人工濕地去除水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水中氮磷的影響因素識(shí)別

李飛翔，岳 琛，張超月，張瑞瑞，楊麗陽(yáng)，穆景利，黃亞玲①

(1.福州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，福建 福州 350108；2.閩江學(xué)院海洋研究院，福建 福州 350108；3.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350002)

我國(guó)是水產(chǎn)養(yǎng)殖大國(guó)，2019年水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量占全國(guó)水產(chǎn)品產(chǎn)量的78%[1]。水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)于我國(guó)食物蛋白質(zhì)的穩(wěn)定提供具有不可替代的貢獻(xiàn)，但隨著養(yǎng)殖規(guī)模增加，養(yǎng)殖廢水排放造成的環(huán)境污染問(wèn)題日益突顯。殘余餌料和養(yǎng)殖排泄物等排放會(huì)增加水體中氮磷等污染物含量，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，從而影響生態(tài)環(huán)境，制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。近年來(lái)，我國(guó)大力發(fā)展綠色水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，養(yǎng)殖廢水污染控制受到社會(huì)各界高度重視。因此，探尋低能耗、低運(yùn)行成本、操作簡(jiǎn)單、生態(tài)安全且適用范圍廣的養(yǎng)殖廢水處理技術(shù)具有十分重要的生態(tài)和生產(chǎn)意義。

人工濕地作為一種廢水處理技術(shù)，具有成本低、操作簡(jiǎn)單、不會(huì)形成二次污染等特點(diǎn)[2]。人工濕地對(duì)污染物的去除能力主要是通過(guò)植物吸收、基質(zhì)截留和微生物降解，即一系列物理化學(xué)和生物的共同作用完成[3]。有研究[4-5]表明蘆葦對(duì)養(yǎng)殖尾水中總氮和總磷有較好的去除效果。人工濕地系統(tǒng)中基質(zhì)主要通過(guò)吸附作用去除污染物，且不同基質(zhì)的吸附效果也有差異[6]。程麗芬等[7]探究不同基質(zhì)(活性炭與爐渣、陶粒和火山巖)凈化養(yǎng)殖尾水的效果，結(jié)果表明這3種基質(zhì)對(duì)總磷均有很好的凈化作用。此外，不同水流方式的人工濕地對(duì)污染物的凈化效能也存在一定差異。高春芳等[8]通過(guò)構(gòu)建表面流人工濕地、潛流人工濕地和地下滲濾3級(jí)組合生態(tài)處理工藝對(duì)比了不同水流方式去除率的差異，結(jié)果表明垂直潛流人工濕地對(duì)污染物的去除率高于水平潛流。

近年來(lái)，人工濕地處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)污水、生活污水和養(yǎng)殖廢水等。由于人工濕地對(duì)污染物的凈化效能受到水流方式、水力停留時(shí)間(HRT)、基質(zhì)種類(lèi)、植物種類(lèi)和氣候等多方面因素的影響，不同研究得到的去除效率不盡相同。此外，大部分研究針對(duì)單一變量，無(wú)法系統(tǒng)辨識(shí)各因素對(duì)人工濕地凈化效能的影響程度[9-10]。因此，該研究綜合考慮水力停留時(shí)間、水流方式、植物、生物質(zhì)炭、季節(jié)和環(huán)境因子(電導(dǎo)率、pH和溶解氧)等因素，系統(tǒng)探討不同因素對(duì)人工濕地處理養(yǎng)殖尾水中氮、磷去除效率的影響，以期篩選出去除效率最優(yōu)的組合條件，為人工濕地系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化與應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1 人工濕地系統(tǒng)參數(shù)

人工濕地采用課題組已構(gòu)建的12套人工濕地小試系統(tǒng)。人工濕地系統(tǒng)共設(shè)置無(wú)植物組、植物組和生物質(zhì)炭組(植物加生物質(zhì)炭)3種類(lèi)型以及表面流、水平潛流、下行垂直潛流和上行垂直潛流4種流態(tài)。濕地單元材質(zhì)為玻璃鋼，其中，表面流和水平潛流的反應(yīng)器為長(zhǎng)方體(長(zhǎng)80 cm，寬60 cm，高80 cm)，垂直潛流的反應(yīng)器為圓柱體(直徑為80 cm)，水位統(tǒng)一控制為60 cm，側(cè)面設(shè)置3個(gè)采樣口，統(tǒng)一從最底部采樣口采樣。

人工濕地基質(zhì)為粒徑9～16 mm小沸石、粒徑16～33 mm大沸石、粒徑6～9 mm麥飯石、粒徑3～5 cm礫石和生物質(zhì)炭(500 ℃裂解溫度條件下制備的玉米秸稈)。表面流人工濕地系統(tǒng)基質(zhì)鋪設(shè)從下到上分別為5 cm厚礫石、30 cm厚小沸石，水平潛流和下行垂直潛流人工濕地系統(tǒng)基質(zhì)鋪設(shè)從下到上分別為5 cm厚礫石、20 cm厚大沸石、30 cm厚小沸石和10 cm厚麥飯石，上行垂直潛流人工濕地系統(tǒng)基質(zhì)鋪設(shè)從下到上分別為5 cm厚礫石、25 cm厚小沸石、25 cm厚大沸石和10 cm厚麥飯石。此外，在各系統(tǒng)出水管和進(jìn)水管均鋪設(shè)有一定量的礫石，防止進(jìn)、出水管堵塞。

人工濕地系統(tǒng)水力停留時(shí)間主要參照HJ 2005—2010《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了探究不同水力停留時(shí)間對(duì)污染物去除效率的影響，主要考察水力停留時(shí)間為1、2和3 d時(shí)的污染物去除效率。

人工濕地系統(tǒng)植被選擇多年生且生命力頑強(qiáng)耐干旱，可以在淡水和海水中生存的草本鹽生植物——海馬齒，以保證其修復(fù)季節(jié)的連續(xù)性[11-12]。選取的海馬齒均為生長(zhǎng)良好的植株，高度在15～20 cm之間，葉片數(shù)和葉片大小基本一致，種植密度為40株·m-2。

1.2 試驗(yàn)方案

所用廢水來(lái)源于福建省淡水養(yǎng)殖良種繁育科研中試基地產(chǎn)生的養(yǎng)殖廢水，試驗(yàn)周期為2020年9月—2021年9月，試驗(yàn)步驟包括：系統(tǒng)清洗階段，采用24 h連續(xù)進(jìn)水，水力負(fù)荷為10 L·h-1，該階段運(yùn)行時(shí)間為1個(gè)月，進(jìn)水為清水，以去除基質(zhì)表面雜質(zhì)；系統(tǒng)掛膜階段，采取連續(xù)進(jìn)水方式對(duì)濕地單元內(nèi)基質(zhì)進(jìn)行微生物掛膜，進(jìn)水為養(yǎng)殖尾水，該階段運(yùn)行時(shí)間為1個(gè)月；實(shí)驗(yàn)階段，采用間歇式進(jìn)水，即進(jìn)水—排水—空置—進(jìn)水的方式，進(jìn)水時(shí)間為10 min，出水時(shí)間為15 min，空置時(shí)間為6 h，進(jìn)水周期為4 d，進(jìn)水系統(tǒng)運(yùn)行1個(gè)月后，對(duì)其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，待系統(tǒng)各參數(shù)穩(wěn)定后開(kāi)始采樣。樣品采集后裝于1 000 mL聚乙烯瓶中，在現(xiàn)場(chǎng)采用WTW便攜式多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀(WTW Multi3630，德國(guó))測(cè)定水溫、pH、溶解氧和電導(dǎo)率后，用4 ℃采樣箱貯存樣品并立即運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室。主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)為總氮、氨氮和總磷濃度，所有指標(biāo)分析嚴(yán)格按照文獻(xiàn)[13]執(zhí)行。采用2021年1月—2021年9月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用one-way ANOVA單因素方差分析研究不同組別水質(zhì)指標(biāo)和去除率總體分布的差異顯著性，當(dāng)P<0.05時(shí)表示呈顯著差異；采用Spearman相關(guān)分析識(shí)別總氮、氨氮和總磷去除率與環(huán)境因子(溶解氧、pH、電導(dǎo)率)之間的關(guān)系；采用Excel 2019、SPSS 26和Origin 28軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、統(tǒng)計(jì)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工濕地系統(tǒng)進(jìn)出水水質(zhì)狀況

人工濕地系統(tǒng)進(jìn)水水溫、pH、溶解氧和電導(dǎo)率平均值分別為(20.5±8.4) ℃、6.75±0.26、(7.87±2.16) mg·L-1、(75.5±19.8) μS·cm-1。在3種水力停留時(shí)間條件下，出水平均水溫略低于進(jìn)水，電導(dǎo)率和pH隨著水力停留時(shí)間增加而逐漸增大，溶解氧濃度變化規(guī)律則相反。進(jìn)水總氮、總磷和氨氮平均濃度分別為(3.49±1.56)、(1.41.±0.81)、(0.54±0.19) mg·L-1(表1)。

表1 不同水力停留時(shí)間(HRT)人工濕地系統(tǒng)進(jìn)、出水水質(zhì)Table 1 Quality of influent and effluent water of the constructed wetland system with different hydraulic retention time (HRT)

2.2 不同人工濕地氮、磷凈化效率比較

2.2.1不同水力停留時(shí)間污染物去除效率

在設(shè)計(jì)的1～3 d水力停留時(shí)間范圍內(nèi)，人工濕地系統(tǒng)對(duì)總氮、氨氮和總磷的去除率隨著水力停留時(shí)間增加而提高，HRT為3 d時(shí)去除效率最高，平均去除率分別為(64.2±21.7)%、(83.2±10.0)%和(52.5±30.3)%。對(duì)總氮、總磷和氨氮去除率來(lái)說(shuō)，HRT為2 d與1 d相比、HRT為3 d與2 d相比和HRT為3 d與1 d相比均顯著提高(P<0.05)。

2.2.2植物對(duì)污染物去除效率的影響

基于HRT為3 d時(shí)無(wú)植物組和植物組水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析不同流態(tài)條件下種植海馬齒對(duì)污染物去除的影響(圖1)。如圖1所示，植物組4種流態(tài)處理總氮和總磷去除率均高于無(wú)植物組，植物組表面流、水平潛流、下行垂直潛流和上行垂直潛流處理總氮平均去除率比無(wú)植物組分別提高4.9、7.7、7.3和2.1百分點(diǎn)，總磷平均去除率分別提高0.5、1.8、1.5和1.3百分點(diǎn)，植物組水平潛流、下行垂直潛流和上行垂直潛流處理氨氮平均去除率比無(wú)植物組分別提高3.9、2.5和8.0百分點(diǎn)。相對(duì)于無(wú)植物組，植物組各流態(tài)對(duì)總氮、總磷和氨氮去除率的提高由高到低依次為水平潛流、下行垂直潛流和水平潛流。植物組上行垂直潛流處理污染物去除率最高，對(duì)總氮、氨氮和總磷的最高去除率分別為70.3%、80.2%和63.2%。

2.2.3生物質(zhì)炭對(duì)污染物去除效率的影響

基于HRT為3 d時(shí)4種流態(tài)生物質(zhì)炭組和植物組出水總氮、氨氮和總磷濃度數(shù)據(jù)，探討生物質(zhì)炭對(duì)污染物去除效率的影響(圖1)。如圖1所示，生物質(zhì)炭組總氮去除率顯著高于植物組(P<0.05)，生物質(zhì)炭組表面流、水平潛流、下行垂直潛流和上行垂直潛流處理總氮平均去除率分別為(59.4±24.4)%、(63.2±24.0)%、(76.6±21.7)%和(80.7±21.8)%。同樣，生物質(zhì)炭組4種流態(tài)處理氨氮去除效果也比植物組好，表面流、水平潛流、下行垂直潛流和上行垂直潛流處理氨氮平均去除率分別為(78.9±9.8)%、(83.9±9.4)%、(86.0±8.9)%和(88.6±9.0)%。其中，生物質(zhì)炭組表面流、下行垂直潛流和上行垂直潛流處理氨氮去除率顯著高于植物組(P<0.05)。而植物組4種流態(tài)處理總磷去除率均顯著高于生物質(zhì)炭組(P<0.05)。

2.2.4不同水流方式人工濕地系統(tǒng)對(duì)氮磷去除效率的影響

基于生物質(zhì)炭組4種流態(tài)處理出水總氮和氨氮濃度以及植物組出水總磷濃度數(shù)據(jù)，分析不同流態(tài)對(duì)氮磷去除效率的影響(圖2)。如圖2所示，在生物質(zhì)炭組中，各流態(tài)處理總氮去除率從高到低為上行垂直潛流>下行垂直潛流>水平潛流>表面流，其中，上行垂直潛流處理總氮去除率顯著高于下行垂直潛流、水平潛流和表面流(P<0.05)，下行垂直潛流處理總氮去除率顯著高于水平潛流和表面流(P<0.05)，水平潛流處理總氮去除率顯著高于表面流(P<0.05)。在生物質(zhì)炭組中，各流態(tài)處理氨氮去除率從高到低也為上行垂直潛流>下行垂直潛流>水平潛流>表面流，其中，上行潛流處理氨氮去除率顯著高于下行垂直潛流、水平潛流和表面流(P<0.05)，下行垂直潛流和水平潛流處理氨氮去除率顯著高于表面流(P<0.05)。在植物組中，各流態(tài)處理總磷去除率表現(xiàn)為上行垂直潛流>水平潛流>下行垂直潛流>表面流，其中，上行垂直潛流處理總磷去除率顯著高于下行垂直潛流、水平潛流和表面流(P<0.05)，下行垂直潛流和水平潛流處理總磷去除率顯著高于表面流(P<0.05)，水平潛流處理總磷去除率顯著高于下行垂直潛流(P<0.05)。總體而言，上行垂直潛流處理對(duì)總磷、總氮和氨氮的去除效果最佳。

A、B和C分別為無(wú)植物組、植物組和生物質(zhì)炭組，1、2、3和4分別為表面流、水平潛流、下行垂直潛流和上行垂直潛流。同一幅圖中，同一組直方柱上方英文小寫(xiě)字母不同表示不同人工濕地間出水某污染物濃度差異顯著(P<0.05)。圖1 不同人工濕地系統(tǒng)中污染物出水濃度Fig.1 Effluent concentration of pollutants in different constructed wetland systems

同一組直方柱上方英文小寫(xiě)字母不同表示不同人工濕地間出水某污染物濃度差異顯著(P<0.05)。圖2 不同流態(tài)處理污染物去除率Fig.2 Removal rate of pollutants in different flow regimes

2.2.5不同季節(jié)人工濕地系統(tǒng)氮磷去除效率

基于HRT為3 d時(shí)冬、春、夏季3種濕地類(lèi)型4種流態(tài)處理總氮、總磷和氨氮濃度，探討污染物去除率的季節(jié)變化規(guī)律。其中，冬、春、夏季進(jìn)水水溫分別(10.5±1.5)、(21.7±0.7)和(29.3±1.1) ℃，出水水溫分別(10.2±1.0)、(21.6±0.8)和(28.3±1.6) ℃。如圖3所示，3個(gè)季節(jié)總氮和總磷去除率由高到低均為夏季>春季>冬季，其中，夏季和春季總氮和總磷去除率顯著高于冬季(P<0.05)。3個(gè)季節(jié)氨氮去除率由高到低為春季>夏季>冬季，其中，夏季和春季去除率顯著高于冬季(P<0.05)，春季去除率高于夏季，但差異不顯著。

2.3 環(huán)境因子對(duì)人工濕地氮磷凈化效能的影響

環(huán)境因子與總磷、總氮和氨氮去除效率的Spearman相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表2。如表2所示，當(dāng)基于HRT為1～3 d時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，電導(dǎo)率與總氮、總磷去除率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，pH與總氮、氨氮和總磷去除率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。當(dāng)基于HRT為3 d時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，出水溶解氧含量與總氮和總磷去除率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與氨氮去除率呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；水溫與總氮、總磷和氨氮去除率呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

箱圖上下橫線(xiàn)分別表示最大值和最小值，方框表示50%變異區(qū)間，方框中橫線(xiàn)表示對(duì)應(yīng)指標(biāo)平均值。圖3 不同季節(jié)污染物去除率Fig.3 Removal rate of pollutants in different seasons

表2 人工濕地系統(tǒng)氮磷去除率和溶解氧、pH、電導(dǎo)率的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of nitrogen and phosphorus removal rate with dissolved oxygen, pH and conductivity in constructed wetland systems

HRT為水力停留時(shí)間。**表示在0.01水平上顯著相關(guān)(P<0.01)，*表示在0.05水平上顯著相關(guān)(P<0.05)。

3 討論

通過(guò)設(shè)置不同水力停留時(shí)間(HRT為1～3 d)，探討不同水力停留時(shí)間人工濕地系統(tǒng)對(duì)總氮、氨氮和總磷凈化效能的影響。結(jié)果表明，總氮、氨氮和總磷去除率均隨著水力停留時(shí)間增加而提高。水力停留時(shí)間越長(zhǎng)，污染物與系統(tǒng)中植物、基質(zhì)和微生物接觸時(shí)間越長(zhǎng)，使得植物和基質(zhì)對(duì)污染物的吸附更充分，微生物對(duì)污染物的分解更加徹底，從而提高了氮、磷去除率[14]。

植物組總氮、氨氮和總磷去除率要高于無(wú)植物組，說(shuō)明植物在人工濕地系統(tǒng)中對(duì)污染物的去除發(fā)揮一定作用。已有研究[15-17]表明，植物對(duì)污水中氮、磷的去除量分別占濕地系統(tǒng)去除總量的15%～80%和24%～80%。海馬齒是一種多年生且生命力頑強(qiáng)的鹽生植物，可以保證季節(jié)連續(xù)性。楊芳等[18]采用海馬齒進(jìn)行生態(tài)浮床原位修復(fù)研究，發(fā)現(xiàn)海馬齒生態(tài)浮床能夠在一定程度上改善修復(fù)區(qū)海水水質(zhì)，減輕網(wǎng)箱養(yǎng)殖水體的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷，對(duì)氮、磷去除率分別為11.7%和19.9%。應(yīng)銳等[19]通過(guò)研究不同水生植物對(duì)養(yǎng)殖尾水的凈化效果發(fā)現(xiàn)海馬齒根莖不僅能吸收營(yíng)養(yǎng)鹽，還能增強(qiáng)系統(tǒng)硝化、反硝化作用，促進(jìn)水中氮、磷等物質(zhì)的去除。筆者研究發(fā)現(xiàn)植物對(duì)污染物去除雖有一定促進(jìn)作用，但整體上提升效率無(wú)顯著差異。這可能是因?yàn)楣P者研究中植物種植在濕地基質(zhì)中根系還不夠發(fā)達(dá)，對(duì)污染物的吸收能力有限造成的。

生物質(zhì)炭是一種綠色含碳生物材料，將其用作人工濕地基質(zhì)不僅可以吸附污染物，還可以補(bǔ)充植物所需碳源，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，進(jìn)而提升其對(duì)氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收[19]。筆者研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭組中4種流態(tài)處理總氮、氨氮去除率均顯著高于植物組。DENG等[20]通過(guò)總結(jié)由不同原料制備的生物質(zhì)炭對(duì)尾水氮磷去除的影響，發(fā)現(xiàn)原料為竹子、硬木和樹(shù)枝的生物質(zhì)炭對(duì)氮磷的去除有明顯促進(jìn)作用。筆者采用原料為玉米秸稈的生物質(zhì)炭對(duì)總氮和氨氮的去除有顯著促進(jìn)作用，這可能是因?yàn)樯镔|(zhì)炭不僅對(duì)污染物有一定吸附作用，還可以通過(guò)改變微生物群落結(jié)構(gòu)來(lái)提高氮去除率[21]。但是，生物質(zhì)炭組磷出現(xiàn)顯著析出現(xiàn)象。為了進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)所使用的生物質(zhì)炭是否含磷，通過(guò)配制濃度為1 mg·L-1磷溶液并添加等量生物質(zhì)炭，分別在1、2和3 d時(shí)測(cè)定上清液磷濃度，發(fā)現(xiàn)其濃度分別為2.08、2.39和3.04 mg·L-1，均高于初始濃度，且在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)濃度隨時(shí)間增加而增加，說(shuō)明試驗(yàn)使用的生物質(zhì)炭含有磷。這可能是導(dǎo)致筆者研究中生物質(zhì)炭組磷去除效果不佳的主要原因。此外，有研究[22]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭對(duì)人工濕地除磷沒(méi)有效果，也發(fā)現(xiàn)以石頭和生物質(zhì)炭為基質(zhì)的系統(tǒng)除磷效率低于以單純石頭為基質(zhì)的系統(tǒng)，推測(cè)未經(jīng)改性的生物質(zhì)炭表面通常具有負(fù)電荷，廢水中其他負(fù)電荷化合物(如一些有機(jī)物)可以與磷酸鹽競(jìng)爭(zhēng)生物質(zhì)炭上的交換點(diǎn)，使其除磷效果大大降低[23]。

垂直潛流和水平潛流處理總氮、氨氮和總磷去除效果較佳，其中，垂直潛流處理效果最好，而表面流處理總磷去除效果最差。這可能是由于水體中污染物通過(guò)植物吸收、物理化學(xué)作用和微生物降解3種方式被去除[24-25]。其中，基質(zhì)過(guò)濾和吸附是人工濕地凈化水質(zhì)的主要過(guò)程，而表面流基質(zhì)體積相對(duì)于其他流態(tài)更小，基質(zhì)截留和吸附的功能相對(duì)較弱。陳軍[26]以沸石為基質(zhì)研究不同流態(tài)人工濕地對(duì)污染物去除的影響，結(jié)果也表明垂直潛流的去除率要優(yōu)于表面流。此外，垂直潛流濕地布水方式有利于污水與濕地內(nèi)部填料接觸，從而提高去除率[27]。相對(duì)于表面流而言，垂直潛流人工濕地中廢水可與基質(zhì)、植物根系和內(nèi)部微生物更充分接觸，有利于污染物的吸附降解[28]。在垂直潛流中上行垂直潛流的去除率要高于下行垂直潛流，這與陳軍[26]的研究結(jié)果一致。這可能是由于上行垂直潛流的進(jìn)水端在系統(tǒng)底部，底部污泥中含有大量微生物，這種進(jìn)水方式可以使得含有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的廢水與系統(tǒng)底部微生物充分接觸，進(jìn)而促進(jìn)微生物繁殖，從而提高廢水中氮磷的去除[29]。也有研究[30]發(fā)現(xiàn)上行垂直潛流系統(tǒng)中反硝化菌豐度要高于下行垂直潛流，從而提高上行垂直潛流的脫氮能力。

夏季和春季總氮、總磷去除率均顯著高于冬季，且夏季顯著高于春季。Spearman相關(guān)分析也發(fā)現(xiàn)，水溫與總氮、總磷去除率均呈顯著正相關(guān)(表2)。這可能是因?yàn)橄鄬?duì)于冬季，夏季和春季的環(huán)境(溫度、濕度等)更適合植物和微生物生長(zhǎng)繁殖及新陳代謝，有利于人工濕地對(duì)廢水中總氮、總磷的去除[31]。此外，與冬季相比，海馬齒在春、夏季生長(zhǎng)時(shí)間更久，根系更為發(fā)達(dá)，可能會(huì)增加其對(duì)氮磷的吸收，進(jìn)而促進(jìn)其對(duì)氮磷的去除能力。部分研究也發(fā)現(xiàn)春、夏季植物生長(zhǎng)茂盛，增加了對(duì)磷的吸收，而冬季植物萎蔫，其對(duì)磷的吸收能力下降，且植物體內(nèi)磷元素可能被微生物分解釋放，使得系統(tǒng)總磷去除率下降[32]。已有研究[33]發(fā)現(xiàn)氨氮去除率受季節(jié)影響較大，溫度升高有利于促進(jìn)微生物硝化過(guò)程，提高氨氮去除率。筆者研究也發(fā)現(xiàn)春季和夏季氨氮去除率顯著高于冬季，這可能是因?yàn)槎静糠治⑸锟赡芴幵诙咂?，微生物?duì)氮的轉(zhuǎn)化過(guò)程減弱，降低了濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除能力。但這不表示溫度越高越好，因?yàn)闇囟仍龈?，溶解氧飽和度?huì)降低，因此硝化作用需在溫度與溶解氧之間取得一個(gè)平衡關(guān)系以獲得最高效率[33]，這可能是導(dǎo)致春季氨氮去除率略高于夏季的原因，但其具體的機(jī)制過(guò)程仍有待深入探討。

在試驗(yàn)周期內(nèi)，pH和電導(dǎo)率隨著水力停留時(shí)間增加而逐漸增大，這可能是隨著水力停留時(shí)間增加，尾水與堿性基質(zhì)的接觸時(shí)間越長(zhǎng)，導(dǎo)致pH升高；隨著水力停留時(shí)間增加，基質(zhì)中溶質(zhì)會(huì)逐漸釋放進(jìn)入水中，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率升高。杜顯元等[34]研究表明隨著溶質(zhì)遷移到水中，其電導(dǎo)率也逐漸上升。于此同時(shí)，電導(dǎo)率、pH與氮磷去除率呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，pH和電導(dǎo)率的提高有助于提高人工濕地系統(tǒng)對(duì)氮磷的去除能力。有研究[23]表明，偏堿性和偏酸性的人工濕地系統(tǒng)可以顯著增加反硝化微生物活性，進(jìn)而促進(jìn)系統(tǒng)對(duì)氮的去除效率。當(dāng)HRT為3 d時(shí)，溶解氧與氮磷濃度呈正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明增加人工濕地系統(tǒng)內(nèi)溶解氧含量，有助于去除氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽。例如，王寧寧等[35]研究發(fā)現(xiàn)充足的氧氣可以促進(jìn)尾水中聚磷菌的繁殖，進(jìn)而提高尾水中磷的去除，同時(shí)有氧條件促進(jìn)了硝化作用，使得氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，從而降低氨氮濃度。李榮濤等[36]通過(guò)曝氣方式增加人工濕地系統(tǒng)中溶解氧含量，發(fā)現(xiàn)較高的溶解氧含量在一定程度上促進(jìn)了總氮去除。此外，在4種不同流態(tài)人工濕地中溶解氧含量從高到低為上行垂直潛流>下行垂直潛流>水平潛流>表面流，潛流人工濕地溶解氧含量高于表面流，且污染物去除效率也較高。其他研究[37]也發(fā)現(xiàn)垂直潛流系統(tǒng)含氧量比較高，較高的含氧量給微生物提供了良好的生存環(huán)境，提高了微生物活性，從而提高了其對(duì)污染物的去除率。

4 結(jié)論

該研究探討了植物、基質(zhì)、水力停留時(shí)間、水流方式和環(huán)境因子對(duì)人工濕地系統(tǒng)凈化養(yǎng)殖尾水中氮、磷的影響，主要結(jié)論如下：

(1)水力停留時(shí)間為1～3 d范圍內(nèi)，氮、磷去除率隨著水力停留時(shí)間增加而提高。其中，對(duì)總氮、總磷和氨氮去除率來(lái)說(shuō)，HRT為2 d與1 d相比、HRT為3 d與2 d相比和HRT為3 d與1 d相比均顯著提高(P<0.05)。

(2)海馬齒對(duì)氮、磷的去除均有一定促進(jìn)作用，但作用不顯著。生物質(zhì)炭對(duì)總氮和氨氮的去除有明顯促進(jìn)作用，但存在磷析出現(xiàn)象。

(3)對(duì)于不同流態(tài)而言，垂直潛流系統(tǒng)氮、磷去除率要顯著優(yōu)于表面流，其中，上行垂直潛流的去除效果最好。

(4)對(duì)于不同季節(jié)而言，夏季總氮和總磷去除效率最高，春季氨氮去除效率最高，冬季去除效果最差。

(5)水力停留時(shí)間為1～3 d范圍內(nèi)，電導(dǎo)率、pH隨著水力停留時(shí)間增加而增加，其中，pH與總氮、總磷和氨氮去除率呈顯著正相關(guān)，電導(dǎo)率與總氮和總磷去除率呈顯著正相關(guān)。當(dāng)HRT為3 d時(shí)，4種流態(tài)中上行垂直潛流系統(tǒng)溶解氧含量要高于其他流態(tài)，溶解氧含量和水溫與總氮、總磷和氨氮去除率呈顯著正相關(guān)。