表面流人工濕地對微污染河水凈化效果評價

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(1.河北工程大學 水利水電學院，河北 邯鄲 056038； 2.元氏縣水務局，石家莊 051130)

0 引 言

永年洼濕地是繼白洋淀、衡水湖之后的華北第三大洼淀，為國家濕地公園試點單位，因其獨特的濕地生態景觀而有“北國小江南”之美稱，具有重要的生態功能和觀賞價值[1]。永年洼濕地的主要水源為滏陽河水，但滏陽河接納了沿程城鎮生活污水和工業排水，近年來水質較差，多種污染因子指標超標嚴重。其中，蓮花口、蘇里監測斷面常年為劣Ⅴ類水[2]，對濕地生態環境構成嚴重威脅，生態功能逐漸退化。因此，控制滏陽河水主要污染因子濃度，對改善河道水環境健康、促進永年洼自然濕地生態恢復具有很大的現實意義。

人工濕地具有高效率、低投資、低運轉費用等優點，是近年來發展較快的生態污水處理技術[3-4]。其中，表面流人工濕地因具有建設成本低、運行維護方便和水力條件好的特點，而被廣泛用于處理受污染的河流水和湖泊水等[5-7]。為改善永年洼退化濕地進水水質、實現濕地生態恢復，擬構建永年洼人工濕地示范工程處理滏陽河水，研究人工濕地出水改善退化濕地生態恢復關鍵技術。

本文以表面流人工濕地系統為研究對象，采用標準指數評價法，評價分析其水質凈化效果，考察表面流人工濕地對滏陽河水質凈化的可行性，從而為永年洼人工濕地示范工程的建設及運行提供技術支撐，為人工濕地出水改善退化濕地生態恢復關鍵技術研究奠定基礎。

1 表面流人工濕地概況

1.1 表面流人工濕地構建

表面流人工濕地系統建設于河北工程大學人工濕地試驗場，其實景圖及結構示意圖分別見圖1和圖2。

圖1 表面流人工濕地實景圖Fig.1 Surface Constructed wetland

圖2 表面流人工濕地結構示意圖Fig.2 Surface Constructed wetland sectional view

試驗池設計規模長80 m、寬4 m，深1.5 m，包括8個矩形磚混區域并植有不同的水生植物：配水區、空白區、蘆葦區1、荷花區1、蘆葦區2、荇菜+水芹菜區、荷花區2、香蒲區和集水池。系統前端設有配水區用以調蓄進水流量，由布水槽均勻布水，保證進入濕地的流量穩定；系統末端設有集水池，濕地出水通過落差跌落于集水池。構建人工濕地的植物均取自滏陽河兩岸河灘地；基質取自滏陽河沿岸的河沙，深度約為1 m，分為2層：底層為深約0.2 m的黏土、上層為深約0.8 m的壤土。

1.2 運行方式

濕地系統后續穩定運行階段植物長勢情況：空白區長有少量雜草和蘆葦；蘆葦和香蒲區長勢良好；荷花區荷花枯萎凋零，長滿雜草；荇菜+水芹菜區荇菜耐旱性較差，逐漸枯萎凋零，現狀為雜草、少量水芹和少量香蒲雜生。濕地床逐漸變為蘆葦香蒲床。

人工濕地中試系統距離滏陽河河道較遠，從滏陽河監測斷面直接引水不合理。為保證試驗用水與滏陽河水質一致，采用水罐車調取蓮花口斷面河水至試驗場蓄水池，再用帶濾網的水泵把河水從蓄水池抽至配水區。人工濕地在水力停留時間0.16～1.84 d、水力負荷0.17～2.39 m3/(m2·d-1)的工況下運行，平均水位維持在基質表面以上0.3 m。

工藝流程為河水從配水區通過多孔透水性磚依次流入蘆葦區1、蘆葦區2、雜草區1、蘆葦區3、雜草區2、雜草區3和香蒲區，最后流入集水池，集水池設有至配水區的回流管道，構成一個可控制循環系統。

2 濕地系統水質凈化效果評價

2.1 評價方法

本文采用標準指數評價法[8]。該評價方法簡便易行，可以清晰直觀地了解水質質量與所選評價標準之間的關系、監測斷面沿程水質變化狀況及污染最突出的水質指標。依據表面流人工濕地運行監測數據，采用標準指數評價法對濕地系統水質凈化效果進行評價，了解濕地沿程凈化情況及主要污染因子，從而為永年洼人工濕地示范工程的建設及運行提供指導參考。

1) 水質參數i在j點的標準指數Sij公式：

(1)

式中：Sij為水質參數i在j點的標準指數；Cij為水質參數i在j點的濃度值，mg/L；Csi為水質參數i點的標準值，mg/L。

2) pH值的標準指數：

(2)

(3)

3) DO的標準指數：

(4)

(5)

式中：SDOj為溶解氧在j點的標準指數；DOij為溶解氧在j點的濃度值，mg/L；DOs為溶解氧地面水水質標準值，mg/L；DOf為飽和溶解氧濃度，mg/L。

2.2 評價模型應用

1) 評價標準。依據永年洼人工濕地示范工程出水水質優于Ⅳ類水(參照《地表水環境質量》GB3838-2002)相關要求)考核指標要求，本文評價標準采用《地表水環境質量》(GB 3838-2002)Ⅳ類水質標準。鑒于近兩年滏陽河蘇里和蓮花口斷面水質典型污染物主要為NH3-N和CODMn，超標倍數范圍分別為3～6倍和1～3倍，所以本水質評價體系指標選取pH、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)和高錳酸鹽指數(CODMn)5個指標，其對應的Ⅳ類水質標準代表值見表1。

表1 地表水評價標準代表值Table 1 Surface water evaluation standard representative value

2) 監測數據。于2017年7月份進行現場取水樣監測，pH值利用便攜儀器現場檢測，其他指標于實驗室2小時內檢測完畢，具體檢測方法參照《水和廢水監測分析方法》(第四版)國際方法[8]。沿程取樣點劃分為8個斷面節點，其中將配水池作為沿程第1個取樣點，其檢測結果作為進水水質。取各指標每天8個斷面節點濃度的平均值為本日濃度日均值，濕地出水各指標濃度日均值見表2。取各斷面6日濃度的平均值為該斷面節點濃度均值，濕地沿程各指標濃度變化值見表3。

表2 濕地出水各指標濃度日均值監測結果Table 2 Daily average monitoring results of various indicators of wetland effluent

表3 濕地沿程各指標監測結果Table 3 Monitoring results of various indicators along the wetland

2.3 評價結果分析

將表2和表3的檢測數據分別代入上述公式，得到濕地出水各指標濃度日均值單因子評價指數和濕地沿程各指標單因子評價指數，見表4和表5。對表各項指標的單因子評價指數進行分析，水質指標的單因子評價指數計算結果小于1，說明水質達標，結果大于1則為水質超標。

表4 濕地出水各指標濃度日均值單因子評價指數Table 4 Wetland effluent concentration index daily average single factor evaluation index

表5 濕地沿程各指標單因子評價指數Table 5 Single factor evaluation index for each indicator along the wetland

綜合表4和表5可知，經過濕地凈化5天后，濕地出水pH、TP、NH3-N和CODMn單因子評價指數均小于1，達到Ⅳ類水質標準。其中，TP和NH3-N基本在凈化1天后即可達到Ⅳ類水質標準；TN在這5天凈化過程中，單因子評價指數都大于1，超標倍數范圍為2～6，超標最大點為3監測斷面，在凈化過程中隨著水流向前推進呈先上升再下降的趨勢。濕地出水未完全達到永年洼近自然濕地示范區出水Ⅳ類水質標準的考核指標要求，因此永年洼近自然濕地示范區在建設規劃時需進一步采取相關措施，加大濕地對總氮污染因子的控制與治理，提高污染物的去除效能。

濕地出水pH、TP、NH3-N和CODMn指標都達到了Ⅳ類水質標準，初始濃度下TP累積去除率達到74.19%，NH3-N累積去除率達到87.82%，CODMn累積去除率為38.73%；TN由8.987 mg/L下降至3.271 mg/L，去除率63.60%?？偟膩碚f，經過表面流人工濕地5天的凈化，濕地出水各指標(pH除外)單因子評價指數在濕地凈化過程中隨著凈化時間的推移基本呈下降趨勢，說明表面流人工濕地對滏陽河多種污染物的綜合治理起到較好的凈化效果，水質均有明顯的好轉。

3 結 論

1) 基于表面流人工濕地系統運行監測數據，采用綜合評價法，構建表面流人工濕地水質凈化綜合評價指標體系。

2) 通過對表面流人工濕地凈化滏陽河水體效果評價分析，結果表明pH、TP、NH3-N和CODMn指標都滿足Ⅳ類水質標準要求，TN是主要超標因子，濕地出水未完全達到永年洼人工濕地示范工程Ⅳ類水質標準考核指標要求。因此，示范工程的規劃建設應針對來水總氮污染因子超標嚴重情況，仍需要進一步采取措施提高污染物的去除效能。

3) 濕地出水各指標(pH除外)單因子評價指數在濕地凈化過程中隨著凈化時間的推移基本都呈下降趨勢，該濕地系統對滏陽河水主要污染物去除率符合《人工濕地污水處理技術規范》(HJ 2005-2010)中表面流人工濕地相應的要求，對主要污染物發揮出良好的去除效能，對滏陽河水的凈化效果初步顯示出一定的技術可行性，為永年洼人工濕地示范工程的建設及運行提供技術支撐。