黑土洼人工濕地水質優化運用方案運用效果分析

焦利民　趙振國

【摘要】針對官廳水庫黑土洼人工濕地水質優化運用方案的運行，從濕地系統水化學指標變化、出水水質兩個方面對不同凈化區總體運用效果對比分析。結果表明，根據對2008—2009年永定河八號橋水質資料分析，該方案的運行對官廳水庫水質凈化效果顯著，三個凈化區對BOD5、NH4-N去除率最為顯著，基本上達到80%—90%以上，對NO3-N、T-N去除率為65%-75%左右，對CODMn、SS去除率最差，去除率為40%-60%左右。

【關鍵詞】黑土洼；人工濕地；去除率；化學指標；

人工濕地是三個相互依存要素的組合體，即土壤、植物和微生物，生殖在土壤層中的微生物（細菌和真菌）在有機物的去除中起主要作用，濕地植物的根系將氧氣帶入周圍的土壤，但遠離根部的環境處于厭氧，形成處理環境的變化帶，這就加強了人工濕地去除復雜污染物和難處理污染物的能力。大部分有機物的去除是靠土壤微生物，但某些污染物如重金屬、硫、磷等可通過土壤、植物作用降低濃度。

1、項目區概況及工程布置

1.1 項目區概述

黑土洼人工濕地系統示范工程為中德合作項目，為永定河流域水生態環境綜合治理關鍵技術研究與示范的關鍵工程之一。項目旨在通過示范作用，為北方地區濕地構建運行管理提供有益參考。黑土洼溝位于永定河入官廳水庫河口的東北側，與現狀永定河主河道走向基本平行，距永定河不到1Km，最窄處不到400m。黑土洼溝長約2.5Km。寬約400-500m，最大水深有9m（以476.0m水面計）。淺水區以苦草為主，水上部分因人為作用及風浪沖刷，沙土裸露。黑土洼溝兩側岸邊因坍塌形成陡坎。坎底高程約475.5m。

1.2 工程布置

黑土洼人工濕地主要由黑土洼穩定塘系統、人工濕地和監測系統三部分組成，黑土洼穩定塘系統主要利用由溢流壩圍成的水體來沉淀和初步凈化永定河高濃度來水。黑土洼溝是理想的濕地沉沙池和氧化塘，可以作為官廳水庫天然的前置水庫。根據水質凈化工程原理，在穩定塘中增設了以下內容：1.在溝首布設分流堤，使永定河引水暗函出水均勻進入穩定塘。2.在穩定塘中部利用柔性隔墻把塘分為沉砂區（前置庫）和凈化區，前置水庫主要作用是沉砂，水流從柔性隔墻頂部過流。3.在穩定塘右側岸濱挺水植物帶6.84萬m2，其余部分自然形成沉水植物帶，在前置水庫中部浮水植物帶2.52萬m2。其工藝流程為：主配水池→布水暗渠→挺水植物塘→一級植物碎石床→水生生物塘→二級植物碎石床→沙慮池→退水管。

人工濕地為本工程的主要部分，位于月亮島南側水庫灘地上，通過圍堤與水庫隔離，工程建設人工濕地110畝，由4m寬主干道和橫向布水暗渠將濕地分割成兩排四區，四周由圍堤于水庫相隔，堤頂高程478.0m，頂寬5m，堤頂設3m寬碎石車道。

示范工程濕地系統以濕地單位為最小單位，其中中方試驗區各濕地單元并聯，由排水暗渠統一布水；德方試驗區各濕地單元既可并聯也可串聯，由管道統一布水。各濕地單元處理后的尾水由退水明渠集水并經埋于圍堤底部的暗管外排進入堤外水塘，再經由縱向明渠排入官廳水庫。

試驗監測系統包括常規監測和特定項目監測，常規監測主要針對濕地系統中需要長期監測的水質、水量、生物指標等項目，通過規劃設計，使監測規范化、系列化，為試驗數據分析提供可靠依據。監測的化學指標主要包括：CODMn、BOD5、TN、NH4-N、NO3-N、TP、O-PO4、SS、水溫、DO、PH值、電導率、透明度，每次31個水樣。化學指標以及對應流量和葉綠素A監測頻率相同，每月2-4次；浮游植物每月1次，底棲動物為每年2次，沉水、挺水植物調查為每年1次。

2、運用效果分析

2.1 不同凈化區沿程水化學指標變化

2.1.1 Ⅰ區濕地單元沿程水化學指標變化

根據2009年3月24日至2009年6月11日Ⅰ區濕地單元水質監測資料分析，該時間段為濕地系統從低溫運行至常溫運行的過渡期，為了反映該時間段Ⅰ區濕地單元沿程凈化效果，對3月～6月所監測的5次數據進行了分析處理，圖2-1～圖2-6為Ⅰ區濕地單元水化學指標沿程變化。

由圖2-1～2-6可以看出，Ⅰ區濕地單元對BOD5具有較好的凈化效果，濕地單元內BOD5沿層消減，整體去除率達到87%，其中挺水植物塘以及一級植物碎石床去除率最為顯著，兩級去除率達到75%，由于前兩級去除率較高，因此，水生植物塘和二級植物碎石床去除率相對則較低。經過凈化后水質BOD5平均達到Ⅱ～Ⅲ類水質標準；對NH4-N具有良好的破解效果，總去除率可達80%，其中一級植物碎石床去除率最大，可達65%。系統出水優于地表Ⅲ類水質標準；對NO3-N起到了逐步消減的效果，總體消減率為50%，一級植物碎石床去除率最大。對T-N去除能力較強，總去除率可達61%，其中一級植物碎石床去除率最大，可達50%，系統出水優于地表Ⅲ類水質標準；對CODMn也起到了一定的消減效果，總體消減率為48%，其中挺水植物塘和水生植物塘去除率最大，水質處理后基本上達到Ⅱ～Ⅲ類標準；對SS總去除率可達67%，其中挺水植物塘和一級植物碎石床去除率較大，兩級去除率可達50%。

2.1.2 Ⅱ區濕地單元沿程水化學指標變

根據Ⅱ區濕地單元水質監測資料分析，研究濕地單元沿程水化學指標變化，圖2-7～圖2-12為Ⅱ區濕地單元水化學指標沿程變化。由圖可得：對BOD5的整體去除率可達82%，其中挺水塘去除率最為顯著，去除率達到50%，經過凈化后水質BOD5平均達到Ⅱ～Ⅲ類水質標準。對NH4-N具有良好的硝解效果，總去除率達到67%，系統出水優于地表Ⅲ類水質標準，其中二級植物碎石床去除率最大，可達40%；對NO3-N起到逐步消減的效果，總體消減率達到41%，一級碎石床去除率最大；對T-N的總去除率可達54%，系統出水優于地表Ⅲ類水質標準，其中一級植物碎石床去除率最大，達40%；對CODMn總體消減率為41%，其中一級植物碎石床和二級植物碎石床去除率最大，水質處理后基本上能達到Ⅱ～Ⅲ類標準；對SS的去除能力較強，總去除率達67%，其中挺水植物塘和一級植物碎石床去除率較大，兩級去除率可達50%。

2.1.3 Ⅲ區濕地單元沿程水化學指標變化

根據Ⅲ區濕地單元水質監測資料分析，研究濕地單元沿程水化學指標變化，圖2-13～圖2-18為Ⅲ區濕地單元水化學指標沿程變化。

由圖可得：對BOD5的整體去除率達到75%，經過凈化后水質BOD5平均達到Ⅱ～Ⅲ類水質標準；對NH4-N具有良好的硝解效果，總去除率可達52%，系統出水優于地表Ⅲ類水質標準，其中挺水植物塘和二級植物碎石床去除率較大；對NO3-N起到一定的削減效果，總體削減率為40%，一級植物碎石床去除率最大；對T-N去除能力較強，總去除率可達47%，其中一級植物碎石床去除率最大，可達35%；濕地單元內CODMn沿程逐步削減，總體削減率為32%，其中一級植物碎石床去除率較大，水質處理后基本上能達到Ⅱ類～Ⅲ類標準。系統對SS去除能力較強，總去除率可達78%，其中挺水植物塘和水生生物塘去除率較大。

2.2 不同凈化區出水水質對比分析

為了綜合對比分析三個不同凈化區水質凈化效果，對三個凈化區的出水水質進行了對比分析，表2-1為不同凈化區出水水質對比表，圖2-19為三個不同凈化區各項水質比較，圖2-20為三個不同凈化區各項水質指標去除率對比：

根據圖2-19中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個凈化區進水濃度和出水濃度的整體比較來看，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個凈化區整體水化學指標去除效果相似，略有差別，但差別不大，各項指標去除效果較為明顯，并且也反映了三個區都具有進一步凈化水質的潛力；進水濃度基本上屬于Ⅳ～Ⅴ類水，出水濃度均可達到Ⅲ類水質標準。

根據圖2-20三個不同凈化區去除率效果分析，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區BOD5的去除率分別為87.1%、81.7%、75%，可見BOD5的去除率排序為：Ⅰ區>Ⅱ區>Ⅲ區，其它水質指標NH4-N、NO3-N、T-N、CODMn的去除率排序與BOD5的去除率排序同樣，Ⅰ區>Ⅱ區>Ⅲ區，但去除率差別不大；但SS去除率，Ⅲ區相對Ⅰ區和Ⅱ區具有較高的去除率，為58.3%，而Ⅰ區和Ⅱ區則為36.3%。

綜合分析三個不同凈化區對各項水質指標去除效果，可以發現三個凈化區對BOD5、NH4-N去除率最為顯著，基本上可達到80%～90%以上；對NO3-N、T-N相對較差，去除率為65%～75%左右；對CODMn和SS去除率最差，去除率為40%～60%左右。

3、結語

（1）黑土洼人工濕地系統屬人工濕地水質凈化系統，作為一項示范工程，為北方地區建設人工濕地系統以處理污水體提供了關鍵技術。

（2）黑土洼人工濕地在一定程度上對官廳水庫的污水起到了一定的凈化作用。根據對黑土洼人工濕地運行效果分析顯示，經過黑土洼人工濕地凈化后，水質均能夠達到Ⅲ標準。

（3）由于水中TN，NH3-N和有機污染物的濃度較高，經過黑土洼人工濕地系統凈化后，起到了一定程度的降解作用，但仍是濕地系統出水中的主要污染物，所以如何提高TN，NH3-N和有機污染物的去除率，減少水質的富營養化，需要做進一步研究。

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作者簡介：

焦利民（1995-），男，山東東平人，在讀本科生，水利水電工程專業，華北水利水電大學水利學院，450045。

通訊作者：趙振國（1978-），男，遼寧沈陽人，博士研究生，講師，主要從事灌區水資源與水環境方面的研究。