洱海北部不同運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)人工濕地的水質(zhì)特征及凈化效率評(píng)估

張秀梅

（大理市洱海生態(tài)中心，云南 大理 671000）

0 引言

人工濕地技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種污水處理技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)村農(nóng)業(yè)面源污染防治及低污染水處理[1,2]。人工濕地主要通過(guò)沉淀、物理攔截、過(guò)濾、填料（土壤）吸附、化學(xué)氧化還原、微生物硝化/反硝化作用、植物吸收等作用去除水體中的氮磷等污染物[3,4]。但隨著人工濕地運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，由于填料吸附飽和、營(yíng)養(yǎng)鹽不斷積累，濕地對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的凈化效率不斷降低[5,6]。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于人工濕地的研究集中于濕地植物及填料的篩選、濕地運(yùn)行初期的凈化效率等方面，而不同運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的濕地處理效果評(píng)估鮮見報(bào)道。

洱海是云南省第二大高原湖泊，是大理人民的“母親湖”。受洱海流域地形影響，人類活動(dòng)主要集中于洱海北部和洱海西岸，隨著流域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，入湖的污染負(fù)荷增加。尤其洱海北部地勢(shì)平坦，流域內(nèi)村莊和農(nóng)田密布，人類活動(dòng)強(qiáng)度大，且流經(jīng)該區(qū)域的彌苴河、羅時(shí)江和永安江三條河流的流域面積及徑流量大，輸入的氮磷污染物量約占入洱?？偭康?0%[7]，使得洱海水環(huán)境壓力不斷加大，目前正處于富營(yíng)養(yǎng)化初期[8]。為削減上游入湖河流的污染物，自2004年開始，洱海流域內(nèi)分批分階段恢復(fù)建設(shè)湖濱濕地、人工濕地、庫(kù)塘濕地等，目前累計(jì)建成濕地面積約2000 hm2，不僅提升了流域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染治理，同時(shí)強(qiáng)化了區(qū)域生態(tài)功能，濕地植物及鳥類的物種多樣性逐漸恢復(fù)[9,10]。本文以洱海北部的羅時(shí)江濕地（運(yùn)行11a）和江前濕地（運(yùn)行6a）為研究對(duì)象，評(píng)估不同運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)濕地水質(zhì)現(xiàn)狀及對(duì)氮磷污染物的凈化效率，以期為洱海流域人工濕地建設(shè)及運(yùn)行管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

洱海流域位于瀾滄江、金沙江和元江三大水系分水嶺地帶，流域面積2565 km2，洱海湖面面積252 km2，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和。洱海流域內(nèi)有大小河流117條，北部主要有彌苴河、羅時(shí)江和永安江（北三江）流入洱海，是洱海主要水源，多年平均入湖流量占洱海補(bǔ)給水量的70%。同時(shí)，“北三江”流經(jīng)區(qū)域農(nóng)田廣布、村莊密集，農(nóng)村生活污水、農(nóng)田廢水及分散畜禽養(yǎng)殖廢水通過(guò)“北三江”進(jìn)入洱海，入湖氮磷污染負(fù)荷占全湖的50%以上[7,11]。因此，削減洱海北部入湖污染至關(guān)重要，先后實(shí)施了“2333”行動(dòng)計(jì)劃、洱海保護(hù)“七大行動(dòng)”等系列措施，于2009年和2014年在洱海北部建成了羅時(shí)江濕地、江前濕地等，主要處理農(nóng)村農(nóng)業(yè)面源污染。在當(dāng)?shù)芈毮懿块T維護(hù)管理下，這兩塊濕地至今已運(yùn)行11a和6a，其基本情況見表1。

羅時(shí)江濕地、江前濕地建設(shè)初期設(shè)計(jì)均采用近自然的復(fù)合型人工濕地，即“植物凈化塘+多級(jí)表流濕地+天然濕地”處理上游來(lái)水。羅時(shí)江濕地在豐水期、平水期和枯水期的設(shè)計(jì)處理規(guī)模分別為：112、 30和 17萬(wàn)m3/d，江前濕地分別為4.5、3.4和2.2萬(wàn)m3/d。經(jīng)調(diào)查，濕地內(nèi)植物優(yōu)勢(shì)物種與設(shè)計(jì)時(shí)選擇一致，具體見表1。羅時(shí)江濕地對(duì)總氮的平均去除效率為50.8%，總磷的平均去除效率為24.4%。由于水體中總氮的去除受到濕地脫氮功能生物體的生長(zhǎng)代謝活動(dòng)等因素的影響較大，導(dǎo)致濕地對(duì)總氮的去除效率波動(dòng)較大，濕地出口水體總氮含量的變化與入口水體總氮含量的變化并不一致；雖然總磷的去除也受濕地脫磷功能生物體的生長(zhǎng)代謝活動(dòng)等因素的影響，且濕地對(duì)總磷的去除效率也具有一定的波動(dòng)性，但由于濕地對(duì)水體中總磷的去除效率較低，故出口水體中總磷的變化與入口水體中總磷的變化基本保持一致。

表1 長(zhǎng)期運(yùn)行濕地凈化效率與水質(zhì)相關(guān)性分析

表1 人工濕地基本情況

1.2 濕地工藝

根據(jù)項(xiàng)目預(yù)期的水質(zhì)凈化目標(biāo)，以“前期處理、末端凈化”的思路模式，采用近自然的復(fù)合型人工濕地即“植物凈化塘+多級(jí)表流濕地+天然濕地”對(duì)污水進(jìn)行處理，達(dá)到對(duì)水體凈化的目的。

羅時(shí)江、永安江水在攔水壩的攔截作用下分段被引入植物凈化塘，通過(guò)厭氧菌的代謝功能，使有機(jī)底物得到降解。首先由產(chǎn)酸菌將復(fù)雜的大分子有機(jī)物進(jìn)行水解，轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的有機(jī)物（有機(jī)酸、醇、醛等）；然后產(chǎn)甲烷菌將這些有機(jī)物作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)行厭氧發(fā)酵反應(yīng)，產(chǎn)生甲烷和二氧化碳等。

處理后低污染水形成推流式水流流向，依次進(jìn)入多級(jí)表流濕地，通過(guò)物理過(guò)濾、攔截、自然沉降、化學(xué)反應(yīng)沉淀、微生物好氧氧化、濕地植物生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)吸收等作用實(shí)現(xiàn)對(duì)水體中氮、磷、有機(jī)物的凈化。

經(jīng)表流濕地處理后的水體流入天然蘆葦濕地，通過(guò)水生植物凈化作用對(duì)水體進(jìn)行深度處理，經(jīng)過(guò)一系列的凈化最終出水流入洱海。

1.3 樣品采集與分析

分別在羅時(shí)江濕地和江前濕地的進(jìn)水口、出水口及濕地中段布設(shè)三個(gè)采樣點(diǎn)，2019年8月—2020年7月期間，每月中旬采集，低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室。水樣總氮（TN）采用HJ 636-2009堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法，氨氮（NH3-N）采用HJ 535-2009納氏試劑分光光度法，總磷（TP）采用GB 11893-89鉬酸銨分光光度法，化學(xué)需氧量（COD）采用HJ 399-2007快速消解分光光度法，pH和溶解氧（DO）用便攜式pH計(jì)和便攜式溶解氧儀測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

污染物凈化效率按公式（1）計(jì)算。

式中：ηi—為某污染物i的凈化效率，%；ρ0i—為濕地進(jìn)水中某污染物i的濃度，mg/L；ρ1i—為濕地出水中某污染物i的濃度，mg/L；i=1,2,3,4，分別為TN、NH3-N、TP和COD。

文中的數(shù)據(jù)均使用Office 2010匯總，利用Origin 2018繪制柱狀圖，利用SPSS 23進(jìn)行差異性分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)濕地的水質(zhì)現(xiàn)狀

2019年8月—2020年7月期間，羅時(shí)江濕地和江前濕地水質(zhì)指標(biāo)如圖1所示。兩濕地的pH平均在7.13～9.28，為弱堿性水，DO在1.85～12.54 mg/L，干季溶解氧含量高于濕季?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研期間，羅時(shí)江濕地TN、NH3-N、TP和COD的平均濃度分別在0.453～1.76、0.056～1.00、0.022～0.223和6.8～53 mg/L，而江前濕地分別在0.45～1.72、0.025～0.76、0.01～0.21和4.9～133 mg/L。差異性分析結(jié)果顯示，羅時(shí)江濕地TP和COD顯著高于江前濕地（P＜0.05），而TN和NH3-N并未表現(xiàn)出顯著差異性（P＞0.05）。孫莉等[12]研究結(jié)果證實(shí)水稻-大蒜種植模式下農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量高，尤其羅時(shí)江流域內(nèi)上關(guān)-鄧川地區(qū)農(nóng)田土壤氮磷含量高，大量氮磷流失進(jìn)入羅時(shí)江，成為洱海北部污染程度最高的河流[11]，因而羅時(shí)江濕地污染物濃度高于江前濕地。

圖1 羅時(shí)江濕地和江前濕地水體水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化（2019年8月—2020年7月）

根據(jù)《GB 3838-2002 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，除2020年4月外，羅時(shí)江濕地和江前濕地水體的TP和NH3-N處于I～I(xiàn)I類，TN和COD處于I～I(xiàn)II類。TN是洱海北部入湖河流首要污染物，COD是旱季的次要污染物[7]，羅時(shí)江濕地和江前濕地分別處理洱海北部羅時(shí)江和永安江的面源污染，TN和COD也是濕地中主要污染物，主要受上游農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響。張辰等[13]研究表明，畜禽養(yǎng)殖、生活污水排放和種植業(yè)農(nóng)田退水是洱海流域主要污染源；王哲等[14]的研究結(jié)果表明，水稻-大蒜種植制度下，由于冬季大蒜種植期間氮肥施用量大，向水環(huán)境排放的氮含量大，有45.4%的氮進(jìn)入水環(huán)境。近年來(lái)，洱海保護(hù)治理正處于關(guān)鍵時(shí)期，為進(jìn)一步保護(hù)洱海水生態(tài)環(huán)境，切實(shí)推進(jìn)“三禁四推”工作，調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，減少過(guò)量依賴化肥實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增效的大蒜等種植面積，羅時(shí)江濕地水體氮濃度較2014年和2018年呈下降趨勢(shì)[15,16]。

2.2 不同運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)濕地的凈化效率

在地方職能部門的維護(hù)管理下，羅時(shí)江濕地和江前濕地至今已運(yùn)行11a和6a。調(diào)查期間，羅時(shí)江濕地對(duì)COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分別為：22.50%±13.44%、18.35%±10.88%、15.32%±4.91%和17.67%±13.12%，而江前濕地的平均去除率分別為：19.49%±16.09%、2 1.0 5%±1 2.3 4%、1 6.7 1%±1 3.1 2%和30.38%±11.24%（見圖2）。運(yùn)行11a的羅時(shí)江濕地對(duì)NH3-N、TN和TP的平均去除率都低于運(yùn)行6a后的江前濕地，但差異性未達(dá)到顯著水平（P＞0.05），進(jìn)一步證實(shí)長(zhǎng)期運(yùn)行的濕地對(duì)氮磷污染物仍具備一定凈化效率，與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致[16]。

圖2 洱海北部不同運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)濕地的凈化效率

楊桐[17]、梁?jiǎn)⒈蟮萚16]和高曉鈺等[18]研究發(fā)現(xiàn)羅時(shí)江濕地對(duì)TN的去除率分別為50.8%、37.2%和30.0%，TN去除率呈現(xiàn)出隨運(yùn)行時(shí)間增加而降低的趨勢(shì)。高曉鈺[18]的研究結(jié)果顯示，江前濕地對(duì)TN和TP的去除率分別為45.0%和30.0%，高于本研究結(jié)果。由圖2可知，數(shù)據(jù)顯示兩塊濕地對(duì)污染物凈化效率的動(dòng)態(tài)變化較大，個(gè)別月份甚至出現(xiàn)負(fù)值，表明運(yùn)行11a和6a后的羅時(shí)江濕地和江前濕地存在退化現(xiàn)象[18]。Huett等[5]研究發(fā)現(xiàn)，隨著人工濕地運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，由于填料吸附飽和或沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽不斷積累，濕地逐漸“老化”，導(dǎo)致濕地對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的凈化效率不斷降低[6]。王書錦等[19,20]研究發(fā)現(xiàn)羅時(shí)江濕地表層沉積物氮磷含量高達(dá)1.84和1.09 g/kg，屬重度污染水平，且呈現(xiàn)明顯的表層富集現(xiàn)象。綜上，隨著運(yùn)行時(shí)間增加，兩塊濕地對(duì)氮、磷的凈化效果較之前的研究結(jié)果均有不同程度的下降。因此，可考慮對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行濕地的沉積物開展環(huán)保疏浚，清除氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽，提升人工濕地對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效果，同時(shí)將疏浚底泥用于周邊綠化，增加綠地土壤肥力，實(shí)現(xiàn)資源化利用。此外，也可考慮長(zhǎng)期運(yùn)行濕地功能轉(zhuǎn)型，用作生物多樣性恢復(fù)地等[18]。

2.3 洱海流域長(zhǎng)期運(yùn)行濕地凈化效率的影響因素

為探討濕地進(jìn)水水質(zhì)對(duì)凈化效率的影響，基于Pearson對(duì)羅時(shí)江濕地和江前濕地η（TN）、η（NH3-N）、η（TP）、η（COD）與ρ（TN）、ρ（NH3-N）、ρ（TP）、ρ（COD）的相關(guān)性分析，結(jié)果見表1。

表1顯示，濕地TN、NH3-N、TP和COD濃度間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），濕地水體中氮、磷和COD等污染物具有同源性。η（TN）與ρ（TN）、ρ（NH3-N）顯著正相關(guān)（P＜0.05），說(shuō)明水體中較高TN和NH3-N濃度有益于濕地中TN的去除。此外，η（NH3-N）與η（TP）、η（COD）、ρ（TP）顯著正相關(guān)（P＜0.05），表明TP和COD的去除有益于濕地對(duì)水體中NH3-N的去除，合理的碳氮磷比決定微生物的繁殖及污染物的去除。碳影響濕地硝化、反硝化過(guò)程碳源供給，進(jìn)而影響TP和NH3-N的去除，因而η（NH3-N）和η（TP）與ρ（COD）呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。

3 結(jié)論

（1）洱海北部羅時(shí)江濕地和江前濕地水體的TP和NH3-N處于I～I(xiàn)I類，TN和COD處于I～I(xiàn)II類，在切實(shí)推行洱海水生態(tài)環(huán)境系列保護(hù)措施后，水質(zhì)得到改善。

（2）洱海北部運(yùn)行11a和6a的羅時(shí)江濕地和江前濕地仍有一定水質(zhì)凈化能力，羅時(shí)江濕地對(duì)COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分別為：20.2%±8.4%、18.8%±10.9%、14.5%±4.8%和23.1%±8.1%，江前濕地的平均去除率分別為：8.8%±5.8%、20.4%±13.7%、17.4%±15.1%和24.3%±9.7%。

（3）運(yùn)行11a的羅時(shí)江濕地對(duì)污染物去除率明顯下降，建議開展環(huán)保疏?；驖竦毓δ苻D(zhuǎn)型。