去除率分别达到86.9%、76.7%和66.7%，COD去除率在3 h后分别达到89.6%、84.9%和92.9%；人工湿地连续运行结果显示，COD去除率在整个运行时段稳定在85%左右，去除率最终稳定在78.0%左右，运行44 d后Cd2+去除率高于99.8%，Zn2+去除率在整个运行时段均高于96.9%。摘要：近年来，洞庭湖富营养化、重金属问题对湖区生态系统造成了越来越严重的影响。为减轻洞庭湖污染现状，以本地芦苇、香蒲为湿地植物，以碎石为基质，构建水平潜流人工湿地对人工配制重金属及营养物污水进行处理。结果表明：间歇运行方式Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，在污水运行2 d后去除率分别达到86.9%、76.7%和66.7%，COD去除率在3 h后分别达到89.6%、84.9%和92.9%；人工湿地连续运行结果显示，COD去除率在整个运行时段稳定在85%左右，去除率最终稳定在78.0%左右，运行44 d后Cd2+去除率高于99.8%，Zn2+去除率在整个运行时段均高于96.9%。
随着工农业的发展，湘江流域涉重金属企业越来越多，目前仅在湘潭段涉重金属企业就达到94家[1]，废水排放的重金属不仅对水生态系统产生了严重影响，而且通过食物链的传递和富集作用，也会对人体健康产生严重危害。
针对重金属引起的水体污染问题，国内外进行了大量技术研究，其中人工湿地技术因其综合利用了植物、微生物和基质的功能及其协同作用，具有出水水质稳定、处理效果好、操作简便、投资少、抗水力冲击负荷能力强等优点而得到广泛应用[2]。Cheng等[3]采用人工湿地处理重金属Cd、Zn、Al、Cu、Pb和Mn，经过5个月的运行研究发现，除Mn外其他重金属去除率均接近100%，表明人工湿地能对重金属进行有效处理，但在实际运行中发现，进水中重金属会对人工湿地中的微生物及湿地植物的生存产生影响，进而影响污水中营养物的去除[4]，同时进水重金属浓度以及污水停留时间(HRT)也会影响重金属的排放，这些问题严重影响人工湿地的长期运行性能，并限制其在重金属污水处理方面的应用。
本研究拟采用水平潜流人工湿地对模拟重金属污染地表水进行处理。选用本地芦苇和香蒲作为水平潜流人工湿地植物，以碎石为基质，对重金属污染物Cd和Zn污染的模拟水体进行处理，探究人工湿地中不同重金属浓度对
和COD去除率的影响，以及人工湿地处理Cd2+、Zn2+、COD及的长期性能。
采用污水由人工配制。根据实验需要配制3种不同浓度的模拟重金属污水，其具体水质如表1所示。
表1 模拟重金属污水水质
Table 1 The quality of synthetic wastewater polluted by heavy metals
运行方式ρ(Cd2+)/(mg·L-1)ρ(Zn2+)/(mg·L-1)ρ(COD)/(mg·L-1)ρ(NH+4-N)/(mg·L-1)HRT/d间歇方式Ⅰ41260206方式Ⅱ102060206方式Ⅲ204060206连续41260204
1.2.1 装置参数
本实验采用2套小型水平潜流人工湿地装置(图1)(CW1和CW2)参数如下：水平潜流人工湿地装置处理区长×宽×高=105 cm×75 cm×70 cm，沿水流坡度为2%；下部5 cm填充粒径10～20 mm鹅卵石，上部填充粒径3～8 mm碎石，填料层的平均孔隙率约为38%，有效容积为200 L。
图1 人工湿地工艺流程
Fig.1 The flow chart of the experimental process
1.2.2 植物种植
研究表明，芦苇、香蒲根系发达，对重金属的去除十分有利[5]，因此本实验选用芦苇和香蒲作为湿地植物。种植方式为床体前2/3段种植芦苇，后1/3段种植香蒲，种植密度为36株/m2。
人工湿地植物种植后，采用植物营养液进行培养，2个月后，芦苇株高60～70 cm，单株含4～7根芦苇；香蒲株高40～50 cm，单株含3～6根香蒲，此时基质表面变黑，附着一层黑褐色生物膜。以上现象表明湿地系统的植物已成熟，湿地微生物系统已初步形成。
1)水平潜流人工湿地中不同Cd2+、Zn2+浓度对和COD去除率的影响实验。CW1采用间歇运行，HRT为6 d，分别在进水后3 h、6 h、12 h、1 d、2 d、3 d、4 d、5 d和6 d对人工湿地出水口进行采样检测。
2)水平潜流人工湿地对重金属污水的长期处理性能实验。CW2采用连续运行方式，HRT为4 d，每2 d对出水进行1次采样检测。
实验中
和COD的测定均按《水和废水监测分析方法(第四版)》执行。同一样品分析3次，取平均值。
通过间歇运行实验，考察不同Cd2+、Zn2+浓度对和COD去除率的影响，确定水平潜流人工湿地能高效处理含Cd2+、Zn2+重金属污水的最佳浓度值及HRT，以使人工湿地出水满足GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》要求。
2.1.1 间歇运行时
的去除性能
图2为水平潜流人工湿地对
的去除效果。可知：随着运行时间的增加，重金属污水中的去除率均呈上升趋势。运行2 d时，间歇运行方式Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的去除率分别为86.9%、76.7%和66.7%，出水浓度均达到GB 18918—2002一级B级标准
—方式Ⅰ； 
—方式Ⅱ； 
—方式Ⅲ。
图2 水平潜流人工湿地间歇运行时对
的去除效果
Fig.2 Removal efficiency of under intermittent operation in horizontal subsurface flow constructed wetland
分析图2可知：重金属浓度越高，去除率越低。人工湿地对的去除主要是通过微生物的硝化作用和反硝化作用[6]。但有研究表明，随着重金属Cd2+浓度的增加，的去除受到抑制作用愈强，去除率越低[4]，与本实验中间歇运行方式Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的结果相符。
2.1.2 间歇运行时COD的去除性能
图3为水平潜流人工湿地对COD的去除效果。当间歇运行方式Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ运行至3 h时，COD去除率已接近最大值，分别为89.6%、84.9%和92.9%，3 h 后出水中COD浓度均达到GB 18918—2002一级A标准(ρ(COD)<50 mg/L)。另外，间歇运行方式Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的COD去除性能在5 d后的差异趋于0。
—方式Ⅰ； —方式Ⅱ； —方式Ⅲ。
图3 水平潜流人工湿地间歇运行时对COD的去除效果
Fig.3 Removal efficiency of COD under intermittent operation in horizontal subsurface flow constructed wetland
有机物的去除主要依赖于微生物的降解作用[2]，有研究表明，当ρ(Cd2+)达到20 mg/L时会对微生物群产生毒害作用，对有机物的去除抑制作用显著[4]。但由于本实验中污水C/N为3，可供微生物利用碳源不足，因此，Cd2+的抑制作用在本实验中表现不明显。
2.1.3 间歇运行时对Cd2+、Zn2+的去除性能
图4和图5分别为水平潜流人工湿地对重金属污水中Cd2+、Zn2+的去除效果。人工湿地对不同浓度的Cd2+、Zn2+去除率均随运行时间的增加先不断上升后趋于稳定，与史一鸣等[7]研究结果相符。间歇运行方式Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的Cd2+最高去除率分别为99.6%、99.1%和97.0%，Zn2+最高去除率分别为98.8%、90.6和88.2%。当在初始6 h内时，Cd2+、Zn2+去除率呈直线上升趋势，主要是以物理吸附和基质截留的方式去除的，但后续还需经过植物、微生物、基质的进一步稳定[8]。
—方式Ⅰ； —方式Ⅱ； —方式Ⅲ。
图4 水平潜流人工湿地间歇运行时对Cd2+的去除效果
Fig.4 Removal efficiency of Cd2+ under intermittent operation in horizontal subsurface flow constructed wetland
—方式Ⅰ； —方式Ⅱ； —方式Ⅲ。
图5 水平潜流人工湿地间歇运行时对Zn2+的去除效果
Fig.5 Removal efficiency of Zn2+ under intermittent operation in horizontal subsurface flow constructed wetland
由图5可以看出：方式Ⅲ的Zn2+去除率相对方式Ⅱ下降不明显，主要是由于以浓度梯度作为推动力[8]的物理吸附和基质截留作用增强而使更多的Zn2+被去除，使得去除率未出现显著下降。
2.1.4 间歇运行时最佳重金属浓度及处理时间
表2为人工湿地间歇运行时出水中Cd2+与Zn2+随运行时间的变化。可知：随着运行时间的增加，人工湿地中Cd2+、Zn2+浓度持续下降，当运行时间到第4天时，只有方式Ⅰ出水中Cd2+和Zn2+的浓度分别接近或达到排放标准。运行4 d后，方式Ⅰ出水中Cd2+、Zn2+浓度下降不明显，此时出水及COD分别达到GB 18918—2002一级B和A标准。因此，确定连续运行的HRT为4 d，进水中重金属浓度为间歇运行方式Ⅰ所设置的浓度。
表2 人工湿地间歇运行时出水中Cd2+和Zn2+浓度
Table 2 The effluent concentrations of Cd2+ and Zn2+ under intermittent operation in horizontal subsurface flow constructed wetland
项目ρ(Cd2+)/(mg·L-1)ρ(Zn2+)/(mg·L-1)2d4d6d2d4d6d方式Ⅰ0.0520.0250.0180.2770.1390.145方式Ⅱ0.3310.1860.0862.3332.0391.843方式Ⅲ0.8510.7510.5996.7135.6944.722
通过连续运行，探究水平潜流人工湿地对重金属污水的处理效率及出水稳定性。由于连续运行时出水ρ(COD)稳定在9 mg/L左右，达到GB 18918—2002一级A标准，故对COD去除情况不做论述。人工湿地出水中不同污染物浓度及去除率变化如图6所示。
2.2.1 连续运行时的去除性能
由图6可知：随着运行时间的延续，人工湿地出水中浓度呈先缓慢上升后逐渐稳定的趋势，但整个运行时段出水浓度均达到GB 18918—2002一级B标准。62 d后，去除率稳定在78.0%左右。戴保琳[9]在人工湿地添加重金属后，去除率呈下降趋势，出水浓度波动变化较大，50 d后出水浓度趋于稳定，最高去除率达到71.5%，与本实验结果相符。
有研究表明[10]，人工湿地系统中植物、优势微生物的生长以及保证微生物生长所需的生存环境的建立均需要稳定的过程。运行前期，随着湿地重金属的积累，对硝化细菌产生的抑制作用逐渐增强，从而影响硝化细菌的活性与生长繁殖[9]，使得去除率持续下降；运行后期，因湿地植物对重金属的抗性增强，同时耐重金属的优势微生物得到一定生长，使得的去除率逐渐趋于稳定。
—出水Cd2+浓度； 
—出水Zn2+浓度； 
—出水浓度； —出水Cd2+去除率； —出水Zn2+去除率； —出水去除率。
图6 水平潜流人工湿地连续运行时对
的去除效果
Fig.6 Removal efficiency of Cd2+、Zn2+ and under continuous operation in horizontal subsurface flow constructed wetland
2.2.2 连续运行时Cd2+、Zn2+的去除性能
由图6可知：在连续运行的前42 d人工湿地出水Cd2+浓度变化幅度较大。连续运行44～72 d时，出水Cd2+浓度非常稳定，最大值仅为0.007 mg/L，去除率均高于99.8%，出水满足GB 18918—2002(ρ(Cd2+)<0.01 mg/L)。连续运行72 d后，出水Cd2+浓度略微增大，出水浓度稳定在0.02 mg/L左右。
此外，运行前20 d人工湿地出水Zn2+浓度有一定变化幅度，20～62 d时出水Zn2+较低，出水Zn2+去除率稳定在98.8%左右，随后出水中Zn2+浓度逐渐增大并趋于稳定。在78 d出水ρ(Zn2+)达到最大值，为0.368 mg/L，相应去除率为96.9%。出水Zn2+浓度在整个运行时段均满足GB 18918—2002(ρ(Zn2+)<1 mg/L)。
人工湿地对重金属的去除机理主要有沉淀、植物和微生物吸收等[5]，其中主要去除方式是沉淀(主要是硫化物)[11]，该过程通常是硫酸盐在厌氧条件下作为微生物呼吸中的末端电子受体被还原成S2-，然后与重金属离子结合成不溶或低溶解性的沉淀，而芦苇、香蒲等湿地植物丰富的根系可为湿地沉淀区创造有利于重金属去除途径的厌氧还原条件[12]。人工湿地运行初期，植物、微生物还处于重金属适应期[8]，此时湿地中还不能形成良好的厌氧沉淀区，也即沉淀区对硫酸盐的还原能力较差；随着时间的推移，植物和微生物逐渐适应重金属的存在，湿地中厌氧沉淀条件越发完善，出水污染物逐渐降低；运行后期，随着重金属的积累，植物和微生物的生存受到抑制[13]，湿地内厌氧沉淀区受到一定程度影响，导致出水水质出现波动。
陈明利等[14]采用凤眼莲等水生湿地植物处理Cd2+、Zn2+浓度分别为0.5，4 mg/L的重金属溶液，运行15 d后达到GB 18918—2002。实验HRT为4 d，出水中Zn2+浓度在整个运行时段均满足排放要求，比较而言，大大缩短了水力停留时间，这主要是因为实验中湿地植物芦苇、香蒲根际发达，同时实验基质层较深，提供了有利于形成重金属去除途径的还原条件，促进了重金属的沉淀[5,12]。同时实验结果也表明，仅依靠湿地植物去除重金属的能力有限，这与Gill 等[15]研究结果一致。
1) 间歇运行结果表明，方式Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ分别在2 d后出水中浓度均达到GB 18918—2002一级B级标准，运行3 h后出水COD浓度也均达到GB 18918—2002一级A标准。
2) 连续运行结果表明，随着运行时间的延续，去除率最终稳定在78%左右，Cd2+、Zn2+去除率变化均表现为初始阶段不稳定，随后形成1个高效去除段，此时Cd2+去除率>99.8%，Zn2+去除在98.8%左右。
3) 本研究表明，人工湿地可作为环境友好型的重金属污染控制技术，但其对污水中重金属浓度及HRT有一定要求。
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Abstract: In recent years, the problems of eutrophication and heavy metals in the Dongting Lake has caused significant impact on the lake ecosystem. In order to reduce the pollution of the Dongting Lake, Phragmites australis and Typha orientalis Presl were used as wetland plants and breakstone was used as a matrix in horizontal subsurface flow constructed wetland. Two operation modes including, intermittent and continuous, were applied to treat wastewater polluted by heavy metal and nutrients. The results showed that the removal rates of 
was finally stabilized at about 78.0%, the removal rate of Cd2+ was greater than 99.8% after 44 days, and the removal rate of Zn2+ was kept 96.9% above throughout the operation period.