表面流人工濕地對(duì)微污染河水凈化效果評(píng)價(jià)

，，，，

(1.河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038； 2.元氏縣水務(wù)局，石家莊 051130)

0 引 言

永年洼濕地是繼白洋淀、衡水湖之后的華北第三大洼淀，為國(guó)家濕地公園試點(diǎn)單位，因其獨(dú)特的濕地生態(tài)景觀而有“北國(guó)小江南”之美稱，具有重要的生態(tài)功能和觀賞價(jià)值[1]。永年洼濕地的主要水源為滏陽(yáng)河水，但滏陽(yáng)河接納了沿程城鎮(zhèn)生活污水和工業(yè)排水，近年來(lái)水質(zhì)較差，多種污染因子指標(biāo)超標(biāo)嚴(yán)重。其中，蓮花口、蘇里監(jiān)測(cè)斷面常年為劣Ⅴ類水[2]，對(duì)濕地生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅，生態(tài)功能逐漸退化。因此，控制滏陽(yáng)河水主要污染因子濃度，對(duì)改善河道水環(huán)境健康、促進(jìn)永年洼自然濕地生態(tài)恢復(fù)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

人工濕地具有高效率、低投資、低運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)發(fā)展較快的生態(tài)污水處理技術(shù)[3-4]。其中，表面流人工濕地因具有建設(shè)成本低、運(yùn)行維護(hù)方便和水力條件好的特點(diǎn)，而被廣泛用于處理受污染的河流水和湖泊水等[5-7]。為改善永年洼退化濕地進(jìn)水水質(zhì)、實(shí)現(xiàn)濕地生態(tài)恢復(fù)，擬構(gòu)建永年洼人工濕地示范工程處理滏陽(yáng)河水，研究人工濕地出水改善退化濕地生態(tài)恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)。

本文以表面流人工濕地系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)評(píng)價(jià)法，評(píng)價(jià)分析其水質(zhì)凈化效果，考察表面流人工濕地對(duì)滏陽(yáng)河水質(zhì)凈化的可行性，從而為永年洼人工濕地示范工程的建設(shè)及運(yùn)行提供技術(shù)支撐，為人工濕地出水改善退化濕地生態(tài)恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究奠定基礎(chǔ)。

1 表面流人工濕地概況

1.1 表面流人工濕地構(gòu)建

表面流人工濕地系統(tǒng)建設(shè)于河北工程大學(xué)人工濕地試驗(yàn)場(chǎng)，其實(shí)景圖及結(jié)構(gòu)示意圖分別見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 表面流人工濕地實(shí)景圖Fig.1 Surface Constructed wetland

圖2 表面流人工濕地結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Surface Constructed wetland sectional view

試驗(yàn)池設(shè)計(jì)規(guī)模長(zhǎng)80 m、寬4 m，深1.5 m，包括8個(gè)矩形磚混區(qū)域并植有不同的水生植物：配水區(qū)、空白區(qū)、蘆葦區(qū)1、荷花區(qū)1、蘆葦區(qū)2、荇菜+水芹菜區(qū)、荷花區(qū)2、香蒲區(qū)和集水池。系統(tǒng)前端設(shè)有配水區(qū)用以調(diào)蓄進(jìn)水流量，由布水槽均勻布水，保證進(jìn)入濕地的流量穩(wěn)定；系統(tǒng)末端設(shè)有集水池，濕地出水通過(guò)落差跌落于集水池。構(gòu)建人工濕地的植物均取自滏陽(yáng)河兩岸河灘地；基質(zhì)取自滏陽(yáng)河沿岸的河沙，深度約為1 m，分為2層：底層為深約0.2 m的黏土、上層為深約0.8 m的壤土。

1.2 運(yùn)行方式

濕地系統(tǒng)后續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行階段植物長(zhǎng)勢(shì)情況：空白區(qū)長(zhǎng)有少量雜草和蘆葦；蘆葦和香蒲區(qū)長(zhǎng)勢(shì)良好；荷花區(qū)荷花枯萎凋零，長(zhǎng)滿雜草；荇菜+水芹菜區(qū)荇菜耐旱性較差，逐漸枯萎凋零，現(xiàn)狀為雜草、少量水芹和少量香蒲雜生。濕地床逐漸變?yōu)樘J葦香蒲床。

人工濕地中試系統(tǒng)距離滏陽(yáng)河河道較遠(yuǎn)，從滏陽(yáng)河監(jiān)測(cè)斷面直接引水不合理。為保證試驗(yàn)用水與滏陽(yáng)河水質(zhì)一致，采用水罐車(chē)調(diào)取蓮花口斷面河水至試驗(yàn)場(chǎng)蓄水池，再用帶濾網(wǎng)的水泵把河水從蓄水池抽至配水區(qū)。人工濕地在水力停留時(shí)間0.16～1.84 d、水力負(fù)荷0.17～2.39 m3/(m2·d-1)的工況下運(yùn)行，平均水位維持在基質(zhì)表面以上0.3 m。

工藝流程為河水從配水區(qū)通過(guò)多孔透水性磚依次流入蘆葦區(qū)1、蘆葦區(qū)2、雜草區(qū)1、蘆葦區(qū)3、雜草區(qū)2、雜草區(qū)3和香蒲區(qū)，最后流入集水池，集水池設(shè)有至配水區(qū)的回流管道，構(gòu)成一個(gè)可控制循環(huán)系統(tǒng)。

2 濕地系統(tǒng)水質(zhì)凈化效果評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)方法

本文采用標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)評(píng)價(jià)法[8]。該評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)便易行，可以清晰直觀地了解水質(zhì)質(zhì)量與所選評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系、監(jiān)測(cè)斷面沿程水質(zhì)變化狀況及污染最突出的水質(zhì)指標(biāo)。依據(jù)表面流人工濕地運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)評(píng)價(jià)法對(duì)濕地系統(tǒng)水質(zhì)凈化效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，了解濕地沿程凈化情況及主要污染因子，從而為永年洼人工濕地示范工程的建設(shè)及運(yùn)行提供指導(dǎo)參考。

1) 水質(zhì)參數(shù)i在j點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)Sij公式：

(1)

式中：Sij為水質(zhì)參數(shù)i在j點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)；Cij為水質(zhì)參數(shù)i在j點(diǎn)的濃度值，mg/L；Csi為水質(zhì)參數(shù)i點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L。

2) pH值的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)：

(2)

(3)

3) DO的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)：

(4)

(5)

式中：SDOj為溶解氧在j點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)；DOij為溶解氧在j點(diǎn)的濃度值，mg/L；DOs為溶解氧地面水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L；DOf為飽和溶解氧濃度，mg/L。

2.2 評(píng)價(jià)模型應(yīng)用

1) 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)永年洼人工濕地示范工程出水水質(zhì)優(yōu)于Ⅳ類水(參照《地表水環(huán)境質(zhì)量》GB3838-2002)相關(guān)要求)考核指標(biāo)要求，本文評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用《地表水環(huán)境質(zhì)量》(GB 3838-2002)Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。鑒于近兩年滏陽(yáng)河蘇里和蓮花口斷面水質(zhì)典型污染物主要為NH3-N和CODMn，超標(biāo)倍數(shù)范圍分別為3～6倍和1～3倍，所以本水質(zhì)評(píng)價(jià)體系指標(biāo)選取pH、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)5個(gè)指標(biāo)，其對(duì)應(yīng)的Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)代表值見(jiàn)表1。

表1 地表水評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)代表值Table 1 Surface water evaluation standard representative value

2) 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。于2017年7月份進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取水樣監(jiān)測(cè)，pH值利用便攜儀器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，其他指標(biāo)于實(shí)驗(yàn)室2小時(shí)內(nèi)檢測(cè)完畢，具體檢測(cè)方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)國(guó)際方法[8]。沿程取樣點(diǎn)劃分為8個(gè)斷面節(jié)點(diǎn)，其中將配水池作為沿程第1個(gè)取樣點(diǎn)，其檢測(cè)結(jié)果作為進(jìn)水水質(zhì)。取各指標(biāo)每天8個(gè)斷面節(jié)點(diǎn)濃度的平均值為本日濃度日均值，濕地出水各指標(biāo)濃度日均值見(jiàn)表2。取各斷面6日濃度的平均值為該斷面節(jié)點(diǎn)濃度均值，濕地沿程各指標(biāo)濃度變化值見(jiàn)表3。

表2 濕地出水各指標(biāo)濃度日均值監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 2 Daily average monitoring results of various indicators of wetland effluent

表3 濕地沿程各指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 3 Monitoring results of various indicators along the wetland

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

將表2和表3的檢測(cè)數(shù)據(jù)分別代入上述公式，得到濕地出水各指標(biāo)濃度日均值單因子評(píng)價(jià)指數(shù)和濕地沿程各指標(biāo)單因子評(píng)價(jià)指數(shù)，見(jiàn)表4和表5。對(duì)表各項(xiàng)指標(biāo)的單因子評(píng)價(jià)指數(shù)進(jìn)行分析，水質(zhì)指標(biāo)的單因子評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算結(jié)果小于1，說(shuō)明水質(zhì)達(dá)標(biāo)，結(jié)果大于1則為水質(zhì)超標(biāo)。

表4 濕地出水各指標(biāo)濃度日均值單因子評(píng)價(jià)指數(shù)Table 4 Wetland effluent concentration index daily average single factor evaluation index

表5 濕地沿程各指標(biāo)單因子評(píng)價(jià)指數(shù)Table 5 Single factor evaluation index for each indicator along the wetland

綜合表4和表5可知，經(jīng)過(guò)濕地凈化5天后，濕地出水pH、TP、NH3-N和CODMn單因子評(píng)價(jià)指數(shù)均小于1，達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。其中，TP和NH3-N基本在凈化1天后即可達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；TN在這5天凈化過(guò)程中，單因子評(píng)價(jià)指數(shù)都大于1，超標(biāo)倍數(shù)范圍為2～6，超標(biāo)最大點(diǎn)為3監(jiān)測(cè)斷面，在凈化過(guò)程中隨著水流向前推進(jìn)呈先上升再下降的趨勢(shì)。濕地出水未完全達(dá)到永年洼近自然濕地示范區(qū)出水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的考核指標(biāo)要求，因此永年洼近自然濕地示范區(qū)在建設(shè)規(guī)劃時(shí)需進(jìn)一步采取相關(guān)措施，加大濕地對(duì)總氮污染因子的控制與治理，提高污染物的去除效能。

濕地出水pH、TP、NH3-N和CODMn指標(biāo)都達(dá)到了Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，初始濃度下TP累積去除率達(dá)到74.19%，NH3-N累積去除率達(dá)到87.82%，CODMn累積去除率為38.73%；TN由8.987 mg/L下降至3.271 mg/L，去除率63.60%?？偟膩?lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)表面流人工濕地5天的凈化，濕地出水各指標(biāo)(pH除外)單因子評(píng)價(jià)指數(shù)在濕地凈化過(guò)程中隨著凈化時(shí)間的推移基本呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明表面流人工濕地對(duì)滏陽(yáng)河多種污染物的綜合治理起到較好的凈化效果，水質(zhì)均有明顯的好轉(zhuǎn)。

3 結(jié) 論

1) 基于表面流人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用綜合評(píng)價(jià)法，構(gòu)建表面流人工濕地水質(zhì)凈化綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2) 通過(guò)對(duì)表面流人工濕地凈化滏陽(yáng)河水體效果評(píng)價(jià)分析，結(jié)果表明pH、TP、NH3-N和CODMn指標(biāo)都滿足Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，TN是主要超標(biāo)因子，濕地出水未完全達(dá)到永年洼人工濕地示范工程Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)考核指標(biāo)要求。因此，示范工程的規(guī)劃建設(shè)應(yīng)針對(duì)來(lái)水總氮污染因子超標(biāo)嚴(yán)重情況，仍需要進(jìn)一步采取措施提高污染物的去除效能。

3) 濕地出水各指標(biāo)(pH除外)單因子評(píng)價(jià)指數(shù)在濕地凈化過(guò)程中隨著凈化時(shí)間的推移基本都呈下降趨勢(shì)，該濕地系統(tǒng)對(duì)滏陽(yáng)河水主要污染物去除率符合《人工濕地污水處理技術(shù)規(guī)范》(HJ 2005-2010)中表面流人工濕地相應(yīng)的要求，對(duì)主要污染物發(fā)揮出良好的去除效能，對(duì)滏陽(yáng)河水的凈化效果初步顯示出一定的技術(shù)可行性，為永年洼人工濕地示范工程的建設(shè)及運(yùn)行提供技術(shù)支撐。