表面流人工濕地對(duì)城市徑流水質(zhì)的凈化研究

喬 廈, 鄭學(xué)良

(1.北京中森國(guó)際工程咨詢有限責(zé)任公司, 北京 100013; 2.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院, 北京 100083)

作為一種典型的非點(diǎn)源污染，城市徑流污染在沖刷和淋洗的作用下，通過(guò)徑流過(guò)程造成城市水體污染[1-2]。在點(diǎn)源污染逐漸被控制之后，城市地表徑流已經(jīng)成為城市水污染和退化的重要因素之一。與此同時(shí)，城市地表徑流污染具有指標(biāo)種類繁多、時(shí)空變異明顯、過(guò)程機(jī)制復(fù)雜等特點(diǎn)，其暴露出的問(wèn)題也是日益突出，現(xiàn)已成為第二大非點(diǎn)源污染(僅次于農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染)[3-4]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)城市地表徑流總量逐年增加，并且已經(jīng)超過(guò)工業(yè)污水總量，因此，合理減緩城市徑流水質(zhì)的排放，同時(shí)減輕對(duì)外界環(huán)境的破壞具有一定的必要性。伴隨著我國(guó)城市化的推進(jìn)，大量城市徑流污水逐步在地表聚集，加之污染控制和管理體系的不完善，我國(guó)城市徑流污染等問(wèn)題日益突出[3-4]。因此，研究城市徑流污染對(duì)城市環(huán)境的改善具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

本研究將武漢市江夏區(qū)安山街勝利村作為人工濕地的研究對(duì)象，而該地區(qū)屬于楓林敖生態(tài)文明村，擁有較為豐沛的降雨量，且在每年的6，7，8月達(dá)到全年的降雨量高峰期，年均降雨量1 269 mm，近幾年的年均氣溫約為15.8～17.5℃，擁有長(zhǎng)達(dá)近276 d的無(wú)霜期，同時(shí)具備長(zhǎng)達(dá)近2 100 h的日照時(shí)數(shù)。

1.2 人工濕地結(jié)構(gòu)

本研究中的人工濕地系統(tǒng)主要是由兩大部分組成：一部分為3級(jí)過(guò)濾池，另一部分為8級(jí)表面流人工濕地，二者通過(guò)串聯(lián)的形式共同構(gòu)成了人工濕地系統(tǒng)，整個(gè)濕地采取的是S型的布局，主要目的在于對(duì)江漢區(qū)居民的日常生活污水等徑流水質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的處理。對(duì)于城市而言，其徑流水量及水質(zhì)具有較大的不穩(wěn)定性，為了增強(qiáng)本研究的穩(wěn)定性，特將大小適中的調(diào)節(jié)池布局在濕地的系統(tǒng)前部，從而對(duì)進(jìn)出流量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，這樣能夠較好地保障城市徑流能夠較為穩(wěn)定地進(jìn)行本濕地系統(tǒng)。另外，在本濕地系統(tǒng)中設(shè)置了快速滲濾系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三級(jí)過(guò)濾槽構(gòu)成，并擁有高達(dá)1.5 m3/(m2·d)的水力負(fù)荷能力，同時(shí)對(duì)濕地生物塘的負(fù)荷進(jìn)行了調(diào)節(jié)，其平均的水力負(fù)荷能夠達(dá)到0.08 m3/(m2·d)；在表面流濕地種植了試驗(yàn)所需的一系列水生植物，具體如表1所示，對(duì)于各級(jí)表面流濕地而言，利用厚度為10 mm的有機(jī)玻璃建成了長(zhǎng)、寬、高分別為1.8，1.6，0.8 m的長(zhǎng)方體濕地床，各級(jí)濕地床的坡度均在5%以下，其中底部鋪放若干尼龍網(wǎng)，并進(jìn)行了三層基質(zhì)填充，從而有效保障了底部集水區(qū)的正常運(yùn)行，同時(shí)最大程度降低了填料基質(zhì)的下漏；為了更便捷地采集試驗(yàn)樣品水，特意沿每個(gè)單元的對(duì)角線排放了PVC管，其直徑為12 mm的水管能夠充分保障濕地的循環(huán)水流入該管。為提高整個(gè)濕地的利用效率，在濕地床體布局了導(dǎo)流墻，從而形成了0.4 m×1.5 m×1.0 m大小的8個(gè)單元床，并在導(dǎo)流墻留有過(guò)水孔，為了增強(qiáng)污水與濕地的接觸面，過(guò)水孔呈上下對(duì)角線分布，同時(shí)能夠通過(guò)各單元床的水樣采集來(lái)對(duì)其去除機(jī)制進(jìn)行探討。

本試驗(yàn)中的取樣分析集中在2016年1月—12月，共利用了11處取樣點(diǎn)，不僅包括濕地系統(tǒng)的各過(guò)濾池、還包括濕地床的進(jìn)出口等，取樣采取不定期的方式進(jìn)行，分別在不同的月份對(duì)取出水質(zhì)進(jìn)行化驗(yàn)分析，從而探究各指標(biāo)的去除率[11-12]。

各指標(biāo)的去除率=(進(jìn)水口值—出水口值)/出水口值×100%

表1 濕地系統(tǒng)各級(jí)濕地床種植的水生植物

1.3 人工濕地運(yùn)行

結(jié)合江夏區(qū)徑流水質(zhì)監(jiān)測(cè)狀況，首先對(duì)人工模擬狀況下的雨水徑流開(kāi)展相應(yīng)的試驗(yàn)研究，然后對(duì)礦區(qū)徑流開(kāi)展人工濕地的去除效果研究。第一步要對(duì)人工濕地進(jìn)行連續(xù)的進(jìn)水，待進(jìn)水停留大約三天后進(jìn)行放空，其中的水質(zhì)取樣時(shí)間間隔約為2～3 d，取樣處位于每個(gè)單元格的進(jìn)出口處。整個(gè)試驗(yàn)在2016年完成，基本上在氣溫10～32℃的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，從而通過(guò)近一年的徑流濕地凈化研究來(lái)探究城市徑流下人工濕地對(duì)水質(zhì)的凈化作用，從而探究如何開(kāi)展城市污水處理，為提升水質(zhì)奠定基礎(chǔ)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)上述試驗(yàn)得到了相應(yīng)的指標(biāo)數(shù)據(jù)，接下來(lái)需要對(duì)數(shù)據(jù)的擬合程度進(jìn)行分析，本研究采用Origin 9.0軟件開(kāi)展相應(yīng)的曲線擬合分析，具體來(lái)說(shuō)主要是以下3種：

指數(shù)擬合曲線：y=aebx；

線性擬合曲線：y=ax+b；

二次擬合曲線：y=ax2+bx+c。

首先獲取進(jìn)水口的水質(zhì)濃度值Ci，同時(shí)結(jié)合對(duì)應(yīng)擬合曲線系數(shù)，這樣就能夠通過(guò)SPSS 19.0進(jìn)行一元回歸分析，從而獲取二者之間的關(guān)系。

利用回歸分析能夠獲取不同的擬合曲線方程，然后對(duì)之進(jìn)行相關(guān)分析，同時(shí)利用均方根誤差及相對(duì)均方根誤差指標(biāo)開(kāi)展數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，從而獲取最佳的擬合曲線。

生物量統(tǒng)計(jì)模型的篩選通過(guò)判定系數(shù)R2，F(xiàn)檢驗(yàn)值和回歸顯著水平進(jìn)行，為了探究樣本預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的差異，本研究通過(guò)誤差水平進(jìn)行以下雙重檢驗(yàn)：

均方根誤差RMSE：

相對(duì)均方根誤差RRMSE：

式中：模擬值用C1表示；實(shí)測(cè)值用C2表示；平均值用C3表示；n代表樣品個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工濕地對(duì)城市徑流水質(zhì)的去除效應(yīng)

人工濕地主要通過(guò)微生物的代謝活動(dòng)和植物的吸收去除CODCr，其中微生物降解是主要的去除CODCr途徑，而植物對(duì)CODCr的吸收作用較小。由圖1可知，各指標(biāo)的去除率與進(jìn)水濃度保持一致的變化規(guī)律，在3月份是人工濕地運(yùn)行的初期，濕地植物處于初級(jí)生長(zhǎng)階段，而微生物數(shù)量、種類及活性均處于初級(jí)發(fā)展階段，因此出水CODCr濃度較高，隨著進(jìn)水濃度的增加，CODCr去除率呈現(xiàn)出波動(dòng)變化，但總體呈增加趨勢(shì)。在7月，CODCr去除率達(dá)到最高(80%左右)，此時(shí)溫度較高，微生物活性增強(qiáng)、數(shù)量較多，導(dǎo)致人工濕地對(duì)CODCr的過(guò)濾、截留作用較大；在7月以后CODCr去除率急劇下降。此外，人工濕地在運(yùn)行穩(wěn)定后，CODCr出水濃度達(dá)到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)Ⅲ類的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

人工濕地運(yùn)行初期(3月)，TP去除率維持在20%左右，在3月以后，TP去除率波動(dòng)較大，出水濃度達(dá)地表Ⅲ類水排放標(biāo)準(zhǔn)。SS在人工系統(tǒng)中主要靠微生物降解、植物根莖攔截和基質(zhì)過(guò)濾等途徑得以去除。其中人工濕地進(jìn)水SS濃度為123.96 mg/L，出水SS濃度<30 mg/L，SS平均去除率為70%。通過(guò)圖1可知，該人工濕地保持了較高的SS去除率和出水濃度，表明人工濕地對(duì)SS具有較強(qiáng)的抗沖擊能力。

圖1 人工濕地對(duì)城市徑流水質(zhì)的去除效應(yīng)

2.2 城市徑流水質(zhì)各指標(biāo)在人工濕地中的沿程變化

表2 城市徑流水質(zhì)各指標(biāo)在人工濕地中的沿程變化 %

圖2 人工濕地對(duì)城市徑流水質(zhì)的去除率

2.3 城市徑流水質(zhì)各指標(biāo)之間的相關(guān)性

注：**相關(guān)性在0.01水平上顯著(雙尾)；*相關(guān)性在0.05水平上顯著(雙尾)。

2.4 城市徑流水質(zhì)各指標(biāo)的衰減模型

對(duì)于指數(shù)模型，模型系數(shù)a和b的一元回歸分析結(jié)果為：

a=-2.86+1.62Ci；b=-0.07-0.04Ci

C=(-2.86+1.62Ci)e(-0.07-0.04Ci)x

對(duì)于線性模型，模型系數(shù)a和b的一元回歸分析結(jié)果為：

a=0.16-0.07Ci；b=-0.56+1.56Ci

C=(0.16-0.07Ci)x+(-0.56+1.56Ci)

對(duì)于二次模型，模型系數(shù)a，b，c的一元回歸分析結(jié)果為：

a=0.05+0.14Ci；b=-0.06-1.32Ci，

c=-3.29+1.25Ci

C=(0.05+0.14Ci)x2+(-0.06-1.32Ci)x+(-3.29+1.25Ci)

式中：x代表沿程濕地序列；Ci代表總濕地進(jìn)口濃度；C代表濕地出口濃度。

2.5 城市徑流水質(zhì)各指標(biāo)衰減模型的驗(yàn)證

分別利用得到的指數(shù)模型、線性模型和二次多項(xiàng)式模型進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)和指標(biāo)評(píng)價(jià)(表5)，以確定最佳擬合公式。相關(guān)分析結(jié)果顯示，擬合曲線的模擬值與實(shí)測(cè)值均具有極顯著的相關(guān)性(p<0.01)，顯示出這上述擬合曲線具有很好的模擬效果。

2.6 人工濕地植被生物量及氮、磷積累量

由圖4可知，人工濕地植被地上生物量變化范圍在86.3～263.5 g/m2，地下生物量變化范圍在32.6～126.3 g/m2，在8月地上和地下生物量達(dá)到最大。總體上呈倒V字型變化規(guī)律，與去除率變化趨勢(shì)相一致。N累積量變化范圍在15.6～32.8 g/m2，P累積量變化范圍在1.21～1.53 g/m2，在8月N，P累積量達(dá)到最大，其中P累積量隨時(shí)間變化幅度較小。

表4 城市徑流水質(zhì)各指標(biāo)的衰減模型

圖3 回歸模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證

擬合類型指標(biāo)自由度n相關(guān)系數(shù)均方根誤差RMSE相對(duì)均方根誤差RRMSEp值F值CODCr960.8691.350.35<0.01156.32BOD50.8941.230.31189.25指數(shù)擬合TN0.9231.560.26110.74NH+4-N0.9011.130.1995.36TP0.8971.280.16136.59SS0.9211.050.24142.08CODCr960.9031.980.18<0.01123.69BOD50.8692.310.1692.31線性擬合TN0.8671.510.13175.16NH+4-N0.8911.690.17125.69TP0.9241.750.2398.31SS0.9051.240.1692.47CODCr9608451.160.19<0.01103.63BOD50.9261.120.21115.47二次擬合TN0.9021.260.24162.58NH+4-N0.8941.240.18132.56TP08961.090.1794.75SS0.8871.670.20107.55

圖4 人工濕地植被生物量及氮、磷積累量

3 結(jié)論與討論

人工濕地的凈化作用通過(guò)多方面綜合進(jìn)行，首先，濕地植被能夠?qū)ξ鬯M(jìn)行明顯的雜質(zhì)截流、過(guò)濾及吸附，直接對(duì)污染物產(chǎn)生截留；其次，濕地微生物能夠通過(guò)新陳代謝等活動(dòng)吸收水中養(yǎng)分；另外，濕地基質(zhì)填充物能夠?qū)λ须s質(zhì)進(jìn)行吸附沉淀，同時(shí)能夠結(jié)合微生物作用凈化水質(zhì)。常用的濕地基質(zhì)多為礫石，因其較高的孔隙度能夠利于微生物的生長(zhǎng)，從而為微生物凈化水質(zhì)提供更好的條件[16-17]。本研究將爐渣和泥沙作為濕地基質(zhì)，這樣能夠很大程度上降低土壤表面的短流，同時(shí)較多孔隙能夠促進(jìn)新陳代謝活動(dòng)，進(jìn)而增強(qiáng)濕地的去除率。該試驗(yàn)主要分析在表面流濕地系統(tǒng)下?tīng)I(yíng)養(yǎng)鹽濃度的沿程變化，并建立相應(yīng)的模型，重點(diǎn)對(duì)其與總濕地系統(tǒng)進(jìn)口初始濃度間的關(guān)系進(jìn)行建模分析[18]，從而便于今后的研究及數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)。

對(duì)于TP而言，人工濕地對(duì)其去除效應(yīng)較弱，人工濕地主要通過(guò)吸附的方式對(duì)P進(jìn)行去除，P隨泥沙等顆粒物進(jìn)入濕地后被濕地植被及基質(zhì)等截留，一方面通過(guò)植被的吸附及物理化學(xué)作用進(jìn)行去除，另一方面在微生物的降解下進(jìn)行去除；氧化態(tài)的根區(qū)的形成離不開(kāi)微生物的作用，更離不開(kāi)濕地植被的氧氣輸出，這樣就為不同厭氧生物提供了各自適宜的生存條件，這一過(guò)程明顯受到濕地pH值、Fe，Ca等因素的制約[21-22]。對(duì)于本試驗(yàn)而言，濕地的pH值基本處于中性水平，而基質(zhì)填料具有較高的Ca，F(xiàn)e，這樣就形成了不溶性的Ca-P，F(xiàn)e-P沉淀；一旦濕地吸附能力接近于飽和，吸附作用將微乎其微甚至?xí)尫挪糠至?，這樣基質(zhì)就能夠?qū)λ辛诐舛冗M(jìn)行調(diào)節(jié)[21-22]。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，1號(hào)過(guò)濾池對(duì)TP的去除效果基本上達(dá)到了40%，說(shuō)明過(guò)濾床的基質(zhì)填料能夠?qū)P產(chǎn)生明顯的吸附作用，經(jīng)過(guò)2號(hào)濕地床的TP去除效果已經(jīng)達(dá)到了近60%，且在后續(xù)基本保持穩(wěn)定，這說(shuō)明1號(hào)過(guò)濾池利用較大的橫斷面及流程能夠?qū)P產(chǎn)生明顯的吸附及沉降作用。

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，人工濕地植被對(duì)水中各指標(biāo)的去除效應(yīng)具有較大的標(biāo)準(zhǔn)差，說(shuō)明環(huán)境因子能夠?qū)Ω髦笜?biāo)的去除效應(yīng)產(chǎn)生明顯的不同影響，濕地植被能夠在水質(zhì)凈化過(guò)程中起到重要作用，必須根據(jù)不同的污水狀況選擇適宜的濕地植被，尤其是那些根系發(fā)達(dá)，對(duì)污染物具有較強(qiáng)富集能力，且擁有較大生物量的植被，通過(guò)植被的組合能夠多方面去除不同的污染，既能夠產(chǎn)生良好的去除效果，又能在控制成本的基礎(chǔ)上合理利用資源，降低外來(lái)植被可能導(dǎo)致的外來(lái)物種入侵風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)生態(tài)穩(wěn)定[23]。1—3月期間濕地植被的去除能力較弱，這主要?dú)w因于此時(shí)期植被處于生長(zhǎng)初期，根系、莖稈等尚未豐盛，其吸附及釋氧能力較弱，而進(jìn)入夏季后植被生長(zhǎng)茂盛，尤其是進(jìn)入9月后，濕地植被的去除效應(yīng)最佳，而進(jìn)入11月，植被因密度較大而空間及資源不足，莖葉枯黃敗落導(dǎo)致植被的凈化作用大幅下降。此外，本研究監(jiān)測(cè)了濕地植被生物量和植被體內(nèi)N和P含量的變化。就植株體內(nèi)的N，P含量而言，地上部分N和P積累量高于地下部分，這種模式體現(xiàn)了N，P元素主要供給營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)部位的分配特點(diǎn)，屬于植被對(duì)N和P內(nèi)在生長(zhǎng)特性。人工濕地植被N，P積累量能夠反映植被對(duì)N，P的直接去除能力，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分配特點(diǎn)會(huì)涉及到采取的收割方式，本研究中人工濕地植被可以通過(guò)收割去除大部分的N，P積累量，使其移出生態(tài)系統(tǒng)。

對(duì)于本研究而言，數(shù)據(jù)采集缺乏一定的連續(xù)性，而是在整年的不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行樣本采集分析，而取樣的間隔天數(shù)并不是固定的，這樣難以通過(guò)連續(xù)多天的樣本采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，這一定程度上影響了研究的穩(wěn)定性及普遍性。此外，為更全面研究濕地凈化，今后的研究中一方面要對(duì)進(jìn)口水量的排放負(fù)荷做好觀測(cè)，另一方面注重營(yíng)養(yǎng)物濃度負(fù)荷的連續(xù)對(duì)比分析。在本研究中，采取了較深的濕地設(shè)計(jì)，可能會(huì)對(duì)某些濕地植被的生長(zhǎng)帶來(lái)不利影響，進(jìn)而可能會(huì)對(duì)濕地凈化效應(yīng)研究產(chǎn)生一定的影響，此后需對(duì)不同深度濕地的凈化效果進(jìn)行對(duì)比研究。濕地植被能夠?qū)φ麄€(gè)濕地的凈化效果產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，對(duì)此本研究沒(méi)有進(jìn)行不同植被間的凈化效果對(duì)比，這也是未來(lái)的研究方向。