黑土洼人工濕地水質(zhì)優(yōu)化運(yùn)用方案運(yùn)用效果分析

焦利民　趙振國(guó)

【摘要】針對(duì)官?gòu)d水庫黑土洼人工濕地水質(zhì)優(yōu)化運(yùn)用方案的運(yùn)行，從濕地系統(tǒng)水化學(xué)指標(biāo)變化、出水水質(zhì)兩個(gè)方面對(duì)不同凈化區(qū)總體運(yùn)用效果對(duì)比分析。結(jié)果表明，根據(jù)對(duì)2008—2009年永定河八號(hào)橋水質(zhì)資料分析，該方案的運(yùn)行對(duì)官?gòu)d水庫水質(zhì)凈化效果顯著，三個(gè)凈化區(qū)對(duì)BOD5、NH4-N去除率最為顯著，基本上達(dá)到80%—90%以上，對(duì)NO3-N、T-N去除率為65%-75%左右，對(duì)CODMn、SS去除率最差，去除率為40%-60%左右。

【關(guān)鍵詞】黑土洼；人工濕地；去除率；化學(xué)指標(biāo)；

人工濕地是三個(gè)相互依存要素的組合體，即土壤、植物和微生物，生殖在土壤層中的微生物（細(xì)菌和真菌）在有機(jī)物的去除中起主要作用，濕地植物的根系將氧氣帶入周圍的土壤，但遠(yuǎn)離根部的環(huán)境處于厭氧，形成處理環(huán)境的變化帶，這就加強(qiáng)了人工濕地去除復(fù)雜污染物和難處理污染物的能力。大部分有機(jī)物的去除是靠土壤微生物，但某些污染物如重金屬、硫、磷等可通過土壤、植物作用降低濃度。

1、項(xiàng)目區(qū)概況及工程布置

1.1 項(xiàng)目區(qū)概述

黑土洼人工濕地系統(tǒng)示范工程為中德合作項(xiàng)目，為永定河流域水生態(tài)環(huán)境綜合治理關(guān)鍵技術(shù)研究與示范的關(guān)鍵工程之一。項(xiàng)目旨在通過示范作用，為北方地區(qū)濕地構(gòu)建運(yùn)行管理提供有益參考。黑土洼溝位于永定河入官?gòu)d水庫河口的東北側(cè)，與現(xiàn)狀永定河主河道走向基本平行，距永定河不到1Km，最窄處不到400m。黑土洼溝長(zhǎng)約2.5Km。寬約400-500m，最大水深有9m（以476.0m水面計(jì)）。淺水區(qū)以苦草為主，水上部分因人為作用及風(fēng)浪沖刷，沙土裸露。黑土洼溝兩側(cè)岸邊因坍塌形成陡坎?？驳赘叱碳s475.5m。

1.2 工程布置

黑土洼人工濕地主要由黑土洼穩(wěn)定塘系統(tǒng)、人工濕地和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三部分組成，黑土洼穩(wěn)定塘系統(tǒng)主要利用由溢流壩圍成的水體來沉淀和初步凈化永定河高濃度來水。黑土洼溝是理想的濕地沉沙池和氧化塘，可以作為官?gòu)d水庫天然的前置水庫。根據(jù)水質(zhì)凈化工程原理，在穩(wěn)定塘中增設(shè)了以下內(nèi)容：1.在溝首布設(shè)分流堤，使永定河引水暗函出水均勻進(jìn)入穩(wěn)定塘。2.在穩(wěn)定塘中部利用柔性隔墻把塘分為沉砂區(qū)（前置庫）和凈化區(qū)，前置水庫主要作用是沉砂，水流從柔性隔墻頂部過流。3.在穩(wěn)定塘右側(cè)岸濱挺水植物帶6.84萬m2，其余部分自然形成沉水植物帶，在前置水庫中部浮水植物帶2.52萬m2。其工藝流程為：主配水池→布水暗渠→挺水植物塘→一級(jí)植物碎石床→水生生物塘→二級(jí)植物碎石床→沙慮池→退水管。

人工濕地為本工程的主要部分，位于月亮島南側(cè)水庫灘地上，通過圍堤與水庫隔離，工程建設(shè)人工濕地110畝，由4m寬主干道和橫向布水暗渠將濕地分割成兩排四區(qū)，四周由圍堤于水庫相隔，堤頂高程478.0m，頂寬5m，堤頂設(shè)3m寬碎石車道。

示范工程濕地系統(tǒng)以濕地單位為最小單位，其中中方試驗(yàn)區(qū)各濕地單元并聯(lián)，由排水暗渠統(tǒng)一布水；德方試驗(yàn)區(qū)各濕地單元既可并聯(lián)也可串聯(lián)，由管道統(tǒng)一布水。各濕地單元處理后的尾水由退水明渠集水并經(jīng)埋于圍堤底部的暗管外排進(jìn)入堤外水塘，再經(jīng)由縱向明渠排入官?gòu)d水庫。

試驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括常規(guī)監(jiān)測(cè)和特定項(xiàng)目監(jiān)測(cè)，常規(guī)監(jiān)測(cè)主要針對(duì)濕地系統(tǒng)中需要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的水質(zhì)、水量、生物指標(biāo)等項(xiàng)目，通過規(guī)劃設(shè)計(jì)，使監(jiān)測(cè)規(guī)范化、系列化，為試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析提供可靠依據(jù)。監(jiān)測(cè)的化學(xué)指標(biāo)主要包括：CODMn、BOD5、TN、NH4-N、NO3-N、TP、O-PO4、SS、水溫、DO、PH值、電導(dǎo)率、透明度，每次31個(gè)水樣?；瘜W(xué)指標(biāo)以及對(duì)應(yīng)流量和葉綠素A監(jiān)測(cè)頻率相同，每月2-4次；浮游植物每月1次，底棲動(dòng)物為每年2次，沉水、挺水植物調(diào)查為每年1次。

2、運(yùn)用效果分析

2.1 不同凈化區(qū)沿程水化學(xué)指標(biāo)變化

2.1.1 Ⅰ區(qū)濕地單元沿程水化學(xué)指標(biāo)變化

根據(jù)2009年3月24日至2009年6月11日Ⅰ區(qū)濕地單元水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料分析，該時(shí)間段為濕地系統(tǒng)從低溫運(yùn)行至常溫運(yùn)行的過渡期，為了反映該時(shí)間段Ⅰ區(qū)濕地單元沿程凈化效果，對(duì)3月～6月所監(jiān)測(cè)的5次數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理，圖2-1～圖2-6為Ⅰ區(qū)濕地單元水化學(xué)指標(biāo)沿程變化。

由圖2-1～2-6可以看出，Ⅰ區(qū)濕地單元對(duì)BOD5具有較好的凈化效果，濕地單元內(nèi)BOD5沿層消減，整體去除率達(dá)到87%，其中挺水植物塘以及一級(jí)植物碎石床去除率最為顯著，兩級(jí)去除率達(dá)到75%，由于前兩級(jí)去除率較高，因此，水生植物塘和二級(jí)植物碎石床去除率相對(duì)則較低。經(jīng)過凈化后水質(zhì)BOD5平均達(dá)到Ⅱ～Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)NH4-N具有良好的破解效果，總?cè)コ士蛇_(dá)80%，其中一級(jí)植物碎石床去除率最大，可達(dá)65%。系統(tǒng)出水優(yōu)于地表Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)NO3-N起到了逐步消減的效果，總體消減率為50%，一級(jí)植物碎石床去除率最大。對(duì)T-N去除能力較強(qiáng)，總?cè)コ士蛇_(dá)61%，其中一級(jí)植物碎石床去除率最大，可達(dá)50%，系統(tǒng)出水優(yōu)于地表Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)CODMn也起到了一定的消減效果，總體消減率為48%，其中挺水植物塘和水生植物塘去除率最大，水質(zhì)處理后基本上達(dá)到Ⅱ～Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)SS總?cè)コ士蛇_(dá)67%，其中挺水植物塘和一級(jí)植物碎石床去除率較大，兩級(jí)去除率可達(dá)50%。

2.1.2 Ⅱ區(qū)濕地單元沿程水化學(xué)指標(biāo)變

根據(jù)Ⅱ區(qū)濕地單元水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料分析，研究濕地單元沿程水化學(xué)指標(biāo)變化，圖2-7～圖2-12為Ⅱ區(qū)濕地單元水化學(xué)指標(biāo)沿程變化。由圖可得：對(duì)BOD5的整體去除率可達(dá)82%，其中挺水塘去除率最為顯著，去除率達(dá)到50%，經(jīng)過凈化后水質(zhì)BOD5平均達(dá)到Ⅱ～Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)NH4-N具有良好的硝解效果，總?cè)コ蔬_(dá)到67%，系統(tǒng)出水優(yōu)于地表Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中二級(jí)植物碎石床去除率最大，可達(dá)40%；對(duì)NO3-N起到逐步消減的效果，總體消減率達(dá)到41%，一級(jí)碎石床去除率最大；對(duì)T-N的總?cè)コ士蛇_(dá)54%，系統(tǒng)出水優(yōu)于地表Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中一級(jí)植物碎石床去除率最大，達(dá)40%；對(duì)CODMn總體消減率為41%，其中一級(jí)植物碎石床和二級(jí)植物碎石床去除率最大，水質(zhì)處理后基本上能達(dá)到Ⅱ～Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)SS的去除能力較強(qiáng)，總?cè)コ蔬_(dá)67%，其中挺水植物塘和一級(jí)植物碎石床去除率較大，兩級(jí)去除率可達(dá)50%。

2.1.3 Ⅲ區(qū)濕地單元沿程水化學(xué)指標(biāo)變化

根據(jù)Ⅲ區(qū)濕地單元水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料分析，研究濕地單元沿程水化學(xué)指標(biāo)變化，圖2-13～圖2-18為Ⅲ區(qū)濕地單元水化學(xué)指標(biāo)沿程變化。

由圖可得：對(duì)BOD5的整體去除率達(dá)到75%，經(jīng)過凈化后水質(zhì)BOD5平均達(dá)到Ⅱ～Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)NH4-N具有良好的硝解效果，總?cè)コ士蛇_(dá)52%，系統(tǒng)出水優(yōu)于地表Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中挺水植物塘和二級(jí)植物碎石床去除率較大；對(duì)NO3-N起到一定的削減效果，總體削減率為40%，一級(jí)植物碎石床去除率最大；對(duì)T-N去除能力較強(qiáng)，總?cè)コ士蛇_(dá)47%，其中一級(jí)植物碎石床去除率最大，可達(dá)35%；濕地單元內(nèi)CODMn沿程逐步削減，總體削減率為32%，其中一級(jí)植物碎石床去除率較大，水質(zhì)處理后基本上能達(dá)到Ⅱ類～Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)對(duì)SS去除能力較強(qiáng)，總?cè)コ士蛇_(dá)78%，其中挺水植物塘和水生生物塘去除率較大。

2.2 不同凈化區(qū)出水水質(zhì)對(duì)比分析

為了綜合對(duì)比分析三個(gè)不同凈化區(qū)水質(zhì)凈化效果，對(duì)三個(gè)凈化區(qū)的出水水質(zhì)進(jìn)行了對(duì)比分析，表2-1為不同凈化區(qū)出水水質(zhì)對(duì)比表，圖2-19為三個(gè)不同凈化區(qū)各項(xiàng)水質(zhì)比較，圖2-20為三個(gè)不同凈化區(qū)各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)去除率對(duì)比：

根據(jù)圖2-19中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)凈化區(qū)進(jìn)水濃度和出水濃度的整體比較來看，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)凈化區(qū)整體水化學(xué)指標(biāo)去除效果相似，略有差別，但差別不大，各項(xiàng)指標(biāo)去除效果較為明顯，并且也反映了三個(gè)區(qū)都具有進(jìn)一步凈化水質(zhì)的潛力；進(jìn)水濃度基本上屬于Ⅳ～Ⅴ類水，出水濃度均可達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)圖2-20三個(gè)不同凈化區(qū)去除率效果分析，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)BOD5的去除率分別為87.1%、81.7%、75%，可見BOD5的去除率排序?yàn)椋孩駞^(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅲ區(qū)，其它水質(zhì)指標(biāo)NH4-N、NO3-N、T-N、CODMn的去除率排序與BOD5的去除率排序同樣，Ⅰ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅲ區(qū)，但去除率差別不大；但SS去除率，Ⅲ區(qū)相對(duì)Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)具有較高的去除率，為58.3%，而Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)則為36.3%。

綜合分析三個(gè)不同凈化區(qū)對(duì)各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)去除效果，可以發(fā)現(xiàn)三個(gè)凈化區(qū)對(duì)BOD5、NH4-N去除率最為顯著，基本上可達(dá)到80%～90%以上；對(duì)NO3-N、T-N相對(duì)較差，去除率為65%～75%左右；對(duì)CODMn和SS去除率最差，去除率為40%～60%左右。

3、結(jié)語

（1）黑土洼人工濕地系統(tǒng)屬人工濕地水質(zhì)凈化系統(tǒng)，作為一項(xiàng)示范工程，為北方地區(qū)建設(shè)人工濕地系統(tǒng)以處理污水體提供了關(guān)鍵技術(shù)。

（2）黑土洼人工濕地在一定程度上對(duì)官?gòu)d水庫的污水起到了一定的凈化作用。根據(jù)對(duì)黑土洼人工濕地運(yùn)行效果分析顯示，經(jīng)過黑土洼人工濕地凈化后，水質(zhì)均能夠達(dá)到Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)。

（3）由于水中TN，NH3-N和有機(jī)污染物的濃度較高，經(jīng)過黑土洼人工濕地系統(tǒng)凈化后，起到了一定程度的降解作用，但仍是濕地系統(tǒng)出水中的主要污染物，所以如何提高TN，NH3-N和有機(jī)污染物的去除率，減少水質(zhì)的富營(yíng)養(yǎng)化，需要做進(jìn)一步研究。

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作者簡(jiǎn)介：

焦利民（1995-），男，山東東平人，在讀本科生，水利水電工程專業(yè)，華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，450045。

通訊作者：趙振國(guó)（1978-），男，遼寧沈陽人，博士研究生，講師，主要從事灌區(qū)水資源與水環(huán)境方面的研究。