稻屯洼人工濕地冬季水質(zhì)凈化效果研究

馬義源 張克峰 蘇苗苗 劉曉東

摘 要：針對人工濕地冬季運(yùn)行效果問題，以稻屯洼人工濕地為—研究對象，對其冬季水質(zhì)進(jìn)化效果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，冬季條件下稻屯洼人工濕地仍能保持較好的水質(zhì)凈化效果，水中COD、NH3-N、TN、TP去除率分別為77.96%、85.83%、52.19%、75.66%，出水水質(zhì)基本滿足地表Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，保障了南水北調(diào)東線工程的水質(zhì)安全。

關(guān)鍵詞：冬季;人工濕地;水質(zhì)凈化

中圖分類號 X703文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2021）08-0132-04

Abstract： For the research of constructed wetland operation in winter condition， Watun constructed wetland is used as the object in this article. Sewage treatment plant technologies for the tail water are introduced， and the constructed wetland removal mechanisms of COD、NH3-N、TN and TP are expounded. Water samples are taken and the operation effect are also detected in different time. The detection result shows that Watun constructed wetland keep good water purification， the removal rate of COD、NH3-N、TN and TP are 77.96%、85.83%、52.19% and 75.66%. The effluent quality reaches the III standard of surface water， makes sure the water safety for South-to-North Water Diversion Project.

Key words： Winter; Constructed wetland; Water purification

我國水資源具有總量大、人均少且分布不均勻的特點(diǎn)，人均水資源量遠(yuǎn)低于世界平均水平，已成為世界貧水國之一[1]。隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)不斷加快，水環(huán)境污染狀況不斷加重[2]。為了快速提高作物產(chǎn)量，人們大量施用化肥、農(nóng)藥，但大多數(shù)化肥農(nóng)藥殘留于環(huán)境和農(nóng)作物中，然后隨降雨、地表徑流和土壤溶淋等途徑進(jìn)入水環(huán)境，造成水體氮磷含量升高[3]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對化肥農(nóng)藥的過度依賴和過量施用成為我國農(nóng)業(yè)面源污染的主要原因[4]。人工濕地處理技術(shù)主要利用植物-基質(zhì)-微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用對污水進(jìn)行處理[5]，具有低成本、低消耗、低運(yùn)行的優(yōu)勢[6]，對改善農(nóng)業(yè)面源污染具有重要意義。人工濕地處理技術(shù)在中小城鎮(zhèn)快速發(fā)展起來，在我國南方地區(qū)應(yīng)用極其廣泛，但是在我國北方寒冷地區(qū)，氣候條件成為限制人工濕地發(fā)展的首要因素[7]。

1 研究方法

1.1 項目概況 稻屯洼人工濕地水質(zhì)凈化工程位于泰安市東平縣，該縣境內(nèi)有南水北調(diào)東線工程重要調(diào)水節(jié)點(diǎn)東平湖。泰安市屬典型北溫帶季風(fēng)氣候，降水季節(jié)性變化大，境內(nèi)河流徑流補(bǔ)給少，多以污水處理廠外排尾水為水源，流域治污壓力大。為保障南水北調(diào)東線工程水質(zhì)安全，確保東平湖水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，對流入東平湖的水實(shí)施截污導(dǎo)流工程：將入湖的大汶河水和縣城污水處理廠出水引入稻屯洼人工濕地進(jìn)一步凈化處理，出水水質(zhì)達(dá)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后排放。

1.1.1 處理工藝 人工濕地按照布水方式的不同可分為表面流人濕地和潛流人工濕地[8]。表面流人工濕地具有富氧效果好，對水中懸浮有機(jī)物、有機(jī)質(zhì)、氨氮的去除率高等優(yōu)點(diǎn)，但占地面積大，一般作為污水預(yù)處理系統(tǒng)。潛流人工濕地對總氮、總磷去除效果更好，適合作為水處理系統(tǒng)的主要處理單元[9]。本污水處理工程采用“深度強(qiáng)化處理+表面流濕地”的工藝流程，強(qiáng)化處理區(qū)采用了“前處理床-表流濕地-潛流濕地-表流濕地”的組合工藝，最后排入表流濕地，濕地工藝流程圖如圖1。

1.1.2 設(shè)計規(guī)模 稻屯洼人工濕地水質(zhì)凈化工程由當(dāng)?shù)丨h(huán)保局組織建設(shè)，總投資9300萬元，占地382.67hm2，日處理污水量10萬m3。其中深度強(qiáng)化處理濕地16hm2，主要用于處理縣污水處理廠外排尾水。包括5.5公里輸水管線、提升設(shè)施，1個預(yù)處理池、1個潛流池、2個表流池以及附屬設(shè)施;處理后污水排入366.6hm2表面流濕地。表面流濕地主要用于處理縣城生態(tài)景觀用水，該水引自大汶河，匯集后自流進(jìn)入表面流濕地，經(jīng)表面流濕地處理后，就地資源化利用，供濕地周圍生態(tài)和周圍農(nóng)林用水。

1.1.3 進(jìn)出水水質(zhì)設(shè)計

1.1.3.1 進(jìn)水水質(zhì) 進(jìn)水水質(zhì)為污水處理廠處理后達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)一級A的出水，濕地進(jìn)水水質(zhì)見表1。

1.1.3.2 出水水質(zhì) 根據(jù)南水北調(diào)東線工程水質(zhì)要求，經(jīng)人工濕地處理后的水質(zhì)指標(biāo)應(yīng)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）Ⅲ類水體的要求，其主要水質(zhì)指標(biāo)見表2。

1.2 樣品的采集與處理 本試驗(yàn)在2016年11月至2017年2月在人工濕地各工藝的進(jìn)出口和沿程進(jìn)行了8次水樣采集，監(jiān)測分析水樣的化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）、溶解氧（DO）、pH值等水質(zhì)指標(biāo)。在監(jiān)測期間大氣溫度約為-10～17℃，并呈現(xiàn)出先降低后升高的變化趨勢，1月份氣溫達(dá)到最低值。

每個采樣點(diǎn)釆集水樣500mL，裝入聚乙烯瓶中，現(xiàn)場測定水樣的pH和DO。加酸調(diào)整pH值至2.0保存，帶回實(shí)驗(yàn)室48h內(nèi)檢測。對比處理前后各水質(zhì)指標(biāo)的變化規(guī)律，計算各類污染物實(shí)際去除效果，評價人工濕地系統(tǒng)冬季運(yùn)行狀況。

1.3 樣品的監(jiān)測及分析 具體的水樣分析項目與方法見表3。

2 結(jié)果與分析

2.1 COD去除效果 人工濕地對有機(jī)物有較強(qiáng)的降解能力，主要通過沉淀、過濾作用，同時被植物根系或基質(zhì)截留而被微生物降解或利用而得以去除[10]。從圖2可以看出，監(jiān)測期間稻屯洼人工濕地進(jìn)水COD濃度約為54.3～112.2mg/L，屬于劣Ⅴ類水體，經(jīng)過人工濕地處理后，COD平均去除率達(dá)77.96%，除部分監(jiān)測時段外，基本滿足地表Ⅲ類水質(zhì)要求，說明人工濕地冬季運(yùn)行仍能發(fā)揮較好的凈化作用。雖然冬季條件下植物大多數(shù)已經(jīng)死亡，其根系截留和吸收能力較弱，對有機(jī)物去除效果降低，但濕地基質(zhì)截留和生物膜吸附作用仍能使有機(jī)物得到有效去除。

2.2 NH3-N凈化效果 人工濕地脫氮的主要途徑為植物和生物吸收作用、微生物的氨化、硝化和反硝化作用以及氨的揮發(fā)作用[11]。污水中的無機(jī)氮是植物生長過程中不可缺少的元素，可以被植物吸收利用，用于合成植物蛋白等，氮元素的去除通過植物收割從濕地系統(tǒng)中去除[11]。冬季氣溫降低，植物吸收氮素能力降低，同時，系統(tǒng)中硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌活性降低也會影響對氨氮的凈化效果。從圖3可以看出，稻屯洼人工濕地進(jìn)水NH3-N濃度在3.56～7.49mg/L左右，進(jìn)水水質(zhì)較差且不穩(wěn)定，達(dá)不到設(shè)計要求，但其出水水質(zhì)基本滿足設(shè)計要求，出水NH3-N濃度約為0.32～1.47mg/L，NH3-N去除率75.84%～92.39%，平均去除率85.53%。從圖中可以看出，出水中NH3-N濃度與進(jìn)水濃度保持相同的變化趨勢，從側(cè)面印證了影響系統(tǒng)對NH3-N去除效果的主要因素是進(jìn)水負(fù)荷，而受季節(jié)影響較小的說法[12]。

2.3 TN凈化效果 人工濕地污水中的氮包括無機(jī)氮和有機(jī)氮2種形式，其中有機(jī)氮在微生物的作用下很容易轉(zhuǎn)換成無機(jī)氮，因此人工濕地的除氮機(jī)理主要是指對無機(jī)氮的去除[6]。人工濕地脫氮的主要機(jī)制是微生物的氨化、硝化和反硝化作用，及植物吸收、揮發(fā)、基質(zhì)吸附和離子交換等作用[13]。從4圖可以看出，稻屯洼人工濕地TN進(jìn)水濃度8.47～20.44mg/L，進(jìn)水水質(zhì)不穩(wěn)定，出水中TN濃度3.41～11.21mg/L，出水濃度遠(yuǎn)高于地表Ⅲ類水TN濃度≤1.0mg/L的要求?？赡苁且?yàn)槎練鉁刂饾u降低，系統(tǒng)植物、微生物等的生長繁殖活動減弱，對氮的去除主要依靠基質(zhì)的吸附蓄積能力。

2.4 TP凈化效果 人工濕地中總磷的去除主要通過微生物的氧化分解、植物的吸收以及基質(zhì)的物化反應(yīng)（沉淀、吸附、沉積、離子交換、礦化等）3種形式[14]。植物收割和基質(zhì)的更替是人工濕地系統(tǒng)除磷的主要途徑，微生物降解和植物吸收所產(chǎn)生的除磷作用有限[13]。從圖5圖可以看出，稻屯洼人工濕地TP進(jìn)水濃度0.33～1.12 mg/L，且水質(zhì)波動較大，，經(jīng)人工濕地系統(tǒng)處理后TP濃度僅為原來的15.16～42.16%，出水濃度0.05～0.43 mg/L，除溫度最低的1月份，出水水質(zhì)基本達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，可能是因?yàn)槭軠囟扔绊戄^小的基質(zhì)物化反應(yīng)發(fā)揮重要作用。

3 結(jié)論與建議

（1）通過對稻屯洼濕地多次水質(zhì)檢測可知，冬季條件下人工濕地對水中COD、NH3-N、TN、TP等污染物的平均去除率分別為77.96%、85.83%、52.19%、75.66%。經(jīng)人工濕地系統(tǒng)處理后，除TN外其他水質(zhì)指標(biāo)基本可以達(dá)到設(shè)計水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）冬季大多數(shù)濕地植物枯萎，根系吸收能力降低，微生物降解能力因溫度原因受到抑制，填料基質(zhì)的物理化學(xué)作用對污染物的去除發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，保證了冬季稻屯洼人工濕地的綜合去污能力。

（3）提高進(jìn)水水質(zhì)穩(wěn)定性，防止污染嚴(yán)重水進(jìn)入濕地可有效保持濕地穩(wěn)定運(yùn)行。基質(zhì)的選擇應(yīng)當(dāng)考慮表面積大、孔隙率大、磷吸附能力強(qiáng)和多孔性的填料混合應(yīng)用。適當(dāng)增加濕地植物種類和植物豐度，對濕地做保溫處理，可以有效提高潛流區(qū)溫度，提高去污效果。

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（責(zé)編：王慧晴）