多級沉淀與生物凈化結合模式的水質凈化特征分析

焦 健，花偉軍，秦福云，蘇德榮，宋桂龍

(1.北京林業大學 草坪研究所，北京 100083； 2.第九屆中國國際園林博覽會 豐臺籌備辦公室，北京 100070；3.北京市豐臺園林綠化局 萬芳亭公園管理處，北京 100072)

隨著人們對生活環境需求的日益增高，景觀水逐漸成為生活中的重要元素。景觀水遍布于公園、居民區、校園、企業園區等，因此，其水質與景觀效果的優劣也一定程度影響著人們的生活品質。景觀水受到的外源污染源包括直接污染、水源、落葉塵土、底泥和滋生青苔等[1]，雖然其發生嚴重污染的概率較低，但因其水量小，不具有完善的生態系統，抵御外界干擾能力差[2,3]。目前，由于維護管理的落后，景觀水水體常常處于不斷惡化狀態[4,5]，加之蒸發作用，換水以及補水是園林景觀水常采用的維護管理措施[6-8]，而水源多來自地下水[8-10]，加重了地下水資源的消耗。而以景觀水為主的園林景觀的維護重點也在夏季，我國北方地區恰逢夏季多雨，可提供充足的水資源，因此，將道路雨水徑流用于景觀水及周圍綠地灌溉能夠有效解決常規景觀水補水問題，保護地下水資源。然而，道路雨水徑流往往污染超標[11-13]，在用于景觀水之前要必須采取凈化。

凈化工藝中，沉淀是解決泥沙與懸浮物的最適用方法，沉淀池具有易于建造、工藝成熟穩定、使用壽命長、可靠性高且沉淀效率好的特點。沉淀是利用水力停留時間沉淀受污水體內顆粒物的主要方法，是解決泥沙與懸浮物的適用方法之一。當水力停留時間達到12 h時，能夠去除≥0.07 mm顆粒，去除率大于70%[14,15]。而植物凈化是一種模擬自然濕地的生物凈化系統，其通過基質(填料)、植物和微生物三者的協同作用實現對污廢水的高效凈化作用[16]，還具有一定的景觀生態功能[17]。水生植物對水質的凈化作用已經有了廣泛的研究[18-21]，水生植物在美化水體景觀、凈化水質、維持水體營養平衡方面具有顯著功效。研究結果表明，生物凈化對COD的去除率可達80%以上[22]，對N的去除率可達60%，對P的去除率可達90%以上[23-25]。因此，具有出水水質優，凈化功能全面，兼具生態效益和環境效益的特點。

在實際應用中，研究沉淀與生物凈化相結合的凈化模式就具有了一定現實意義。以已經修建的多級沉淀與生物凈化相結合的凈化系統為研究對象，探討了其凈化路面雨水用于景觀水補水和灌溉用水的室外實例，研究其凈化水質特征以及多級凈化的相互作用關系，分析其凈化效果。

1 材料和方法

1.1 處理設施

試驗是依據原處理設施正常運行狀態下的實物基地，設施位于北京市六環高速公路邊某企業園區，園區內修建了4個串聯的硬化池塘承接六環高速公路的雨水徑流，通過4個池塘凈化后的雨水由水泵作用，排入園區內其他兩處景觀水湖作為用戶補水以及綠地灌溉用水。4個池塘的布局及連接方式見圖1，水流順序依次為A-B-C-D。

圖1 多級凈化池布局

4個串聯水池呈方形，邊長10 m，水深1.5 m，全部采用防滲硬化處理，在每相鄰的兩個池塘底部通過兩根平行于地面、直徑300 mm的水管相連通，兩根水管為上下布置，分別設置于水深1.3 m及1 m處。按水流順序標為A、B、C、D池。4個池塘按照連通器原理構成了一個4級沉淀池，同時原設施A池稀疏地混合種植了蘆葦(Phragmitesaustralis)與香蒲(Typhaangustifilia)，B、C、D池則密布睡蓮(Nymphaea)，平均種植密度2.5株/m2，4個池塘構成了多級沉淀與多級生物凈化相結合的凈化系統。

當發生降水事件后，由六環高速路匯集的雨水徑流首先進入A池，當水位超過連通水管所在高度后，自流進入B池，然后，依此逐步流入C、D池，待降水結束后，最終成為靜止狀態。在此過程中，雨水徑流逐級流入A-D池發揮多級沉淀作用，降水停止，待水體穩定后，沉淀作用還將持續發生，而生物凈化也開始發揮作用。

1.2 研究方法

試驗于2012年8～10月進行，采樣在發生降水強度>20 mm，且雨前干燥期≥7 d的降水后實施，試驗期間共采集水樣3次，分別為8月3日，9月27日，10月18日。每個水池以隨機的形式在不同深度以及不同位點采3次水樣作為重復，采集1次水樣的體積為300 mL，儲存于聚乙烯瓶中，并于當日測定其各項水質指標。

1.3 指標與方法

采樣后立即測定pH、COD、TN、NH4+-N、NO2--N、TP，測定項目和方法見表1。

表1 水質測試項目及方法

2 結果與分析

2.1 pH

pH的穩定有利于各種凈化方式發揮最大效應。3次測定時間pH均保持接近中性偏堿的環境，其中，10月pH整體偏堿，但始終在7.15～8.00(圖2)，為植物與微生物的聯合生物凈化環節提供適宜的pH。

穩定pH條件首先能夠穩定水體內各種污染物質的形態，保證了植物與微生物的正常吸收和利用，其次保證水生植物和微生物的正?；顒樱３稚飪艋母咝浴Ｔ囼炛兴w略偏堿性，這與植物、藻類的光合作用有關[26]。氮類物質尤其易受到pH影響，當pH為8.0～9.3時，氨的揮發增強[27]，此時氨揮發將是重要的除氮途徑。同時，硝化作用也需要7.0～8.6的適宜的pH[26,28,29]，因此，試驗中的水體皆適合硝化作用的進行。

圖2 pH變化趨勢

2.2 COD

4個凈化池塘的COD總體上呈較為明顯降低趨勢，由A池至D池呈現逐漸降低的趨勢(圖3)，D池的水質能夠達到地表水環境質量標準Ⅱ類-Ⅰ類水質標準。整個多級凈化系統平均總去除率為78.94%，每次樣品呈現的逐級去除率變化趨勢不盡相似，但整個系統凈化效率較高，保證了水質總體較優。

圖3 COD變化趨勢及逐級去除率

COD是水體中有機物含量的反應，立交橋雨水徑流水質的COD與懸浮物具有較強的相關性，相關系數達到0.8[30]。因此，A池對COD的凈化主要表現在沉淀作用，8月的測試COD起始濃度最高，B池的去除率較其他兩組更高，9與10月的變化趨勢相似，各級逐級去除率的變化趨勢相似。以含懸浮物為主的路面雨水徑流中，沉淀是主要的凈化作用，懸浮物污染較輕的徑流中，沉淀亦發揮作用，但此時植物凈化作用是一種更可靠的凈化方式。在本次測試中，B、C、D池主要表現在沉淀與生物凈化的聯合作用，睡蓮等水生植物的根系為微生物的著生提供了條件，有利于形成生物膜，而微生物的COD的凈化主要源于微生物的好氧降解過程[31]，成為微生物的碳源。同時植物根系對水體中的有機物也有吸收作用，此外，B、C、D池也依然存在一定的沉淀功能，這些因素都為高效去除COD提供了條件。

2.3 氮

2.3.1 TN 平均總氮去除率達83.67%(圖4)。D池的水質能夠達到地表水環境質量標準Ⅱ類-Ⅰ類水質標準。逐級去除率中，8、9月隨著水質逐漸清潔，逐級去除率均表現為逐級降低。10月的各級去除率較相同，但總體去除率較為理想。

圖4 TN變化趨勢及逐級去除率

總氮的去除方式主要有氨揮發、硝化反應以及植物吸收[27]。氨揮發主要由水的pH決定，在接近中性情況下，氨揮發并不能成為水體除氮的主要途徑[32]，因此，硝化反應和植物吸收同化作用將是除氮的主要途徑，而這兩種渠道均是在微生物與植物共同作用下完成，溫度將是影響各級除氮效率的重要因素。10月中旬取樣時，氣溫較8、9月低，因此，推測將影響B池的凈化效率，使更多的凈化負荷轉移至C、D池，這也是10月各級去除率較為接近的原因。同時溫度變化的影響也表明，TN的凈化對沉淀的依賴并不強，生物凈化的作用更加明顯。溫度較高的8、9月TN在C池已基本除凈。

2.3.2 NH4+-N 在3次試驗中NH4+-N具有差異較大的起始濃度，但是各組總體呈現較顯著的降低趨勢，NH4+-N平均總去除率68.89%(圖5)。除9月C池出現氨氮濃度上升的情況，其他情況下均具有有效的逐級去除率。各組D池水質接近地表水環境質量標準Ⅰ類水質標準。起始濃度較高時對應較高的去除率，最終都達到相接近的優良水質標準。

銨態氮是植物能夠直接利用的氮的形式之一，因此植物吸收是去除銨態氮的途徑，同時氨氣的揮發也是氨氮去除的途徑。由于植物的光合作用，植物根系的含氧量高，氧氣與COD為參與硝化作用的微生物提供了適宜的反應條件，使銨態氮向硝態氮轉化[33]，以上因素均是氨氮降低的原因。9月出現NH4+-N在C池升高的情況，首先9月氨氮含量本身較低，其次推測C池可能局部呈現厭氧狀況，發生了反硝化作用。另外，路面雨水徑流中存在來自于機動車尾氣和輪胎的Pb、Zn等重金屬，研究發現，金屬離子可致處理水中的NH4+-N增加[34]。同時，由于NH4+-N與懸浮物和COD具有較顯著的相關性[30,35]，因此，試驗的系統的沉淀作用也對氨氮的去除具有貢獻作用，8、10月的逐級去除率基本相同，表明生物作用去除氨氮較沉淀作用更好。

圖5 NH4+-N變化趨勢及逐級去除率

2.3.3 NO2--N 作為水體中氮素的中間產物，亞硝酸鹽氮具有與總氮相似的穩定的下降趨勢，總體去除率78.96%，各級去除率整體表現為C池與A池略高，D池略低(圖6)。

圖6 NO2--N變化趨勢及逐級去除率

亞硝酸氮鹽是硝化作用與反硝化作用的中間產物，其含量反映了水體中氮的轉化情況。亞硝酸鹽氮的降低與總氮的趨勢一致，表明水體內幾種除氮環節的有效性，水體氮含量總體下降。逐級去除率表明，在C池中NO2--N基本除凈，B池、C池是發生NO2--N轉化的主要場所。在亞硝化細菌的作用下NH4+-N轉化為NO2--N達到除氨氮的作用，硝化作用產生硝酸鹽氮NO3--N的在植物的吸收作用下去除，使水體的總氮得以降低。總氮和亞硝酸鹽氮的逐級去除率表明，亞硝酸鹽氮無積累現象，硝化作用進行順利，水生植物在吸收氮素用于自身生長外也通過光合作用為水體營造了良好的富氧環境，得以保證水體氮的順利去除。此外，9月C池一部分亞硝酸鹽氮可能參與了反硝化作用，導致氨氮濃度的增高。

2.4 TP

水體總磷TP具有穩定的降低趨勢，總磷平均去除率為87.55%。8月B、C池內總磷基本被除凈，9、10月B池的去除率較C、D池高，總體去除效果理想(圖7)。C池的水質就已經達到地表水環境質量標準Ⅱ類水質標準。

圖7 TP變化趨勢及逐級去除率

在此多級凈化系統中，水體磷的去除具備沉淀與生物去除多種形式。研究表明，路面徑流雨水的SS(懸浮物)與TP具有良好的線性相關性[35]，并且，路面雨水徑流中TP的顆粒吸附態污染占路面徑流的83.1%[36]，因此，沉淀作用是去除TP的重要途徑之一，雖然A池水生植物較少，但3組數據仍表現為第1級總磷去除率較為穩定且高效?？偭兹コ牡?個途徑為溶解性磷的植物吸附作用，磷與氮同樣作為植物吸收同化的重要養分。一方面，植物表面為聚磷菌等微生物的附著提供了條件，植物與微生物的共同作用，在此多級凈化系統中的后期凈化中起著重要作用，得以去除顆粒性磷之余的TP，保證了水體較高的的TP去除率，這種特性在立交橋道路雨水徑流水質及污染特征變化較大的情況下更為適用，因此，無論各級的去除率如何分配，依然能夠保證TP的去除率。

3 討論與結論

3.1 討論

試驗研究的多級沉淀與生物凈化相結合的凈化工藝對以路面雨水徑流為主的水體具備一定的凈化作用，各類污染凈化去除率68.9%～78.9%，與其他有關沉淀或生物凈化的研究結果相同[22,26,27,31,32]。主要的有機污染、氮污染和磷污染皆能夠得到有效的凈化，使水質從污染狀態達到較優的Ⅱ類水質標準。

試驗研究的凈化系統中的沉淀主要以沉降顆粒污染物為主[37]，而雨水徑流中的顆粒物往往是各類污染的吸附體[38]，因此，針對顆粒物的凈化也有助于改善整體的水質。這也是凈化B池的各項污染指標相對A池都有顯著的降低。而此時凈化系統中的水生植物對凈化的貢獻一方面為自身吸收污染物質用于自身營養，另一方面其網狀根系為微生物提供了著生條件，為形成生物膜提供條件，進一步提高了系統凈化的效率。這為去除沉淀作用之外的有機污染、富營養污染提供了條件。此外，A池首先沉淀了雨水徑流中的大量顆粒物，減少了大量污染物，保障了B，C和D池植物和微生物的正常生長，使生物凈化效果得以保持，實現了沉淀與生物凈化合理、穩定、高效的結合方法。在凈化系統中，沉淀應被視為主要措施，因為其具有穩定、受環境擾動小的特點，而傳統生物凈化范圍廣、凈化徹底，可作為沉淀作用之后必要的高效補充。通過試驗證明，在常規季節條件下，二者的結合是一種凈化效果優良、實效性好的凈化方式，同時其組合具有實現難度低、管理維護容易、具備一定景觀效果的優點。

同一指標不同采樣月份的各級去除率具有一定的差異，但最終去除率卻呈現高效和穩定的特點。這與不同路面徑流污染特點，以及不同降水特征有關。具體表現為，在降水強度更大，單位時間徑流量更大的情況下，A池水體流動性也就越強，水力停留時間減小，沉淀效果降低，依此B、C、D池也將涌入更多的污染，造成多樣的水質變化趨勢。而最終水質均達到有效改善，證明了四級凈化能夠抵御一般情況下的水質變化并保持系統運行效果的穩定；其次，試驗中，C池NO2--N出現了凈化效率放緩的現象，可能由于C池內存在局部缺氧條件，因此，發生了一定程度的反硝化作用。在種植水生植物時，應當注意合理的種植密度以及分散程度，以避免造成密集的枝葉阻礙水氣的交換以及過度的植物好氧。

3.2 結論

(1)多級沉淀與生物凈化相結合的凈化模式具理想的去除率。COD、TN、NH4+-N、NO2--N和TP各污染指標平均總去除率分別為78.9%、83.7%、68.9%、79.0%和87.6%，去除效率高。

(2)凈化出水水質清潔。經最后一級凈化后的D池的水質基本達到地表環境水質量標準Ⅱ類以上水質標準，其中，總氮TN與亞硝酸氮NO2--N在C池時水質已可作為景觀水及綠地灌溉的水源。

(3)A、B池對TP具較高的去除效果，C、D池對COD、N類污染具有主要的去除效果。A、B池主要針對以沉淀為主的污染物，C、D池主要針對以生物凈化和吸附為主的污染物。

(4)沉淀作用與生物凈化作用表現并不獨立，具有相互作用，共同去污的特點。沉淀快速降低重度污染，為后續生物凈化維護較穩定的條件，而生物凈化則達到更徹底的凈化效果。

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