表面流人工濕地改善城市河道水質(zhì)的工程試驗

梅 菁，姚成雷，樊綠葉，龔金龍，李 馨

（1.昆山市質(zhì)量工程檢測中心，江蘇 昆山 215300；2.東南大學，江蘇 南京 211189）

0 引言

隨著城市建設的進行，城區(qū)河網(wǎng)水系被改造程度日益加強，原有河網(wǎng)的水生態(tài)平衡發(fā)生了較大改變，引發(fā)水資源短缺和水質(zhì)黑臭惡化等問題[1]。根據(jù)2017年《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》，位于城鎮(zhèn)附近、特別是城鄉(xiāng)接合部的河流、湖泊、溝渠、塘壩等的污染普遍較重[2]，雨污混接、水體流動性差等因素導致部分河流湖泊出現(xiàn)了季節(jié)性或常年性水體黑臭的現(xiàn)象[3]。在嚴峻的水污染形勢下，2015年《城市黑臭水體整治工作指南》中提出“到2020年，地級及以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10%以內(nèi)的目標[4]。國家“十三五”環(huán)境規(guī)劃提出，要綜合采用“滲、滯、蓄、凈、用、排”等措施，改變傳統(tǒng)人為干預的手段，采用生態(tài)手段恢復河道自凈能力與生態(tài)系統(tǒng)[5]。如今河道治理觀念已由單純的物化方法治水轉(zhuǎn)變?yōu)楹拥郎鷳B(tài)功能的修復，同時河道的建設理念也與城市的宜居性相結(jié)合[6]。

人工濕地是近年來常用于河道水質(zhì)提升的生態(tài)處理設施，對TP、氨氮、COD 等均有較好的去除效果[7]。近些年來人工濕地獲得了迅速的發(fā)展和應用，目前已成功應用于暴雨徑流、微污染水體、礦山廢水、養(yǎng)殖廢水、垃圾滲濾液的水質(zhì)凈化[8]。表面流人工濕地主要有雨水徑流調(diào)蓄[9]、削減面源污染、增加河道周邊生物多樣性[10]等功能，具有出水水質(zhì)好、脫氮除磷能力強、建設成本及運行成本低和運行管理方便等優(yōu)點,表面流人工濕地在河道水質(zhì)處理方面已有一定的成效。

目前，國內(nèi)黑臭河道治理方法研究已經(jīng)有了一定的理論積累，但對市區(qū)內(nèi)的黑臭河道治理研究還不全面，如何將治理河道與生態(tài)改善結(jié)合，達到長效治理的效果，是將來探究的重點，人工濕地處理污染河水的長期運行效果和受環(huán)境因素的影響規(guī)律有待深入研究。青淞河治理采用表面流人工濕地技術改善河道水質(zhì)，恢復河流生態(tài)平衡。本文評價了青淞河人工濕地對黑臭性河水中污染物的凈化效果，分析溫度、降雨等因素對表面流人工濕地運行的影響。為運用表面流人工濕地處理城市黑臭河道，恢復黑臭河道自然生態(tài)環(huán)境提供理論基礎和應用借鑒。

1 項目概況

1.1 基底條件

青淞河位于江蘇省蘇州市昆山高新區(qū)城南聯(lián)圩，北起佛塘江，南至吳淞江，長約960 m，平均面寬24 m，河道為南北走向，具體見圖1 。河道兩岸以工業(yè)區(qū)為主，河道兩岸共有16 家企業(yè)，主要污染來源是工廠廢水和附近居民區(qū)生活污水的排放。

2017年11 月河道斷面水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)表明，河水COD 質(zhì)量濃度均值為10.7 mg/L，TP 均值為0.94 mg/L，氨氮均值為10.17 mg/L，溶解氧均值為4.40 mg/L，依據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》屬于劣V 類水，存在輕度黑臭。青淞中心河與外厙生產(chǎn)河和佛塘江連通，這2 條河對青淞中心河的水質(zhì)有直接影響。河道斷面水質(zhì)檢測結(jié)果顯示TP 與氨氮2 個指標不同程度地超過V 類水標準。

表1 河道斷面水質(zhì)數(shù)據(jù) mg·L-1

1.2 濕地概況

青淞河人工濕地項目選址在河道北段，緊鄰青淞中心河與佛塘江。建設區(qū)分為東西2 個濕地，東濕地占地面積18 000 m2，西濕地占地面積約8 000 m2。

由圖1可以看出，東濕地處理區(qū)面積為14 000 m2，形狀為不規(guī)則的L 字型。濕地平均寬度約57 m，總長度約260 m，轉(zhuǎn)彎處按照水流的自然形態(tài)設計，避免出現(xiàn)滯留區(qū)。濕地最深處水深為2 m，平均水深1.3 m，停留時間為3 d，日處理量約6 000 m3/d。濕地內(nèi)分為進水區(qū)域，處理區(qū)域，出水區(qū)域3 部分，面積占比分別為30%，65%以及5%。其中西濕地處理區(qū)面積約6 000 m2，長約100 m，寬約60 m，平均水深1.8 m，停留時間為2.5 d，日處理量4 300 m3/d。2 塊濕地基質(zhì)均采用粗礫石+工程廢料作為濕地基底。

1.3 植物配置

結(jié)合河道水質(zhì)現(xiàn)狀，依據(jù)昆山市本地植物的種類，通過不同種類的植物群落配合，挺水植物、浮水植物、沉水植物的共同作用完成水質(zhì)凈化，同時設計部分大面積的開闊水域，有助于氨態(tài)氮的揮發(fā)與去除[11]。其中挺水植物主要包括蘆葦、美人蕉、菖蒲，沉水植物則主要包括金魚藻、黑藻、苦草等。沉水植物可去除水中有機物，抑制藻類生長，同時可提升濕地內(nèi)溶解氧含量，有利于促進微生物生理活動[12]。

濕地及河道周邊建設了約6 000 m2的綠化植物栽培區(qū)，于2018年春季栽培了花葉蘆竹、蘆葦、美人蕉、梭草等挺水植物，植物成活并形成一定的生物量。根據(jù)植物生長特性，對沉水植物栽培品種進行了設計和試驗栽培，在濕地的深水區(qū)栽種了苦草、穗狀狐尾藻等沉水植物。濕地周圍綠化區(qū)選用月見草，毛地黃，馬鞭草等具有綠化效應的植物，完善人工濕地的植物種類，增加人工濕地的生物量，同時也具有一定觀賞價值，美化城市景觀。

2 濕地運行效果

2.1 人工濕地凈化效能分析

該項目于2018年3月完工，4月正式投入運行。在試運行期間，對人工濕地與河道進行了為期9個月的水質(zhì)檢測，檢測頻率為每天1 次。

東、西濕地均運行穩(wěn)定。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，在運行0～60 d 時，水質(zhì)處理效果存在一定的波動，在運行60 d 后人工濕地的出水趨于穩(wěn)定。濕地運行后，河道TP、氨氮、COD濃度均顯著下降，出水水質(zhì)穩(wěn)定，平均去除率分別達到45.6%，60.4%，23.7%。

2.1.1 人工濕地對TP 的去除效果

濕地運行后TP 濃度變化見圖2。從圖2可以看出，在濕地運行初期TP 去除效果最佳，在運行30 d時，東、西2 塊濕地的去除率在50%～75%之間。在運行30～60 d 后，進水中TP 質(zhì)量濃度由0.35 mg/L降至0.15 mg/L 左右，河道水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)，人工濕地對TP 的去除率維持在在40%～50%。在濕地在運行60 d 后，進水與出水水質(zhì)接近，河道水質(zhì)已趨于穩(wěn)定，維持在0.10 mg/L 左右，此時人工濕地對TP 的去除率降至10%～20%。磷進入濕地后被濕地植被及基質(zhì)截留，主要通過植被的吸附及物理化學作用去除，少量的磷在微生物細胞合成中去除[13]。磷的去除主要依賴基質(zhì)吸附及植被的截留作用，2 塊濕地對磷的去除表現(xiàn)出相似的規(guī)律。磷去除率的下降一方面是由于人工濕地基質(zhì)磷吸附逐漸飽和，吸附效果變?nèi)酰涣硪环矫鎰t因為當進水磷濃度降低，濕地中基質(zhì)有可能會釋放之前吸附的磷，在植物的同化吸附等作用的共同影響下，到達吸附-釋放動態(tài)平衡的狀態(tài)。

圖2 人工濕地進出水TP 濃度及去除率

2.1.2 人工濕地對氨氮的去除效果

濕地運行后氨氮濃度變化見圖3。從圖3可以看出，東濕地對氨氮的平均去除率為60.4%，在運行60 d 后出水氨氮質(zhì)量濃度維持在0.1±0.05 mg/L；西濕地對氨氮的平均去除率則為47.3%，出水質(zhì)量濃度維持在0.17±0.09 mg/L。

圖3 人工濕地進出水氨氮濃度及去除率

結(jié)果表明2 塊濕地出水水質(zhì)均可達到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅱ類水標準，東濕地相比西濕地對氨氮的去除率更高，這是因為東濕地面積較大，植物量更多，植物根系更發(fā)達；同時水深比西濕地淺，水中溶解氧含量更高，可供硝化細菌進行硝化反應，因此對氨氮的去除效果更好。氨氮去除途徑包括基質(zhì)吸附作用和植物、微生物吸收作用[12]。微生物硝化作用對于去除氨氮具有顯著的作用，硝化須在有氧環(huán)境下進行，因此，具有較好富氧效果的表面流濕地能夠產(chǎn)生較顯著的氧化硝化作用。

至莽蕩山間，石壁侵天萬丈，入地騰竹縱橫。遙望松蘿，山崖斗(陡)暗，蟲狼離合，百鳥關關，思憶帝鄉(xiāng)，乃為歌曰：

2.1.3 人工濕地對COD 的去除效果

濕地運行后COD濃度變化見圖4。從圖4可以看出，運行穩(wěn)定后，東濕地的平均出水COD 質(zhì)量濃度為23.6 mg/L，平均去除率為24.6%；西濕地的平均出水COD 平均質(zhì)量濃度為18.33 mg/L，平均去除率為21.57%。2 塊濕地在運行初期COD 去除率較低，為5.88%～18.75%，在運行20 d 后濕地中的植物量增加，植物根系微生物也逐漸繁殖增加，此時去除率開始升高達到40%～60%。在60～100 d 時，去除率降低。此時去除率降低是由于此時河道水質(zhì)開始好轉(zhuǎn)，進水COD濃度下降，無法為微生物的生長提供足夠的碳源。

人工濕地進水中的有機物主要是非溶解態(tài)有機物和溶解態(tài)有機物2 大類。非溶解態(tài)有機物的去除機理與懸浮物類似，主要通過植物攔截、自然沉降、吸附、土壤過濾等作用除去；對于可溶解有機物，則主要通過植物同化和微生物的代謝作用除去[14]。

圖4 人工濕地進出水COD濃度及去除率

2.1.4 人工濕地對河道水質(zhì)的改善效果

2017年和2018年的河道水質(zhì)變化對比見圖5。從圖5可以看出，2017年5，8，10月份河道中主要水質(zhì)指標均有明顯升高，主要原因為河兩岸存在管道混接現(xiàn)象，未經(jīng)處理過的污水排入河道。人工濕地工程運行前，河道水質(zhì)波動較大，水質(zhì)處于輕度黑臭的狀態(tài)。人工濕地運行后，河道水質(zhì)明顯改善，COD質(zhì)量濃度由13.09±8.34 降至7.07±1.33 mg/L，氨氮質(zhì)量濃度由15.66 ± 0.92 降至0.84 ± 0.96 mg/L，TP質(zhì)量濃度由1.26±3.34 降至7.07±1.33 mg/L，表面流人工濕地去除污染物效果顯著，水質(zhì)波動也大幅減小。治理后達到地表水Ⅳ類水質(zhì)標準。結(jié)果表明該工程有效去除黑臭水體中的有機物、氨氮、TP 等污染物，改善水環(huán)境。

圖5 治理前后河道水質(zhì)變化

2.2 人工濕地運行穩(wěn)定性分析

青淞河東濕地與西濕地均為表面流人工濕地，水質(zhì)變化規(guī)律相似，選擇東濕地進行分析。

2.2.1 溫度對出水水質(zhì)的影響

人工濕地出水中污染物濃度見圖6。從圖6可以看出，TP 與溫度的相關性較弱，并沒有明顯的趨勢。由于磷的去除主要靠植物根系的攔截與基質(zhì)的吸附，因此在此濕地中沒有表現(xiàn)出明顯的相關性。

濕地出水氨氮濃度從2018年4月份到12月份，呈現(xiàn)出先減小、后增大的趨勢。整體趨勢為溫度越高，氨氮濃度越低。出水水質(zhì)整體波動較小，穩(wěn)定保持在Ⅳ類水。2018年6～10月份，出水氨氮質(zhì)量濃度較低，保持在0.12～0.59 mg/L 之間，均值0.30 mg/L；從11月份開始，氨氮濃度呈升高趨勢，這是由于11月份后氣溫較低，冬季植物處于休眠期，微生物代謝下降，致使氨氮去除率降低。

人工濕地出水COD濃度與氨氮有類似的規(guī)律，2018年4～12月份，呈現(xiàn)出先減小、后增大的趨勢。著溫度的增高，COD濃度呈現(xiàn)下降的趨勢。出水水質(zhì)良好，總體保持在Ⅳ類到V 類之間。出水COD 質(zhì)量濃度在4～7月期間呈現(xiàn)下降趨勢，最低降至18 mg/L（出現(xiàn)在7月）。8～9月出水COD 質(zhì)量濃度波動較大，從10月份開始，出水COD 質(zhì)量濃度有升高趨勢，但與6～9月出水相差不大，出水水質(zhì)主要在18～25 mg/L 之間。

圖6 不同溫度人工濕地出水污染物濃度

2.2.2 降雨對出水水質(zhì)的影響

昆山所在區(qū)域?qū)俦眮啛釒喜考撅L氣候區(qū)，多年平均氣溫為16.8 ℃，多年平均降雨量為1 149.3 mm。根據(jù)雨量記錄顯示，在2018年7～8月期間降雨次數(shù)多，且包含了小雨、中雨、大雨等降雨事件（小雨指24 h 降水量小于10 mm，中雨指24 h 降水量10～25 mm，大雨指24 h 降水量25～50 mm，暴雨指24 h 降水量大于50 mm），較為典型，因此選擇2018年7～8月的降雨數(shù)據(jù)及水質(zhì)變化進行分析。

小雨和中雨對人工濕地的影響顯著，TP、氨氮、COD 與降雨量關系見圖7～圖10。由圖7～圖10 可知，在7月24日～8月7日、8月16日～8月21日的小雨、中雨降雨期間，出水TP、氨氮、COD濃度均有不同程度的升高。這是由于降雨初期地面徑流污染物含量較高，會使人工濕地內(nèi)水質(zhì)指標濃度有短期內(nèi)的升高，小雨、中雨降雨量較小，將地面的污染物質(zhì)不斷帶入人工濕地后，沒有足夠雨量稀釋水體。

圖7 TP 濃度與降雨量關系

圖8 氨氮濃度與降雨量關系

圖9 COD濃度與降雨量關系

大雨及暴雨事件對人工濕地中的污染物濃度影響較大。從圖7～圖9可以看出，7月19日至7月22日的暴雨事件，在降雨后TP、氨氮、COD濃度均有下降。這是由于人工濕地內(nèi)水質(zhì)指標濃度有短期內(nèi)的升高，后期隨著降雨的進行，在降雨“稀釋”作用下，河道水質(zhì)趨好。因此在暴雨后水質(zhì)指標濃度均有不同程度的下降。

總體而言，降雨對人工濕地的水質(zhì)存在影響，小雨、中雨對人工濕地的影響較大，通常會使人工濕地出水水質(zhì)指標濃度升高，暴雨則相反。人工濕地的水質(zhì)雖受降雨量影響會有一定程度的波動，但出水水質(zhì)均在Ⅳ類到V 類之間，人工濕地有良好的抗雨水沖擊性能。

2.3 生態(tài)環(huán)境修復

在人工濕地未建成以前，河道兩岸主要為自然坡岸，由于周邊工廠建設，土壤裸露少有綠植覆蓋。在人工濕地建成后，大大增加了周邊植被的覆蓋度，對水土的保持，河道自凈能力的提高均有一定程度的改善，初步恢復了河道生態(tài)環(huán)境。濕地及河道豐富的水生動植物引來大量的水鳥棲息，成為節(jié)假日市民休憩場所。

3 結(jié)論

（1）青淞河黑臭水體治理工程運行監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，治理后河道水質(zhì)達到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》V 類水水質(zhì)標準。人工濕地濕地出水水質(zhì)基本穩(wěn)定，氣溫較高時，濕地出水COD 和氨氮濃度較低，出水TP 則與溫度變化不具有顯著相關性。

（2）降雨對河道水質(zhì)有一定影響，小雨、中雨會大幅提高河水污染物濃度，暴雨則對河水水質(zhì)具有提升作用。

（3）該工程可以有效去除河道中的污染物，提升河道水質(zhì)，恢復河道生態(tài)。該項目遵循了健康河道的運行規(guī)律，著眼于河道生態(tài)治理方法，處理效果穩(wěn)定，具有工程化應用推廣的可行性。