人工湿地作为一种废水生态处理工艺，按水流方式的不同，可以将其分为表流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地。
人工湿地主要由填料、水生植物和微生物三部分组成。在人工湿地净化系统中，湿地植物的选择是湿地设计中的重要环节。
近年来，将垂直潜流人工湿地应用于生活污水以去除COD和氮、磷的研究较多，但对应用于含石油类化合物污水处理的研究较少。因此，笔者根据前期含油废水湿地植物适应能力筛选研究，从9种常见耐寒湿地植物中筛选出芦苇、香蒲和海寿花来构建垂直潜流人工湿地，开展了垂直潜流人工湿地在不同植物条件下对含油废水中的石油类污染物、有机物和氮磷的去除效果研究，分析湿地植物的生长趋势和水体DO对湿地系统中污染物去除的相关性，以期为垂直潜流人工湿地净化含油废水提供参考。
1 材料和方法
1.1 实验装置
在中国矿业大学南湖污水 处理站北边建立垂直潜流式人工湿地处理系统，如图 1所示。各湿地床体内面尺寸为1.0 m×1.0 m×1.0 m，底部与四周以水泥墙封闭，并进行防渗处理。另外，池底设有放空管，距离池底高度为700 mm处设置出水管以控制水位，距离池底高度400 mm处设置取样口。各出水口铺置两层尼龙网以防止基质堵塞。每个处理系统分为进水区、填料区和出水区。填料区从下往上依次为砾石、生物陶粒、沸石和蛭石〔7〕，每种填料填铺厚度为170~210 mm，基质总高度约为750 mm。
2012年4月于中国矿业大学南湖校区镜湖内采集芦苇、香蒲和海寿花等湿地植物，按1 m2种植15~18株湿地植物的密度将植物植入湿地处理系统中。
1.2 实验水质
垂直潜流人工湿地系统的进水为人工合成污水，系选用生活污水处理后的回用水与原油搅拌混合而成。其中回用水取自中国矿业大学南湖污水处理站，原油由中国石化管道二公司研究院提供。进水水质如表 1所示。
| 项目 | 油 | COD | TN | TP | DO | pH |
| 范围 | 69.72~146.52 | 778.5~848 | 4.41~22.3 | 2.05~8.02 | 0.75~1.14 | 6.02 |
| 均值 | 73.42±3.66 | 789.5±23.69 | 12.47±0.62 | 4.49±0.22 | 1.57±0.08 | 6.64±0.06 |
1.3 实验方法
垂直潜流式人工湿地处理系统自2012-04-15试运行，采用连续方式进水，由进水阀控制流量。2012-05-15首次采样监测，2012-11-17进入冰冻期，停止运行，系统运行期间植物生长情况正常。水力停留时间为5 d。
待系统运行趋于稳定，对人工湿地植物的株高及分蘖数进行测量，测量频率为每月5次。
人工湿地水质指标测定：采样频率为每月3次，现场测定pH、DO，水样采集后立即测定各污染物指标。石油类的测定用可见光分光光度法，COD采用重铬酸盐法、TN采用碱性过硫酸钾-紫外分光光度法、TP采用钼酸铵分光光度法测定。
1.4 数据处理和分析
采用SPSS19.0统计软件对植物生长趋势和各污染物去除率进行相关性分析。采用Origin8.0软件整理数据、作图。
2 结果与讨论
2.1 垂直潜流人工湿地植物生长趋势及水体DO变化
2.1.1 垂直潜流人工湿地植物生长趋势
垂直潜流人工湿地植物生长趋势见图 2。
由图 2可知，从5月至9月，3种湿地植物的株高和分蘖数均呈现增长趋势。3种湿地植物的株高增量和分蘖数增量均在9月达到最大值，说明该时间段气候适宜，是湿地植物生长的旺盛期。进入10月份后，气温开始下降，湿地植物生长受到影响，株高不再增加，植株不再进行分蘖。11月份，湿地植物开始出现叶片枯萎和掉落现象，植株容易折断，株高和分蘖数迅速降低。3种湿地植物，芦苇、香蒲和海寿花的株高增量和分蘖数随时间变化差异显著（P>0.1），均随时间呈现先增大、后减小的趋势。
通过比较3种湿地植物的株高变化趋势，可以得出，湿地植物的月平均株高增量：香蒲>芦苇>海寿花；湿地植物的月平均株高增长率：芦苇>香蒲>海寿花。通过比较3种湿地植物的分蘖数变化趋势，可以得出，湿地植物分蘖数月平均增量：芦苇>香蒲>海寿花；湿地植物分蘖数月平均增长率：芦苇>香蒲>海寿花。在植物枯萎阶段，湿地植物的枯萎速率：香蒲>芦苇>海寿花。
2.1.2 垂直潜流人工湿地水体DO变化
垂直潜流人工湿地系统进出水DO浓度分布如图 3所示。
湿地系统进水DO为0.75~1.14 mg/L，出水DO浓度较进水变化较大。种植有海寿花、香蒲和芦苇的人工湿地比对照组出水DO浓度高。海寿花、香蒲和芦苇由于根系的泌氧作用，使得水体DO浓度得以升高；另外，植物根系生长发育过程中对湿地填料的疏松作用，也很好地促进了湿地表面的复氧。种植有植物的人工湿地出水DO浓度随时间变化差异显著（P>0.1）。
2.2 垂直潜流人工湿地对含油废水的净化效果
人工湿地系统进水石油类浓度变化范围为69.72~146.52 mg/L。观察垂直潜流人工湿地对含油废水的净化效果可知，海寿花、香蒲和芦苇湿地系统对油的平均去除率分别为95.04%、96.13%、95.48%；对照湿地系统对含油量的平均去除率为93.43%，略低于栽有植物的湿地系统。4组人工湿地系统对石油类污染物都有很高的去除率的原因是，建设湿地系统选用的蛭石、沸石和生物陶粒等填料对石油均具有极强的吸附能力，且针对石油类污染物，组合使用填料，可增大对石油类污染物的吸附量。通过多重比较检验表明，种植海寿花、香蒲和芦苇的湿地系统对石油类的去除效果没有显著差异。对照组与种有海寿花和芦苇的湿地系统对石油类的去除效果也没有显著差异（P>0.05），说明湿地植物对石油类污染物的去除没有起到显著的促进作用。
另外，在4组垂直潜流人工湿地系统中，对TN的去除率随时间变化规律随时间的变化趋势均表现为：从6月到7月TN去除率平稳缓慢增加，8月到9月TN去除率显著提高，达到最高值，10月份之后TN去除率开始缓慢降低。对照组、海寿花组、香蒲组、芦苇组湿地系统对TN的平均去除率分别为：55.93%、63.35%、77.79%、66.70%。通过多重比较检验结果表明，香蒲组湿地系统与对照组湿地系统对TN的去除效果有显著差异（P＜0.01），香蒲组湿地系统与海寿花组对TN的去除效果有显著差异（P＜ 0.05）。
人工湿地系统进水TP质量浓度的变化范围是2.05~8.02 mg/L。根据《污水综合排放标准》（GB 8978—1996），8月种有湿地植物的系统出水和11月香蒲组湿地系统出水能达到二级排放标准以外，其余测定结果均不能达标。对照组、海寿花组、香蒲组和芦苇组对TP的平均去除率为30.69%、46.63%、50.92%、58.88%，即4组垂直潜流人工湿地系统对TP的净化效果由强到弱依次为：芦苇组>香蒲组>海寿花组>对照组。通过多重比较检验，结果表明，湿地植物对TP的去除存在显著影响，芦苇净化TP的能力最强。
人工湿地系统对COD的去除效果十分明显，对照组、海寿花组、香蒲组和芦苇组对COD的平均去除率分别可达到83.98%、89.50%、90.42%、86.89%，即COD的去除效果为：香蒲组>海寿花组>芦苇组>对照组。且每组湿地系统对COD的去除率随时间的变化较小。通过多重比较检验结果表明，种植海寿花、香蒲和芦苇的垂直潜流人工湿地系统两两之间对COD的去除效果无显著性差异，对照组与种有海寿花、香蒲和芦苇的湿地系统也没有显著性差异。
2.3 垂直潜流人工湿地污染物去除与湿地植物生长趋势和DO相关性分析
为研究不同植物类型人工湿地对污染物净化效果的影响，以香蒲人工湿地为例，对植物生长趋势和DO浓度与各污染物的去除进行相关性分析，结果见表 2。
表 2 香蒲人工湿地污染物去除率与植物生长趋势和 DO 的相关性（ N=7 ）
|
项目 |
油 |
COD |
TN |
TP |
|
株高 |
0.380 |
0.416 |
0.875* |
0.769* |
|
分蘖数 |
0.427 |
0.487 |
0.934** |
0.908* |
|
DO |
0.986* |
0.867 |
0.910 |
0.892 |
|
注 :* 表示在 α=0.05 显著性水平上相关， ** 表示在 α=0.01 显著性水平上相关。 | ||||
由表 2可知，香蒲湿地系统中，石油类污染物去除率与DO相关性较强（r=0.986，P＜0.05），石油类污染物去除率与植物生长趋势的相关性不显著，其主要原因是，水体中的石油类污染物的主要去除途径是填料的吸附作用和微生物的降解作用，湿地植物对石油烃类的吸收作用很小。而DO变化与微生物作用密切相关，间接影响微生物对石油类污染物的降解。湿地植物也通过根系泌氧作用改善湿地系统内的DO，促进根际微生物的活动，提高石油类污染物的降解率。
香蒲人工湿地系统中，香蒲株高、分蘖数与TN、TP去除率均呈显著正相关，这与徐德福等对水生植物对富营养化水体的净化作用研究结果一致。人工湿地系统中，TN、TP的去除主要依赖于植物的吸收和微生物作用。香蒲生长速度快、生物量大，细密的芦苇根系保障了对TN、TP的吸收，也为硝化/反硝化细菌等提供了稳定的依附表面，促使香蒲人工湿地的脱氮除磷能力较强。
COD去除主要是填料的过滤作用和微生物的分解作用，在有植被的情况下，植物根系微生物能促进有机污染物质分解，提高人工湿地系统对COD的净化能力。本研究中，COD去除率与香蒲的株高、分蘖数相关性较弱，与DO相关性较强，说明栽种香蒲对COD的净化作用影响较弱。且多重比较检验结果表明，种植海寿花、香蒲和芦苇的垂直潜流人工湿地系统两两之间对COD的去除效果无显著性差异，对照组与种有海寿花、香蒲和芦苇的湿地系统也没有显著性差异。
3 结论
（1）芦苇、香蒲和海寿花，3种湿地植物的株高增量和分蘖数随时间变化差异显著（P>0.1）。湿地植物的月平均株高增量：香蒲>芦苇>海寿花；湿地植物的月平均株高增长率：芦苇>香蒲>海寿花。湿地植物分蘖数月平均增量：芦苇>香蒲>海寿花；湿地植物分蘖数月平均增长率：芦苇>香蒲>海寿花。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
（2）湿地系统进出水DO浓度变化较大。种植有海寿花、香蒲和芦苇的人工湿地比对照组出水DO浓度高。种植有植物的人工湿地出水DO浓度随时间变化差异显著（P>0.1）。
（3）4组人工湿地系统对石油类污染物的净化效果很好，且4组湿地系统对石油类的去除效果没有显著差异（P>0.05）。通过相关性分析，石油类污染物去除率与DO相关性较强，与植物生长趋势相关性不显著。
4）栽种植物的湿地系统脱氮除磷的能力均高于对照组。湿地植物的株高、分蘖数与TN、TP的去除率显著正相关。
（5）人工湿地系统对COD的去除效果十分明显。本研究中，COD去除率与植物的株高、分蘖数相关性较弱，与DO相关性较强，说明栽种植物对COD的净化作用影响较弱。