北關(guān)人工濕地對河道水污染物去除研究

林瑞峰，沙洪利，沈曉強(qiáng)，郭珊珊，段 睿,白文榮,田 煒

(1.北京市北運河管理處，北京 101100；2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084)

北運河日徑流量300萬m3，年出京水量7億m3[1]。北關(guān)濕地位于北運河起點，在北京城市副中心生態(tài)景觀帶及運河文化展示長廊等方面發(fā)揮著重要作用。北關(guān)濕地主要由表流濕地和潛流濕地組成，占地約1.6萬m2，使用一體化泵站從北運河取水，日處理總量為5000m3，現(xiàn)狀俯視圖如圖1所示。表流濕地與潛流濕地并聯(lián)運行，其中表流濕地面積3450m2，水深1m，日處理量為3000m3，潛流濕地面積4805m2，日處理量為2000m3。表流濕地采用地表推流進(jìn)水，通過構(gòu)建水下森林與種植挺水植物，實現(xiàn)植物的多樣性。水力布局如圖2所示，通過物理沉淀作用與生物作用去除水中氮磷和部分有機(jī)污染物[2- 4]。潛流濕地為0.9m厚生態(tài)填料混合物(火山巖∶沸石∶鐵礦石=60∶30∶10)，上層覆蓋0.3m種植土，種植菖蒲、鳶尾等植物。采用垂直推流進(jìn)水，水流從潛流濕地底部進(jìn)入，均勻流過填料后由頂部排出。潛流濕地利用填料表面的生物膜、植物的吸收等作用等，實現(xiàn)對氨氮、總磷和部分有機(jī)物的去除[5- 6]。北關(guān)濕地同時設(shè)有出水展示區(qū)，位于表流濕地和潛流濕地末端，科學(xué)配置水生植物與動物，進(jìn)一步吸附去除水中的污染物。工藝流程如圖3所示。

圖1 北關(guān)人工濕地現(xiàn)狀俯視圖

圖2 北關(guān)人工濕地水力布局圖

圖3 北關(guān)人工濕地工藝流程圖

1 材料與方法

1.1 樣品采集方法

本文在2019年8月—2020年7月期間對北關(guān)濕地進(jìn)行連續(xù)取樣，每2周分別于濕地進(jìn)水區(qū)、表流濕地出水展示區(qū)、潛流濕地出水展示區(qū)取水樣，每個區(qū)域選擇3個采樣點，將水樣混合代表該區(qū)域水樣，每個采樣點的采樣深度為0.4m。

1.2 樣品分析測試方法

對濕地進(jìn)出水中的化學(xué)需氧量、總氮、氨氮、總磷和葉綠素a進(jìn)行了檢測。檢測方法參照HJ 399—2007《化學(xué)需氧量采用重鉻酸鉀法》、HJ 636—2012《總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》、HJ 545—2009《氨氮采用納氏試劑光度法》、GB 11893—1989《總磷采用過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法》、HJ 897—2017《葉綠素a采用分光光度法》。測試中使用的試劑均為分析純，生產(chǎn)廠家為國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

2 結(jié)果與討論

2.1 人工濕地對化學(xué)需氧量的去除

如圖4所示，不同季節(jié)進(jìn)水中化學(xué)需氧量濃度基本維持穩(wěn)定，為21.3～25.0mg/L，平均濃度為24.6mg/L。濕地系統(tǒng)處于一個植被生長成熟的階段，化學(xué)需氧量的去除率還不高。潛流濕地對進(jìn)水中化學(xué)需氧量的去除率高于表流濕地。潛流濕地對進(jìn)水中化學(xué)需氧量的去除率在秋季、冬季和春季均在20%～30%之間，而表流濕地在秋、冬、春3個季度對進(jìn)水中的化學(xué)需氧量去除率在10%～20%之間，其中的主要原因是潛流濕地由砂礫層-植物系統(tǒng)共同組成，進(jìn)水經(jīng)配水系統(tǒng)從填料床的一端均勻平緩流過填料床植物根系。潛流濕地是一個主要由土壤、濕地植物以及微生物共同組成的生態(tài)系統(tǒng)，可以充分利用填料表面附著的生物膜及豐富的植物根系。而表流人工濕地中進(jìn)水在填料表面漫流，絕大部分的有機(jī)物的去除是通過植物水下莖，桿上的生物膜來實現(xiàn)的，因而表流人工濕地存在不能充分利用填料及植物根系的缺點[7- 9]。夏季潛流濕地和表流濕地的出水中化學(xué)需氧量相比于進(jìn)水出現(xiàn)上升的現(xiàn)象。由于夏季溫度高，水中的溶解氧含量較其他季節(jié)低，同時植物生長會消耗水中大量的溶解氧，可能會造成部分區(qū)域出現(xiàn)厭氧情況，水中的厭氧菌大量繁殖造成出水中化學(xué)需氧量上升。另外，夏季藻類繁殖也可能導(dǎo)致化學(xué)需氧量的上升。

2.2 人工濕地對總氮的去除

如圖5(a)所示，在一年的不同時期人工濕地進(jìn)水中總氮含量呈現(xiàn)一定波動，進(jìn)水中的總氮濃度基本在3.9～11.7mg/L，平均濃度在7.9mg/L。進(jìn)水中的總氮濃度在冬季最高，達(dá)到8.9mg/L；夏季進(jìn)水中總氮濃度相對于其他季度較低，為6.3mg/L。圖5(b)表明，進(jìn)水經(jīng)過人工濕地處理后總氮含量均有所下降。潛流濕地處理的總氮的去除率高于表流濕地。秋季時，潛流濕地和表流濕地對總氮的去除率在20%左右；在冬季潛流濕地和表流濕地對總氮的去除率均出現(xiàn)下降的趨勢，主要原因是冬季溫度降低，植物凋零，微生物的活性變差[10]，使得人工濕地去除進(jìn)水中總氮的能力下降，出水中總氮的濃度分別為7.8mg/L和8.2mg/L，去除率為12.0%和8.2%。進(jìn)入次年春季和夏季后，潛流濕地對水中總氮的去除率不斷提高，夏季時出水總氮的濃度為3.3mg/L，去除率達(dá)到了48.2%；相反，表流濕地對水中總氮的去除率不斷下降，夏季時出水總氮濃度為5.9mg/L，低于10%。人工濕地去除總氮的途徑主要包括硝化和反硝化、植物吸收、基質(zhì)吸收等，硝化和反硝化是人工濕地除氮最普遍的方式[11- 12]。硝化過程是指硝化菌(硝酸鹽菌和亞硝酸鹽菌)在好氧條件下，將氨氮氧化成硝酸鹽和亞硝酸鹽。而反硝化過程是指反硝化菌在缺氧條件下，將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮氣。在運行前期，由于植物和濕地的基質(zhì)對水中總氮有一定的吸收/吸附作用，因此表流濕地和潛流濕地對總氮均有一定的去除率。隨著濕地不斷成熟，潛流濕地進(jìn)水通過填料內(nèi)部和植物根系，存在好氧或者厭氧區(qū)域，硝化過程和反硝化過程均可以發(fā)生；而表流濕地進(jìn)水只經(jīng)過填料表面，溶解氧充足，不易發(fā)生反硝化過程。因此潛流濕地對于總氮的去除遠(yuǎn)高于表流濕地。

圖4 各取樣口(a)化學(xué)需氧量隨時間變化及(b)化學(xué)需氧量各季節(jié)均值變化和減少率

圖5 各取樣口(a)總氮隨時間變化及(b)總氮各季節(jié)均值變化和減少率

2.3 人工濕地對氨氮的去除

從圖6(a)可以看出，進(jìn)水中的氨氮濃度除了個別時間有較大波動，其余氨氮的濃度均在0.3～1.3mg/L，平均濃度在0.9mg/L，在總氮中所占的比例接近1/10。進(jìn)水中氨氮的濃度在秋、冬、春季接近；在夏季最低，達(dá)到0.6mg/L。圖6(b)可以看出，潛流濕地對氨氮的去除率遠(yuǎn)高于表流濕地對氨氮的去除，兩者相差約20%。潛流濕地和表流濕地對氨氮的去除效果與對總磷和總氮的趨勢接近，潛流濕地和表流濕地在秋季對氨氮的去除率分別達(dá)到83.2%和60.9%。進(jìn)入冬季后，由于氣溫的下降，微生物的活性降低，使得潛流濕地和表流濕地對氨氮的去除率均出現(xiàn)下降的趨勢[13- 14]。進(jìn)入次年春季，溫度回暖以及微生物的活性恢復(fù)提高了潛流濕地和表流濕地對水中的氨氮去除率。潛流濕地出水氨氮濃度為0.2mg/L，去除率達(dá)到80%；表流濕地出水氨氮濃度為0.43mg/L，去除率達(dá)到57.7%。進(jìn)入夏季之后，潛流濕地和表流濕地對氨氮的去除率明顯下降，分別只有39.0%和13.2%。硝化過程需要氧氣，而夏季由于氣溫和藻類等因素的影響，限制了硝化過程的進(jìn)行，降低了氨氮的去除。這也正好和夏季出水中化學(xué)需氧量上升的現(xiàn)象相吻合。

2.4 人工濕地對總磷的去除

從圖7(a)可以看出，進(jìn)水中總磷濃度在0.08～0.26mg/L之間，平均濃度為0.13mg/L。秋季進(jìn)水總磷濃度較高，達(dá)到0.16mg/L，其他三個季節(jié)進(jìn)水總磷濃度相近。從圖7(b)可以看出，四季中，潛流濕地出水的總磷去除率均高于表流濕地。潛流濕地對水中總磷的去除呈現(xiàn)一個下降的過程，秋季對水中總磷去除率為41.8%，次年夏季對總磷的去除率下降至22.4%。表流濕地對水中總磷的去除率整體也呈現(xiàn)下降的趨勢，不過在次年春季時，表流濕地出水中總磷的含量高于進(jìn)水中總磷的含量，這可能是由于表流濕地植被體內(nèi)的磷分解重新進(jìn)入水體。人工濕地除磷主要是通過植物和藻類吸收、濕地基質(zhì)吸附、化學(xué)沉淀和微生物的同化作用來完成[12，15]。人工濕地對水中磷去除的效果不及對氮的去除效果，在運行前期植物的生長對水中總磷的去除有一定的效果，隨著濕地運行不斷成熟，對磷的效果會逐漸減弱，這也側(cè)面反應(yīng)了濕地運行的不斷完善和成熟。

圖6 各取樣口(a)氨氮隨時間變化及(b)氨氮各季節(jié)均值變化和減少率

圖7 各取樣口(a)總磷隨時間變化及(b)總磷各季節(jié)均值變化和減少率

2.5 人工濕地對葉綠素a的影響

葉綠素a的濃度在一定程度上反映了水體中藻類的含量。從圖8(a)可以看出，進(jìn)水中葉綠素a在一年中的變化非常明顯，濃度在1.81～273mg/L之間，葉綠素a平均濃度為59.5mg/L。圖8(b)可以發(fā)現(xiàn)，在冬季和春季，進(jìn)水中葉綠素a的濃度分別為21.1mg/L和30.6mg/L，遠(yuǎn)低于夏季和秋季。這主要是由于冬季和春季氣溫較低，藻類繁殖緩慢，導(dǎo)致北運河進(jìn)水的葉綠素a濃度較低。進(jìn)水中葉綠素a的濃度在夏季最大，為89.2mg/L。潛流濕地對葉綠素a的去除率高于表流濕地[16]。潛流濕地在春季、夏季和秋季對葉綠素a的去除率在55%～85%之間。表流濕地在春季、夏季和秋季對葉綠素a的去除率遠(yuǎn)低于潛流濕地，分別為31.9%、4.0%和45.3%，雖然濕地系統(tǒng)會去除部分葉綠素a，但同時濕地本身也會在出水中帶入葉綠素a，導(dǎo)致葉綠素a的去除效果不夠理想。在夏季，由于藻類生長迅速，表流濕地對葉綠素a的去除效果很低。在冬季時，潛流濕地和表流濕地的出水中葉綠素a均高于進(jìn)水中葉綠素a，可能是由于冬季植物死亡后被微生物分解，磷、有機(jī)物進(jìn)入水體，促進(jìn)藻類的生長，使得出現(xiàn)出水中葉綠素a高于進(jìn)水。

3 結(jié)論

通過一年的連續(xù)觀察，北關(guān)人工濕地生態(tài)系統(tǒng)以及運行逐漸趨于成熟和穩(wěn)定，但受到溫度、植被生長、微生物活性等多重因素的影響，個別季節(jié)出水污染物濃度較進(jìn)水出現(xiàn)上升。潛流濕地和表流濕地在不同季節(jié)化學(xué)需氧量的去除效果相近，而對葉綠素a的去除率則有較大差異。在脫氮除磷方面，潛流濕地的效果明顯優(yōu)于表流濕地。秋季水處理效果較好，夏季受降雨等影響，水處理效果稍差，冬春季節(jié)受溫度影響，水處理效果最差。隨著運行時間的延長，北關(guān)濕地趨于成熟穩(wěn)定，處理效果逐步向好，耐沖擊負(fù)荷穩(wěn)定增加，該研究可為人工濕地處理微污染河道水提供理論支持和數(shù)據(jù)支撐。

圖8 各取樣口(a)葉綠素a隨時間變化及(b)葉綠素a各季節(jié)均值變化和減少率