北京漢石橋潛流濕地對(duì)總?cè)芙庑怨腆w和濁度的去除效果分析

李偉 平云梅 崔麗娟* 王賀年張曼胤 趙欣勝 魏佳明 竇志國(guó) 蔡楊

（1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院濕地研究所，濕地生態(tài)功能與恢復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；2 北京漢石橋濕地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，北京 101300）

人工濕地是由人工建造并控制運(yùn)行的一種濕地類型，是一種獨(dú)特的植物-水-土壤-微生物濕地生態(tài)系統(tǒng)，一般種植的濕地植物有蘆葦、茭白、香蒲等（崔麗娟等, 2006; Babatunde et al,2008）。人工濕地可以通過配置不同的濕地植物與選擇不同的基質(zhì)構(gòu)成，從而實(shí)現(xiàn)較高效率的污染水體凈化。一般來說，人工濕地通過其生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的各種物理、化學(xué)和生化反應(yīng)對(duì)水體中的各種污染物達(dá)到去除效果（崔麗娟等, 2010），其配置和自然屬性會(huì)影響其運(yùn)行效果（Garc??a et al, 2004;Hijosa-Valsero et al, 2010a，2010b）。人工濕地的理化參數(shù)具有時(shí)空變化的特征（Hijosa-Valsero et al, 2011; Imfeld et al, 2009），即便是在月變化或日變化的尺度上（Wie?ner et al, 2005），都會(huì)改變和影響其對(duì)污染物的去除能力。人工濕地主要包括表流濕地和潛流濕地兩種類型。其中，潛流濕地的水體主要是在濕地床表面下流動(dòng)，可以充分利用基質(zhì)表面和植物根系上的生物膜，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的截留和降解。潛流濕地維護(hù)費(fèi)用較低，且低溫條件不容易對(duì)其運(yùn)行產(chǎn)生影響，目前各類污水的二級(jí)處理過程常用潛流濕地處理（張巖等,2013; Wang et al,2006; 盧少勇等,2006）。目前，水體污染成為許多國(guó)家和地區(qū)主要的環(huán)境問題（Sakaa et al,2016），其中污水濁度是水體污染的一個(gè)重要指標(biāo)，濁度主要是由水中懸浮物引起的，懸浮物包括泥沙、有機(jī)物、無(wú)機(jī)物、微生物等，它們對(duì)水質(zhì)質(zhì)量和水體的景觀環(huán)境造成了嚴(yán)重威脅（魯敏等,2012; Buhan et al,2013;Mtavangu et al, 2017）。另外，水體的總?cè)芙夤腆w也是一個(gè)重要的指標(biāo)，該指標(biāo)是指水中全部溶質(zhì)的總量，包括無(wú)機(jī)物和有機(jī)物兩者的含量，通常是水體中鹽度指標(biāo)的一個(gè)度量，隨著時(shí)間的變化也對(duì)水體治理規(guī)劃和管理非常重要（Gholamreza et al,2016; Hubert et al, 2015; Mecredy et al, 2015; A l Dahaan Set al, 2016）。本試驗(yàn)以北京市漢石橋濕地自然保護(hù)區(qū)污水處理廠外的潛流濕地為研究對(duì)象，其構(gòu)建的目的是為了改善漢石橋中水處理廠的水體水質(zhì)。本研究選取2014年與2015年的測(cè)試數(shù)據(jù)，分析潛流濕地總?cè)芙庑怨腆w和濁度不同時(shí)間的運(yùn)行效果。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

北京漢石橋潛流濕地位于漢石橋濕地自然保護(hù)區(qū)中水處理廠的東側(cè)，水源為中水處理廠經(jīng)過處理的流出水。其基質(zhì)由碎石、礫石構(gòu)成，潛流濕地的水力停留時(shí)間為2-3 d。潛流濕地為全地下土筑構(gòu)筑物，基坑根據(jù)需要進(jìn)行防滲處理，采用粘土防滲層，基質(zhì)碎石層厚1 m，基質(zhì)礫石層厚0.25 m。種植植物主要有千屈菜Lythrum salicaria、香蒲Typha orientalis、水蔥Scirpus validus、蘆葦Phragmites australis等。

1.2 研究方法

2014-2015年每個(gè)月分兩次定期監(jiān)測(cè)漢石橋潛流濕地進(jìn)水處、出水處水質(zhì)的變化；分別選取3個(gè)樣點(diǎn)，采集進(jìn)水口和出水口橫斷面的水樣，并監(jiān)測(cè)水體的相應(yīng)指標(biāo)，每個(gè)樣點(diǎn)做3個(gè)重復(fù)。采集樣品裝入500 mL塑料瓶?jī)?nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室供檢，將其保存在4℃條件下。水體的指標(biāo)如水溫（T）、總?cè)芙夤腆w（TDS）和濁度（Turb）采用YSI6820（YSI，USA）多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)同步測(cè)定。

水體污染物的去除率(R)的計(jì)算公式如下：

式中：Ci為第i次污染物濃度(mg/L)；C0為初始濃度(mg/L)。

本研究主要選取總?cè)芙夤腆w（TDS）和濁度（Turb）作為一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合指標(biāo)，

式中：Ci和Co分別為潛流濕地污染物進(jìn)出水濃度，單位為mg/L；C*為背景濃度，單位為mg/L；k為面積速率常數(shù)（單位面積處理濕地對(duì)污染物去除速率的常數(shù)），單位為m/d；Q為水力負(fù)荷，單位為m3/(m2·d)。

利用SPSS 20.0進(jìn)行相關(guān)性分析，利用orgin 2019進(jìn)行圖表的制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 總?cè)芙庑怨腆w和濁度去除效果及動(dòng)態(tài)分析

圖1 不同月份總?cè)芙夤腆w和濁度的去除率Fig.1 Removal rates of total dissolved solids (TDS)and turbidity (Turb) in diあerent months

圖2 總?cè)芙夤腆w和濁度的總體去除率Fig.2 Total removal rates of total dissolved solids (TDS) and turbidity (Turb)

北京漢石橋潛流濕地不同月份總?cè)芙夤腆w和濁度的去除率存在差異（圖1）。從1月到12月，水體的濁度呈現(xiàn)出明顯的先升高后下降的趨勢(shì)，夏季和秋季污染物的去除率明顯高于春季和冬季污染物的去除率，其中5、6、7月的去除率較高，去除率分別為98.5%、99.1%、98.9%；1月和2月的去除率較低，去除率分別為65.3%和73.1%。同時(shí)，水體的總?cè)芙夤腆w去除率具有波動(dòng)性，也表現(xiàn)出夏秋季明顯高于春冬季，5月和9月的去除率較高，總?cè)芙夤腆w的去除率分別為17.8%和19.6%；4月和12月的去除率較低，總?cè)芙夤腆w的去除率分別為2.6%和0.8%。兩者的去除率相比，水體濁度去除率顯著大于總?cè)芙夤腆w的去除率（p＜0.05）。潛流濕地具有凈化水質(zhì)的功能，將2014年與2015年的潛流濕地對(duì)水體污染物的去除效果進(jìn)行比較（圖2），2015年水體的總?cè)芙夤腆w與濁度的去除率相較于2014年較高，但無(wú)顯著差異（p＞0.05）。

2.2 溫度對(duì)總?cè)芙庑怨腆w和濁度去除效果的影響

水體中溶解性固體和濁度的去除在不同的月份存在差異，造成這種結(jié)果的原因可能與溫度的高低有關(guān)（崔麗娟等, 2010）。在溫度較高的季節(jié)，潛流濕地水體的植物正處在生長(zhǎng)較旺盛的時(shí)期，水體內(nèi)的微生物等活性也較大，它們的存在可以加速水體污染物溶解性固體和濁度的去除（申歡等,2017）。在北方地區(qū)，冬季溫度較低，較為寒冷，因此較低的溫度可能會(huì)對(duì)微生物的活性產(chǎn)生影響，而且潛流濕地的植物在秋冬季節(jié)就會(huì)進(jìn)入生長(zhǎng)末期，植物開始或已經(jīng)死亡，再加上濕地植物凋落物的分解，不但會(huì)增加水體的營(yíng)養(yǎng)元素含量，而且會(huì)降低水體透明度，對(duì)水體產(chǎn)生“二次污染”，因此水體的濁度可能上升，水體中的雜質(zhì)增多，這也會(huì)影響潛流濕地的凈化效果（Chimney et al, 2006）。

將水體中不同指標(biāo)的去除率與水體的溫度做相關(guān)性分析，對(duì)污染指標(biāo)背景值做出估計(jì)，結(jié)果如圖3所示。水體濁度與總?cè)芙夤腆w的去除率與溫度之間均存在一定的相關(guān)性，而且濁度與溫度的相關(guān)性大于總?cè)芙夤腆w與溫度的相關(guān)性，在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度升高可以加快水體污染物的總?cè)芙庑怨腆w和濁度的去除。

2.3 總?cè)芙庑怨腆w和濁度的進(jìn)水濃度對(duì)面積速率常數(shù)的影響

從圖4可以看出，北京漢石橋潛流濕地兩個(gè)指標(biāo)的面積速率常數(shù)，在零背景值和估值背景濃度條件下存在一定的差異。其中總?cè)芙夤腆w指標(biāo)在估值背景濃度條件下的面積速率常數(shù)高于背景濃度為零時(shí)的面積速率常數(shù)（p＞0.05）。潛流濕地對(duì)總?cè)芙夤腆w去除的面積速率常數(shù)隨水處理廠出水污染負(fù)荷的升高而升高。水體的濁度指標(biāo)在估值背景濃度條件下的面積速率常數(shù)同樣高于背景濃度為零時(shí)的面積速率常數(shù)（p＜0.05）。濁度的面積速率常數(shù)在低污染負(fù)荷下對(duì)背景濃度的敏感性較強(qiáng)，且不同背景濃度對(duì)濁度的面積速率常數(shù)的影響差異較大，隨著污染負(fù)荷的升高，濁度的面積速率常數(shù)變化漸趨于一致（圖4）。

圖3 總?cè)芙夤腆w和濁度與溫度的相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis of total dissolved solids (TDS) and turbidity (Turb) with temperature

圖4 不同背景濃度下總?cè)芙夤腆w和濁度去除的面積速率常數(shù)與進(jìn)水負(fù)荷之間的相關(guān)關(guān)系Fig. 4 The correlation between the area rate constants of total dissolved solids (TDS) and turbidity (Turb) removal and the inf l uent load at diあerent background concentrations

3 結(jié)論

（1）通過比較北京漢石橋潛流濕地對(duì)總?cè)芙夤腆w和濁度的去除率，整體來看潛流濕地對(duì)濁度的去除率大于對(duì)總?cè)芙夤腆w的去除率；北京漢石橋潛流濕地對(duì)濁度和總?cè)芙夤腆w的去除率在夏季和秋季明顯高于春季和冬季，總體呈先升高后降低的趨勢(shì)。

（2）北京漢石橋潛流濕地對(duì)濁度和總?cè)芙夤腆w的去除率受溫度影響明顯，其中，溫度對(duì)水體濁度去除率的影響要高于總?cè)芙夤腆w。

（3）北京漢石橋潛流濕地對(duì)總?cè)芙夤腆w和濁度去除的面積速率常數(shù)受到進(jìn)水濃度的影響，在估值背景濃度條件下，總?cè)芙夤腆w和濁度的面積速率常數(shù)高于背景濃度為零時(shí)的面積速率常數(shù)。