城市人工濕地對人工湖水體凈化效果研究

石心慧， 徐淑霞， 潘彥碩， 王幽靜， 張繼冉， 吳 坤， 張世敏

(河南農(nóng)業(yè)大學生命科學學院，河南 鄭州 450002)

城市人工濕地對人工湖水體凈化效果研究

石心慧， 徐淑霞， 潘彥碩， 王幽靜， 張繼冉， 吳 坤， 張世敏

(河南農(nóng)業(yè)大學生命科學學院，河南 鄭州 450002)

以鄭州市鄭東新區(qū)如意湖及濕地公園為研究對象，選取凈化入口、跌水曝氣池、凈化出口和湖中4個樣點采集水樣并進行相關(guān)測試，檢測了人工濕地對如意湖水體中BOD5、CODMn、TN、TP的去除效果。結(jié)果表明，人工濕地能有效地去除人工湖中的BOD5、CODMn、TN、TP等污染物，對人工湖水質(zhì)能起到重要的凈化保護作用，經(jīng)人工濕地處理后的如意湖運行平穩(wěn)，水質(zhì)常年保持在Ⅱ至Ⅲ類水平。

城市人工濕地；人工湖；去除效率；凈化效果

隨著人們對居住環(huán)境生態(tài)質(zhì)量的重視和城市可持續(xù)發(fā)展的需要，越來越多的人工水體出現(xiàn)在人們生活的城市當中，人工湖即是其中的一種[1]。人工湖作為人工建造的小型儲水水庫，湖水主要來源于地下水和雨水，由于其水體面體一般較小，流動性差，導致了水體循環(huán)能力和調(diào)節(jié)能力低下，加之人類活動影響，致使其污染和富營養(yǎng)化概率增加[2]，很多人工水體變成了藻類的天堂，甚至變綠變臭，不僅沒帶來益處，反而給人們的生活造成很大的負面影響[3]。因此，保證城市人工湖的水質(zhì)尤為重要。如何凈化人工湖水體已成為水環(huán)境領(lǐng)域研究熱點之一[4-5]。人工濕地是人工建造和控制運行的濕地類型，研究表明，人工濕地不僅具有生態(tài)景觀功能，而且具備水質(zhì)凈化功能[6]。所以，現(xiàn)代城市規(guī)劃中都將其應用于城市人工湖水體的凈化中[7]。如意湖位于河南省鄭州市鄭東新區(qū)CBD中心，占地約11萬m2，蓄水量約26萬m3，是一座集休閑、娛樂、景觀于一體的人工湖生態(tài)系統(tǒng)。鄭東新區(qū)濕地公園作為如意湖的配套水處理工程，位于商務內(nèi)環(huán)路和外環(huán)路之間、南運河的東側(cè)[8]，占地面積約4萬m2，也是目前全國城市生態(tài)水處理系統(tǒng)中水處理能力最大的人工濕地工程之一。它主要是利用植物的吸收作用、微生物的生物降解作用及填料的吸附等物理作用，分解人工湖水體中的污染物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)，使水體得到凈化，實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用。為了進一步研究濕地公園對如意湖水體的凈化效果，本研究通過周年定期取樣檢測，系統(tǒng)研究了濕地公園對如意湖水體的凈化效果，為濕地公園在人工湖水質(zhì)凈化方面的作用提供理論和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及采樣點確定

鄭東新區(qū)濕地公園對水質(zhì)的凈化處理主要是通過跌水曝氣池、生物塘和碎石床，利用基質(zhì)、微生物和植物的協(xié)同作用，通過物理、化學和生物3種手段的同時使用來實現(xiàn)的。水質(zhì)凈化的處理流程為：湖水通過水泵被抽到濕地公園的跌水曝氣池，充氧除鐵后依次經(jīng)流一級生物塘、一級碎石床、二級生物塘和二級碎石床，通過生物塘和碎石床完成除氮脫磷后通過集水管流回如意湖。在濕地公園的四角各有一個漿砌卵石結(jié)構(gòu)的跌水曝氣池，每個跌水曝氣池供應2組濕地生態(tài)處理系統(tǒng)。8組濕地處理系統(tǒng)同時并相對獨立地運行，濕地公園與如意湖位置關(guān)系及水流方向如圖1所示。

圖1 如意湖、人工濕地凈化系統(tǒng)及采樣點示意圖Fig.1 Location and sampling sites of the purification system in the Ruyi Lake and constructed wetland

如意湖的注水量約為2.6×105m3，人工濕地公園每天對如意湖水的處理量約為1×104m3，最大日處理量可達2×104m3，濕地公園將如意湖的湖水凈化1次僅需1個月左右。研究選取凈化入口、跌水曝氣池、凈化出口、湖中4個取樣地點，從2015年9月至2016年8月進行為期1a的定期監(jiān)測研究。凈化入口指抽取的流向跌水曝氣池的湖水所經(jīng)流管道的入口處；跌水曝氣池處所采集的水樣是從管道中流出后經(jīng)跌水曝氣池處理，曝氣充氧后的水體；凈化出口指的是經(jīng)過濕地公園凈化后的湖水流回如意湖的出口位置；湖中則是指從凈化出口相距凈化入口的中間位置。

1.2 樣品采集及測試方法

每月10號左右進行采樣，水樣的采集、保存、運輸依據(jù)文獻[9]的方法，采集水面下0.5 m的表層水，現(xiàn)場測定pH值，采樣瓶要裝滿，不得有氣泡，水樣在4 ℃條件下運回實驗室，測定總磷(TP)、總氮(TN)、5日生化需氧量(BOD5)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)等指標。BOD5測定采用稀釋與接種法(HJ505—2009)，CODMn測定采用高錳酸鉀法(GB/T11914—1989)，TN測定采用過硫酸鉀消解-紫外分光光度法(GB/T11894—1989)，TP測定采用鉬銻抗分光光度法(GB/T11893—1989)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

數(shù)據(jù)處理與分析采用Excel 2013以及DPS軟件進行。

BOD5、CODMn、TN和TP 去除率(R)的計算公式如下：

式中：R為去除率(%)；C0為凈化入口處BOD5、CODMn、TN或TP的質(zhì)量濃度(mg·L-1)；Ci為凈化出口或跌水曝氣池處BOD5、CODMn、TN或TP的質(zhì)量濃度(mg·L-1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 如意湖水體pH周年變化

pH值是水體監(jiān)測中常見和最重要的檢驗項目之一，其變化主要受水中游離的CO2及碳酸鹽含量的影響。而在富營養(yǎng)化水體中，O2和CO2含量的變化主要受生物生長的影響，藻類的大量繁殖會導致水體的pH值升高[10-11]。研究表明，凈化出口或跌水曝氣池處水體pH值均低于湖中及入口處，說明經(jīng)人工濕地處理過的水體水質(zhì)明顯得到改善(表1)。

2.2 水體中BOD5的去除效果

BOD5(5日生化學需氧量)，是表征水體中可被微生物分解的有機污染物含量的一個綜合指示[12]。人工濕地公園對如意湖湖水中BOD5的去除率如圖2所示。從圖2可以看出，夏秋兩季人工濕地對BOD5的去除率比較高，凈化出口處位置BOD5去除率均達到了25 %以上；冬季的去除效果較差，從12月份到2月份，由于平均氣溫低于零度，加上降水量減少，由于結(jié)冰，基本斷流，生物塘和碎石床內(nèi)栽種的植物已經(jīng)枯萎，根莖凈化作用變小，BOD5去除率相對降低。

表1 采樣點水體pH值周年變化Table 1 Annual variations of pH in sampling sites

A:跌水曝氣池；B:人工濕地。下同。A：Drop-aeration tank; B:Exit position treated by constructed wetland. the same as below.圖2 人工濕地對BOD5去除率Fig.2 Removal rate of BOD5 in constructed wetlands

2.3 水體中CODMn的去除效果

CODMn(化學需氧量)，是指水體中能被氧化的物質(zhì)在一定條件下進行化學氧化過程中所消耗的氧化劑的量，既包括被微生物氧化的有機物的量，也包括不能被微生物氧化的有機物和某些還原性無機物的量，一般要高于BOD5的值[13]。湖水在經(jīng)過人工濕地公園凈化后，其水體中CODMn的含量降低了35 %(圖3)，去除后CODMn值均在20 mg·L-1以下。

圖3 人工濕地的CODMn去除率

2.4 人工濕地對總氮的凈化效果

水體中的總氮(TN)包括有機氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽以及氨等各種形態(tài)的有機、無機氮的總量[14-15]。人工濕地對水體中氮的去除主要是通過微生物的硝化和反硝化作用，以及植物的同化作用來實現(xiàn)的[16]，如意湖的TN主要來源于雨雪水及周邊人類的各種活動。人工濕地對TN的去除率如圖4所示。從圖4中可以看出，春、夏兩季植物生長旺盛時，人工濕地對TN的去除率比較高，達到40 %左右。而冬季的去除效果相較于春、夏兩季有所下降，總的來說，依照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)[17]，經(jīng)過人工濕地處理過的水體TN含量均低于1.0 mg·L-1，達到Ⅱ類或Ⅲ類水標準。

2.5 人工濕地對TP的凈化效果

人工濕地對水體中磷的去除主要是通過添料表面的生物膜的吸收和轉(zhuǎn)化及人工栽種的水生植物的吸收利用等[18-19]，不同季節(jié)的去除效率如圖5所示。從圖5中可以看出，人工濕地對TP的去除效果略低于TN的去除效果，且具有明顯的季節(jié)性，但經(jīng)過人工濕地處理過的水， 去除率最高時TP的含量減少了31%，依照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)[17]，經(jīng)處理后的水體TP含量均低于0.05 mg·L-1，達到Ⅲ類水標準。

2.6 人工濕地對污染物的周年去除效果

圖4 人工濕地的TN去除率Fig.4 Removal rates of TN in constructed wetlands

從表2中可以看出，人工濕地對4種污染物的去除率季節(jié)性差異比較大，冬季對污染物的去除率低于春夏秋三季。夏季由于氣溫比較高，水體中的微生物代謝活動比較強，對污染水體中的BOD5，TN，TP去除率都比較高，總的來說，如意湖的水經(jīng)過人工濕地處理后，按照上述標準，全年水質(zhì)可以達到地表水Ⅱ類或Ⅲ類標準。

圖5 人工濕地的TP去除率Fig.5 Removal rates of TP in constructed wetlands

表2 人工濕地對污染物的四季平均去除率及年平均去除率Table 2 The average contaminant removal rate of the four seasons and years by the constructed wetland %

3 結(jié)論與討論

城市人工湖是城市水生態(tài)的重要組成部分，由于城市人工湖多屬于內(nèi)源性湖泊，具有收納周邊雨水、廢水的作用，如果運行不當勢必造成嚴重污染，引起水體富營養(yǎng)化。所以在設(shè)計人工湖時一定要首先考慮水體處理問題。如意湖在設(shè)計之初即有配套的人工濕地處理系統(tǒng)，很好地解決了這一問題。

如意湖水體中BOD5、CODMn、TN、TP等污染物主要來自河道補水、地表徑流、湖面降水和旅游等，不存在農(nóng)業(yè)源污染，所以水體中BOD5、CODMn、TN、TP通過周年檢測處于可控水平，經(jīng)過人工濕地處理后可以達到Ⅱ類或Ⅲ類水質(zhì)，說明人工濕地不僅可以美化城市，而且能夠起到應有的凈化效果。

濕地水處理系統(tǒng)的原理主要是利用微生物的好氧分解和植物吸收轉(zhuǎn)化來實現(xiàn)對水體的凈化[20]。實踐證明，這種系統(tǒng)對BOD5和CODMn去除率比較高，通過對比跌水曝氣池及人工濕地出口的污染物去除率可以發(fā)現(xiàn)，污染物的去除主要是通過碎石床和生物塘實現(xiàn)的。在濕地公園的生物塘和碎石床內(nèi)栽有荷花(Nelumbonucifera)，香蒲(Typhaorientalis)、美人蕉(CannaindicaL.)，睡蓮(Nymphaeatetragona)等水生植物，這些植物形成了龐大的根系系統(tǒng)，加上生物膜中解磷菌、氨化細菌、硝化細菌和反硝化細菌的共同作用，共同構(gòu)建了有效的生物濾除系統(tǒng)，可有效地吸附和吸收去除水體中的懸浮物、BOD、CODMn和氮磷等污染物。由于依賴生物處理，處理效果隨季節(jié)變化比較大，夏季雨水多，水體中污染物含量高，生物活性強，處理效果好；冬季雨水少，水體污染物含量低，氣溫低，生物活性較低，系統(tǒng)處理效率低。

如果水體中TN、TP含量長期處于一個較高水平的話，對水體來說是一種潛在危險，水體的藻類在合適的條件下可以利用其大量繁殖[21]，從而產(chǎn)生水華，造成水質(zhì)惡化。所以可以考慮改良生物膜結(jié)構(gòu)，優(yōu)化處理系統(tǒng)，強化水體對TN和TP的去除效果。

與南北運河和東西運河連通后，如意湖的水源將更加復雜，可能會有更多的污染物進入水體，會對濕地處理系統(tǒng)造成新的壓力，對于如意湖的水質(zhì)變化情況我們將持續(xù)關(guān)注。另外進入水體的污染物不單單是經(jīng)過濕地系統(tǒng)降解，水體自凈也是很重要的一個方面。由于篇幅限制，對于水體凈化時具體因子對凈化能力的影響效果等問題將另文闡述。

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Effectsofurbanconstructedwetlandonwaterpurificationefficacyforartificiallake

SHI Xinhui, XU Shuxia, PAN Yanshuo, WANG Youjing, ZHANG Jiran, WU Kun, ZHANG Shimin

(College of Life Sciences, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

The object of this article was to investigate the effects of urban constructed wetland on water purification efficacy for artificial lake. Four sampling spots were selected from Ruyi lake and wetland park in Zhengdong area of Zhengzhou city, including purification inlet, drop-aeration tank, purification exit and the middle of the lake. The removal efficiency on purification of BOD5, CODMn, TN, TP in Ruyi lake by constructed wetland was evaluated. The results showed that constructed wetland could reduce pollutant BOD5, CODMn, TN, TP in artificial lake efficaciously. It indicated that constructed wetland played an important role in purifying and protecting the water purity of the artificial lake water. The constructed wetland made the lakes run smoothly and kept the water quality at a constant level of Ⅱ to Ⅲ degrees.

urban constructed wetlands; artificial lake;removal efficiency; purification

2017-04-07

水利部公益性行業(yè)科研專項 (NO.201101007)

石心慧(1992-)女，河南周口人，碩士研究生，主要從事環(huán)境微生物學研究。

張世敏(1970-)男，河南濟源人，副教授，博士。

1000-2340(2017)06-0855-05

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A

朱秀英)