北運河城區段水生植物水質凈化效果研究

劉晨陽，李紹飛，董立新，余 萍，孫書洪

(1.天津農學院水利工程學院，天津 300384；2.天津市水利科學研究院，天津 300061)

北運河貫穿京津冀，于天津大紅橋匯入海河，河道長度186 km(天津境內長度89.8 km)，流域面積6 166 km2。由于城區段容納沿線多個污水處理廠的出水排放，水流滯緩、河岸硬化，存在著河道自凈能力不足、水體水質不能穩定達標的問題。北運河的水質改善及生態景觀修復一直是海河流域水環境改善的重點，后續即將建設水質凈化示范工程。目前，生物生態修復技術是河道水質凈化的主要手段，水生植物在治理水體富營養化中可以發揮極大的作用。楊帆[1]等通過靜水試驗對比研究了10種水生植物對河道水體的凈化效果；溫奮翔[2]、朱術超[3]等通過試驗得出，植物浮床對河道水體具有較好的脫氮除磷效果。但是，在實際的水體污染治理應用中，需要根據具體的河道水質指標、水文要素及斷面資料，篩選植物種類、以適宜的密度布設浮床，才能達到有效去除水體中的氨氮、總磷、COD等污染物的目的，并且經濟可行、易于維護。

本文分析北運河城區段河道水質的變化規律，設計水槽模擬緩滯型河道水流，開展動水條件下挺水植物對北運河原水的凈化效果試驗，篩選優勢植物，測試不同覆蓋比例、不同水力停留時間下優勢植物對氨氮、總磷和COD的去除率，為后續研發適用于北運河水質凈化的立體生物集成技術、建設示范工程提供數據支持。

1 北運河武清城區段水質變化規律

選取北運河武清城區段的武清第七污水處理廠排污口至下游1 100 m范圍為研究河段(見圖1)。該河段容納了武清七污(日排放量0.55 萬t)和武清二污(日排放量3.0 萬t)的排放出水，結合河道現場實際情況及水流特征，以武清第七污水處理廠排污口為0+000樁號，選取0+000斷面、0+250斷面、0+800斷面和1+000斷面作為四個采樣點，監測第七污水廠排污口的水質變化情況，以及受上游污水廠排水匯入的影響下示范河道水質變化情況。自2018年9月至2019年12月，采樣監測4個斷面的氨氮、總磷和COD等水質指標，以及水溫、水位及流速等數據，分析河道水質在時間上、空間上的變化規律。

圖1 研究河段及取樣點分布Fig.1 Study the distribution of river reach and sampling points

4個取樣點連續16個月的氨氮、總磷和COD污染物的濃度變化，如圖2所示。

圖2 研究河段污染物濃度時空變化Fig.2 Temporal and spatial variation of pollutants concentration in study river

圖2(a)中，4個取樣點的氨氮值變化介于0.3～2.2 mg/L，除汛期外的大部分時間均能達到地表V類水標準(地表水Ⅴ類標準值2 mg/L)。汛期7、8月份，氨氮濃度達到全年的峰值，4個取樣點的氨氮濃度均出現了超標現象。汛期的取樣均是在降雨過后進行，因此，降雨徑流對河段水體中氨氮濃度影響很大，引起水質超標。冬季的11月到轉年1月份，4個采樣點的氨氮濃度會都有所升高，但未超標。其他時段，研究河段的氨氮濃度變化不大，數值相對平穩，保持在1.5 mg/L以下。在空間上，在同一時間取樣點1的氨氮濃度最低，其他3個取樣點濃度基本一致，這是由于取樣點1處的出水主要是七污的排水，基本不受上游來水的影響。七污排污口的出水中氨氮濃度達到了《天津市城鎮污水處理廠水污染物排放標準》一級A的水平，在汛期也能夠將出水中的氨氮指標控制得很好。而其他3個采樣點，由于河段的上游來水受降雨徑流匯入的影響，氮磷等污染物濃度大幅增長，所以研究河段的另外3個采樣點的氨氮濃度明顯增高。

圖2(b)所示，研究河段中4個采樣點的總磷濃度介于0.04～0.6 mg/L，在汛期有明顯超標情況發生。在時間上，在汛期7、8月份時，各取樣點總磷濃度明顯超標(地表水Ⅴ類標準值0.4 mg/L)，最大值接近0.6 mg/L。七污的室外除磷工藝受降雨影響，出水后1號采樣點總磷濃度升高；其他3個采樣點，由于上游來水受降雨徑流匯入影響，總磷濃度增幅明顯，最高超標50%。因此，降雨徑流對河道水體中總磷濃度影響很大，是河道水質不達標的主要影響因素。在空間上，除汛期外，同一時間4個取樣點總磷濃度基本一致；在汛期，8月份取樣點1的總磷濃度低于其他3個采樣點，但也超過地表水5類標準，這是由于取樣點1處的出水主要是七污的排水，基本不受上游來水的影響，而其他3個采樣點，受雨后降雨徑流匯入的影響，總磷濃度更高。

圖2(c)所示為4個取樣點處COD的濃度監測圖，研究河段中的COD濃度位于15～42 mg/L(地表水Ⅴ類標準值40 mg/L)。相比氨氮和總磷，4個采樣點的COD濃度變化規律不太明顯。除采樣點一以外，其他3個采樣點都是汛期濃度較高2、3月濃度較低。在時間上、除2、3月份外，采樣點2、3、4的COD濃度值都較接近或高于標準值，說明水體中有機物濃度較高，河道水體富營養化情況較嚴重。在空間上，大致規律為自排污口斷面向下游COD濃度逐漸遞增，在出口斷面處最高。

根據以上監測數據可知，北運河武清城區段水質在時間上的規律：汛期的7、8、9月份以及冬季的11、12、1月份，河道的水質相對較差，氨氮、總磷和COD濃度都有不同程度的升高，其他月份水質平穩，能夠達標；在空間上，采樣點1監測武清七污排水的水質，不受河道上游來水的影響，而其他3個采樣點受上游來水的影響，在汛期降雨過后，氨氮和總磷濃度明顯升高，通常高于采樣點1。

2 水生植物水質凈化試驗設計

2018年3月20日開始，購買了鳶尾、水蔥、菖蒲，千屈菜和蘆葦等5種北方常見得挺水植物幼苗，在水池中進行育苗培養，2個月后株高達到成熟高度后，選取長勢較好、適應性較強的鳶尾和水蔥測試水質凈化效果。

2.1 試驗水槽

根據北運河城區段的斷面尺寸、水力停留時間，設計有機玻璃材質的模擬北運河城區段的試驗水槽，尺寸為148 cm×33 cm×50 cm，見圖3。水槽包括4部分：進水區、穩流區、試驗區和循環區。左側為循環區，底部放置潛水泵，箱體旁側設有循環水管，啟動水泵實現槽內的水流循環。中間區域為試驗區，尺寸為100 cm×33 cm×50 cm，模擬北運河城區段的緩滯型流場，放置植物進行凈化效果試驗。右側為進水區和穩流區，二者之間設有跌水擋板，啟動潛水泵，進水區水位升高，通過跌水溢流至穩流區，再通過試驗區兩側的多孔穩流板，使得試驗區的水流狀態和溶解氧水平與實際河段接近。

1-循環區；2-試驗區；3-穩流區；4-進水區；5-多孔穩流板；6-跌水擋板；7-小型潛水泵圖3 模擬北運河水流的水槽示意圖Fig.3 Sketch map of the flume simulating flow in Beiyunhe River

利用水槽可模擬研究河段正常流速(流速受下游新老米店閘控制，一般情況下流速小于0.05 m/s)下的水力停留時間，以此來計算植物浮床最適宜的鋪設長度L，又可去除其他干擾因素的影響，能夠準確測試植物對水體中的氨氮、TP、COD的去除效果，數據更為準確合理。

2.2 試驗方法

2019年6月，水蔥和鳶尾在室外自然條件下長勢良好，鳶尾株高20 cm左右，水蔥株高50 cm左右，株高已達到成熟高度，開始進行水質凈化試驗。試驗前用蒸餾水洗凈根部備用。

本試驗共設置5組處理組，每組試驗開始前，水槽中先加入標準水量(100 L)的北運河河道原水，然后再放入各植物并固定好，運行周期均為7 d，每日上午10時在水槽試驗區取一次水樣，測定所取水樣中的氨氮，總磷和COD等水質指標。實驗過程中觀察水槽中水分蒸發情況，及時添加蒸餾水保證在取水樣時水量至標準水量(100 L)。在取水樣的同時，量測水體相應的溶解氧和水溫。每組處理的工況如表1所示。

表1 不同處理工況Tab.1 Different treatment conditions

試驗照片見圖4。

圖4 水生植物凈化水質試驗照片Fig.4 Pictures of water purification test by aquatic plants

試驗水體中氨氮濃度采用納氏試劑分光光度法測定；總磷濃度采用鉬酸銨分光光度法測定；COD濃度采用重鉻酸鉀消解法測定；溶解氧、溫度均采用哈希便捷式多功能測量儀的探頭測定；水槽中的流速用流速儀通過測取試驗區前中后3點流速取平均值(0.02 m/s)。

3 試驗結果分析

3.1 不同處理下水質指標監測結果

試驗自2018年6月1日開始，每組處理的試驗周期為7 d，試驗期間水溫保持在22～25 ℃之間，溶解氧維持在6～8 mg/L。表2、3、4為5個處理在試驗期間每天監測的氨氮、總磷和COD濃度值。

由表2～表4中數據可以看出，兩種挺水植物對氨氮、總磷和COD污染物都表現出很好的凈化效果，除空白試驗外，不同處理下7 d后兩種挺水植物對氨氮、總磷和COD濃度的去除率均能達到78%、95%和92%，說明兩種挺水植物在水體富營養化治理中均有顯著作用。

表2 不同處理下氨氮濃度變化表 mg/LTab.2 Table of ammonia nitrogen concentration changes under different treatments

表3 不同處理下總磷濃度變化表 mg/LTab.3 Table of total phosphorus concentration changes under different treatments

表4 不同處理下COD濃度變化表 mg/LTab.4 Table of COD concentration changes under different treatments

3.2 北運河水質凈化的優勢植物種類篩選

對比表2～表4中C2組與C3組的數據可知，在覆蓋面積比例均為67%的情況下，水蔥對河道水體的凈化效果要較好于鳶尾。1 d內兩種植物對氨氮、總磷和COD污染物的去除率，見表5。

表5 不同植物24 h對各污染物的去除率Tab.5 The removal rate of pollutants by different plants for 24 h

由表5數據可知，在覆蓋面積比例為67%、水力停留時間1 d的情況下，水蔥對污染物氨氮、總磷、COD的去除率分別為63%、88.9%、76.5%，鳶尾分別為57.6%、78%、65.8%。水蔥比鳶尾分別高出5.4%、10.9%、10.7%。北運河城區段河道的水力停留時間低于24 h，水蔥相對更適合作為凈化河道水質的優勢植物。

3.3 水蔥在不同覆蓋比例、不同水力停留時間下的水質凈化效果

對比優勢植物水蔥覆蓋面積比例分別為25%、50%和67%情況下，在水力停留時間為1～7 d時，對氨氮、總磷和COD的去除率，見圖5。

圖5(a)、(b)可以看出3種覆蓋面積比例下，水蔥對水體中氨氮、總磷均有明顯的去除效果。第4 d時，不同覆蓋面積比例下氨氮的去除率基本接近，均能達到70%以上；對總磷的去除率也很接近，均達到90%以上。水力停留時間超過4 d以后，去除率基本不再增加。3種覆蓋比例對氨氮和總磷凈化效果的差別主要在于前4 d的表現不同：第2 d，25%、50%、67%覆蓋比例下，氨氮的去除率分別為38.6%、57.6%、65.4%；總磷的去除率分別為57.9%、80%、88.9%，可見，覆蓋面積比例越高，去除效果越好，但在實際應用時還要綜合要考慮造價和經濟的因素來選擇覆蓋面積比例；水力停留時間為2～4 d時，氨氮的去除率分別為32.5%、21.2%、13.6%；總磷的去除率分別為31.6%、10%、5.5%，此時，25%覆蓋比例下去除率最高。

圖5 不同覆蓋面積比例下水蔥對各污染物的去除率Fig.5 The removal rates of pollutants by scirpus with different coverage ratios

圖5(c)可看出，3種不同覆蓋比例對COD的去除率表現出相同的規律：第2 d去除率較高，隨后出現反彈，第4 d之后開始穩定去除，到第7 d時，去除率均能達到92%以上。COD濃度呈現上述變化規律，是由于水體COD的去除主要通過厭氧微生物群的降解作用實現的，試驗開始時COD濃度的降低是因為植物根部的吸附作用，而當厭氧微生物生長繁殖穩定后又釋放出來，水體中COD濃度增高，之后厭氧微生物穩定降解，COD濃度一直下降。

3種覆蓋比例對COD去除效果在前3 d的表現有較大差異，水力停留時間為2 d時，25%、50%、67%覆蓋面積比例下，對COD的去除率分別為43.2%、65.8%、76.5%，去除率隨覆蓋面積比例的增加而增加；水力停留時間為1～2 d時，COD濃度不降反增，前兩種覆蓋比例下增幅為5%左右，而67%覆蓋比例下增幅高達17.7%；水力停留時間為3～5 d時，去除率分別為35.2%、18.4%、26.5%；水力停留時間1～5 d時，25%覆蓋面積比例下表現優秀。

此外，空白試驗中，水槽中水體模擬北運河原水的流動狀態，隨著水力停留時間的延長，氨氮、總磷和COD也有一定的去除效果。這是因為北運河原水中的微生物及懸浮，對氨氮和COD具有硝化作用，對總磷具有一定的沉淀、固結、吸附作用，體現了水體的自凈功能。

3.4 水力停留時間低于24 h的水質凈化效果

參考上述試驗結果，在北運河后續將開展的立體生物技術示范工程中，綜合考慮水質凈化效果和工程造價，水蔥25%的覆蓋面積比例是比較適宜的處理工況。

為了更好地為后續示范工程提供基礎試驗數據，結合北運河不同調度方案下的河水流速小、河道水力停留時間短的特點，進一步設計了低于24 h的水力停留時間下，25%覆蓋面積比例的水蔥對北運河水體中氨氮、總磷和COD去除效果的試驗。試驗周期為24 h，每4 h取一次水樣監測氨氮、總磷和COD濃度。數據見圖6。

圖6 水蔥對北運河水質的凈化效果(覆蓋面積比例25%、水力停留時間24 h)Fig.6 Beiyunhe river water purification effect by scirpus(25% coverage area ratio,hydraulic retention time 24 h)

圖6表明，0～24 h之間，25%覆蓋面積比例的水蔥對氨氮、總磷和COD三項指標的去除率基本都呈線性變化，水力負荷參數分別為0.49、0.15、17 mg/(L·d)，去除率隨著水力停留時間的增加，呈線性增加。因此，以水蔥為主的植物浮床，適用于北運河這種水力停留時間相對較長的緩滯型河道水質凈化。

4 結論與分析

北運河武清城區段屬于緩滯型河道，沿線有污水廠尾水匯入，連續水質監測分析表明：在汛期，由于降雨徑流匯入影響，氨氮、總磷和COD大幅增加，水質不穩定，常出現超標；除汛期外，大部分時間水質能夠達到地表五類標準。因此，主要污染來源是汛期降雨徑流匯入，其次是沿線的污水廠尾水排放。

模擬北運河河道水流特征，開展不同植物、不同覆蓋比例、不同水力停留時間的水質凈化試驗，結果表明：水蔥為凈化北運河水質的優勢植物，當水力停留時間為24 h時，25%、50%以及67%覆蓋面積比例下氨氮、總磷和COD 的去除率分別為38.6%、57.6%、65.4%；總磷的去除率分別為57.9%、80%、88.9%；COD的去除率分別為43.2%、65.8%、76.5%。綜合考慮水質凈化效果和工程造價，25%覆蓋比例的處理方案更適合在研究河段示范應用。水力停留時間低于24 h時，25%覆蓋比例情況下對氨氮、總磷和COD的去除率呈線性變化，水力負荷參數分別為0.49、0.15、17 mg/(L·d)，試驗數據為后續示范工程在不同的水力停留時間下的凈化效果提供了設計依據。

本文的試驗研究數據可為后期開展的示范工程設計提供參考依據，在實際工程設計和建設中還需結合現場情況綜合考慮確定施工方案。在后續的試驗研究中，還需要考慮到秋冬季節低水溫對植物凈化效果的影響，以及植物的植齡等因素，以期得到更完整、更系統的凈化效果數據。

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