n植物在人工湿地处理生活污水中对粪细菌生化需氧量和悬浮物去除的影响文档格式.docx
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实验表明，有沉淀、吸附和生物代谢活动初级处理装置的潜流型湿地系统对TSS和BOD的处理是很有效的，但是，他们的性能都受生物代谢活动、水力停留时间、水力负荷、温度和植被类型的影响。
几个相关的研究报道，在不同植被的人工湿地系统中，给与一致的处理后，观察发现，BOD去除率在冬季末变低，但是这还不能确定冬季性能差是否仅仅是因为温度下降，还是与水力负荷增加的影响有关，因为其它几个研究中并没有表明冬季和夏季有什么重大影响。
因此，在这些处理过程中，阐明各种参数的最佳选择和操作设计需要更进一步的描述。
本研究的主要目的是比较无植被湿地、单作湿地和混养湿地对粪细菌，BOD和悬浮物的去除效率，其次就是分析季节变更，系统完善程度和实地大小对处理过程的影响。
2材料和方法
在本研究中，评价了处于肯塔基州Jessamine、Fayette、Woodford、和Boyle县境内的12个处理家庭生活污水的潜流型人工湿地（图.1）。
这些系统有1～2个进行一级处理的储水池和一个不同大小和使用时间的单一线型湿地单元，适合2～5个成员的家庭使用，这些处理单元有41到46cm深，用直径为2.5到6cm的石灰石作基质，其中三个湿地单元种植香蒲，三个种植酥油草，还有三个种植了大体由黄鸢尾、百合、萱草、芙蓉、芦苇和薄荷组成的多种植物，另外三个什么也不种。
所有的系统都有一个给湿地出水提供附加处理的46～74m的土壤过滤区。
一般系统的特性研究,列于表1。
表112个人工湿地的特征描述
系统名称
地点
尺寸m2
年龄（年）
居民数
化粪池体积（L）
石灰石基质（cm）
X率（m2/day）
香蒲1
Woodford
56
6
5
5670
5~6
1.42
香蒲2
4
2
3780
0.57
香蒲3
Fayette
45
8
3
0.85
平均
52.3
6.0
3.3
4410
0.95
混养1
36
混养2
Boyle
混养3
5725
45.7
3.7
3.0
4428
酥油草1
34
5~6+SC
0.47
酥油草2
44
1
酥油草3
60
8505
1.14
46.0
5.0
5355
无植被1
Jessamine
2.5~5
无植被2
无植被3
44.0
6615
SC，覆盖土壤厚度15~/20cm
粪大肠菌和总悬浮固体的检测从1999年7月开始至2000年6月结束，BOD从1999年10月监测到2000年9月，每个月在湿地系统的进口和出口末端采一次样，采样口用1英寸的聚乙烯管做成。
用手动泵储水装置从每个采样口采样，这种样品具有代表性，所采样品装入消过毒的1000ml的容器中，以确保容器中没有粪细菌，然后将样品送到肯塔基州立大学的冷冻室冷藏，以防止污水中细菌数量发生变化。
粪细菌用消过毒的孔径为0.2μm的微孔过滤器过滤，并用膜过滤技术进行分析，分别取体积为0.1、1.0和3.0ml的三个样品来增加计数的可能性。
将过滤后的样品放在琼脂上，于44.5℃下培养22小时后数粪大肠菌群数，在35℃下培养48小时计算粪链球菌数。
测定标准的5日生化需氧量（BOD5）来评估生化需氧量的去除效果，样品在低于4℃下保存大约24小时，在室温下依次从15到30ml取样，加入到300ml的碘量瓶，并用稀释水充满，稀释水每升分别加1.0ml的磷酸盐缓冲液、MgSO4溶液、CaCl2溶液和FeCl3溶液，如果有必要的话，分析测定前将PH调整在6.5到7.5之间，稀释后的样品放在BOD培养箱中培养，5天后的溶解氧含量决定是否接种。
总悬浮固体用玻璃纤维过滤器过滤，干燥后称量。
在概率为0.05的水平下，用计算机及其显著性差异程序测试系统及系统间百分去除率、装载率、去除效率的统计意义，显著性差异程序也用于测试季节性差异，相互关系和回归分析（PB/0.05）用来研究湿地设计与性能参数之间的关系。
3结果与讨论
3.1粪大肠菌
在取样期间，进水的粪大肠菌浓度很不稳定，它们的浓度在无植被系统可高达251.3×
/103CFU/100ml，在酥油草系统中却低至5.7×
103CFU/100ml，而且都没有一致的季节性倾向。
在香蒲系统中，平均浓度最高，酥油草系统最低，混养系统和无植被系统的浓度处于中间水平，但是每次取样都不稳定，平均出水浓度也极不稳定，通常在无植被和香蒲系统中最高。
混养系统和酥油草系统粪大肠菌的平均浓度接近美国环保署提出的1×
/103CFU/100ml的浓度水平，而且每年有七个月达到此标准。
香蒲和无植被系统的出水高出所要求的水平30%~50%，而且每年有3~4个月是这样的。
尽管各系统间进出水的粪大肠菌的浓度非常不稳定，但是其去除百分率从94%（无植被系统）到97%（混养系统和酥油草系统）却非常相近（表2,图2）。
表2取样期间平均进水浓度、出水浓度和去除百分率（标准偏差列于括号之内）
湿地
粪大肠菌（CFU/100ml×
103）
粪链球菌（CFU/100ml×
进水
出水
%率
香蒲
90.4（64.3）
4.6（3.7）
95（4）
52.8（33.3）
3.6（3.6）
93（6）
混养系统
36.4（43.2）
1.1（1.1）
97（3）
72.1（83.2）
1.3（1.3）
98
（2）
酥油草
32.9（27.7）
1.0（0.9）
14.7（11.1）
0.9（1.1）
94（5）
无植被
48.0（58.4）
2.7（2.5）
75.3（73.9）
3.2（4.2）
BOD（mg/l）
TSS（mg/l）
392（96）
81（43）
79（5）
1310（1376）
136（114）
90（7）
271（96）
69（35）
75（3）
2102（1788）
202（178）
90（6）
230（125）
58（28）
75（4）
814（908）
97（92）
88（7）
274（157）
102（30）
63（5）
418（284）
226（162）
46（10）
从1999年7月至2000年6月每月对粪便细菌采一次样，从1999年10月至2000年9月每月对BOD和TSS采一次样
然而，在各系统间和系统内，粪大肠菌去除效率都有显著的季节性差异（PB/0.05）。
总的来说，单一植被系统在温季表现较好（5月～9月），无植被系统在冬季与早春时节表现最佳（9月～次年4月）（图.2）。
香蒲和酥油草系统的季节去除率从春天的97%分别到冬天的82%和78%。
混养系统在温季始终比其他系统都好，在秋季处理效果是最好的，高达98%，在冬季表现最差，为82%。
单一植被系统在冬季粪大肠菌去除率较低，这是由于其代谢活动弱，温度小于3℃的时间延长而使微生物数量降低的结果（图.3）（Merlinetal.,2002）。
在冬季，植物根生物量减少也会使微生物吸附表面区域减少并限制培养基的过滤能力。
另外，冬季降雨量的增加可通过增加水力负荷和减少停留时间来加剧这种趋势（图.3）。
相反，无植被系统在冬季显示了最高的去除率（93%），在秋季最低（75%）。
这个趋势可能是由于冬季温度低导致粪大肠菌数量减少，或者用于系统初级处理的处理池体积较大而弥补了冬季植被缺失的原因。
此外，培养基中的小碎石能够提供较强的过滤能力，尤其是促进了生物膜的产生（Colemanetal.,2001）。
粪大肠菌平均负荷不同，分布在9.8×
/106CFU/m2day（酥油草系统）～23.4×
/106CFU/m2day（香蒲系统）之间（表3）。
在所有系统中，去除率随负荷的增加而增加。
混养系统、酥油草系统和无植被系统中的去除率为0.94～0.98，高负荷香蒲系统中去除率却降低到0.77。
尽管如此，由于系统装载率的季节性变化大，所以这些区别是无统计意义的。
香蒲和无植被系统中系统使用时间与粪大肠菌去除率成正比例关系，当考虑到所有的系统，这个关系又不能完全说明问题。
FC：
粪大肠菌，FS：
粪链球菌，BOD：
生化需氧量，TSS：
总悬浮物
单一植被系统有较好的粪大肠菌去除能力，尤其是在一年中较热的几个月，无植被系统每年的性能差异相当小，可以忽略不计。
这个结果与格林等的报道（1997）一致，与当前其他植物极大地改良了粪大肠菌去除率的发现相矛盾。
对通过机械过滤、沉淀、吸附、自然死亡、吞噬、抗生素排泄等过程去除细菌，碎石比根生物膜提供了一种更有效的基质。
本研究中这个结果没有被物化，原因是系统及系统间存在着固有的不稳定性，这个不稳定性不仅仅表现在植被种类上，在系统的临界设计参数上也存在（尺寸、使用时间、居住人数、初级处理、基质、水力和质量负荷）。
如果这几个参数不成比例或不相互匹配，那它对处理性能的影响就有可能掩盖植物种类所造成的影响，与统一的试验湿地相比，这是实际湿地系统的一个缺点，然而，这些结果还不仅仅用于相互比较，而且他们代表着当前湿地系统的发展前沿。
在种植植物的系统，混养湿地在一年中呈现了最一致的粪大肠菌去除率，而酥油草系统季节波动最大，尤其在夏季和冬季不稳定。
人们提出，多种植物组合的湿地系统可能提供更有效的根际时间和空间划分，从而优于单一植被系统的处理能力。
酥油草系统较差的处理性能可能是由于它根系较浅和它供细菌吸附、微生物增殖的生物膜有限。
3.2粪链球菌
无植被和混养系统的进水粪链球菌平均浓度最高、变化最大，而酥油草系统最低。
在无植被系统中，夏季末和秋季初的粪链球菌浓度高达370.0×
/103CFU/100ml，而在早春时又低至2.0×
/103CFU/ml，香蒲和无植被系统的出水浓度高出美国环保署提出的1.0×
/103CFU/100ml30%，混养系统和酥油草系统浓度分别刚好在1.3和0.9×
/103CFU/100ml。
相应的月份分别是，香蒲为1月，混养系统4月，无植被系统5月，酥油草系统8月。
各个系统的平均百分去除率从93%（香蒲）～98%（混养系统），差异并不显著（PB/0.05），季节性粪链球菌的去除百分率不同却是非常明显的，在冬季无植被系统为98%，酥油草系统为86%，在春季混养系统为96%，无植被系统为84%（图4），混养系统在温季提供了最好并且最多的一致的处理，而酥油草系统除春季（95%）外，其他季节（80～86%）的性能都是最低的。
同粪大肠菌的去除一样，无植被系统对粪链球菌的处理在冬季表现最好。
与其他系统相比，混养系统的粪链球菌负荷最高，为20.4×
/106CFU/m2day。
所有系统的粪链球菌去除率都随粪链球菌负荷增加而增加。
除酥油草系统外，所有系统在高粪链球菌负荷下都有较高的去除效率（0.94～0.98），酥油草系统去除率极低，平均去除效率仅为0.27，在夏季和冬季降到最低（表3）。
同粪大肠菌一样，在香蒲系统中，系统的完善程度与粪链球菌去除率之间成正比例关系，由此建议，通过增加根生物量来改进处理性能。
同时还发现，在混养系统中，系统尺寸同粪链球菌的去除率也成正比例关系。
但是，这些关系在所有系统中没有相互联系。
即使粪链球菌负荷与粪大肠菌负荷不同，但他们在系统之间的去除率是相似的。
同粪大肠菌一样，混养系统在全年处理效率都好，但是系统间粪链球菌的平均处理效率没有统计意义。
这是由于系统及系统之间的粪大肠菌部分本身就不稳定而处理这些排泄物的装置非常相似。
不过，在这些系统中，季节影响却非常明显，尤其是在最热和最冷的季节，这是由于最热时水分蒸散量特别剧烈，最冷时生物活性非常低，这种影响在香蒲和酥油草系统尤为显著（Merlinetal.,2002）。
总之，本研究中，没有明显的迹象表明如其他研究者所报道的那样单一系统比无植被系统优越。
3.3生化需氧量
人工湿地中各处理系统进水BOD的浓度各式各样，并且生活污水BOD的浓度通常都非常高。
香蒲系统的平均浓度最高（392mg/l）（表2），酥油草系统最低（230mg/l），在夏季的最后个月，酥油草和未种植物的系统浓度最大值高达1200mg/l。
所有系统出水BOD的浓度比美国环保总署提出的30mg/l浓度至少高20%。
通常，在无植被系统和香蒲系统最高（分别为102mg/l和81mg/l），混养系统和酥油草系统稍微低一点（分别为69和58mg/l）。
在美国环保署的整个监测期间，除酥油草系统在一月份的一个样品外，没有其他系统达到美国环保署推荐的最大标准BOD日负荷量。
但是，在本研究中的所有的湿地系统，其出水后级均有用于生活污水三级处理的过滤区。
未种植物的湿地系统平均BOD去除百分率比其他系统明显要低（表2），这可能是由于植物根部和降落的残渣比单一的碎石提供了更多的吸附媒质的缘故，因为在同时增加吸附表面积和微生物群落的食物来源时，植被系统通过沉淀、吸附和微生物的新陈代谢去除BOD的能力较强，尽管进水BOD浓度非常高，其去除效率还是在文献资料报道的范围内（图.5）。
季节对BOD去除的影响也非常明显，夏季最好而且所有的性能最一致，冬季最差。
香蒲系统在春季的BOD去除率下降较快，其去除率下降到55%以下，这可能是由于春季以前大量植物腐烂回到湿地系统，因而在废水中增加了附加的BOD的缘故，这个结果在冬季尤为明显，原因在于这个时期降雨量的增加提高了系统的水力负荷（图.3），这样就使得湿地里的有机粒子运动加剧，因而减少了停留时间。
在未种植物的湿地系统，春季BOD的去除效率跟上述相似，原因也是停留时间的减少，而夏季所有系统去除低是于土壤水分蒸散量大使浓度增加的缘故。
从酥油草系统的6.9g/m2day到无植被系统的13.1g/m2day，所有系统的平均BOD负荷不同（表3）。
BOD的去除率随装载率的增加从0.75~0.79线性地增加，且去除率在高负荷下没有明显的衰减（表3）。
无植被系统和香蒲系统比混养和酥油草系统有稍高的BOD去除效率。
无植被系统在夏季，除了其高负荷和相应的高去除效率，也涉及到没有植被覆盖，可能导致绝佳的通风环境和有机污染物负荷的氧环境。
相反，酥油草系统的BOD处理效率低是由于其根的生物量少而且浅，由于这些原因，尽管BOD负荷低，这种植被系统的处理效率还是相对较低，尤其在冬季其BOD的处理效率降低到1.2g/m2day时尤为明显（表3）。
在混养系统和酥油草系统中，BOD去除效率与系统的完善程度及尺寸成正比例关系。
香蒲和其他各种植被系统夏季较高的BOD去除率表明，这些植被系统能通过密集的根区和较大的表面生物量来增强基质衰减能力，这有益于增加生物活性，此外还能通过他们的根部组织向基质中传输更多的氧。
如果在香蒲生长季节末期收割，而不是让它回头腐烂在湿地里增加污染物负荷量，就能更进一步提高香蒲系统的处理效率。
另一方面，混养系统的优点在于它能让更多种类的微生物在基质中增生扩散，而且能保证低生物量的控制性生长和收割以及其较高的审美价值都使它成为更有实际应用的系统。
3.4总悬浮固体
总悬浮固体的平均进水浓度范围为无植被系统的418mg/l到混养系统的2102mg/l（表2），而且，月平均浓度极不稳定，除无植被系统外，所有系统中至少有一次超过3000mg/l，无植被系统从未超过过1000mg/l。
这个浓度是许多文献报道中最高的。
如果将所有的BOD作为总悬浮物负荷的一部分进行考虑，在混养系统中有机污染物负荷只占总悬浮物负荷的13%，而在酥油草，香蒲和无植被系统中，这个值分别为28、30和65%。
平均出水总悬浮物浓度在酥油草系统中最低（97mg/l），在无植被系统中最高（226mg/l）。
每月的总悬浮固体出水浓度在香蒲系统、混养系统和酥油草系统中，分别只有一次达到美国环保署提出的30mg/l的TMDL标准，而在无植被系统中从未达到过。
总悬浮物的平均百分去除率在单一系统非常高，比无植被系统高很多，这与Thomas等（1995）和Tanner等（1995）的研究结果相矛盾，他们的研究中有植被和无植被系统的去除率是差不多的（表2）。
种植植物的系统和无植被系统中，TSS处理的不同是一年四季都存在的，混养系统和酥油草湿地在整个冬季具有最一致的处理性能（图.6），这说明TSS的去除主要是一个物理沉淀和过滤过程，通常与生物代谢活动无关，除非TSS负荷绝大部分是有机物，以无植被系统为例，其中接近三分之二的TSS是有机物，尽管这种系统TSS含量最低，但其基质中缺乏供微生物吸附的广大的表面区域，使得他们丧失了在种植植物的系统中很有效的额外去除能力的装置。
一些香蒲系统中，冬季和春季TSS去除率微小下降可能是由于水力负荷的增加，导致了停留时间的减少和加速了腐烂植物残体在湿地中残留。
而一些酥油草系统中也有相似的情况，这可能是暂时堵塞的结果。
还有一些混养系统，早秋性能下降，这可能是由于干旱增加了TSS浓度的缘故。
与香蒲、酥油草和无植被系统负荷率相比，分别每天为33.9,26.3,和11.9g/m2，混养系统最高，其值为58.1g/m2。
种植植物的系统中，当比例为0.89到0.91时，平均去除率随负荷率呈直线型增长，但在无植被系统中，特别是在秋季和冬季却降到0.62以下。
香蒲和无植被系统的TSS去除率和系统完善程度成正比例关系，混养系统中同时还和系统尺寸成正比例关系，这表示随时间的过去和系统尺寸的增加，处理性能能进一步提高。
这些结果明显表明种植植物的系统中根生物量对TSS负荷提供了更有效的过滤，同时还通过微生物分解过程对TSS负荷中有机组分提供了一个极佳的处理环境。
尽管种植植物的系统TSS流入负荷较高，但还是出现了两次与无植被系统一样高的去除效率。
酥油草系统中，10至15厘米的土壤覆盖在石灰石碎石基质表面所提供的额外悬浮微粒过滤能力可弥补其根系浅、生物量少等缺点。
4结论-
总体而言，本研究中的人工湿地对生活污水中粪细菌、BOD和TSS的初级去除具有极大的潜力。
粪大肠菌和粪链球菌的年平均去除率在93到98%之间，BOD年平均去除率在63%～78%之间，而TSS在46%～90%之间。
统计表明，湿地水力负荷的变化以及系统尺寸和使用时间的不同会导致种植植物的系统和无植被系统每年的粪而且系统的季节性变化相当明显，种植植物的系统在温季性能更佳（尤其是混养系统），而无植被系统在冬季表现最好。
尽管种植植物的系统污染物负荷率相当高，但每年植物系统在BOD和TSS去除方面仍然比无植被系统高，在冬季稍微有所下降。
显然，种植植物的系统中植物根系和落下的残物可提供一种比碎石更有效的过滤基质，从而增加表面吸附区域和微生物食物资源。
总之，混种系统看起来对所有废水参数都有最好的处理效果，同时受季节性变化影响最小。
混合系统比单一植被系统能提供更有效的根生物量为更多的微生物提供一个生活环境。
通过在生长末期收割植物可提高香蒲系统的性能，从而避免秋末和早春时节植物腐烂物中额外的BOD和TSS负荷添加到湿地系统中。
相对于酥油草系统，混种系统与香蒲系统是较好的，因为酥油草较浅的根系限制了生物膜表面区域的增加和微生物的降解作用。
最后，无植被系统虽然具有较好的粪细菌去除率，但其对BOD和TSS的去除都显著次于种植植物的系统，因此不推荐使用。
谢辞
作者诚心感谢YvonneThompson,AbigailVillalba和JimCrutchfield对取样分析的帮助，也感谢VirginiaFernandez-Canigia对统计分析的帮助，同时作者也对肯塔基健康中心RudyGabhart,LarryHalcomb,DanielTroutman,KennethSpach,和TimWright提供地点选择方案以及给与湿地取样的居民表示衷心的感
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