常弘： 冬季满堂河小流域人工湿地对污染物消减研究

UC为地下部分浓度，UB为地下部分生物量。

植物元素积累量(PA)的计算公式为:

PA?PC?PB

式中，PB为植物生物量。

计算得出PA(N)1=361.2 g/m2 ；PA(P)1=74.4 g/m2 。 由于冬季植物地上部分被收割，只存有地下部分则AC=0，AB=0：

再次得出数据：PA(N)2=95.71 g/m2 ；PA(P)2=19.26 g/m2 。

同理，对于周边尚未布水地区种植的同种植物取样，依照上述步骤得出在无污水条件下植物元素积累量(PA')。

PA'(N)2=95.22g/m2 ；PA'(P)2=19.25 g/m2 。

3.3.2 结论

若消减效果用?%表示，则：

?(N)?100[PA(N)2?PA'(N)2] ?(P)?100[PA(P)2?PA'(P)2]

得出结论取整：?(N)=49% ；?(P)=10% 。

即冬季芦苇对N、P元素的消减效率分别为：49%、10%。

3.3.3 冬季景观湿地枯枝落叶层对园区土壤的基本作用

本试验中涉及的景观湿地建成已有2年时间，枯枝落叶层的平均厚度为2-3cm；枯枝落叶层下土壤厚度约为12cm，PH=6.5。

1）土壤含水量W的试验步骤：

先将干净铝盒在天平上称重W1；取样后（取样量占铝盒体积的2/3）重量记为W2，开盖在105℃的烘箱中烘干6h以上至恒重，重量记为W3，利用公式：

W?W2-W3?100%

W3-W12）土壤容重测定

利用环刀法（环刀体积为100cm3）计算土壤容重如下：

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土壤容重?(m?m1)?100

60?(100?w)其中，m为环刀及湿土重量；

m1为为环刀重量；

w为土壤含水量。 3）土壤孔隙度的计算：

按照以下公式，此时土壤密度取?=2.65g/cm3

土壤孔隙度?(1-土壤容重)?100%

土壤密度4）重铬酸钾容量法测定土壤有机质含量

用电子天平称0.05g风干、筛选磨细、消毒后的土壤样本置入150ml三角瓶中，进行加温消煮后，目测瓶内溶液的总体积约为60ml，加入3～5滴邻菲—啉指示剂，然后用0.1mol/L硫酸亚铁标准溶液滴定消煮后剩余的重铬酸钾，溶液的变色过程是先由橙黄变为蓝绿，再变为棕红，即达终点。空白试验取0.5g粉末状二氧化硅代替土壤样本。 根据公式：

（V-V）?C?0.003?1.724?1.1U（%）?12?100

m式中，U为有机物含量；

V1、V2为滴定空白、样品时硫酸亚铁溶液体积ml； C为硫酸亚铁标准溶液浓度；

31/4碳原子的摩尔质量数，g/mol； 0.00为

1.1为修正系数。

1.724—从碳含量换算成有机质含量的系数。

5）电位法测定土壤pH

主要仪器设备有：酸度计、pH玻璃电极、饱和甘汞电极、搅拌器。主要试剂有：pH4.01标准缓冲液、pH6.87标准缓冲液、pH9.18标准缓冲液。根据《标准缓冲液pH值与温度对照表》试验过程中的室外温度约为5℃，则缓冲液pH分别取3.999、6.951、9.395。

仪器校准后，称取通过2mm筛的风干土样10.0g，置于50ml高型烧杯中，加入25ml 0.1mol/L KCl溶液中，搅动1min，使土样充分分散，隔绝空气静置30min，然后将PH玻

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璃电极的球部插入土壤悬液中，同时将甘汞电极插入上部澄清液中，将悬液轻轻转动，待电极电位达到平衡，按下读数开关，读出pH=6.5。

3.3.4 结论

通过查阅历史资料，了解满堂河流域其他地区历年同时期土壤自然含水量为19%，土壤容重为1.6 g/cm3，孔隙度为39.6%，pH=8，属于有机质含量一般，结构较差的弱碱性土壤。经过计算得出的景观湿地地区土壤含水量比其他地区历年土壤含水量高出8.5个百分点。土壤容重为1.2 g/cm3，土壤孔隙度为54.7%。土壤的通气性有了明显的改观，土壤中有机质的含量15%，土壤酸碱度由碱性土改良为弱酸性土，适宜各种乔灌草植物以及花卉的生长，吸引来多种鸟类动物，增加了该地区的生物多样性和景观观赏价值。

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4 构筑湿地中基质对污染物的去除作用

4.1 基质吸附理论分析

由于冬季植物的污染物去除作用达不到要求，因此冬季构筑湿地去除污染物的形式基本上等同于人工湿地系统运行的初期，即污染物主要是通过填料的物理截留[4]。满堂河构筑湿地中设置了四层砾石，主要基质组成就是砾石，首层基质为粘土，因此吸附作用以粘土为例进行分析。

由于粘土一般由硅酸盐矿物组成，含有SiO2、Al2O3、矿物质和有机物质，其中的SiO2、Al2O3对污水中的有害有机物和金属离子有吸附能力。研究粘土矿物中主要含有高岭土、蒙脱土、海泡石。

4.1.1 粘土的活化与离子交换

粘土的物理活化一般可利用热处理；而化学活化一般用20%H2SO4和HCl，利用氧化和提高酸性的方法去除污水中的金属离子。

对于粘土中的主要组分SiO2、Al2O3，根据化学反应的顺序可以得出粘土中氧化物对生活污水中的重要阳离子交换顺序：

SiO2：K+>Na+>Li+；Ca2+>Mg2+ Al2O3：K+>Na+>Li+；Mg2+> Ca2+>Ba2+

4.1.2 对NH4+和金属阳离子的吸附

粘土上因离子交换作用而置换上H+，从而形成了酸中心，酸中心失去电子后负离子被吸附在带正电的粘土表面上，形成了化学吸附过程将阳离子NH4+和金属阳离子吸附。

粘土中的高岭土无吸附能力，而蒙脱土具备层片结构，因此论及粘土的吸附作用时以蒙脱土为例，蒙脱土晶间层可吸附阳离子，当粘土与含有一、二价阳离子的溶液达到平衡时，用一价或二价阳离子占据的表面分数来判断粘土对阳离子的吸附作用：在含有0.005mol/L的一价阳离子和0.0025mol/L的二价阳离子不同组合的混合液中，蒙脱土中一价阳离子的覆盖度（%）为NH4+-Mg2+（0.32）、NH4+-Ca2+（0.27）、NH4+-Ba2+（0.20）[5]。

4.1.3 对有机污染物的吸附

粘土中的蒙脱土和海泡石对有机物有一定的吸附能力，以1kg的土粒样本溶液为单位，当土粒的吸附作用达到稳定平衡时所吸附的有机物的量记为平衡吸附量。根据生活污水中含有的主要污染物的成分，以芳烃为例，粘土对各种芳烃的平衡吸附量见表4-1[6]：

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表4-1 粘土对芳烃的吸附量 Table.4-1 Clay on the adsorption of aromatic

项目

平衡吸附量mg2L

-1

芳烃 苯 70

甲苯 133

乙苯 350

邻二甲苯 146

4.2 微观吸附作用的研究方法

研究微观吸附时，假设吸附是单分子层的，二元溶液两种组分的分子摩尔面积相等的条件下，用Langmuir方程来计算其表面的吸附量[7]，反应固体表面发生吸附现象以说明构筑湿地的基质对污染物的消减作用。固液界面的吸附可看作溶液相（L）与表面相（s）组分间的交换[7]：

1s?2L?1L?2s

又有公式：

11K1??()() （式4-1） GG0G0C其中，G为吸附恒定时固体表面的吸附量；

C为吸附恒定时介质中污染物的浓度

G0为理论吸附饱和量；K为常数

x2a1x1x2K??x1a2x2x1ss

其中，x1、x2分别是吸附平衡时吸附相中溶剂与溶质的摩尔分数

a1、a2分别是体相溶液中溶剂与溶质的活度。 通过变换可用

x1x2对x2作图可求得ns和K，坐标参考图如下： 0n?x2/m 20