旁路多級人工濕地對巢湖流域南淝河水的凈化效果*

馬書占，潘繼征3，吳曉東，王 青，尚麗霞，何延召，李 勇

（1：蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，蘇州215011）

（2：江蘇省環(huán)境科學(xué)與工程重點實驗室，蘇州215011）

（3：中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，南京210008）

（4：中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

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旁路多級人工濕地對巢湖流域南淝河水的凈化效果*

馬書占1，2，潘繼征3**，吳曉東3，4，王 青3，4，尚麗霞3，4，何延召3，4，李 勇1，2

（1：蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，蘇州215011）

（2：江蘇省環(huán)境科學(xué)與工程重點實驗室，蘇州215011）

（3：中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，南京210008）

（4：中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

為了削減南淝河輸入巢湖的污染物，建成南淝河旁路多級人工濕地水質(zhì)凈化示范工程，包括預(yù)處理系統(tǒng)、垂直潛流濕地系統(tǒng)和水平潛流濕地系統(tǒng)3個工藝單元.2014年3月至2015年2月對人工濕地各凈化單元出水進行周年監(jiān)測，分析各凈化單元對污染物的去除效果，并探討季節(jié)變化對去除效果的影響.結(jié)果顯示，旁路多級人工濕地體現(xiàn)較高的去除效果.對高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、總氮（TN）、銨態(tài)氮（NH+4-N）和總磷（TP）的總?cè)コ史謩e為70.9%、43.7%、43.5%和76.6%.CODMn和TP的平均出水濃度均優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）中的Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，而NH+4-N的平均出水濃度優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）一級A類標(biāo)準(zhǔn).各凈化單元對污染物的去除差異顯著，CODMn的去除主要發(fā)生在預(yù)處理單元，其對CODMn削減的凈化率為65.1%；TN、NH+4-N和TP的去除主要發(fā)生在垂直潛流濕地單元，其對TN、NH+4-N和TP削減的凈化率分別為23.2%、27.1%和51.1%.不同季節(jié)，旁路多級人工濕地對污染物去除具有一定差異，對CODMn和TP的去除率均表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季＞冬季，對TN的去除率表現(xiàn)為秋季＞春季＞夏季＞冬季，對NH+4-N的去除率表現(xiàn)為秋季＞夏季＞春季＞冬季.最后，建議通過增加碳源和增大水力停留時間來進一步優(yōu)化該工藝，以有效提高脫氮效果.

南淝河；巢湖；旁路多級人工濕地；凈化效果；去除率

?2016 by Journal of Lake Sciences

巢湖污染問題由來已久.調(diào)查顯示巢湖外源污染占98%，且絕大部分的外源污染來自入湖河流［1］.南淝河是巢湖入湖河流中污染量最大的河流，水質(zhì)狀況為劣V類，屬重度污染，因此削減南淝河入湖污染物是改善巢湖水質(zhì)的必要措施［2］.由于人工濕地技術(shù)具有運行費用低、維護管理簡單和對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點［3-5］，因此被廣泛用于處理受污染的水體［6-8］.采用人工濕地技術(shù)凈化污染河水的研究也已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點［9-10］.如Jing等［11］采用人工濕地凈化污染河水時，發(fā)現(xiàn)氨氮的去除效果受季節(jié)影響顯著；Zheng等［12］的研究發(fā)現(xiàn)，在低水力負荷條件下，水平潛流濕地對重污染河水的去除效果更好，且秋季是污染物去除的最佳季節(jié)；潘繼征等［13］的研究還發(fā)現(xiàn)垂直流濕地單元對污染物的去除效果明顯高于水平流濕地單元.近年來對人工濕地的研究更趨向于復(fù)合人工濕地工藝［14-17］，通過不同類型濕地的組合彌補單一濕地類型的局限，提高濕地系統(tǒng)的去除效果及其穩(wěn)定性.研究表明［18-19］，復(fù)合人工濕地對污染河水的去除有更好的效果.此外，人工濕地的凈化效果也會因其所建地的不同而表現(xiàn)出差異［20-22］.因此，針對污染河水水質(zhì)狀況易波動和沿岸地理環(huán)境相對復(fù)雜等特點，采用復(fù)合人工濕地能更有效地達到凈化污染河水水質(zhì)的目的.

綜上所述，為了有效的削減南淝河入湖污染物，于2013年建成“南淝河旁路多級人工濕地水質(zhì)凈化示范工程”.旁路多級人工濕地（multi-stage byPass constructed wetland）是復(fù)合人工濕地的一種新形式，指在河道堤岸帶現(xiàn)有洼地、溝渠或池塘等天然地形的基礎(chǔ)上構(gòu)建的具有多級凈化單元的人工濕地生態(tài)系統(tǒng).本文以南淝河旁路多級人工濕地為研究對象，通過現(xiàn)場實驗對人工濕地各凈化單元的污染物去除效果進行分析，并著重探討季節(jié)變化對去除效果的影響，以期為人工濕地工藝進一步優(yōu)化提供參考.

圖1　2014年3月至2015年2月人工濕地氣溫和水溫變化Fig.1 Variations of air and water temPeratures in the constructed wetlands from March 2014 to February 2015

1　材料與方法

1.1工程背景

南淝河（31°42′55″～31°43′19″N，117°23′21″～117°23′38″E）旁路多級人工濕地位于南淝河西側(cè)的合肥市濱湖濕地森林公園東南，該工程利用森林公園中已有的溝渠、池塘系統(tǒng)構(gòu)建多級人工濕地生態(tài)系統(tǒng).

于2014年3月至2015年2月，對人工濕地的水溫和氣溫進行觀測（圖1）.人工濕地平均氣溫為23.1℃，最低氣溫為6.0℃，最高氣溫為29.0℃；平均水溫為 23.1℃，最低水溫為 6.7℃，最高水溫為28.6℃.

旁路多級人工濕地主要包括預(yù)處理系統(tǒng)（沉砂池+混凝沉淀池+氧化塘）、垂直潛流濕地系統(tǒng)、水平潛流濕地系統(tǒng)3個部分（圖2）.本研究將沉砂池、混凝沉淀池和氧化塘合并作為預(yù)處理系統(tǒng)，設(shè)計處理水量為20000 m3/d.預(yù)處理系統(tǒng)占地面積3800 m2，其中沉砂池占地面積1200 m2，混凝沉淀池占地面積200 m2，氧化塘占地面積2400 m2.垂直潛流濕地系統(tǒng)和水平潛流濕地系統(tǒng)設(shè)計處理水量為600～1200 m3/d，占地面積1750 m2.其中，垂直潛流濕地系統(tǒng)占地面積600 m2，水平潛流濕地系統(tǒng)占地面積1150 m2.

垂直潛流濕地系統(tǒng)和水平潛流濕地系統(tǒng)均采用孔隙率為37%、粒徑為20～40 mm的鈣質(zhì)公分石填料.由于鈣質(zhì)公分石填料具有價格便宜、來源廣泛、能維持中性環(huán)境及為反硝化反應(yīng)提供碳源等優(yōu)點，因此在人工濕地系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用［23-24］.

1.2系統(tǒng)設(shè)計與工藝流程

1.2.1預(yù)處理系統(tǒng) 預(yù)處理系統(tǒng)包括沉砂池、混凝沉淀池和氧化塘3個單元，理論水力停留時間分別為2.30、1.20和7.24 h.

1.2.2垂直潛流濕地系統(tǒng) 垂直潛流濕地系統(tǒng)分為2個單元，尺寸為20 m×15 m×1.2 m，水力負荷為1.00～2.00 m3/（m2·d），理論水力停留時間為10.26 h.垂直潛流濕地種植蘆葦（Phragmites communis Trin）、菖蒲（Acorus calamas）和西伯利亞鳶尾（Iris sibirica）.

1.2.3水平潛流濕地系統(tǒng) 水平潛流濕地系統(tǒng)分為2個單元，尺寸為25 m×23 m×1.2 m，水力負荷為0.52～1.04 m3/（m2·d），理論水力停留時間為11.10 h.水平潛流濕地種植蘆葦、香蒲（Typha orientalis）和西伯利亞鳶尾.

圖2　人工濕地示意圖（a：平面示意圖；b：工藝流程圖）Fig.2 Schematic diagram of the constructed wetland（a：sketch maP；b：flow diagram）

1.3運行管理方式

旁路多級人工濕地于2013年4月建成，運行及監(jiān)測管理時間自2014年3月至2015年2月，為期1年.運行期間逐月取樣，其中春季為2014年3-5月，夏季為2014年6-8月，秋季為2014年9-11月，冬季為2014年12月至2015年2月.采樣點設(shè)置：1-南淝河進水，2-預(yù)處理系統(tǒng)出水，3-垂直潛流濕地出水，4-水平潛流濕地出水（圖2）.

1.4水質(zhì)分析方法

主要監(jiān)測指標(biāo)包括高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、總氮（TN）、銨態(tài)氮（NH+4-N）、硝態(tài)氮（NO-3-N）、亞硝態(tài)氮（NO-2-N）、總磷（TP）和溶解氧（DO）濃度等，指標(biāo)參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》［25］進行監(jiān)測.

1.5統(tǒng)計方法

本文采用Excel 2013軟件對數(shù)據(jù)進行平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的計算；采用SPSS 20.0軟件中的LSD法進行不同參數(shù)之間的方差分析.

1.6進水水質(zhì)

旁路多級人工濕地進水水質(zhì)如表1所示.進出水的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差等進行統(tǒng)計.

2　結(jié)果與討論

2.1旁路多級人工濕地對CODMn的削減效果

旁路多級人工濕地對CODMn具有良好的去除效果，春季、夏季、秋季和冬季平均去除率分別達到67.2%、70.9%、68.4%和25.9%，CODMn平均出水濃度分別為7.30±2.07、7.61±2.23、5.83±1.03和7.22±0.23 mg/L（圖3）.從CODMn平均去除率來看，不同季節(jié)之間存在一定差異，其中冬季與其他季節(jié)之間差異極顯著（P＜0.01），春季與夏季之間差異顯著（P＜0.05），而秋季與春、夏季之間沒有顯著差異（P＞0.05）.從總體趨勢來看，不同季節(jié)對CODMn的去除能力表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季＞冬季，冬季去除率下降尤為明顯，這是因為冬季溫度較低（圖1），影響濕地微生物的活性，加上植物枯萎被收割等原因?qū)е绿幚硇Ч陆?，這與聶志丹等［26］的研究結(jié)果一致.

表1　進水水質(zhì)狀況Tab.1 The inflow water quality

圖3　不同季節(jié)工藝流程各單元對CODMn去除的貢獻Fig.3 Contributions of various elements of the technical Process to the CODMnremoval rate in different seasons

旁路多級人工濕地各凈化單元對CODMn的去除率差異顯著（P＜0.05），且去除主要發(fā)生在預(yù)處理單元.春、夏、秋和冬季預(yù)處理單元對CODMn削減的凈化率分別為55.5%、65.1%、64.6%和11.5%，而垂直潛流濕地單元和水平潛流濕地單元的貢獻率則不足10%，說明大部分有機物是通過預(yù)處理單元的沉淀作用而去除，這也反映出預(yù)處理單元存在以沉淀為主的凈化機制，從預(yù)處理系統(tǒng)各單元的理論水力停留時間同樣說明這一點，這與潘繼征等［13］的研究結(jié)果相似.從周年運行情況來看，系統(tǒng)CODMn平均出水濃度低于7 mg/L，優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)（10 mg/L）.

2.2旁路多級人工濕地對氮的削減效果

2.2.1旁路多級人工濕地對TN的削減效果 人工濕地對TN的去除主要通過硝化作用、反硝化作用、植物攝取和介質(zhì)吸附等方面［27-28］，其中，反硝化作用才最終將氮從污水中去除［29］.

旁路多級人工濕地對TN的去除效果較好（圖4），春、夏、秋和冬季TN平均去除率分別達到30.1%、27.0%、43.7%和15.9%，TN平均出水濃度分別為6.33±1.12、5.52±2.27、6.01±0.59和12.81±1.78 mg/L. 從TN平均去除率來看，秋季與冬季差異顯著（P＜0.05），而春、夏季與冬季沒有顯著差異（P＞0.05）.處理系統(tǒng)在冬季對TN的去除率比其他3個季節(jié)低10%～20%（圖4）.有研究表明［17，30］，溫度變化會直接影響氨化、硝化和反硝化微生物的活性，從而影響TN的去除，春季、夏季和秋季處理系統(tǒng)平均水溫在20℃以上，冬季平均水溫低于10℃（圖1），顯然，溫度的變化直接影響系統(tǒng)對TN的去除率，這與鐘成華等［31］的研究結(jié)果相似.

圖4　不同季節(jié)工藝流程各單元對TN去除的貢獻Fig.4 Contributions of various elements of the technical Process to the TN removal rate in different seasons

旁路多級人工濕地各凈化單元對TN的去除率不高且差異顯著（P＜0.05）（圖4）.通過分析處理系統(tǒng)中的碳氮比（C/N）發(fā)現(xiàn)，碳源不足（圖5）是造成TN去除率不高的主要原因之一，雖然在運行期間已對水平潛流濕地進行人工補充碳源（秸稈）和在秋、冬季植物凋落后補充一定的碳源，有研究表明［32］，增加碳源能有效提高濕地對TN的去除效果；通過對處理系統(tǒng)中的DO濃度分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)內(nèi)DO濃度過高（圖6），難以形成反硝化進行的缺氧或厭氧狀態(tài)，氧的存在抑制反硝化作用［28］，這是造成TN去除率不高的另一原因；此外，由前文可知，本處理系統(tǒng)理論水力停留時間均過短，導(dǎo)致生化反應(yīng)不夠充分，這也是造成TN去除率不高的原因之一，周志強等［17］的研究發(fā)現(xiàn)，合理增加水力停留時間可提高TN的去除效果.TN主要在垂直潛流濕地單元中去除，春季、夏季、秋季和冬季對TN削減的凈化率分別為17.7%、15.7%、23.2%和6.9%（圖4）.

圖5　不同季節(jié)工藝流程各單元進出水C/N值變化Fig.5 Variations of C/N in inflow and outflow from various elements of the technical Process in different seasons

圖6　工藝流程各單元出水DO濃度變化Fig.6 Variations of DO concentration in outflow from various elements of the technical Process

2.2.2旁路多級人工濕地對NH+4-N的削減效果 人工濕地對NH+4-N的去除由氨化作用和硝化作用共同決定，其影響因素較為復(fù)雜，這是人工濕地研究的熱點［33-35］.

旁路多級人工濕地對NH+4-N的去除效果稍好于TN（圖7），春季、夏季、秋季和冬季對NH+4-N的平均去除率分別達到36.0%、36.9%、43.7%和31.6%；平均出水NH+4-N濃度分別為3.31±0.42、3.53±2.17、3.84± 2.57和3.07±0.27 mg/L.NH+4-N與TN去除率變化規(guī)律相似，夏季最高、冬季最低，秋季與冬季差異顯著（P＜0.05）.

旁路多級人工濕地各凈化單元對NH+4-N的去除率差異顯著（P＜0.05），但預(yù)處理單元與水平潛流濕地單元差異不顯著（P＞0.05）.夏、秋季NH+4-N的去除率稍高于春、冬季，通過分析處理系統(tǒng)中水溫發(fā)現(xiàn)，溫度是限制春、冬季NH+4-N去除率不高的原因之一（圖7），有研究表明［36］，溫度與NH+4-N去除率呈顯著正相關(guān). NH+4-N的去除主要在垂直潛流濕地單元，該單元春季、夏季、秋季和冬季對NH+4-N削減的凈化率分別為20.7%、27.1%、25.3%和17.0%.從周年運行情況來看，系統(tǒng)NH+4-N出水平均濃度在4 mg/L以下，優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）一級A類標(biāo)準(zhǔn)（5 mg/L）.

2.3旁路多級人工濕地對TP的削減效果

人工濕地對TP的去除主要通過吸附和沉淀、微生物吸收和過量積累及植物吸收等幾方面共同作用［37-39］，其中介質(zhì)之間的非生物作用［40］是主要作用.

旁路多級人工濕地對TP具有較好的去除效果（圖8），春季、夏季、秋季和冬季對TP的平均去除率分別達到45.6%、76.6%、65.8%和36.6%，平均出水TP濃度分別為0.29±0.01、0.11±0.01、0.13±0.01和0.36± 0.10 mg/L.對TP平均去除率而言，不同季節(jié)差異顯著（P＜0.05），說明TP的去除受季節(jié)性變化影響較大，這與周志強等［17］對皂河的研究結(jié)果相矛盾.

旁路多級人工濕地各凈化單元對TP的去除率較高且差異顯著（P＜0.05），但預(yù)處理單元與水平潛流濕地單元沒有顯著差異（P＞0.05）.TP去除率相對較高可能與所選用的基質(zhì)（鈣質(zhì)公分石）有關(guān)，有研究表明［41］，選擇合適的基質(zhì)能有效提高TP的去除率.TP去除主要在垂直潛流濕地單元，該單元春季、夏季、秋季和冬季對TP削減的凈化率分別為28.7%、51.1%、28.9%和12.8%（圖8）.從周年運行情況來看，系統(tǒng)TP平均出水濃度小于0.3 mg/L，優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）中的Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)（0.3 mg/L）.

圖7　不同季節(jié)工藝流程各單元對NH+4-N去除的貢獻Fig.7 Contributions of various elements of the technical Process to the NH+4-N removal rate in different seasons

圖8　不同季節(jié)工藝流程各單元對TP去除的貢獻Fig.8 Contributions of various elements of the technical Process to the TP removal rate in different seasons

2.4工藝優(yōu)化建議

通過對南淝河旁路多級人工濕地周年運行數(shù)據(jù)分析得知，該人工濕地對CODMn和TP的去除效果較好，而脫氮（TN和NH+4-N）效果較差.對于脫氮效果不明顯，分析得出的原因主要是碳源不足和水力停留時間過短.對污染河水而言，針對碳源不足和水力停留時間過短現(xiàn)象，已有研究表明［17，32，42］，合理增加碳源和水力停留時間能有效提高脫氮效果.因此，本工藝進一步優(yōu)化可從碳源和水力停留時間兩個角度著手，建議通過進一步增加碳源和水力停留時間來優(yōu)化該處理工藝，以達到有效提高脫氮效果的目的.

3　結(jié)論

1）在進水水量為600～1200 m3/d的條件下，旁路多級人工濕地表現(xiàn)出了較強的緩沖調(diào)節(jié)能力和較高的去除效果，出水穩(wěn)定.旁路多級人工濕地對CODMn、TN、NH+4-N和TP等污染物的去除率分別為70.9%、43.7%、43.5%和76.6%.CODMn和TP平均出水濃度均優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）中的Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)；NH+4-N平均出水濃度優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）一級A類標(biāo)準(zhǔn).

2）旁路多級人工濕地各凈化單元對污染物的去除效果差異顯著，CODMn的去除主要在預(yù)處理單元，其對CODMn削減的凈化率為65.1%；TN、NH+4-N和TP的去除主要發(fā)生在垂直潛流濕地單元，其對TN、NH+4-N和 TP削減的凈化率分別為23.2%、27.1%和51.1%.

3）不同季節(jié)，旁路多級人工濕地對污染物的去除效果差異顯著.其中，對CODMn和TP的去除率均表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季＞冬季，對TN的去除率表現(xiàn)為秋季＞春季＞夏季＞冬季，對NH+4-N的去除率表現(xiàn)為秋季＞夏季＞春季＞冬季.

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Purification efficiencies of a muLti-stage bypass constructed wetLand for treating poLLuted water from Nanfei River，Chaohu Catchment

MA Shuzhan1，2，PAN Jizheng3**，WU Xiaodong3，4，WANG Qing3，4，SHANG Lixia3，4，HE Yanzhao3，4& LI Yong1，2
（1：School of Environmental Science and Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215011，P.R. China）
（2：Key Laboratory of Environmental Science and Engineering of Jiangsu Province，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215011，P.R.China）
（3：State Key Laboratory of Lake Science and Environment，Nanjing Institute of Geography and Limnology，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008，P.R.China）
（4：University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，P.R.China）

The water Purification demonstration Project of a multi-stage byPass constructed wetland beside Nanfei River，including a Pretreatment unit，vertical flow constructed wetland unit and horizontal flow constructed wetland unit，was built to reduce Pollutants from Nanfei River into Lake Chaohu.From March 2014 to February 2015，the concentrations of the Pollutants were detected from each Purification unit and removal efficiencies of each constructed wetland unit were examined.The results showed that a multi-stage byPass constructed wetland reflected a higher removal efficiency.The total removal rates of CODMn，total nitrogen（TN），ammonium nitrogen（NH+4-N）and total PhosPhorus（TP）reached 70.9%，43.7%，43.5%and 76.6%，resPectively.CODMnand TP of the effluent attained the Environmental Quality Standard for Surface Water（GB 3838-2002）Ⅳ，while NH+4-N of the effluent meet the needs of Discharge Standard of Pollutants for MuniciPal Wastewater Treatment Plant Pollutant（GB 18918-2002）class 1 A.There were significant differences on the Pollutant removal efficiency among different Purification units，the Pretreatment unit Played a leading role in removing CODMn，with a 65.1%reduction for CODMn；while TN，NH+4-N and TP were degraded mainly in the vertical flow constructed wetland unit，which contributed 23.2%，27.1%and 51.1%resPectively to the total removal of TN，NH+4-N and TP.The removal efficiencies of the studied Pollutants varied with the seasons.The removal rate of CODMnand TP decreased in sequence of summer＞autumn＞sPring＞winter，while the removal rate of TN decreased in sequence of autumn＞sPring＞summer＞winter and the removal rate of NH+4-N was in the order of autumn＞summer＞sPring＞winter.Finally，in order to imProve the denitrification efficiency recommended by adding carbon source and increasing the hydraulic retention time to further oPtimize the Process.

Nanfei River；Lake Chaohu；constructed wetland；Purification efficiencies；removal rate

10.18307/2016.0209

*國家水體污染控制與治理科技重大專項（2012ZX07103-003）、國家自然科學(xué)基金項目（41001324）和江蘇高校水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心項目聯(lián)合資助.2015-05-22收稿；2015-07-14收修改稿.馬書占（1989～），男，碩士研究生；E-mail：18913190459@163.com.

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；E-mail：jzhPan@niglas.ac.cn.