水杉林人工濕地對(duì)微污染河水的凈化效果研究

林芳

摘 要：水杉林人工濕地具有諸多生態(tài)功能，可以應(yīng)用于微污染河水凈化。本文研究了水杉林人工濕地在不同水期（枯水期、平水期、豐水期）對(duì)TP、TN、NH3-N和COD的去除效果，分析了水杉林人工濕地對(duì)微污染河水的凈化能力。結(jié)果表明，枯水期，水杉林人工濕地對(duì)TP、TN、NH3-N和COD的去除率分別為18.4%、1.1%、2.9%和30.1%;平水期，水杉林人工濕地對(duì)TP、TN、NH3-N和COD的去除率分別為15.4%、20.9%、6.6%和43.9%;豐水期，水杉林人工濕地對(duì)TP、TN、NH3-N和COD的去除率分別為38.3%、28.1%、7.9%和41.3%。以上數(shù)據(jù)說(shuō)明，水杉林人工濕地對(duì)微污染河水具有較好的凈化效果，而且不同水期的凈化效果表現(xiàn)為：豐水期>平水期>枯水期。

關(guān)鍵詞：水杉林;人工濕地;微污染河水

中圖分類號(hào)：X52文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）12-0137-04

Study on Purification Effect of Artificial Wetland of

Metasequoia Glyptostroboides Forest on Micro-polluted River Water

LIN Fang

（Huangshan Ecological Environmental Protection Integrated Administrative Law Enforcement Detachment，Huangshan Anhui 245000）

Abstract： Metasequoia glyptostroboides forest artificial wetland has many ecological functions， which can be used for the purification of micro-polluted river water. This paper studies the removal effect of artificial wetland of? Metasequoia glyptostroboides forest on TP， TN， NH3-N and COD in different water periods low water period， normal water period， and high water period）， and analyzes the purification ability of artificial wetland of? Metasequoia glyptostroboides forest to micro-polluted river water. The results show that during the low water period， the removal rates of TP， TN， NH3-N and COD are 18.4%， 1.1%， 2.9%， and 30.1% respectively in the artificial wetland of? Metasequoia glyptostroboides forest; during the normal water period， the removal rates of TP， TN， NH3-N and COD are 15.4%， 20.9%， 6.6%， and 43.9% in the artificial wetland of? Metasequoia glyptostroboides forest; during the high water period， the removal rates of TP， TN， NH3-N and COD are 38.3%， 28.1%， 7.9%， and 41.3% in the artificial wetland of? Metasequoia glyptostroboides forest. All the above data show that the artificial wetland of? Metasequoia glyptostroboides forest has a good purification effect on micro-polluted river water， and the purification effect in different high water periods is as follows： high water period> normal water period> low water peroad.

Keywords：? Metasequoia glyptostroboides forest;artificial wetland;micro-polluted river water

總體來(lái)說(shuō)，濕地有兩種形式，即天然濕地和人工濕地[1]。人工濕地是人為建設(shè)的綜合生態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)土壤、人工介質(zhì)、植物和微生物的物理、化學(xué)和生物相互作用來(lái)處理污水。人工濕地系統(tǒng)具有占地面積較大、易受氣候條件影響、基建投資較高等弊端[2-3]。但是，若運(yùn)行管理得當(dāng)，人工濕地將會(huì)帶來(lái)極高的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益以及社會(huì)效益[4]。本文研究了人工濕地系統(tǒng)的一段（水杉林人工濕地）對(duì)常見(jiàn)水質(zhì)指標(biāo)的凈化效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微污染河水經(jīng)過(guò)人工濕地處理后，出水質(zhì)量能夠達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，因而能夠確保飲用水水源地的水質(zhì)[5]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

水西河是安徽省黃山市率水河（中心城區(qū)飲用水水源地）的一條支流，最終匯入率水河上游。濕地占地面積為17 200 m2，處理河水的流量為5 000 m3/d。水西河濕地由一級(jí)氧化塘+水平潛流人工濕地+自由表面流人工濕地+二級(jí)氧化塘+人工生物浮島構(gòu)成。

1.1.1 一級(jí)氧化塘。一級(jí)氧化塘面積為1 000 m2，水深為0.8 m，處理量為3 500 m3/d，停留時(shí)間為8.73 h。塘內(nèi)植物有蘆葦、美人蕉、香菇草、黃菖蒲、千屈菜、水蔥和睡蓮等，塘內(nèi)還建設(shè)人工島嶼。一級(jí)氧化塘的主要作用是調(diào)節(jié)水質(zhì)與水量，凈化微污染河水，降低人工濕地的處理負(fù)荷。

1.1.2 水平潛流人工濕地。潛流層人工濕地長(zhǎng)為30 m，寬為35 m，面積為1 000 m2，水深為1 m，底部坡度為0.1%，停留時(shí)間為11.45 h。底層填料采用碎石、沙礫等，中間層采用細(xì)小的石塊，上層填料采用統(tǒng)料和陶粒。潛流濕地表面的植物有美人蕉、蘆葦?shù)龋淅弥参锔滴蘸铀械奈廴疚?，達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。

1.1.3 自由表面流人工濕地。其處理污水的過(guò)程是在濕地表面形成一層地表水流，以推流的方式緩慢前進(jìn)，其面積為7 500 m2，底部坡度為0.1%，微污染河水停留時(shí)間為40.91 h，水深為0.5 m。

1.1.4 二級(jí)氧化塘。水西河的二級(jí)氧化塘面積為1 500 m2，水深為0.8 m，微污染河水停留時(shí)間為13.09 h。塘內(nèi)的植物有蘆葦、千屈菜等。

1.1.5 人工生物浮島。水西河的人工生物浮島是漂浮在河面上的，上面種有一些植物，如水芹等。這樣可以利用生長(zhǎng)在浮島上的植物根系吸收河水中的某些污染物，同時(shí)植物根系上吸附的微生物也可以對(duì)河水中的污染物進(jìn)行吸附與降解，使水質(zhì)得到改善。浮島在水下采用錨式固定。浮島單元尺寸為5.0 m×1.5 m×0.5 m，共設(shè)計(jì)了5組（120 m2）。

1.2 采樣點(diǎn)布設(shè)及采集

本文研究區(qū)域是水杉林濕地，采樣原則如下：首先，考慮采樣點(diǎn)是否具有代表性、采樣是否可行以及需要的費(fèi)用是否合理等問(wèn)題，再確定監(jiān)測(cè)斷面和采樣點(diǎn)的數(shù)量;其次，選擇的采樣點(diǎn)一定不能是一些特殊區(qū)域，如死水區(qū)、排污口等，而應(yīng)該選擇流速相對(duì)穩(wěn)定、水面相對(duì)寬闊的區(qū)域。

1.3 試驗(yàn)材料

1.3.1 試劑。一是總磷（TP）測(cè)定試劑，包括硫酸、50 g/L過(guò)硫酸鉀溶液、100 g/L抗壞血酸溶液、鉬酸鹽容液。二是總氮（TN）測(cè)定試劑，包括鹽酸溶液（1+9）、堿性過(guò)硫酸鉀溶液。三是氨氮（NH3-N）測(cè)定試劑，包括無(wú)氨水、納氏試劑、酒石酸鉀鈉溶液。四是化學(xué)需氧量（COD）測(cè)定試劑，包括重鉻酸鉀、硫酸亞鐵銨、鄰苯二甲酸氫鉀、七水合硫酸亞鐵、硫酸溶液（1+9）、硫酸銀-硫酸溶液、硫酸汞溶液、硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液和試亞鐵靈指示劑。

1.3.2 試驗(yàn)儀器。一是TP測(cè)定儀器，包括密度1.1～1.4 kg/cm2的壓力鍋、50 mL比色管、分光光度計(jì)。二是TN測(cè)定儀器，包括紫外分光光度計(jì)、壓力鍋、25 mL比色管、10 mm比色皿、其他常用儀器及設(shè)備。三是NH3-N測(cè)定儀器，包括可見(jiàn)分光光度計(jì)、20 mm比色皿。四是COD測(cè)定儀器，包括回流裝置、加熱裝置、分析天平、酸式滴定管、其他常用儀器及設(shè)備。

1.4 試驗(yàn)原理

將2020年各月份按水量分為枯水期（1月、2月和12月）、平水期（3月、4月、10月和11月）和豐水期（5—9月），對(duì)該三個(gè)時(shí)期的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，分析進(jìn)、出水水質(zhì)。監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要為TP、TN、NH3-N和COD。[c1]表示進(jìn)水濃度，[c2]表示出水濃度，本研究通過(guò)式（1）得出去除率[a]，繼而判斷濕地凈化微污染河水的效果。去除率計(jì)算公式如下：

[a=（c1-c2）÷c1×100%]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

2 結(jié)果與討論

2.1 TP數(shù)據(jù)分析

水杉林人工濕地TP的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示，其對(duì)TP的去除率變化如圖1所示。

由表1可知，在枯水期、平水期以及豐水期，1號(hào)點(diǎn)的TP濃度均高于2號(hào)點(diǎn)的TP濃度，說(shuō)明水杉林人工濕地對(duì)污水中的TP有一定的吸收能力。由圖1可知，枯水期TP的去除率為18.4%，平水期TP的去除率為15.4%，枯水期和平水期的去除率差不多，原因可能是天氣剛好從冬天向春天過(guò)渡，萬(wàn)物等待復(fù)蘇，還未在濕地中發(fā)揮作用。豐水期，TP的去除率為38.3%。人工濕地除磷主要有基質(zhì)的吸附作用、植物的吸收作用和微生物的作用，它們是濕地除磷的重要途徑。在除磷的過(guò)程中，自然狀況會(huì)影響濕地系統(tǒng)中磷形態(tài)的轉(zhuǎn)化、溶解氧的濃度變化和總體的除磷效果。在未來(lái)的研究過(guò)程中，必須充分利用基質(zhì)、植物以及微生物的協(xié)同作用，構(gòu)建出最高效的人工濕地[6]。

2.2 TN數(shù)據(jù)分析

水杉林人工濕地TN的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示，其對(duì)TN的去除率變化如圖2所示。

由表2可知，枯水期，水杉林人工濕地對(duì)河水的凈化效果不明顯，平水期和豐水期則有較好的脫氮效果。由圖2可知，枯水期，水杉林人工濕地對(duì)TN的去除率為1.1%，原因可能是天氣寒冷，微生物的活性較低，一些水生植物和動(dòng)物甚至?xí)霈F(xiàn)死亡現(xiàn)象，導(dǎo)致濕地在枯水期對(duì)TN的去除率極低。平水期，水杉林人工濕地對(duì)TN的去除率為20.9%;豐水期，水杉林人工濕地對(duì)TN的去除率為28.1%。植物的吸收、填料基質(zhì)的吸附以及硝化-反硝化作用均可以去除微污染河水中的氮，平水期和豐水期溫度較高，微生物活動(dòng)旺盛，使得硝化-反硝化作用十分明顯。水平潛流人工濕地的構(gòu)造使?jié)竦貎?nèi)部呈現(xiàn)為厭氧的狀態(tài)，有利于硝化-反硝化反應(yīng)的進(jìn)行。反硝化作用是反硝化細(xì)菌在缺氧條件下將NO3-轉(zhuǎn)換成N2而逸出水體。

2.3 NH3-N數(shù)據(jù)分析

水杉林人工濕地NH3-N的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示，其對(duì)NH3-N的去除率變化如圖3所示。

由表3可知，在枯水期、平水期、豐水期，水杉林人工濕地對(duì)NH3-N的去除效果差不多，并不是很明顯。由圖3可知，枯水期，水杉林人工濕地對(duì)NH3-N的去除效率為2.9%;平水期，水杉林人工濕地對(duì)NH3-N的去除效率為6.6%;豐水期，水杉林人工濕地對(duì)NH3-N的去除效率為7.9%。影響人工濕地氨氮去除的因素有很多種，如水生植物吸收、微生物的硝化和反硝化、氮的揮發(fā)、溶解氧（DO）、pH和溫度等，而脫氮的最主要途徑是微生物的硝化與反硝化，所以氨氮的去除率低，很有可能是微生物的硝化與反硝化反應(yīng)受到了抑制。溶解氧濃度的不足會(huì)使硝化反應(yīng)受到抑制，同時(shí)由于碳源不足，異養(yǎng)反硝化也進(jìn)行得不夠徹底，導(dǎo)致人工濕地系統(tǒng)實(shí)際的脫氮效果無(wú)法達(dá)到預(yù)期。另外，河水中的氧氣主要來(lái)自水面的擴(kuò)散和植物根系的傳輸，整個(gè)人工濕地系統(tǒng)處于露天狀態(tài)，受天氣影響比較大，在夏季因溫度較高而容易滋生蚊蠅。

2.4 COD數(shù)據(jù)分析

水杉林人工濕地COD的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表4所示，其對(duì)COD的去除率變化如圖4所示。

由表4和圖4可知，水杉林人工濕地對(duì)COD的去除效果比較明顯。枯水期，水杉林人工濕地對(duì)COD的去除效率為30.1%;平水期，水杉林人工濕地對(duì)COD的去除效率為43.9%;豐水期，水杉林人工濕地對(duì)COD的去除效率為41.3%。通過(guò)植物根系處生物膜的吸附、吸收代謝降解過(guò)程去除污水中的可溶解性有機(jī)污染物，使河水的COD濃度得以降低，而污水中相對(duì)難溶的有機(jī)污染物經(jīng)過(guò)基質(zhì)的過(guò)濾、沉淀作用后，迅速截留下來(lái)，繼而被微生物吸收。微生物降解有機(jī)物的過(guò)程分為好氧降解和厭氧降解兩部分。當(dāng)然，植物也能夠起著比較明顯的作用，植物的存在可以加快微生物對(duì)有機(jī)物的礦質(zhì)化過(guò)程和腐殖化過(guò)程。植物本身能夠吸收部分有機(jī)污染物，而且植物的根系微生物能夠加快有機(jī)污染物的分解。

3 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定可知，經(jīng)過(guò)水杉林人工濕地處理后，河水的TP、TN、NH3-N和COD濃度都比未處理時(shí)的濃度低，說(shuō)明水杉林濕地對(duì)這些水質(zhì)指標(biāo)都有較好的去除效果。表面流濕地內(nèi)建設(shè)有水杉林，因?yàn)樗紝儆谙补庑詮?qiáng)的樹種，對(duì)環(huán)境條件有很好的適應(yīng)能力。由所得數(shù)據(jù)可知，水杉林人工濕地對(duì)TP和COD的去除率大于對(duì)TN和NH3-N的去除率。水杉林人工濕地屬于表面流人工濕地，其面積約為7 500 m2，微污染河水停留時(shí)間為40.91 h。主要過(guò)程是向濕地表面布水，維持10～30 cm的水層厚度，水力負(fù)荷可達(dá)200 m3/（hm2·d），水流以推流式前進(jìn)，流至終端后溢出，這就是水杉林濕地的整個(gè)凈化過(guò)程。濕地中種植大量浮水植物和挺水植物，植物根系形成的生物濾膜可以對(duì)河水中的污染物進(jìn)行過(guò)濾、截留，最終達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。

在人工濕地系統(tǒng)中，植物不僅能夠吸收有機(jī)物、P、N等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，還能為微生物提供附著場(chǎng)所，使得污染物通過(guò)硝化、反硝化、吸附等作用而被除去。污水進(jìn)入水杉林人工濕地后，在流動(dòng)過(guò)程中與植物根系生長(zhǎng)的生物膜接觸，通過(guò)物理、化學(xué)、生物作用而得到凈化。由以上試驗(yàn)分析可得，不同水期污染因子的去除規(guī)律為：豐水期>平水期>枯水期。但是，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，枯水期和平水期的水質(zhì)明顯比豐水期好。這是因?yàn)樨S水期水質(zhì)和水位變化很大，通常，降雨較多，導(dǎo)致其水質(zhì)較差，但是由于其水容量大，所以豐水期去除水質(zhì)影響因子的效率較高。

參考文獻(xiàn)：

[1]ZHANG Y，NIU Y R，LI T L，et al.Study and Application of Constructed Wetlands in Wastewater Treatment of Aquaculture[J].Asian Agricultural Research，2018（9）：53-57.

[2]白曉慧，王寶貞.人工濕地污水處理技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（6）：89-90.

[3]崔理華，朱夕珍，駱世明.煤渣-草炭基質(zhì)垂直流人工濕地系統(tǒng)對(duì)城市污水凈化效果[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2003（4）：597-600.

[4]廖新俤，駱世明.人工濕地對(duì)豬場(chǎng)廢水有機(jī)物處理效果的研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2002（1）：113-117.

[5]饒秀娟，蔣夢(mèng)云，戴志，等.新安江流域（黃山段）氮磷污染特征的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014（15）：4733-4735.

[6]王力實(shí)，柳小康，史永強(qiáng)，等.人工濕地除磷途徑及其機(jī)理研究進(jìn)展[J].黑龍江科技信息，2011（7）：83-84.