復(fù)合型人工濕地對(duì)水質(zhì)的凈化效果評(píng)估

江丹丹,孫甲玉,許 艷,韓 偉,劉友春,溫靜靜,張 游**,姜瑞雪*

1.山東省湖泊流域管理信息化工程技術(shù)研究中心,水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,山東 濟(jì)南 250100

2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院,山東 泰安 271018

3.山東碧魯環(huán)保科技有限公司,山東 泰安 271018

人工濕地處理技術(shù)主要利用土壤、人工介質(zhì)、植物及微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用對(duì)污水進(jìn)行處理[1]，應(yīng)用于水體原位凈化、污水廠出水優(yōu)化、海綿城市建設(shè)、水源水質(zhì)改善等方面[2,3]。根據(jù)水的徑流方式，人工濕地可以分為表流人工濕地、潛流人工濕地和立式人工濕地三種模式[4]。表面流人工濕地模仿自然濕地，污水在填料表面漫流，水力停留時(shí)間較長(zhǎng)，利用植物的葉片、莖及莖基部生物膜中的微生物來(lái)吸附、降解去除水中污染物[5]。潛流人工濕地主要由礫石、土壤、濕地植物和微生物組成生態(tài)處理系統(tǒng)[6]，污水經(jīng)配水系統(tǒng)分布流過(guò)填料床植物根區(qū)，通過(guò)生物膜或者植物根部降解水中污染物，具有良好的保溫性能，其處理效果受氣候影響小[7]。立式人工濕地綜合了表流濕地和潛流濕地特點(diǎn)，但由于其構(gòu)造要求高、衛(wèi)生條件差，沒有實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用[8]。人工浮島技術(shù)利用生態(tài)工學(xué)原理來(lái)降解水中COD、氮、磷的含量，可凈化水質(zhì)、提供生物環(huán)境、改善景觀，并且無(wú)需征地、維護(hù)及運(yùn)行費(fèi)用低，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益[9]。

在實(shí)際應(yīng)用中，單一類型的人工濕地由于水質(zhì)、水量以及設(shè)計(jì)等問(wèn)題，對(duì)污水的去除效果可能有所降低，而通過(guò)串聯(lián)不同類型的人工濕地，結(jié)合各個(gè)類型的優(yōu)點(diǎn)，能達(dá)到更好的處理效果[1]。通過(guò)結(jié)合表流濕地水力停留時(shí)間長(zhǎng)、具有較好的吸附沉淀功能，潛流濕地凈化能力強(qiáng)、處理效果受氣候影響小的優(yōu)點(diǎn)建設(shè)了該復(fù)合型人工濕地，并通過(guò)融合人工浮島進(jìn)一步優(yōu)化水質(zhì)凈化效果。

1 工程概況

山東水發(fā)賢達(dá)水務(wù)有限公司位于山東省濟(jì)寧市魚臺(tái)縣，水源為地表水，取水口位于惠河下游，入南四湖湖口上游1.4 km 處，無(wú)法滿足集中式生活飲用水地表水源地水質(zhì)要求（Ⅲ類），通過(guò)在取水口附近建設(shè)人工濕地對(duì)供水水質(zhì)進(jìn)行凈化。

1.1 濕地處理流程

該復(fù)合型人工濕地分為東、西兩個(gè)凈化區(qū)，原水由兩側(cè)進(jìn)入，經(jīng)多孔配水渠配水，依次流經(jīng)多級(jí)表流濕地，匯集至中間的潛流濕地進(jìn)行深度處理，出水經(jīng)泵站提升輸送至水廠。濕地內(nèi)設(shè)有人工生態(tài)浮島，選用聚乙烯板作為浮體材料。具體流程示意圖見圖1。

圖1 人工濕地流程示意圖Fig.1 Flow chart of constructed wetland

1.2 濕地植物

濕地凈化區(qū)種植水生植物主要包括挺水植物、沉水植物、浮葉植物，在植物選擇時(shí)充分考慮其長(zhǎng)勢(shì)、抗凍、抗熱能力，抗病蟲害能力，及對(duì)周圍環(huán)境的適應(yīng)能力[10]。

濕地淺水區(qū)種植挺水植物，以蘆葦為主，并輔以菰、香蒲，對(duì)濕地進(jìn)水起到截留、過(guò)濾和吸附有害物質(zhì)等作用。深水區(qū)種植金魚藻、黑藻、苦草、眼子菜等沉水植物，防止底泥懸浮，保持水體清澈，同時(shí)植入菱角、芡實(shí)和睡蓮等浮水植物，去除懸浮物和油類，阻攔垃圾和漂浮物。同時(shí)在濕地內(nèi)放養(yǎng)食藻類水生動(dòng)物（魚類、貝類等），去除水體中的浮游藻類。人工浮島種植美人蕉、黃菖蒲和千屈菜[11]。

2 運(yùn)行效果

每隔2 個(gè)月對(duì)濕地進(jìn)水、出水進(jìn)行一次現(xiàn)場(chǎng)采樣，對(duì)其pH 值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、氨氮（NH3+-N）、總磷（TP）、總氮（TN）6 項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析，評(píng)估該復(fù)合型人工濕地的實(shí)際處理效果。

2.1 水源水質(zhì)分析

2019 年6 月，首先對(duì)取水口水質(zhì)進(jìn)行了取樣檢測(cè)，按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）Ⅲ類對(duì)其水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了判定，結(jié)果見表1。

表1 水源水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析表Table 1 Analysis of monitoring results of source water quality

由表1 可以看出取水口水質(zhì)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)中，高錳酸鹽指數(shù)、總磷及總氮含量均超標(biāo)，不滿足集中式生活飲用水地表水源地水質(zhì)要求（Ⅲ類），有必要對(duì)其進(jìn)行凈化處理。

2.2 濕地運(yùn)行效果分析

2.2.1 東側(cè)凈化區(qū) 圖2 為復(fù)合型人工濕地東側(cè)凈化區(qū)pH 值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷及總氮6 項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果。

由圖2（a）可知，人工濕地東側(cè)進(jìn)水pH 值在水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)（6～9），經(jīng)濕地凈化后pH 值有所降低，表流及潛流濕地對(duì)pH 值均具有一定的調(diào)控作用。由圖2（b）可知，2019 年6、8 月份進(jìn)水的溶解氧含量不滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（>7.5 mg/L），經(jīng)濕地凈化后，出水中溶解氧含量均大于7.5 mg/L。由圖2（c）可知，高錳酸鹽指數(shù)在5 次監(jiān)測(cè)中出現(xiàn)4 次超標(biāo)，最高超標(biāo)倍數(shù)為0.58 倍，經(jīng)濕地凈化后可達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（<6 mg/L）。由圖2（d）可知，在5 次監(jiān)測(cè)中進(jìn)水氨氮含量均滿足Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（<1 mg/L），并保持在0.6 mg/L 以下，經(jīng)濕地凈化后出水中氨氮含量繼續(xù)降低，可達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（<0.5 mg/L）。圖2（e）為總磷指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果，由圖可知，東側(cè)進(jìn)水總磷含量在2019 年6、8、10 月份出現(xiàn)超標(biāo)，8 月份為劣V類水，污水流經(jīng)表流濕地后總磷仍高于Ⅲ類水體，經(jīng)潛流濕地深度處理后可達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（<0.2 mg/L）。

2.2.2 西側(cè)凈化區(qū) 圖3 為復(fù)合型濕地西側(cè)凈化區(qū)pH 值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷及總氮6 項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果。

圖3 西側(cè)凈化區(qū)水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果Fig.3 Water quality test results of western purification area

由圖3 可知，人工濕地西側(cè)進(jìn)水pH 值及溶解氧含量均在水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)，氨氮含量較穩(wěn)定，可達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。人工濕地西側(cè)進(jìn)水主要污染指標(biāo)包括高錳酸鹽指數(shù)、總磷及總氮。其中高錳酸鹽指數(shù)在5 次監(jiān)測(cè)中均高于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，總磷含量變化較大，出現(xiàn)4 次超標(biāo)，最大超標(biāo)倍數(shù)達(dá)1.7 倍，總氮含量在Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)上下浮動(dòng)，出現(xiàn)3 次超標(biāo)。污水流經(jīng)表流濕地后水質(zhì)被凈化，但高錳酸鹽指數(shù)、總磷及總氮仍存在超標(biāo)情況，經(jīng)潛流濕地進(jìn)一步凈化后出水可達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 污染物降解效果分析Fig.4 Analysis on degradation effect of pollutants

2.2.3 主要污染指標(biāo)降解效果 該復(fù)合型人工濕地東、西兩側(cè)進(jìn)水的主要污染指標(biāo)均為高錳酸鹽指數(shù)、總磷及總氮，圖4 為對(duì)主要污染物降解效果進(jìn)一步分析的結(jié)果。由于污染物降解受到水力負(fù)荷及溫度等因素的多重影響[12]，不同污染物的降解效率均存在一定的波動(dòng)。如圖4（a），高錳酸鹽指數(shù)降解率與進(jìn)水中污染濃度之間存在一定的正相關(guān)性，最高降解率為55.47%，2020 年3 月份降解率較低。如圖4（b），2019 年6-12 月份總磷去除效果較穩(wěn)定，降解率在40%以上，最高為75%，2020 年3月份進(jìn)水污染物濃度較低使得總磷降解效率降低。如圖4（c），2019 年6-12 月份總氮降解率與進(jìn)水中的含量呈現(xiàn)正相關(guān)，最高降解率為65.12%，2020 年3 月份進(jìn)水中總氮含量增加，但降解率降低。隨著人工濕地的運(yùn)行，其基質(zhì)中污染物含量日漸增多，好氧微生物的活性也會(huì)有所降低，使得有機(jī)物及氮的降解率降低[9]。因此需注意定期進(jìn)行維護(hù)以保證人工濕地系統(tǒng)長(zhǎng)期良好運(yùn)行。

3 結(jié)論

多級(jí)表流濕地+潛流濕地+人工浮島結(jié)合的水質(zhì)凈化系統(tǒng)雖然也受到氣溫、水力負(fù)荷等因素的影響，污染物降解效率有所波動(dòng)，但濕地最終出水中高錳酸鹽指數(shù)、總磷及總氮的含量均優(yōu)于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可滿足集中式飲用水水源地水質(zhì)要求。綜合來(lái)看，該復(fù)合型人工濕地運(yùn)行效果較好，對(duì)污染物的降解效率明顯優(yōu)于單一類型的人工濕地。