人工濕地作為一種生態(tài)處理技術(shù)已在環(huán)境污染治理中得到應用，其通過(guò)基質(zhì)、植物、微生物等的共同作用進(jìn)行污水處理和生態(tài)修復。人工濕地水質(zhì)凈化系統具有運行費用低、管理簡(jiǎn)單、易于維護等優(yōu)點(diǎn)，對于水質(zhì)的進(jìn)一步改善具有明顯效果，具有較好的環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會(huì )效益

　　硫丹是一種化學(xué)性質(zhì)穩定的農藥，具有半揮發(fā)性特征，是大氣、水體、土壤等多介質(zhì)環(huán)境中普遍存在的有機氯農藥。工業(yè)硫丹主要由α-硫丹和β-硫丹2種同分異構體組成，其質(zhì)量比為2：1或7：3。有研究表明，由于有機氯污染物的持久性特征，當硫丹等污染物持續輸入時(shí)，人工濕地對其去除率不穩定，出水中有機氯污染物的濃度經(jīng)常高于閾值。此外，隨著(zhù)污水水質(zhì)的日趨復雜，傳統人工濕地的去污能力已無(wú)法滿(mǎn)足要求，通過(guò)不同填料、植物等構建的復合濕地系統已越發(fā)得到人們的重視。

　　相比于普通人工濕地，鐵碳微電解處理法適用范圍更為廣泛。鐵碳電極除產(chǎn)生電極反應外，還會(huì )引起連鎖反應，包括Fe和[H]的還原作用、鐵離子的絮凝沉淀作用、原電池反應、電化學(xué)富集等，強化了污水處理效果。廢水經(jīng)微電解處理后，污染物濃度至少能降低50%左右，甚至更高，且廢水的可生化性得到顯著(zhù)提高。鐵碳微電解法是當前難降解及有毒工業(yè)廢水最常用的處理方法之一，被廣泛應用于各種高含量難降解廢水的預處理。

　　本研究選取美人蕉作為濕地植物，構建了2個(gè)復合垂直潛流人工濕地系統(A和B)，其中系統A模擬傳統人工濕地系統，系統B模擬鐵碳微電解耦合人工濕地系統。按照低、中、高濃度的順序分階段在進(jìn)水中投加硫丹，通過(guò)連續測定系統A和系統B進(jìn)出水中的硫丹、氨氮、磷酸鹽和COD濃度，對比考察2個(gè)系統對硫丹廢水的處理效果差異。

　　一、實(shí)驗部分

　　1.1 實(shí)驗裝置

　　人工濕地系統裝置為圓柱形，材質(zhì)為聚氯乙烯(d=20cm，H=69cm)，距離柱底4.5cm和69cm處分別設置一根長(cháng)18cm的布水管，并設置進(jìn)水閥和出水閥，便于監測進(jìn)出水口的硫丹濃度。系統A和系統B填充基質(zhì)如表1所示，系統裝置如圖1所示。

　　1.2 實(shí)驗條件和方法

　　1.2.1 運行條件

　　合成廢水由葡萄糖、乙酸鈉(CH3COONa•3H2O)、磷酸二氫鉀、硫酸銨、碳酸氫鈉、氯化鈣(CaCl2•2H2O)以及一定濃度的硫丹配制而成。由于硫丹具有揮發(fā)性，因此將盛有合成廢水的塑料桶置于4℃冰柜中密封保存。為使硫丹在合成廢水中分布均勻，使用小型潛水泵進(jìn)行不間斷抽水循環(huán)，并蓋上蓋子封住桶口，避免揮發(fā)。定期用塑料桶從污水處理廠(chǎng)排水口采集出水作為人工濕地啟動(dòng)期進(jìn)水。啟動(dòng)期間，定期從進(jìn)水口和出水口采集水樣檢測COD、氨氮和磷酸鹽，當污染物去除效果趨于穩定且植物生長(cháng)良好，即認為系統啟動(dòng)完成，并開(kāi)始后續實(shí)驗。實(shí)驗中設置植物生長(cháng)補光燈，采用連續進(jìn)水方式。系統A和系統B運行水力停留時(shí)間(HRT)為2d，采用蠕動(dòng)泵控制。實(shí)驗期間濕地植物生長(cháng)良好，沒(méi)有出現凍害和病蟲(chóng)害。硫丹投加實(shí)驗運行周期分為5個(gè)階段，第1階段為啟動(dòng)期，這一階段進(jìn)水不含硫丹，第2階段投加低濃度硫丹，第3階段投加中濃度硫丹，第4階段投加高濃度硫丹，第5階段為恢復期，不投加硫丹。進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表2。

　　1.2.2 分析方法

　　將水樣采用0.45μm尼龍濾膜過(guò)濾，再經(jīng)固相萃取后采用氣質(zhì)聯(lián)用儀(7890A/5975C，美國安捷倫)對硫丹進(jìn)行定量分析。COD采用重鉻酸鹽法測定，氨氮采用納氏試劑分光光度法測定，磷酸鹽采用鉬銻抗分光光度法測定。脲酶活性采用靛酚藍比色法測定，脫氫酶活性采用TTC比色法測定，堿性磷酸酶、中性磷酸酶及酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定。

　　二、結果與討論

　　2.1 廢水中硫丹去除效果分析

　　系統A和系統B對廢水中硫丹的去除效果如表3所示。

　　分析可知，投加不同濃度硫丹，系統A對α-硫丹和β-硫丹的總去除率分別為85.5%~95.6%和82.3%~87.9%，而系統B對α-硫丹和β-硫丹的總去除率分別為90.1%~98.0%和86.9%~91.0%，總體效果優(yōu)于系統A。秦晶等考察了表面流人工濕地對3個(gè)不同濃度梯度硫丹的去除效果，結果表明，30d內水中硫丹的平均去除率約為87.9%，與本研究中系統A的處理效果接近，但低于系統B對硫丹的去除率。XiaoyanTang等的研究表明，鐵-生物炭耦合人工濕地對硫丹等4種農藥的去除效果比傳統人工濕地更好。由此可見(jiàn)，鐵碳填料能夠強化人工濕地對硫丹的去除效果，分析可能與以下兩方面原因有關(guān)院(1)濕地填料中零價(jià)鐵自身對硫丹具有一定的還原脫鹵效果，能夠促進(jìn)硫丹的化學(xué)轉化，(2)鐵碳填料能夠改變濕地微生物群落結構組成，激活濕地系統內功能微生物的反應活性，從而強化了對硫丹的降解效果，增強了濕地系統對硫丹的耐受性。

　　2.2 廢水中COD、磷酸鹽和氨氮的去除效果分析

　　系統A和系統B對廢水中COD、磷酸鹽和氨氮的去除效果分別如圖2、圖3、圖4所示。

　　由圖2可知，在實(shí)驗的不同階段，系統B對COD的去除率(78.7%~84.3%)顯著(zhù)高于系統A對COD的去除率(57.0%~74.6%)。隨著(zhù)進(jìn)水硫丹濃度的提高，系統A對COD的去除率呈現下降趨勢，由第1階段的74.6%下降至第4階段的57.0%，到第5階段時(shí)，COD去除率雖有回升，但未恢復至第1階段未投加硫丹時(shí)的水平。相比之下，系統B對COD的去除率雖然隨著(zhù)進(jìn)水硫丹濃度的升高同樣呈現下降趨勢，但下降幅度較小，且到第5階段時(shí)可基本恢復至初始效果，這進(jìn)一步證明鐵碳微電解耦合人工濕地系統對進(jìn)水硫丹的沖擊耐受性更好。

　　從圖3可以看出，在實(shí)驗的各個(gè)階段，系統A和系統B對磷酸鹽都具有較好的去除效果，但系統B磷酸鹽去除率比系統A高出19%~33%。隨著(zhù)進(jìn)水硫丹濃度的升高，系統A對磷酸鹽的去除率從第1階段的75.1%下降至第4階段的55.7%，降幅達19.4%，到第5階段停止投加硫丹后，系統A對磷酸鹽的去除率有小幅度升高，恢復至59.3%，但仍遠低于第1階段系統A對磷酸鹽的去除效果。系統B對磷酸鹽的去除率受進(jìn)水硫丹濃度的影響相對較小，磷酸鹽去除率基本維持在86.7%~94.2%之間，在停止加入硫丹后，系統B對磷酸鹽的去除率有所回升，基本恢復至投加硫丹之前對磷酸鹽的去除效果。

　　同樣地，由圖4可知，系統B對氨氮的去除率(75.9%~83.3%)明顯高于系統A對氨氮的去除率(49.5%~61.8%)。隨著(zhù)進(jìn)水硫丹濃度的升高，系統A和系統B對氨氮的去除率逐漸下降，在第4階段時(shí)氨氮去除率分別下降至49.5%和75.9%，到第5階段，系統A和系統B對氨氮的去除效果均有所回升，但系統A的恢復能力要稍弱于系統B。

　　綜上所述，與系統B相比，系統A對于硫丹的沖擊適應性相對較弱。對于人工濕地而言，基質(zhì)、植物及微生物是影響其對廢水中營(yíng)養物質(zhì)去除的主要因素，其中微生物占主導地位。在系統B中，鐵碳填料能夠減輕硫丹對人工濕地微生物的不利影響，同時(shí)激活功能微生物活性，從而使得系統B對污染物的去除效果顯著(zhù)優(yōu)于系統A。

　　2.3 系統不同階段基質(zhì)酶活性差異分析

　　在人工濕地系統中，基質(zhì)酶與污染物降解密切相關(guān)，其活性可反映濕地系統中生化反應強度及污染物降解能力。系統中不同酶具有不同功能作用，如脲酶可以促進(jìn)尿素水解，在降解廢水中氨氮的同時(shí)，為濕地系統中微生物和植物提供氮素營(yíng)養。脫氫酶能催化有機物質(zhì)脫氫，其活性可用于表征濕地系統中微生物活性。磷酸酶可表征濕地系統中磷酸鹽分布情況，其能催化有機磷化合物水解釋放無(wú)機磷，直接供植物和土壤微生物利用，在這個(gè)過(guò)程中能有效去除廢水中的磷酸鹽。系統A和系統B在不同階段內的基質(zhì)酶活性如圖5所示。

　　由圖5可知，2個(gè)系統中的5種基質(zhì)酶活性的最大值都出現在第1階段未投加硫丹時(shí)。隨著(zhù)系統中進(jìn)水硫丹濃度的升高，2個(gè)系統中不同基質(zhì)酶活性都呈現出下降趨勢，表明硫丹能夠抑制基質(zhì)酶活性，這與萬(wàn)盼等的研究結果一致。盡管如此，在實(shí)驗的第1至第4階段，系統B中的脲酶、脫氫酶以及3種磷酸酶的活性都高于系統A，這與2個(gè)人工濕地系統對氨氮、磷酸鹽及COD的去除趨勢相一致。當硫丹進(jìn)入系統后，酶活性受到抑制，系統A和系統B對COD、氨氮和磷酸鹽的去除率均降低。相比系統A，系統B對硫丹的沖擊適應性更好，運行更為穩定。在2個(gè)濕地系統中，植物的生長(cháng)狀況差異較小。結果表明，鐵碳填料有利于濕地微生物的生長(cháng)和活性的保持及提高，且耐受硫丹沖擊，能夠維持濕地系統對污染物的高效去除，保證人工濕地系統穩定運行。

　　三、結論

　　鐵碳微電解耦合人工濕地系統具有良好的應用前景，其在有效去除廢水中硫丹的同時(shí)，對COD、氨氮和磷酸鹽等營(yíng)養物質(zhì)的去除效果也較好。對基質(zhì)酶活性檢測結果表明，系統B能夠耐受硫丹沖擊，基質(zhì)酶活性受到的影響較小，表明鐵碳填料能有效維持濕地系統中的微生物活性，使濕地系統對廢水中硫丹及其他污染物的去除效果保持穩定，保證良好的出水水質(zhì)。( >

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