人工濕地法凈化水景人工湖研究

王 靜，付李秋

(成都大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，四川 成都 610106)

0 引 言

濕地是地球上的一種重要的生態(tài)景觀，具有控制水土流失，涵養(yǎng)水分，調(diào)節(jié)大氣環(huán)境等功能，是動(dòng)植物的棲息場(chǎng)所與物料庫(kù)，并具有凈化污水、改善水體水質(zhì)的功效，素有“自然之腎”的美譽(yù).人工濕地是模擬天然濕地的結(jié)構(gòu)和功能而建造的一種濕地系統(tǒng).通常，人工濕地由人為筑成的水池或溝槽，底面鋪設(shè)防滲漏隔水層，充填一定深度的基質(zhì)、種植層構(gòu)成，利用基質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三者之間的相互作用使污水得到凈化.根據(jù)水流方向與濕地介質(zhì)的相對(duì)關(guān)系，可以將人工濕地分為3 種類型:表面流人工濕地、潛流人工濕地、垂直流人工濕地［1－3］.

成都市活水公園是人工濕地處理污水工藝技術(shù)與城市風(fēng)景園林造園藝術(shù)的完美結(jié)合，是第一座集生態(tài)示范、教育和景觀環(huán)境功能于一體，以水為主題的城市生態(tài)環(huán)境公園.其水質(zhì)處理流程是將部分錦江河水進(jìn)行提升，通過(guò)濕地植物、微生物和基質(zhì)的物理、化學(xué)、生化過(guò)程進(jìn)行水質(zhì)的凈化的處理，向人們展示被水體在自然作用下的凈化過(guò)程［4－6］.柳鶯湖位于成都大學(xué)十陵校區(qū)內(nèi)西南角，是校園景觀用水入口.其水質(zhì)的優(yōu)劣直接影響著校園景觀的美觀舒適度.2012年11月至12月，通過(guò)對(duì)該水質(zhì)中CODcr、NH+4-N、SS、CODMn的分析測(cè)定，確定該湖水為Ⅳ類水.枯黃的殘?bào)w，水質(zhì)惡化嚴(yán)重，急需凈化處理.

人工濕地(生物氧化塘)工藝運(yùn)用在校園污水處理中也時(shí)見(jiàn)報(bào)道，但大都是以研究新型工藝為主，少有將創(chuàng)新點(diǎn)放在以成熟技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的報(bào)道.因此，本研究旨在通過(guò)對(duì)活水公園進(jìn)水、出水和成都大學(xué)柳鶯湖進(jìn)水的代表性指標(biāo)(pH、DO、BOD5、CODcr、TN、TP、NH+4-N)的階段性監(jiān)測(cè)，獲得對(duì)比參考數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理研究其代表值，進(jìn)而判斷對(duì)柳鶯湖進(jìn)行生物氧化塘工藝改造的可能性，為從源頭上改善柳鶯湖的水質(zhì)提供一種切實(shí)可行的方案.

1 研究方法

2013年4月至2014年4月，對(duì)成都市活水公園與成都大學(xué)柳鶯湖的進(jìn)、出水水質(zhì)進(jìn)行階段性監(jiān)測(cè).通過(guò)測(cè)量其代表性水質(zhì)指標(biāo)(pH、DO、BOD5、CODcr、TN、TP、NH+4 -N)來(lái)研究活水公園的凈化效果與兩者的進(jìn)水水質(zhì)情況，并結(jié)合參流系數(shù)作對(duì)比分析因子［1］.

1.1 水樣采集

從2013年4月、6月、8月、10月、12月及2014年2月、4月，7 個(gè)月中，每個(gè)月中旬分別對(duì)活水公園與柳鶯湖進(jìn)、出水口的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果遇到雨天則將采樣時(shí)間延后，以保證所采取的樣品具有代表性.

1.2 水樣測(cè)定

在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)收集的樣品進(jìn)行7 個(gè)代表性水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定，具體操作過(guò)程按照《水和廢水分析監(jiān)測(cè)方法(第4 版)》進(jìn)行:pH 值采用玻璃電極法，DO采用膜電極法，BOD5采用5 d 培養(yǎng)法，CODcr、TN(NO3－-N+NO2－-N+TKN)、TP 采用過(guò)硫酸鉀氧化——鉬銻抗分光光度法，NH+4-N 采用納氏試劑分光光度法.

1.3 水質(zhì)特征評(píng)定

活水公園與柳鶯湖進(jìn)水水質(zhì)的特征選用綜合污染指數(shù)和單因子污染指數(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)［6］，其計(jì)算方法為，

單因子評(píng)價(jià)指數(shù)Pi，

綜合污染指數(shù)P，

式中，Ci為第i 種污染物的實(shí)測(cè)濃度，mg/L;C0為第i種污染物的環(huán)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)濃度，mg/L;n 為參加評(píng)價(jià)的污染指標(biāo)的個(gè)數(shù).

2 研究結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)特征的評(píng)定

以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3838－2002 的第Ⅴ類水質(zhì)為環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，活水公園與柳鶯湖水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果如表1 所示.

表1 活水公園與柳鶯湖單因子與綜合污染評(píng)價(jià)

從表1 中可以看出，在監(jiān)測(cè)期間內(nèi)，活水公園的年綜合評(píng)價(jià)指數(shù)P 總為2.15，表明在對(duì)其監(jiān)測(cè)的因子中已有相當(dāng)一部分超出了評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)濃度，即5 d生化需氧量(BOD5)(P =1.14)、氨氮(NH+4-N)(P=2.12)、總氮(TN)(P =3.28)和總磷(TP)(P =3.74).綜合評(píng)價(jià)指數(shù)可以判斷活水公園的進(jìn)水為Ⅴ類水，這與柳鶯湖的總體相似，但略有不同，柳鶯湖的監(jiān)測(cè)期間的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)P 總為1.08，表明在監(jiān)測(cè)的因子中有部分超出了評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)濃度，其分別為5 d 生化需氧量(BOD5)(P =1.65)與總磷(TP)(P=1.54)，綜合評(píng)價(jià)指數(shù)可以判斷柳鶯湖的進(jìn)水為Ⅴ類水.綜上所述，活水公園與柳蔭湖的進(jìn)水水質(zhì)皆為Ⅴ類，超標(biāo)物質(zhì)皆為可降解生化有機(jī)物，進(jìn)水水質(zhì)相接近.

2.2 營(yíng)養(yǎng)元素的對(duì)比分析

通過(guò)數(shù)據(jù)的匯總分析活水公園年平均總氮(TN)含量為6.57 mg/L，年平均總磷(TP)含量為1.50 mg/L，N∶ P 為4.4∶ 1，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明活水公園的進(jìn)水總氮含量已超出設(shè)計(jì)要求［3］，使得濕地系統(tǒng)的處理負(fù)荷增加，導(dǎo)致出水的總氮平均含量為1.86 mg/L，但濕地系統(tǒng)仍然保持著對(duì)總氮有較高的去除率.這恰恰體現(xiàn)了濕地系統(tǒng)的優(yōu)越性，雖然部分運(yùn)行指標(biāo)超出了設(shè)計(jì)值，但并不影響濕地系統(tǒng)的整體運(yùn)行能力和濕地系統(tǒng)對(duì)其余指標(biāo)的去除能力.對(duì)柳鶯湖進(jìn)水而言，年平均總氮(TN)含量為2.31 mg/L，年平均總磷(TP)含量為0.56 mg/L，N∶ P 為4.2∶ 1，氮含量適宜，磷含量充分，能滿足植物生長(zhǎng)的正常需要.活水公園的總氮、總磷的含量皆比柳鶯湖的高，但活水公園兩者的氮磷比列相同，營(yíng)養(yǎng)元素相似，植物生長(zhǎng)的控制性元素能正常滿足植物的生長(zhǎng)需求.

2.3 滲流系數(shù)的對(duì)比分析

通常，水流的流動(dòng)參數(shù)可采用Darcy 定律進(jìn)行描述［2］.活水公園人工濕地面積為590 m2，有效濕地面積為500 m2，設(shè)計(jì)處理水量為每天15 m3.設(shè)計(jì)表面負(fù)荷為0.03 m3/(m2·d)，池底相對(duì)標(biāo)高最高點(diǎn)位2.5 m，最低點(diǎn)0.5 m，池寬2 ～10 m，活水公園的坡度為5‰［1］.根據(jù)Darcy 定律可以求得，活水公園的滲流系數(shù)Ks 為125 m/d.柳鶯湖的面積為1 450 m2，平均湖寬15 m，蓄水時(shí)水深0.8 m，坡度為2‰，2014年4月份測(cè)得柳鶯湖的流量為4.5 m3/d，則柳鶯湖的滲流系數(shù)Ks 為188 m/d.將活水公園與柳鶯湖的滲流系數(shù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，兩者之間的水流流態(tài)相接近，都屬于緩慢流態(tài).

3 結(jié)論與分析

通過(guò)對(duì)活水公園和柳鶯湖長(zhǎng)達(dá)一年的階段性監(jiān)測(cè)分析表明:成都市活水公園已正常運(yùn)行了18年，時(shí)至今日流經(jīng)活水公園進(jìn)入錦江的河水仍然能被處理凈化到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，這充分體現(xiàn)了濕地生態(tài)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗水質(zhì)沖擊的能力、處理效果穩(wěn)定及處理出水較佳的特點(diǎn).柳鶯湖的監(jiān)測(cè)結(jié)果卻顯示，其進(jìn)出水的水質(zhì)相同，水體只是簡(jiǎn)單的流過(guò)柳鶯湖而已，柳鶯湖其本身為人工濕地系統(tǒng)，但卻沒(méi)有發(fā)揮出人工濕地系統(tǒng)應(yīng)有的功效.

通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)兩者進(jìn)水的水質(zhì)特征、營(yíng)養(yǎng)元素比與水流參數(shù)進(jìn)行綜合比較分析得出:柳鶯湖與活水公園的進(jìn)水都是屬于Ⅴ類水質(zhì)，并且進(jìn)水的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)相似，水流量小，水流流態(tài)相接近.因此，將活水公園的生物氧化塘工藝運(yùn)用到對(duì)成都大學(xué)柳鶯湖的改造中是可行的.運(yùn)用降解速率常數(shù)與wehnerwilhelm 設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)法，對(duì)柳鶯湖采用活水公園的生物氧化塘工藝進(jìn)行改造后其出水水質(zhì)的預(yù)測(cè)情況如表2 所示［7－8］.

表2 柳鶯湖水質(zhì)預(yù)測(cè)表

對(duì)2 種預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，2 種預(yù)測(cè)方法的出水水質(zhì)指標(biāo)相接近，且用綜合污染評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)表明，出水預(yù)測(cè)(1)的P總為0.55，出水預(yù)測(cè)(2)的P總為0.57，以《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3838－2002 的Ⅲ類水質(zhì)為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測(cè)出水結(jié)果為Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，具有較好的凈化效果.

本研究論證了將濕地系統(tǒng)引入柳鶯湖水質(zhì)凈化中的可行性.此外，將柳鶯湖進(jìn)行改造，改善學(xué)校校園景觀的水質(zhì)，可為今后人工濕地法凈化水質(zhì)提供案例參考，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義.

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