石佛寺人工濕地對水體中富營養(yǎng)物質去除效果分析

周林飛，鐘 倩，王鶴翔，張 靜

（1.沈陽農業(yè)大學 水利學院，沈陽110866；2.撫順市水利勘測設計研究院，遼寧 撫順113000；3.遼寧省供水局，沈陽110003）

水資源是人類生存和社會發(fā)展的重要自然資源之一。目前由于工業(yè)廢水及生活污水的排放、農業(yè)生產中化肥農藥的使用等因素，使氮、磷等營養(yǎng)物質在水體中不斷累積，引起我國部分河流湖泊出現(xiàn)嚴重富營養(yǎng)化現(xiàn)象。水體富營養(yǎng)化的出現(xiàn)會使溶解氧量降低，水體透明度降低，嚴重時會導致水質惡化，水體功能喪失，魚類及其他水生生物大量死亡，所以對水體富營養(yǎng)化的治理已刻不容緩。人工濕地污水處理技術開始發(fā)展于20世紀70年代，其對水體中富營養(yǎng)物質的去除主要依靠植物修復作用，具有低投資、低耗能等優(yōu)點，近年來已經受到國內外學術界的高度重視［1－2］。人工濕地通?？煞譃椋罕砻媪魅斯竦?、潛流人工濕地以及分段布置的垂直流和水平流混合系統(tǒng)，其中表流人工濕地水流直接與大氣接觸，具有更加良好的好氧環(huán)境，對水體中富營養(yǎng)物質具有較好的去除效果［3］。

水體中氮、磷等營養(yǎng)物質的輸入以及富集是導致水體富營養(yǎng)現(xiàn)象的主要因素，其來源分為外源與內源。外源氮、磷主要通過點、面源污染進入水體；內源主要是指底泥及沉積物含有一定量的氮、磷物質，可以通過溶解進入水體。水體中的有機物含量多少可用CODMn，BOD5表示，BOD5代表污水中容易生化降解的指標，它們的值越高，說明水體受有機物的污染越嚴重，水體的富營養(yǎng)現(xiàn)象也就越嚴重。而水體中的溶解氧水平會改變水中的氧化還原環(huán)境，從而影響對某些富營養(yǎng)物質的去除效果［4－5］，進而影響到水體的富營養(yǎng)化程度，因此，在研究水體中的富營養(yǎng)物質變化時，對溶解氧也要進行研究。

石佛寺人工濕地水的主要來源為遼河的上游來水，它匯集了周邊地區(qū)排放的大量生活污水及工業(yè)廢水，富集了氮、磷以及有機質等富營養(yǎng)物質。本文通過在濕地入口、中間、出口等處設置水質監(jiān)測點，研究濕地對富營養(yǎng)物質的修復效果，為濕地建設與健康發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與基礎數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

石佛寺水庫是遼河干流上唯一的大型控制性水利工程，位于遼寧省沈陽市沈北新區(qū)黃家鄉(xiāng)和法庫縣依牛堡鄉(xiāng)。石佛寺人工濕地于2009年5月建成，位于水庫庫區(qū)內遼河的左岸，屬遼河沖積平原北部，栽植的水生植物選擇易成活的荷花、蘆葦和蒲草，是東北地區(qū)大型的表面流人工濕地。經過近5a的生態(tài)建設與濕地的生態(tài)自我修復及演變，濕地內生態(tài)環(huán)境不斷改善，經調查水生植物種類逐年增加，鳥類也在此聚集，一個較為完善的濕地生態(tài)系統(tǒng)已經形成。

1.2 基礎數(shù)據(jù)

監(jiān)測點的布設：濕地內部共設4個水質監(jiān)測點。監(jiān)測點1是2009年濕地建成前設立的，位于濕地末端泄洪閘處；監(jiān)測點2，3，4是濕地建成后設立的，分別位于濕地的進口 、中部及出口。

水體富營養(yǎng)指標與監(jiān)測頻次：結合濕地內部的實際情況，選取的富營養(yǎng)監(jiān)測指標包括溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3－N）、總氮（TN）和總磷（TP）。各點的監(jiān)測頻次為每月1次。具體分析時將數(shù)據(jù)劃分為汛期及非汛期，其中汛期為每年6—9月，非汛期為1—5月和10—12月。監(jiān)測點1數(shù)據(jù)的時間序列為2005—2013年，監(jiān)測點2，3，4數(shù)據(jù)的時間序列為2009—2013年。

2 結果與分析

2.1 濕地水體中富營養(yǎng)物質變化分析

對比分析監(jiān)測點1濕地建成后（2009—2013年）與濕地建成前（2005—2008年）的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析濕地建成前后水體中富營養(yǎng)物質的變化情況。圖1—6為2005—2013年監(jiān)測點1濕地水體中DO，CODMn，BOD5，NH3－N，TN和TP的濃度變化曲線。

2.1.1 DO的變化趨勢分析 從圖1可以看出，在汛期及非汛期DO的含量整體均呈上升趨勢，2009年濕地建成后DO的含量明顯高于濕地建成前。說明由于水生植物量的增加，莖葉的輸氧作用以及植物的光合作用等向水體中輸送大量氧，使?jié)竦厮w中溶解氧濃度明顯提高。2009年后汛期DO變化范圍為6.8～7.3mg/L，非汛期為7.3～9.6mg/L，DO含量非汛期大于汛期，一方面是由于水體中DO的含量與氣溫、水溫有關，在氣溫低的非汛期在水中的溶解量更高；另一方面說明非汛期挺水植物開始衰退，水面受植物遮擋面積減小，濕地中大量沉水植物的光合作用加強，另外在冬季水面結冰時，有的沉水植物（如菹草）也不死亡，均可使水中氧含量增加。

圖1 監(jiān)測點1的DO濃度變化曲線

2.1.2 CODMn，BOD5變化趨勢分析 根據(jù)圖2和圖3可以看出，相比于濕地建設前2005—2008年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，濕地建設后2009—2013年CODMn及BOD5的含量明顯降低，說明由于水生植物的恢復使?jié)竦貙τ袡C物降解能力增強。2005—2013年CODMn及BOD5的含量在非汛期基本都高于汛期，一是由于汛期水生植物生長旺盛，對有機物具有更好的吸收效果；二是汛期水量大，濕地內水體更新速度快，自凈能力增強。石佛寺人工濕地的修建對遼河水中的有機物具有良好的修復作用。但對于汛期大水量的稀釋作用，水生植物對有機物的降解作用，這兩者對有機物的影響，各自所占的比重有多大，還需進行更詳細與更深入的研究。

圖2 監(jiān)測點1的CODMn濃度變化曲線

由圖3可以看出，2005—2011年BOD5一直呈下降趨勢，但之后又有一個緩慢的上升趨勢。這種上升可能是因為濕地內水生植物繁茂，腐爛分解所引起的。

圖3 監(jiān)測點1的BOD5濃度變化曲線

2.1.3 NH3－N，TN和 TP變化趨勢分析 由圖4，圖5，圖6可知，2009年濕地建成后相比于濕地建成前NH3－N，TN和TP的濃度在汛期及非汛期基本都呈降低趨勢，說明濕地對此三種富營養(yǎng)物質具有良好的去除效果。濕地建成后的2009—2013年，NH3－N的濃度在汛期及2009—2012年非汛期無明顯變化，在2013年非汛期有明顯升高；TN的濃度在2009—2011年汛期及非汛期時段呈波動變化，在2011—2013年呈明顯上升趨勢；TP的濃度在汛期及非汛期時段雖然變化趨勢較小，但在2011—2013年略有上升趨勢。石佛寺人工濕地建成后，濕地內部的挺水植物、沉水植物等對營養(yǎng)因子具有良好的吸附作用以及對遼河水質的嚴格管理，使水體富營養(yǎng)現(xiàn)象得到改善，但隨著水生植物年復一年的死亡腐爛，會釋放出含氮含磷物質，已出現(xiàn)了二次污染現(xiàn)象。

圖4 監(jiān)測點1的NH3－N濃度變化曲線

圖5 監(jiān)測點1的TN濃度變化曲線

圖6 監(jiān)測點1的TP濃度變化曲線

2.2 濕地對水體中富營養(yǎng)物質去除效果分析

為進一步分析遼河水流經濕地內部時其中富營養(yǎng)物質的變化情況，對濕地建成后2009—2013年濕地進口、中間和出口的水體富營養(yǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，監(jiān)測數(shù)據(jù)及去除率見表1。

2.2.1 水體DO的變化 DO濃度的增加，可以使水體富營養(yǎng)化的級別降低。從表1可以看出，汛期DO的變化率除在2011年為正值，其余年份都為負值，說明從入口到出口，除2011年外DO濃度均降低了；非汛期2011年、2012年和2013年變化率為正值，其余年份為負值。水體中溶解氧含量主要受到以下兩方面影響：一方面為水生生物的呼吸作用及好氧有機物的降解使DO含量下降的耗氧作用，另一方面為水生植物的光合作用及空氣中氧氣在水中溶解量增加的復氧作用，這兩方面因素互相消長，使水中溶解氧含量產生變化。當富含有機物的遼河水流經濕地內部時，微生物對有機物的降解會消耗氧，當耗氧速度超過氧的補給速度時，水中的DO含量降低，因此濕地出口部分時段含氧量降低。從表1可以看出濕地出口DO變化范圍為4.7～9.6mg/L，水體富營養(yǎng)情況可達到中營養(yǎng)水平。水體流經過濕地后，流速增加，植被覆蓋減少，復氧能力的加強，水中溶解氧的濃度也會逐漸增加。

表1 2009－2013年石佛寺人工濕地水體富營養(yǎng)監(jiān)測指標變化情況

2.2.2 濕地對CODMn，BOD5的去除效果 從表1可以看出，汛期時段，CODMn從濕地的進口到中部、進口到出口的去除率（除2012年外），均為正值；非汛期時段，CODMn的去除率（除2012年和2013年外），均為正值。汛期時段，BOD5從濕地的進口到中部、進口到出口的去除率（除2013年外），均為正值；非汛期時段，BOD5去除率（除2012年和2013年外），均為正值。

濕地中有機物的去除主要是依靠植物吸收、微生物代謝以及植物根部的微環(huán)境物理截流沉淀作用。從以上數(shù)據(jù)可以看出2009—2011年，石佛寺人工濕地對有機物CODMn，BOD5的去除效果在汛期及非汛期都十分明顯，部分時段的去除率可達到30%以上，且整體上汛期時段的去除效果好于非汛期時段。一方面說明非汛期仍有部分沉水植物不會死亡，使?jié)竦卦诜茄雌趯τ袡C物同樣具有良好的去除效果，另一方面說明北方地區(qū)汛期為植物的生長期，且溫度高雨量大，發(fā)達的植物根系具有更好的吸附、吸收作用，微生物的活性高也會加強生物的代謝降解作用，因此相比于非汛期，濕地在汛期對有機物的去除效果更好。

在2012年和2013年CODMn及BOD5的去除率出現(xiàn)負值，這兩年間CODMn的濃度值處于4.2～6.7 mg/L，BOD5的濃度值處于2.6～4.7mg/L，與2011年相比略有降低，說明近年來對遼河水的治理使水體富營養(yǎng)現(xiàn)象得到明顯改善，同時也可以看出，隨著濕地運行時間的延長，內源污染的產生使水體自凈能力減弱，若不能加強對濕地內部植物的管理，會影響濕地對有機物的去除效果。

2.2.3 濕地對 NH3－N，TN 和 TP的去除效果 根據(jù)表1知，NH3－N從濕地的進口到中部、進口到出口的去除率（除2012年和2013年外），均為正值。TN從濕地的進口到中部、進口到出口，汛期時段（除2013年外），均為正值；非汛期時段（除2012年和2013年外），均為正值。TP從濕地的進口到中部、進口到出口，去除率均為正值；非汛期時段（除2012年和2013年外），均為正值。

濕地對營養(yǎng)鹽的去除主要通過植物的吸收、硝化與反硝化作用、微生物降解和揮發(fā)作用、基質的吸附過濾等物理化學作用等幾方面協(xié)同完成的。從以上數(shù)據(jù)可以看出，濕地內部營養(yǎng)鹽在同年非汛期時段的濃度均高于汛期時段的濃度，而且在汛期具有更高的去除率。主要原因是汛期為植物的生長期且溫度較高，水體中的營養(yǎng)鹽不僅可以作為植物及微生物的營養(yǎng)成分被直接吸收，而且硝化及反硝化作用的增強也會加強對營養(yǎng)鹽的去除效果。

在2012年和2013年濕地內部NH3－N，TN和TP的去除率出現(xiàn)了負值，說明石佛寺人工濕地自建成以來已穩(wěn)定運行了5a，隨著水生植物年復一年的生長凋落，濕地中積累了大量的營養(yǎng)物質，這些營養(yǎng)物質不僅會消耗水中的溶解氧含量，降低濕地對營養(yǎng)鹽的去除效果，而且會造成營養(yǎng)物質向水體再釋放，造成二次污染。因此要加強水生植物腐敗后的管理，做到及時收割并定期去除濕地表層植被凋落物，防止二次污染。

3 結 論

自2009年石佛寺人工濕地建成以來，水庫出口處水體富營養(yǎng)情況明顯好于濕地建成前。DO含量明顯增加，有機物CODMn，BOD5及營養(yǎng)鹽 NH3－N，TN和TP的含量有顯著降低，說明石佛寺人工濕地對水體中的富營養(yǎng)物質具有一定的凈化效果，使水庫水質得到明顯改善。

石佛寺人工濕地建成后2009—2013年，雖然部分時段水體中DO含量的變化率出現(xiàn)負值，但濕地出口處DO含量均達到了7.0mg/L以上。石佛寺人工濕地對有機物及營養(yǎng)鹽具有良好的去除效果，且去除效果在汛期好于非汛期，2009—2011年的去除率均達到正值，對有機物CODMn，BOD5的最大去除率分別可達到48.3%，65.8%，對營養(yǎng)鹽 NH3－N，TN和TP的最大去除率分別可達到78.1%，88.2%和72.0%；2012年、2013年部分時段的去除率出現(xiàn)了負值，說明二次污染現(xiàn)象已經出現(xiàn)。

濕地中的水生植物能有效去除濕地水體中的富營養(yǎng)物質，提高濕地內部的自凈能力，然而北方地區(qū)冬季寒冷，多數(shù)植物死亡后腐爛分解，會導致富營養(yǎng)物質向水和底泥中再釋放。因此，如何控制內源性污染，如何采取措施增強人工濕地對富營養(yǎng)物質的去除效果是今后研究的重點。

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