為：陶粒和頁(yè)巖異垂直分層方式填裝，植物為旱柳，HRT為6d，TP去除率預(yù)測(cè)值為78.2%。