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香蒲、灯心草人工湿地的研究──Ⅲ.净化污水的机理



全 文 :第 1 。卷 第 2期
1 9 9 8年 6 月
湖 泊 科 学
J( ) U RN AL OF L K E A C SIE N C E S
V ol
.
1 0
.
N o
.
2
J n u二 1 9 9 8
香蒲 、 灯心草人工湿地的研究
— 1 . 净化污水的机理 ’
成水平 夏宜睁
( 中国科学 院水生生物研究所 .武汉 4 3 。。 7 2)
提 要 通过香蒲 了》 h an agl ts tl o fl ia和灯心草 J“ 肛1,s 侧令认ls琳 人工湿地微生物分布状况
的调查 , 水生植物生长状况的观察 ,研究了介质 、 水生植物和微生物三者净化污水的作者 , 探讨了
人工湿地对污水中污染物质的去除机制 . 研究表明 , 人工湿地对污水的氮 、 磷和化学耗氧量的去除
作用是介质 、 水生植物和微生物综合作用的结果 , 粘性土壤和花岗石介质更利于污水中磷的去除 .
关键词 人工湿地 污水处理 介质 水生植物 微生物
分类号 X 7 o 3 Q 9 4 8 . 1 5
湿地环境中所发生的物理 、 化学和生物学作用的综合效应是人工湿地净化污水的基本原
理 . 本文从实际出发 ,研究种植香蒲 T护ha an g us r i fo l i a 和灯心草 .tI `配 us 已 fj 云s如 的人工湿地
中介质 、 水生植物和微生物净化污水的作用 ,探讨 人工湿地对污水中氮 、 磷和化学耗氧量的去
除机制 .
l 材料与方法
材料与方法的详细介绍见前文 〔`〕 .
2 结果
.2 1 人工湿地中微生物的分布
在分析测试人工湿地污水净化效果的同时 ,采集表面下 sc m 处土样进行微生物数量的调
查 (表 1) . 除 I 型香蒲湿地外 ,其他湿地中微生物在总体上基本具有春夏季节繁殖快 、 数量大 .
秋冬季节繁殖慢 、 数量小的趋势 . 1 型香蒲湿地中 ,夏季香蒲地上部分所剩无几 1[] ,其微生物
(特别是细菌 、 放线菌和真菌 )的数量并不是最大 ; 而从冬季到春季 ,香蒲开始发芽 , 微生物的数
量才上升 . 正常条件下 , I 、 I 型人工湿地微生物的周年变化趋势是一致的 ,但二者之间的绝对
数量有一定的差异 , 这可能与其介质的组成 、 采样的样品有关 , I 型采集的为适宜微生物生长
的土样 , 而 I 型样品中含有砂质 .
2
.
2 人工湿地对人工污水中污染物质的去除率与微生物数 t 的关系
将 I 、 l 型人工湿地 1 9 9 5 年 8 月一 1 9 9 6 年 3 月间对人工污水中污染物的去除率 l[] 与湿地
表层微生物数量 (表 1) 进行回归分析 ,所得相关性参数见表 2 .
对照凯氏氮和氨氮的去除率与湿地中细菌总数 、 原生动物数量 、 藻类数量显著相关 ( 多项
. 收稿 日期 : 19 96 一 1 一 18 : 收到修改稿 日期 : 19 97 一 03 一 23 . 成水平 . 男 , 19 6 9 年生 , 硕士 . 助理研究 员 .
2期 成水平等 :香蒲 、灯心草人工湿地的研究一 1 . 净化污水的机理 6 7
式回归方程 尸 < 。 . 0 5 ) ;香蒲和灯心草人工湿地中 , 污染物去除率与湿地中的细菌总数等的相
关性不显著 (尸> .0 05 ) .
表 l 人工湿地表层下微生物的分布状况 ( 个 /克 , 干土 )
T
a b
.
1 T h
e
d i
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u t io n s o f m i e r o o r g a n i s m s in a r t i f ie ia l w e t la n d s u b s u r f a e e ( i n d
.
/ 9
.
d w )
项 目 细菌总数
( 又 10 6 )
放线菌
( 义 10 4 )
真 菌
( 丫 1 0 4 ) 原生动物 藻 类 磷细菌
I 型对照
1 9 9 5 年 8 月
1 9 , 5 年 9 月
1 9 95 年 1 1 月
1 99 6 年 l 月
1 9 9 6年 3 月
I 型香蒲湿地
1 9 9 5年 8 月
1 9 9 5年 9 月
1 9 9 5年 1 1 月
1 9 9 6年 1月
1 9 9 6年 3 月
, 型香 蒲湿地
1 9 9 5年 8 月
1 9 9 5年 9 月
1 9 9 5年 11 月
1 9 9 6年 l 月
1 9 9 6年 3 月
, 型灯心草湿地
1 9 9 5年 8 月
1 9 9 5年 9 月
1 9 9 5年 11 月
1 9 9 6年 一月
1 9 9 6年 3 月
3 10
44 0
14 2
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1 20
14 ( ) 8 6 0
7
.
7
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8
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5
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1 5 7 7 7
6 7 10
8 2
2 69
19 9 5 7
4 7 ( ) ( )
5 6 ( ) ( )
5 4 2
5 3
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2 1 ( ) () ()
4 1 ( )
3 9 8
18 7 ( )
2 2
6
.
9
3 2
3 4
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9 7 9 4
1 0
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5
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7
1 1 7 0
12 6 1
14 5 2 5
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2 0 0
1 6 0 5 4
5 8 0 0
4 0 0 0 ()
1 1 1 5
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1 14
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2 0 0 () 0 ()
1 4 0 ( )
3 3 7
5 7 1 0
3 4 9 7
5
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4 9
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7 3 0
3
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3
2
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3 8
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3 5 0
2 4 5 3
1 8 4 8 2
1 2 8
6 4
1 4 5 0
1 20 0 0 0
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8 1 1
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2 40 0 ( ) 0
20 0 0 0 0
13 0 ( )
3 1 6
18 7 0
3569
3 5 1 4 0
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3
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7
1
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8
3
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5
3 5 5 7
1 5 4 5
4 4 3
4 5
9 5 1
4 2 0 0 0
14 0 0 0
4 6 6
6
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l ( ) 0 0 ( ) ()
2 6 0 0 0 0
1 7 0 ()
3 2 3
4 9 8 (、
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亡口,曰O0山只,二
表 2 人工湿地对人工污水中污染物质的去除率与微生物数量的多元 回归分析
T a b
.
2 M
u
l t ip l
e r e g r e s s io n a n a l y s is o f m i e r o o r g a n is m a n d t r m o v a l r a t e s o f e o n t a m i n a t io n s i n
a r t if ie a l w
e t la n d ( Y =
a + b lg X 一+ c lg X Z + d lg X
3
) ( , : = 5 )

对照湿地 香蒲湿地
型湿地
K N N H
. + 一N T P CO D〔 r K N N H ; + 一 N T P C O D (

r
F 3 9 6
.
1 1 1 2 79
.
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3 4 3 0
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17 0 2 3
.
() 6 2 4 4
.
6 44
0
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0 3 64 0
.
02 0 3 0
.
8 1 7 8 0
.
3 0 5
.
24 5 1
14 7
.
9 2 0 1 0
.
9 06 5 0
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1 4 9 6 ( )
.
1 ( ) 8 ()
香蒲湿地 灯 心草湿地型湿地
K N N H
; 十 一习 T P CO D e r K N N H 4 + 一N T P C O D e
F 1
.
5 4 1 1
.
15 2 5 3 0 5 0
.
3 88 2 0
.
2 6 7 1 2
.
8 0 1 0
.
3 1 5 1
.
3 1 3
0
.
5 0 6 0 0
.
5 7 0 7 0
.
3 0 22 0
.
7 93 2 0
.
15 9 3 0
.
1 99 2 0
.
8 2 7 1 0
.
5 4 4 3
1) Y 为去除率 ( % ) , X l 为细菌总数 ; X : 为原生动物数量 ; X 3 为藻类数量 .
68 湖 泊 科 学
. 2 3人工湿地进 、 出水水质的理化特性
1 5 9 9年 9月 30日 . 检测了人工湿地进出水溶解氧和 p H值 ( 表 ) 3.
表 3人工湿地进 、 出水的物理一化学性质 ( 1 5 9 9年 9月 30日 , 21 . 4 亡 )
T a b
.
3 T h
e p h y
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a r a e t e r i s t ie s o f i
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u e n t a n d
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In a r t if i
e ia l w e t l a n d ( 1 9 9 5一 0 9一 3 0 , 2 1 . 4亡 )
l0 卷
污水
(进水 )
I 型湿地 出水 . 型湿地出水
指标 自来水 又寸照 香蒲 灯心草 香蒲 灯心 草
.
~
~ 一一 - ~一 - - ~ 一 r一~一-一 -一 ~ -一一 一n 衬 7 _ 汽n 7 . 夕 q 6 4 9 R . 父2 6 . 4 4 6 . 4 3 6 3 9D O ( nr g / L ) 0 . 4 0 . 4 0 .进水为弱碱性 ,溶解氧略低于自来水中的溶解氧 ; 出水皆为偏酸性 (P H .6 32 一 6 · 4 9 ) , 溶解氧极低 (0 . 4 一 0 . g m g / L ) . 花岗岩系酸性岩石 ,可能通过离子交换等途径释放酸性物质到水体
中 , 但香蒲和灯心草湿地净化污水的效果好于对照 l[] , 出水 p H 值低于对照 (表 3 ) , 可以推断人
工湿地在污水处理过程中 ,耗氧严重且在分解有机物的过程中产生了有机酸类 .
.2 4 1 型人工湿地氮 、 磷含 t
测试了 I 型人工湿地净化城镇污水后介质中的凯氏氮和总磷含量 ,与建造 人工湿地的原
始土样的凯 氏氮和总磷含量进行对比 ,结果如下 .
表 4 1 型人工湿地中凯氏氮和总磷的含量 (m g / g , dw )
T a b
.
4 T h
e e o n e e n t r a t io n o f K N

T P i
n a r t i fi
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a l w e t la n d ( I ) (m g / g
,
d w )
指标 原始土样 香蒲湿地 灯 心草湿地
K N
T P
0
.
2 3 0
0
.
2 9 8
0
.
39 3 0
.
2 8 4 ()
.
3 2 3
0
.
3 9 5 0
.
3 1 5 ( )
.
2 7 3
人工湿地经过两个多月的污水处理 ,对照中凯氏氮 、 总磷的含量分别增加了 7 0% 、 3 3咚。 ;
香蒲湿地中凯 氏氮和总磷的含量分别增加 23 %和 5% ,灯心草湿地中凯 氏氮增加 4 0 % , 其增
加幅度都分别小于对照的增加幅度 ; 而灯心草湿地 中总磷的含量不但没有增加反而减少了
8 %
.
3 讨论
介质 、 水生植物和微生物是人工湿地的主要组成部分 . 介质为微生物的生长提供稳定的空
间 , 为水生植物提供载体和营养物质 ,并通过一些物理和化学途径净化污水 ; 水生植物除直接
吸收利用污水中的营养物质及吸附 、 富集一些有毒有害物质外 ,还有输送氧气至根区和维持水
力传输的作用 ; 微生物的代谢作用是污水中有机污染物质降解的主要机制「2〕 . 同时他们相互联
系 、 互为因果形成一个系统 . 水生植物的存在有利于微生物在人工湿地纵深的扩展川 . 不同类
群的微生物亦存在着相互的联系 . 细菌是土壤微生物中数量最多的一个类群 . 在污水净化过程
中起着 巨大作用 ,使复杂的含氮化合物转化为可供植物和微生物利用的含氮无机化合物 ; 真菌
是好气性的微生物 .是水生植物根系输氧作用的受益者 ,具有强大的酶系统 . 能引起纤维素 、 木
质素 、 果胶等的分解 .能分解蛋白质化合物释放氨 ;放线菌是含氮和不含氮化合物分解作 用的
2期 成水平等 :香蒲 、 灯心草 人工湿地的研究 一 顶 .净化污水的机理
积极参与者 .还能形成抗生物质维持湿地生物群落的动态平衡 ;磷细菌能将有机物质状态的 、
不可直接利用的磷素降解为简单的 、 可供植物及微生物吸收的磷化物 ;人工湿地中的藻类起着
光合放氧和吸收营养物质的作用 ;原生动物摄食一些微生物和碎屑 , 起调节微生物群落的动态
平衡和清洁水体的作用 . 他们共同协作构成互利共生的系统 ,发挥整体作用净化污水 .
下面分别从微生物 、 水生植物和介质在人工湿地净化污水试验中的作用及效应来讨论人
工湿地对污水中氮 、 磷和化学耗氧量的去除机制 .
3
.
1 氮的去除
污水中的氮通过几个方面的途径去除 : 一部分经微生物作用还原成分子态氮一部分被植
物吸收作用 , 一部分以离子状态与介质发生交换残留于介质或者以氨形式直接挥发 . 对照中凯
氏氮和氨氮的去除率与人工湿地中细菌总数 、 原生动物数量 、 藻类数量显著相关 ( 多项式 回归
方程 F 检验 , P < 0 . 05 ) ,微生物在净化污水中氮化 合物时起重要作用 . 香蒲和灯心草湿地中 ,
污染物的去除率与湿地中的细菌总数等相关关系不显著 (尸> 0 . 05 ) , 水生植物的存在影响了
湿地微生物数量的空间分布川 ,如 I 型人工湿地香蒲在夏季死亡 , 则其微生物数量并不表现为
全年的最大值 (表 1 ) , 但该方程并没有参入水生植物作用因子 , 从而造成了去除率与微生物数
量之间不存在显著性相关关系的现象 . 事实上 ,在正常条件下 , 香蒲 , 灯心草湿地对污水中凯氏
氮 、 氨氮和化学耗氧量的去除率显著地好于对照 lj[ . 如此 ,水生植物的存在加强了人工湿地对
污水中污染物的去除能力 . 同时也表明水生植物和微生物相互联系 、 协同作用净化污水 .
I

l 型灯心草一直生长良好 , 对凯氏氮和氨氮的去除率在 93 % 以上 , 且趋于稳定 . 1 型
中香蒲地上部分经历了枯死 、 发芽 、 再枯死 、 再发芽的过程 , 其对人工污水中凯 氏氮和氨氮的去
除率低高起伏的顺序 ; l 型香蒲湿地 1 9 9 5 年 8 月一 n 月间香蒲生长良好 , 对人工污水中凯 氏
氮 和氨 氮的 去除率 于在 96 %以上 , 在冬 季香 蒲地上 部分枯死 , 两者 的去 除率 ( 8 3 . 2 %和
6 4
.
5% ) 有所下降 ,而到 1 9 9 6 年 3 月香蒲发芽 , 去除率 (8 8 . 5 %和 79 . 1% ) 又有所上升 :l[ . 可 见 .
人工湿地对人工污水中凯氏氮和氨氮的去除能力与水生植物的生长状况密切相关 .
冬季微生物数量减少 (表 1 ) , 人工湿地对凯氏氮和氨氮的去除率也在 40 % 以上 〔` 〕 , 净化城
镇污水后 , 对照及香蒲灯心草湿地中的凯 氏氮含量高于原始土样 (表 4 ) ,体现 了介质对污水中
的氮有截留作用 . 部分氨离子可以通过与介质的阴离子交换而留在介质中〔` 〕 .
3
.
2 磷的去除
尽管磷的去除率与微生物的数量之间不存在显著的相关性 (尸 > 0 . 05 )( 表 2 ) .但前者已分
析了原因及微生物净化污水的作用 , 水生植物和微生物的综合作用是污水中磷去除的机制之
一 无机磷化合物的溶解性改变 ,有机磷化合物的分解矿化 ,无机磷的氧化和还原都需要磷细
菌等微生物的生物化学反应及酶的催化来实施 〔5 〕. 在好氧和厌氧条件下 ,磷细菌能将有机磷化
合物转化为简单的磷化合物 , 并在厌氧条件下提供短链的脂肪酸 6[] . 本文中人工湿地进水偏碱
性 , 而出水偏酸性 (表 3 ) , 尽管可能有花岗岩释放酸性物质的作用 ,但香蒲和灯心草湿地与对
照的差异说明微生物对污染物质的降解作用产生了脂肪酸类 . 微生物在降解有机磷的同时 . 也
吸收可利用态的磷维持生长和繁殖 ,从而截留进入湿地的一部分磷物质 .达到去除水体中磷的
目的 .
湿地植物能直接吸收和利用可利用态磷 . 种植香蒲 、 灯心草的湿地中总磷的含量 小于对照
中的含量 . 特别是灯心草湿地中总磷的含量还小于原始土样 (表 4 ) , 表明香蒲 、 灯心草吸收与
7 0 湖 泊 科 学 10 卷
利用了湿地中一部分可利用态磷 ,起到了去除磷的作用 .
据报道 ,蕉草 、 芦苇的人工湿地对污水中总磷的去除效果都不太理想 〔’ · 8〕 . 而本文设计的人
工湿地对总磷的去除能力相当地高 ,去除率除一次为 82 . 8% ,其余的在 90 %以上 l[] . 经过净化
城镇污水后 , 对照中土样总磷增幅达 3 % (表 4 ) ,介质截留了大量的磷物质 . 由此可以推导出
本研究的人工湿地介质较适合于磷的去除 . 介质中的铁 、 钙 、 铝离子十分丰富 , 能与磷酸根离子
结 合形成不溶性盐固定下来图 . 粘性土壤在长期淹水的状况下 , 亚铁离子易于游离出来 , 也有
利于污水中磷的去除 . 建立的人工湿地介质中花岗岩碎石和粘性土壤占 8 0 % 以上 , 花岗岩碎
石在人工湿地净化污水的酸性环境下 (表 3 ) ,易释放大量的离子 ,通过交换 、 络合 、 沉淀和吸附
等截留磷物质 . 因此 . 以花岗石和粘性土壤为主要介质的人工湿地能高效去除污水中的磷物
质 .
.3 3 化学耗氧 l 的去除
化学耗氧量是反映水体中还原物质污染程度的综合指标 , 水体中的还原物质包括有机物 、
亚硝酸盐 、 亚铁盐 、硫化物等 . 本文中的人工污水含亚硝酸盐 、 亚铁盐 、 硫化物等还原性物质较
少 , 因此测定的化学耗氧量主要反映水体中的有机物含量 .
微生物摄取能量和碳素用于细胞合成 ,将有机碳分解成二氧化碳 、 水 、 甲烷 、 有机酸类和醇
类等 10[ 〕 ,在厌氧条件下磷细菌能将有机磷降解短链脂肪酸 〔 , 〕 . 表 3 中人工湿地出水偏酸性 , 证
明了微生物在降解污水中有机物质的作用 .
灯心草型人工湿地对 C O D c r的去除效果一直很好 , 维持在 94 % 以上 , 香蒲型人工湿地夏
季 ( 1 9 9 5 年 8 月一 1 1 月 )C O D c r的去除率明显高于冬季 ( 1 9 9 6 年 l 月 ) ( P < 0 . 0 5 ) [ , 〕 , 这与灯心
草 、 香蒲的生长趋势基本一致 .
4 小结
综上所述 ,作者认为人工湿地介质 、 水生植物和微生物在净化无毒有机污水的过程中均起
重要作 用 , 三者的综合作用是人工湿地去除污水中氮 、 磷和化学耗氧量的主要机制 , 其中粘性
土壤和花岗石能较好地去除磷物质的介质组份 . 介质 、 水生植物和微生物的有机组合 ,相互联
系和互为因果的关系形成了人工湿地的统一体 , 强化了湿地净化污水的功能 .
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P a n d C O D o e l im i n a t io n h a v e b e e n d i s e u s s e d
.
F r o m s t u d i e s o n t h e a r t i f i e i a l w e t l a n d w i t h e a t t a i l ( 了冲 h a a n g u s t ifo l i a ) a n d r t , s h
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I u n c u : 刁笋之s u : ) , i t h a d a t r e n d t h a t r e p r o d u e t i o n s o f m i e r o o r g a n i s m s i n s p r i n g a n d s u m m e r
w e r e l a r g e r t h a n t h o s e i n a u t u m n a n d w i n t e r
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s i g n i f i e a n t l y r e l a t e d t o t h e n u m b e r o f b a e t e r i a
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m a e r o p h y t e s
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P a r t s o f n i t r o g e n
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p h o s P h o r o u s w e r e f i x e d b y e x e h a n g i n g
· e o m p l e x i n g
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p r e e i p i t a t i n g a n d a d s o
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b i n g i n m e d ia
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T h e r e s u l t s i n d ie a t e t h a t t h e e o l la b o r a t i o n o f m e d i u m
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t h e m e e h a n i s m o f p u r i f y i n g w a s t e w a t e r i n a r t i f i e i a l w e t l a n d
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M e d i u m w i t h g r a n i t e a n d
v i s e o u s 5 0 11 15 b e t t e r f o r r e m o v i n g p h o s p h o r o u s
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K e y W o r d s A r t i f i e ia l w e t la n d
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w a s t e w a t e r t r e a tm e n t
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m e d i u m
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m a e r o P h y t e
m IC r 0 O r g a n l s m